尚 勇 何 旭 劉福水 王建昕

（1-清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室北京100084 2-北京理工大學機械與車輛學院）

·研究·開發(fā)·

燃燒光學可視化技術在內燃機測試中的應用研究*

尚 勇1何 旭2劉福水2王建昕1

（1-清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室北京100084 2-北京理工大學機械與車輛學院）

通常內燃機的基礎研究采用試驗、仿真和理論計算相結合的方法進行。近年來，隨著燃燒光學可視化技術的日益發(fā)展，通過燃燒可視化測試，可對內燃機的噴霧、霧化、混合、點火、燃燒及排放機理進行深入探索，并對指導內燃機設計和仿真計算模型提供有力的數(shù)據(jù)支持。重點介紹了LIF和LII測試方法在內燃機基礎測試裝置上的應用，結合在定容燃燒彈上的光學測試，系統(tǒng)闡述了燃燒光學可視化技術在內燃機基礎研究中的必要性和有效性，并對燃燒光學可視化技術未來的應用前景進行了展望。

燃燒光學可視化內燃機測試

引言

在發(fā)動機研究工作中，如要獲得有應用前景的實用技術，必須深入基礎理論研究和進行創(chuàng)新性探索，加深對發(fā)動機缸內現(xiàn)象的認識和理解，這一切都依賴于整個工作過程的實時觀測與診斷。相比試驗、仿真和理論計算等研究方法，光學可視化技術具有不干擾被測對象、測試精度高、時間響應快、結果直觀形象等特點，尤其是近年來隨著以激光和CCD技術為代表的現(xiàn)代光學的發(fā)展，可視化技術已成為發(fā)動機測試的重要手段。目前，歐洲、美國、日本等發(fā)達國家越來越系統(tǒng)地開展缸內可視化研究，從原來的單點探測逐步發(fā)展為以激光測試技術為代表的二維激光片光診斷。我國近年來在缸內可視化技術取得了很大進展，但和國際水平相比還有較大差距，主要表現(xiàn)為測試裝置和激光測試技術的研發(fā)和應用。

先進的光學燃燒診斷實驗中心應配備燃燒器、燃燒彈、快速壓縮機、光學發(fā)動機和內窺鏡單缸機等5個實驗平臺，可進行激光誘導熒光（LIF）、激光誘導熾光（LII）、PIV粒子圖像測速、高速攝影、LDV/PDA等多種光學測試，全面研究進氣流動、噴霧特性、混合氣形成與分布、火焰形態(tài)、燃燒溫度場以及各種燃燒中間組分和生成物，對探索燃燒機理、指導發(fā)動機研發(fā)具有重要意義。

1 燃燒光學可視化方法

1.1 LIF測試方法

LIF（Laser Induced Fluorescence）測試方法的基本原理是：物質中分子受激光照射，從基態(tài)躍遷至高能態(tài)，但由于高能態(tài)不穩(wěn)定，分子由高能態(tài)通過輻射的方式釋放能量從而回到基態(tài)。與此同時，輻射伴有熒光發(fā)出，通過采集熒光強度可以得到濃度、溫度和組分等物理參數(shù)。LIF法的應用主要有燃燒組分和溫度場測試、噴霧和混合氣形成測試、氣液兩相測試和噴霧粒徑測試等。

在燃燒組分和溫度場測試中，研究熱點集中在NO-LIF、OH-LIF測試以及雙譜線溫度測試[1]。荷蘭內梅亨大學的K.Verbiezen于2007年在一臺重型柴油光學發(fā)動機上進行了NO-LIF定量測試，并通過數(shù)值模擬對激光束、熒光強度減弱以及壓力和溫度對熒光信號的影響進行了修正[2]。瑞典倫德大學的B.Li于2013年在一臺HCCI發(fā)動機上采用光裂解LIF技術進行了H2O2定量測試。試驗中采用泵浦激光器發(fā)出266 nm激光測試H2O2，同時采用探針激光器發(fā)出283 nm激光測試OH[3]。天津大學的唐青龍于2015年在一臺雙燃料光學發(fā)動機上進行了甲醛和羥基的LIF同時測試，試驗中采用泵浦染料激光器發(fā)出283 nm激光測試OH，同時采用Nd：YAG激光器發(fā)出355 nm激光測試甲醛[4]。德國埃爾蘭根-紐倫堡大學的J.Trost于2013年在一臺噴霧誘導的直噴點燃式發(fā)動機上采用雙譜線LIF法對氣體溫度進行了定量測試，該方法對于直觀了解混合氣空間分布是否均勻非常重要[5]。

在噴霧和混合氣形成測試中，法國石油研究所的Jean-Francois Le Coz于2001年在一臺定容燃燒彈系統(tǒng)中開展了汽油直噴噴霧的混合氣濃度測試[6]。德國ESYTEC公司的Thomas Blotevogel于2004年在一臺單缸氫氣光學發(fā)動機上采用平面激光誘導熒光法（PLIF）實現(xiàn)了混合氣形成測試[7]。國內最早開展噴霧和混合氣形成測試的是天津大學的汪洋等[8-9]于1996年進行了LIF法與傳統(tǒng)測試方法的對比以及在平面撞壁和曲面撞壁上的探索。清華大學的馬驍于2009年使用PLIF技術對缸內直噴液化石油氣（LPG）混合氣分布進行了定量研究[10]。該研究人員還于2010年建立了基于光學發(fā)動機的缸內平面激光誘導熒光法測試平臺，定量研究了直噴汽油機在不同噴射策略下的混合氣分布，并對示蹤劑的選擇和標定方法進行了系統(tǒng)論述[11]。

隨著LIF技術的發(fā)展，氣液兩相測試成為近年來的研究熱點。法國雷諾動力公司的David Gervais于2002年在一臺DISI光學發(fā)動機上對LIF和LIEF兩種激光測試方法進行了比較，發(fā)現(xiàn)由于LIF數(shù)據(jù)受到高密度的液相信號干擾，影響了對氣相信號的測試，而LIEF數(shù)據(jù)卻不受影響[12]。德國博世公司的Philipp Rogler于2007年在定容燃燒彈試驗平臺上實現(xiàn)了GDI噴霧的LIEF氣液兩相噴霧的三維測試[13]。天津大學的孫田于2010年建立了定容燃燒彈中熒光強度和噴霧濃度間的定量標定方法，得到了柴油噴霧氣、液相濃度量化數(shù)值，并對影響標定的各因素開展了量化研究[14]。利用以上標定方法，該研究人員于同年深入開展了噴油壓力、噴孔直徑、環(huán)境密度和環(huán)境溫度對噴霧特性影響的定量研究[15]。更進一步地，該研究人員于2011年利用平面復合激光誘導熒光法（PLIEF）對BUMP燃燒室進行了柴油噴霧的氣液兩相濃度測試，并對燃燒室形狀和二次撞壁距離對氣液兩相濃度分布的影響規(guī)律進行了研究[16]。

結合Mie散射測試技術，形成了一種光學測試新技術：LSD測試技術，即LIF/Mie散射法。利用LIF技術得到的熒光強度與液滴體積（d3）相關，同理，Mie散射技術得到的散射光強與液滴表面積（d2）相關。將兩者相除便可以得到一個和光學系統(tǒng)參數(shù)k與液滴粒徑（d）的乘積，通過標定得出k值便可以利用LSD法測試噴霧場的液滴分布及粒徑平均索特直徑SMD（D32）的大小，如公式1所示。西班牙瓦倫西亞的Jose V.Pastor于2009年對用于SMD測試中的LSD法提出了校正方法，發(fā)現(xiàn)該方法尤其適用于柴油的密集噴霧[17]。北京理工大學的劉海于2014年利用LSD技術，在定容燃燒彈上，研究了噴孔直徑、背景壓力和噴油壓力等因素對柴油噴霧宏觀幾何特性和噴霧場中液滴粒徑大小分布的影響[18]。

1.2 LII測試方法

LII（Laser Induced Incandescence）測試方法的基本原理是：碳煙粒子受激光照射，溫度迅速上升至4 000 K，同時發(fā)出黑體輻射，通過采集黑體輻射信號可以得到碳煙的體積分數(shù)和粒徑大小等物理參數(shù)。

國外最早開展LII研究的是美國聯(lián)合技術研究中心的Eckbreth等[19]于1977年提出激光加熱粒子的設想。美國德克薩斯大學的Melton等[20]于1984年提出激光加熱粒子在碳煙體積分數(shù)測試中的應用前景。

清華大學的何旭等于2009年建立了一套LII二維測試系統(tǒng)，根據(jù)雙色測溫原理，在燃燒器平臺上對二維碳煙分布圖像進行了標定，獲得了定量碳煙體積分數(shù)[21]。華中科技大學的陳亮等于2012年在定容燃燒彈平臺上通過LII測試技術，對柴油噴霧燃燒火焰及碳煙分布進行了測試，并研究了在不同環(huán)境溫度、環(huán)境壓力和噴油壓力下，燃燒火焰和油氣混合特性對碳煙生成和分布的影響規(guī)律[22]。天津大學的唐青龍等于2015年建立了一套基于雙色法-LII法的柴油機缸內碳煙測試系統(tǒng)，在光學發(fā)動機上實現(xiàn)了多點標定和全視場的碳煙體積分數(shù)測量[23]。

LII技術近年來又得到了諸多研究方向上的拓展。北京理工大學的何旭等于2012年建立了LII測試的數(shù)學模型，通過該模型對入射激光波長、激光能量密度和初始粒徑對碳煙粒子加熱過程的影響進行了研究[24]。北京理工大學的李紅梅等于2013年通過對比碳煙粒徑的LII測試結果和探針快速采樣的電子顯微鏡測試結果，發(fā)現(xiàn)測試結果趨勢一致，僅在數(shù)值上略有差異，驗證了LII測試技術的有效性[25]。北京理工大學的高永利等于2014年提出了確定最佳激光能量密度選擇在LII測試中的必要性，在燃燒器平臺上研究了不同激光能量密度對乙烯層流擴散火焰中的碳煙主小球粒徑的影響，為進一步測試碳煙主小球粒徑奠定了研究基礎[26]。美國桑迪亞國家實驗室的H.A.Michelsen于2015年在一篇綜述性文章中介紹了LII技術的基本原理和基于該技術的工業(yè)應用。文章中介紹了燃燒診斷和排放測試中應用最為廣泛的脈沖激光激發(fā)的LII技術和最新用于碳黑測試的連續(xù)波激光LII技術。指出LII技術的研究方向包括：碳煙的體積和質量分數(shù)、主小球粒徑、總體粒徑以及顆粒組成和混合狀態(tài)。LII的應用領域主要包括：火焰、內燃機、廢氣、大氣環(huán)境、工程納米顆粒和懸浮液等[27]。

觀測方案對GPS-RTK系統(tǒng)的測量精度和可靠性具有一定的影響，主要影響因素包括歷元數(shù)、坐標系統(tǒng)的選擇、觀測次數(shù)及基準站位置等方面。

2 燃燒光學可視化技術的應用

2.1 試驗系統(tǒng)

發(fā)動機缸內過程十分復雜，為實現(xiàn)簡單操作，通常采用定容燃燒彈（Constant Volume Combustion Vessel）來模擬活塞在上止點附近的發(fā)動機噴霧和燃燒情況。定容燃燒彈為一個開有石英觀察窗口的高強度容器，如圖1所示。該定容燃燒彈由北京比特英泰動力技術有限公司制造，在定容燃燒彈內通過直接加熱或者點燃預混合氣，形成熱氛圍，模擬發(fā)動機在上止點附近的高溫高壓狀態(tài)。定容燃燒彈結構簡單，溫度壓力便于精確控制，且石英玻璃視窗上的油污、水蒸汽或碳煙易于清除，所以得到了廣泛的應用。

圖1 定容燃燒彈

定容燃燒彈系統(tǒng)可進行多種噴霧和燃燒測試，包括：1）密度場紋影測試，2）燃燒火焰形態(tài)高速攝影，3）噴霧粒徑LIF測試，4）混合氣濃度LIEF測試，5）碳煙濃度、粒徑LII測試，6）噴霧粒徑PDPA測試，7）噴霧形態(tài)激光Mie散射測試，8）噴霧速度場PIV測試。

2.2 應用

在定容燃燒彈系統(tǒng)平臺上，分別采用LIEF、LSD和LII測試技術，進行氣液兩相測試、噴霧粒徑和碳煙體積分布測試。

2.2.1 LIEF測試技術的應用

圖2所示為LIEF測試的定容燃燒彈試驗系統(tǒng)圖。該測試系統(tǒng)包括定容燃燒彈系統(tǒng)、加熱及冷卻系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和激光設備等。

表1 LIEF試驗工況表

通過LIEF測試系統(tǒng)拍攝得到氣相和液相圖像，如圖3所示。

通過氣液相的圖像處理，可以得到不同時空分布上的混合氣濃度數(shù)值，為評價發(fā)動機油氣混合充分程度提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖2 LIEF測試的定容燃燒彈試驗系統(tǒng)示意圖

圖3 LIEF測試系統(tǒng)拍攝所得氣相和液相圖像

2.2.2 LSD測試技術的應用

圖4為LSD測試的定容燃燒彈試驗系統(tǒng)示意圖。該測試系統(tǒng)包括定容燃燒彈系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、Nd：YAG激光器和ICCD相機等。

試驗工況如表2所示。

圖5為Mie散射和LIF測試圖像。

圖4 LSD測試的定容燃燒彈試驗系統(tǒng)示意圖

圖5 Mie散射和LIF測試圖像

表2 LSD試驗工況表

通過Mie散射和LIF的圖像處理，可以得到噴霧SMD分布圖像，根據(jù)SMD分布圖像可對噴霧SMD分布進行不同時間下的統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理，得到不同時刻的SMD統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為噴霧孔徑在不同燃燒室中的匹配提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2.3 LII測試技術的應用

圖6所示為LII測試的定容燃燒彈試驗系統(tǒng)示意圖。該測試系統(tǒng)包括定容燃燒彈系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、Nd：YAG激光器和ICCD相機等。

試驗工況如表3所示。

分別采用LII測試技術和高速攝影技術對柴油著火圖像進行拍攝，圖7為LII測試圖像和高速攝影圖像。

圖6 LII測試系統(tǒng)圖

表3 LII試驗工況表

通過LII測試，可以得到碳煙的粒徑信息，結合高速攝影的火焰圖像，可以得到不同空間分布下的碳煙分布，對發(fā)動機排放控制起到重要作用。

圖7 LII測試圖像和高速攝影圖像

3 結論

通過對激光誘導熒光（LIF）和激光誘導熾光（LII）的基本原理和研究狀況進行探討，并對這兩種技術在燃燒光學可視化領域中的定容燃燒彈應用進行分析，得出如下結論：

1）隨著激光技術的發(fā)展，燃燒光學可視化技術在內燃機基礎燃燒領域中的重要性不斷提高，該技術可與模擬計算、常規(guī)發(fā)動機試驗和理論計算互為補充，互相驗證。

2）燃燒光學可視化技術正向著多種激光測試技術相結合的方向發(fā)展。

3）未來還會涌現(xiàn)出更多種類的燃燒光學可視化技術，用于內燃機基礎燃燒領域的研究，甚至延伸至其他研究領域中。

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10馬驍，何旭，齊運亮，等.用激光誘導熒光法研究缸內直噴LPG混合氣分布[J].內燃機學報，2009，27（6）：481-486

11馬驍，何旭，王建昕，等.用激光誘導熒光法測量GDI發(fā)動機缸內混合氣分布[J].內燃機工程，2010，31（4）：1-5，10

12David Gervais,Patrick Gastaldi.A comparison of two quantitative laser induced fluorescence techniques applied to a new air guided direct injection SI combustion chamber[C].SAE Paper 2002-01-0750

13 Philipp Rogler，Roman Grzeszik，Stefan arndt，et al.3D analysis of vapor and liquid phase of GDI injectors using laser induced exciplex fluorescence tomography in a high pressure/ high temperature spray chamber[C].SAE Paper 2007-01-1827

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15孫田，蘇萬華，郭紅松，等.復合激光誘導熒光定量標定技術及其對噴霧特性的研究Ⅱ：噴射參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對噴霧特性的定量分析[J].內燃機學報，2010，28（1）：10-19

16孫田，郭焱，李國華，等.BUMP燃燒室內柴油噴霧氣液相缸內濃度場測量激光誘導熒光法的實現(xiàn)和研究[J].小型內燃機與摩托車，2011，40（2）：1-5

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18劉海.基于激光診斷技術的高壓共軌柴油機噴霧特性研究[D].北京：北京理工大學，2014

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Research on the Application of Combustion Optical Visualization Technology in the Test of Internal Combustion Engine

Shang Yong1,He Xu2,Liu Fushui2,Wang Jianxin1
1-State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University(Beijing,100084,China) 2-School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology

Usually internal combustion engine is studied by experiment,simulation and theoretical calculation.In recent years,with the increasing development of optical visualization technology,it can be used to research on the mechanism of spray,atomization,mixing,ignition,combustion and emissions of internal combustion engine.The application of LIF and LII testing method on the basis of internal combustion engine is introduced in this paper,combined with several application cases in constant volume combustion vessel.The necessity and validity of the combustion optical visualization technology in the basic research of internal combustion engine is discussed.The application future of combustion optical visualization technology is also prospected.

Combustion,Optical visualization technology,Internal combustion engine,Test

TK464

A

2095-8234（2016）05-0001-07

2016-08-08）

中國博士后科學基金資助項目（2015M581091）。

尚勇（1982—），男，博士后，主要研究方向為發(fā)動機工作過程可視化。

王建昕（1953—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為發(fā)動機燃燒與排放測試。