宋東先　謝　輝　鄒　慶　武陳韜（天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室天津300072）

·研究·開發(fā)·

單線雙示蹤粒子PLIF測溫技術(shù)的開發(fā)

宋東先謝輝鄒慶武陳韜
（天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室天津300072）

在一臺改造的四缸汽油機上開發(fā)了基于PLIF技術(shù)的單線雙示蹤粒子測溫技術(shù)，該技術(shù)采用Nd：YAG激光器的266 nm波長激光作為激發(fā)光源，使用3-戊酮和TEA作為示蹤粒子，在CCD相機前加入雙像器可以在只有一臺CCD相機的情況下同時獲得兩種示蹤粒子的熒光圖片，并標(biāo)定了雙像器的光強透過曲線，利用數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器對激光器和CCD相機之間的延遲進行精確設(shè)定保證可以拍攝到熒光信號。在發(fā)動機上拍攝某工況進氣壓縮過程不同曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)溫度分布，并與仿真的平均溫度值進行對比，結(jié)果表明平均熒光比值可以反映缸內(nèi)平均溫度的變化歷程。

激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測溫技術(shù)示蹤粒子

引言

對發(fā)動機缸內(nèi)充量分布和溫度分布的了解，必須借助于先進的測量手段，而發(fā)動機本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、高速運動的部件和高溫高壓的環(huán)境對缸內(nèi)狀態(tài)的測量提出了更高的要求。而20世紀60年代激光技術(shù)的誕生和發(fā)展，憑借激光出色的單色性、相干性和方向性，使得激光測量技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，其最大的特點是對測量對象的無干擾性和高測量精度。從20世紀70年代開始，激光測試技術(shù)開始應(yīng)用于發(fā)動機上，對缸內(nèi)速度場、濃度場和溫度場進行激光測量也成為可能。

目前缸內(nèi)流動的激光測量技術(shù)趨于成熟，例如激光粒子測速（PIV）技術(shù)近10年得到了迅猛的發(fā)展，商業(yè)化的PIV設(shè)備推動了PIV技術(shù)的應(yīng)用［1-3］，同時激光器和相機的時間分辨率的提高使得基于曲軸轉(zhuǎn)角的PIV測量技術(shù)成為測量流動循環(huán)變動的重要手段。而缸內(nèi)濃度場的光學(xué)測量也在科研中得到了廣泛的應(yīng)用，從20世紀90年代中期開始，缸內(nèi)燃油分布的測量也逐漸應(yīng)用到內(nèi)燃機的基礎(chǔ)研究中［4-6］，但是缸內(nèi)溫度分布的激光測量在發(fā)動機應(yīng)用較少。對缸內(nèi)溫度分布的光學(xué)測量可以采用瑞利散射技術(shù)或者激光誘導(dǎo)熒光（LIF）技術(shù)，采用瑞利散射技術(shù)用于發(fā)動機測量會產(chǎn)生較大的誤差，原因是發(fā)動機其他組件的散射光對測量信號的干擾，它會錯誤地提高信號強度，使溫度測量結(jié)果偏小。本文在一臺發(fā)動機上，設(shè)計開發(fā)了一套基于LIF技術(shù)的單激光雙示蹤粒子測試系統(tǒng)，用于對缸內(nèi)二維溫度場分布進行測量。

1　PLIF測溫理論基礎(chǔ)

PLIF主要根據(jù)示蹤粒子的熒光強度在不同溫度下會發(fā)生變化的特性對溫度場進行測量。

當(dāng)熒光被激光片光源激發(fā)產(chǎn)生二維的熒光圖片之后，PLIF測量的熒光強度可以用下式表示：

如果對于上式的每個量都能定量計算，那么可以通過上式計算出溫度值，這種技術(shù)已經(jīng)在一個可控的實驗中使用過，但是在發(fā)動機中的環(huán)境是不可控的，而且分子的分布也是不均勻的，所以無法精確地通過上式進行推導(dǎo)。同時，分子吸收截面積和熒光量子效率在某種溫度、壓力和混合物組分下是很難定量估計的。

為了克服上述溫度測量的困難，采用了兩種測量比值的方法。在同一個區(qū)域采用兩種PLIF進行測量，之后在已知的環(huán)境下對該比值進行標(biāo)定。

其中λ1和λ2分別表示兩個測量中激光的波長。兩個PLIF測量的比值可以用上式表示，可以將該式分為3個屬性：

激光屬性與激發(fā)激光的波長和能量相關(guān)，檢測系統(tǒng)屬性與熒光檢測系統(tǒng)的布置及硬件相關(guān)，剩下的熒光屬性與吸收截面積以及熒光量子效率有關(guān)，而二者的值都是具有溫度依賴性的，兩個測量的熒光屬性對熒光的依賴程度是不同的，所以其比值是溫度的函數(shù)。如式（3）所示，可以將溫度與標(biāo)定狀態(tài)的比值聯(lián)系起來，其中Ccal表示式子中的其他常數(shù)。對于上述方法的實現(xiàn)，可以同時引入兩種示蹤粒子，而只采用一種激發(fā)激光，通過選擇合適的示蹤粒子組合，其熒光的比值是溫度的函數(shù)，該方法的主要優(yōu)勢是不存在激光能量的差異，不需要對激光能量進行監(jiān)控，簡化了實驗裝置，也減少了實驗結(jié)果的不確定性。

2　試驗裝置

2.1發(fā)動機測量系統(tǒng)

為了在發(fā)動機上實現(xiàn)該測量技術(shù)，對發(fā)動機進行改造，為測量技術(shù)的實現(xiàn)提供必要的光學(xué)通道?；谒母灼彤a(chǎn)品發(fā)動機改造后的整個試驗系統(tǒng)如圖1所示，光學(xué)通道采用側(cè)面窗口與活塞窗口結(jié)合的方式。在原機活塞上方安裝有加長活塞，加長活塞中間開槽部分用于放置45°反射鏡。反射鏡可以將燃燒室內(nèi)的信息反射到圖像收集系統(tǒng)中去，在激光誘導(dǎo)熒光試驗中，熒光范圍一般是在紫外和可見光范圍，因此反射鏡必須在紫外光和可見光具有較高的反射率。發(fā)動機缸套的上部分采用圓形的光學(xué)玻璃缸套，用來為激光光源的進入提供光學(xué)通道。進氣加熱系統(tǒng)在一個圓柱型加熱罐中裝有6根空氣加熱棒，每個加熱棒的功率為0.6 kW，共計3.6 kW。在進氣道口處裝有熱電偶，用于測量穩(wěn)態(tài)的溫度值，并反饋給溫度控制單元，溫度控制單元根據(jù)溫度值進行加熱控制，保證進氣道處溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度。

圖1　試驗系統(tǒng)布置圖

發(fā)動機ECU采用自主開發(fā)的汽油機電控管理系統(tǒng)開發(fā)，該系統(tǒng)采用英飛凌公司32位三核高效能微處理器TC1766，采用標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)體系，實時多任務(wù)調(diào)度和對電源電壓良好的適應(yīng)性，其適用于四缸汽油機的控制，可以對噴油、點火信號進行實時的調(diào)整，同時根據(jù)光學(xué)測量的需要將另外三缸的噴油信號改造成一個觸發(fā)信號，用于發(fā)動機PLIF系統(tǒng)的控制。

2.2激光測試系統(tǒng)

激光器采用光譜物理PRO系列激光器，激光系統(tǒng)發(fā)出激光后首先經(jīng)過一個玻璃鏡片，該鏡片可以反射13%的激光能量到NEWSPORT的功率計上，對激光能量進行持續(xù)性的監(jiān)控，之后經(jīng)過高度調(diào)整系統(tǒng)，使片光源的入射光與在預(yù)定位置入射到燃燒室中，激光器發(fā)出的激光經(jīng)片光源成型光路后穿過光學(xué)石英玻璃缸套進入缸內(nèi)，激光器和相機之前的時序控制采用數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器（DG645），用來對激光器和相機的觸發(fā)進行ns級的精確控制，使相機能夠在熒光壽命期內(nèi)準(zhǔn)確接受到熒光信號，試驗中采用Andor相機，采用外觸發(fā)連續(xù)拍攝模式，拍攝門寬設(shè)定為2 μs。相機使用XY-100紫外鏡頭，前端裝有雙像器，可以同時獲得兩種示蹤粒子的熒光圖片，通過對兩張熒光圖片的對比得到溫度分布。

3　測溫技術(shù)開發(fā)

3.1示蹤粒子選擇

由于示蹤粒子的選擇對單線雙示蹤粒子的測溫精度影響很大，因此需要對兩種示蹤粒子的選擇做充分的考慮。

首先，兩種示蹤粒子必須具有不同的熒光光譜范圍，便于兩種熒光的分離。另外，兩種熒光必須具有不同的溫度依賴性，這樣可以使熒光比值是溫度的單調(diào)函數(shù)，最好兩種示蹤粒子不易受到氧氣淬滅效應(yīng)的影響。如果存在影響的話，需要對影響程度做出估計，不過這會對測溫的精度產(chǎn)生影響，因為當(dāng)?shù)匮鯕獾拇銣缧?yīng)是很難估計的，特別是在發(fā)動機內(nèi)充量分布不均勻的情況下。

但是常用的示蹤粒子似乎都存在上述的問題，常用的示蹤粒子包括丙酮、3-戊酮、biacetyl，甲苯、萘和TEA和乙醛。其中丙酮、3-戊酮和乙醛在它們的光譜范圍上有很大的重疊，所以在雙示蹤粒子測溫中這些示蹤粒子中只能選擇一個。而biacetyl的吸收光譜與其他示蹤粒子相比有明顯的紅移，所以無法與其他示蹤粒子采用相同的激光進行激發(fā)。剩下的示蹤粒子甲苯、萘和TEA也具有相同的熒光光譜，但是與酮類的熒光光譜有所不同，但是它們會受到氧分子的淬滅效應(yīng)的影響。因此，最終選用的兩種示蹤粒子，需要具有相同的吸收光譜和不同的熒光光譜，總會有一種示蹤粒子受到氧氣淬滅效應(yīng)的影響。而丙酮、3-戊酮，甲苯、萘和TEA都有不同的溫度依賴性。

其次選擇3-戊酮作為第一種示蹤粒子，因為與丙酮相比，它具有更接近異辛烷的物理性質(zhì)。實驗中3-戊酮摻入的體積比是20%，之后在甲苯、萘和TEA中需要選擇另外一種示蹤粒子。Randy等人［7］對幾種組合下的熒光比值對溫度的敏感度進行了測試，由于甲苯的吸收截面積大于3-戊酮，所以混合比例較?。?%）。為了便于三種示蹤粒子的比較，甲苯和萘的混合體積比也為2%，對三種示蹤粒子的組合-3-戊酮/甲苯，3-戊酮/萘，3-戊酮/TEA，三種組合下的熒光比值是在不同的進氣溫度下，三種不同壓力值下測量的。圖2是在1 500 kPa下，三種組合隨進氣溫度變化的熒光比值的變化規(guī)律。很明顯可以看到，3-戊酮/TEA組合的熒光比值對溫度的敏感性更高，在測量的溫度范圍內(nèi)，其熒光比值增加了90%，而另外兩種組合的增長只有40%。因此試驗中選用3-戊酮和TEA作為是示蹤粒子。

3.2時序系統(tǒng)設(shè)定

時序控制信號的基礎(chǔ)源信號來自發(fā)動機控制單元（ECU）的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號的觸發(fā)角度由上位機設(shè)定。發(fā)動機ECU是在多缸汽油機ECU的基礎(chǔ)上重新設(shè)計使用的，其中一缸的噴油信號改造成了觸發(fā)信號，觸發(fā)信號通過一個下降沿對DG645進行觸發(fā)，DG645接收到發(fā)動機的信號后立刻通過一個輸出通道發(fā)出一個上升沿對激光器的閃光燈進行觸發(fā)，之后經(jīng)過210 μs以后，再通過一個輸出通道利用上升沿觸發(fā)Q-switch，如圖2所示。

圖2　測溫系統(tǒng)時序設(shè)定圖

由于ECU發(fā)出的信號在600 r/min時是5 Hz，而激光器的觸發(fā)信號是10 Hz，所以需要對DG645的信號進倍頻，因此采用了其BURST功能，BURST模式下設(shè)定延遲時間為100 ms，因此可以保證在發(fā)動機600 r/min時可以通過DG645得到10 Hz的信號，對激光器進行觸發(fā)。

DG645在給激光器發(fā)出觸發(fā)信號之后，也需要對相機做出觸發(fā)操作，這需要對延遲時間進行精確測定，對該時間的確定需要估計激光收到信號到發(fā)射所需要的時間以及相機收到信號進行拍攝的延遲時間，經(jīng)過實驗測定該延遲時間D為210.17 μs。

3.3雙相器的標(biāo)定

雙像器的作用是同時接受兩種示蹤粒子發(fā)出的熒光（如圖3所示），其前端有兩個接口，分別放置接受兩種熒光所需的濾光片。兩束光通過兩個棱鏡反射到相機中，形成兩個像。其成像光路決定了在不同的CCD接受位置，雙像器的光通量是不同的，為了了解雙像器的成像特性，在靜態(tài)情況下對其成像效果進行了測試。成像效果表明，當(dāng)成像靠近雙像器中部的時候，圖像亮度明顯降低，即雙像器光路的光強透過率與成像點距離成像中心位置有關(guān)。因此對雙像器的透過率進行標(biāo)定。標(biāo)定過程如下：

1）在無雙像器情況下，調(diào)整焦距拍攝目標(biāo)位置的清晰圖片。

2）安裝雙像器，調(diào)整雙像器上的四個旋鈕，使所成的兩個像分別位于成像區(qū)域的兩側(cè)，并使其空間位置對應(yīng)。

3）調(diào)整焦距，使拍攝目標(biāo)清晰。

4）將安裝雙像器后拍攝的圖片，與無雙像器的圖像在空間上對應(yīng)，在分別減去背景后，計算二者的比值，得到雙像器的透過率曲線。

圖3　雙像器實物

標(biāo)定結(jié)果如圖4所示，雙像器兩個成像孔上下放置，圖中橫坐標(biāo)表示下半部分成像位置距離中心線的距離，可以看到在中心處透過率較低，隨著成像位置原來中心，光強透過率越高。

圖4　雙像器透過率曲線

4　測溫結(jié)果

為了驗證該測溫技術(shù)的可行性，在發(fā)動機上進行了測溫試驗，測試了發(fā)動機進氣壓縮的過程的缸內(nèi)溫度分布。試驗過程中，在固定的曲軸轉(zhuǎn)角下分別拍攝20張背景圖片（不噴射燃油）和20張熒光圖片（噴射燃油），對背景圖片進行平均處理得到平均背景圖片，每張熒光圖片減去平均背景圖片后再進行20張熒光圖片的平均處理得到該曲軸轉(zhuǎn)角下的最終熒光圖片，并計算兩部分圖片的熒光強度比值。燃料中按照體積比加入20%的3-戊酮，6%的TEA以及74%的異辛烷。利用熱力學(xué)推算出各個曲軸轉(zhuǎn)角下的平均溫度，將平均溫度與平均熒光比值相對應(yīng)，如圖5所示?？梢钥闯鰺晒獗戎悼梢苑从硿囟鹊淖兓瘹v程，說明單線雙示蹤粒子的熒光比值可以很好地反映溫度變化，同時也可以觀察到缸內(nèi)溫度分布存在很大的不均勻性。但是以上的測量結(jié)果仍然存在問題，首先TEA與3-戊酮的熒光比值過低，比值的變化范圍從0.5到1.0，說明熒光比值對溫度的敏感性不夠，很容易造成測量誤差，分析其原因認為主要是由TEA的濾光片的透過率過低造成的，該實驗中接受TEA熒光所需的濾光片是289±10nm的窄帶濾光片，其峰值透過率只有15%。雖然TEA的吸收截面積要遠大于3-戊酮，但是濃度上以及濾光片上的差別使得其熒光信號很低。

圖5　進氣壓縮過程熒光比值與熱力學(xué)計算溫度值對比曲線

5　結(jié)論

1）通過對傳統(tǒng)汽油機進行改造，得到了適用于激光測試技術(shù)應(yīng)用的發(fā)動機系統(tǒng)，光學(xué)缸套為激光片光源提供進入通道，加長活塞內(nèi)部放置的45°反射鏡可以將熒光信號反射并采用CCD進行收集。

2）詳細論述了單線雙示蹤粒子測溫技術(shù)的示蹤粒子的選擇，3-戊酮和TEA的示蹤粒子組合具有溫度敏感性高的特點，在本技術(shù)中得到應(yīng)用。

3）制定了測溫技術(shù)的關(guān)鍵細節(jié)，包括關(guān)鍵設(shè)備的選擇、系統(tǒng)時序設(shè)定和雙像器的標(biāo)定等。

4）將該測溫技術(shù)在發(fā)動機上進行了應(yīng)用，測試了發(fā)動機進氣壓縮的過程的缸內(nèi)溫度分布，熒光比值實可以反映溫度的變化歷程，證明了該技術(shù)的可行性。

1D.P.Towers，C.E.Towers.Cyclic variability measurements of in-cylinder engine flows using high-speed particle image velocimetry［J］.Meas.Sci.Technol.2004，15（9）:1917-1925

2Phil.Stansfield.，Graham Wigley，Tim Justham，et al.PIV analysis of in-cylinder flow structures over a range of realistic engine speeds［J］.Exp Fluids，2007，43（1）:135-146

3M.Reeves，D.P.Towers，B.Tavender.，et al.A high-speed all-digital technique for cycle-resolved 2-D flow measurement and flow visualization within SI engine cylinders［J］. Optics and Lasers in Engineering，1999，31（4）:247-261

4Deschamps，B.，Snyder，R.，Baritaud，T.Effect of flow and gasoline stratification on combustion in a 4-valve SI engine［C］.SAE Paper 941993

5Hishinuma，H.，Urushihara T.，Kaduho A.，et al.Development of a technique for quantifying A/F ratio distribution using LIF image processing［J］.JSAE Review，1996，17（4）: 355-359

6Anders Hultqvist，Magnus Christenen，Bengt Johansson.The HCCI combustion process in a single cycle-speed fuel tracer LIF and chemiluminescence imaging［C］.SAE Paper 2002-01-0424

7Randy E.Herold.Optical investigations of the effects of stratification on homogeneous charge compression ignition combustion［D］.University of Wisconsin，2008

The Development of Single-Line Two Tracers PLIF Temperature Measurement Technology in an Optical Engine

Song Dongxian，Xie Hui，Zou Qingwu，Chen Tao
State Key Laboratory of Engines，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

The single-line two tracers PLIF temperature measurement technology was developed in a modified four-cylinder gasoline engine.The technology used Nd:YAG laser to produce 266nm length laser beam as the light source and 3-pentone and TEA were used as the tracers.Double imager was set before the CCD camera which could get two images at one time in one CCD camera and the light transmission curve of double-imager was calibrated.The digital pulse delay generator 645 has set accurate delay to get fluorescence signal.The technology was used in an optical engine to measure in-cylinder temperature distribution at different crank angle and the average temperature was also simulated.The results showed that the average fluorescence ratio curve at different curves were corresponded to the average curve.

Laser induced fluorescence，Temperature measurement technology，Tracer

TK411

A

2095-8234（2015）04-0001-06

2015-03-17）

宋東先（1982-），男，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機燃燒過程診斷。