吳東遠(yuǎn)， 李雪松， 董雪， 許敏

(1. 上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240；2. 明尼蘇達(dá)大學(xué)托馬斯·墨菲發(fā)動(dòng)機(jī)研究實(shí)驗(yàn)室， 明尼阿波利斯 55414)

快速壓縮(膨脹)機(jī)的湍流問題和光學(xué)診斷優(yōu)化方法

吳東遠(yuǎn)1， 李雪松2， 董雪1， 許敏1

(1. 上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240；2. 明尼蘇達(dá)大學(xué)托馬斯·墨菲發(fā)動(dòng)機(jī)研究實(shí)驗(yàn)室， 明尼阿波利斯 55414)

回顧了典型快速壓縮(膨脹)機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)特征，并闡述了快速壓縮(膨脹)機(jī)運(yùn)行時(shí)缸內(nèi)存在的湍流問題。此外，結(jié)合各研究實(shí)例中的典型測(cè)試方法，重點(diǎn)介紹了在快速壓縮(膨脹)機(jī)研究中用于速度場(chǎng)、溫度和濃度測(cè)量的光學(xué)診斷技術(shù)，并闡述了目前光學(xué)診斷技術(shù)應(yīng)用于快速壓縮(膨脹)機(jī)的測(cè)試能力及其局限性。

快速壓縮(膨脹)機(jī)； 光學(xué)診斷； 湍流； 流場(chǎng)測(cè)量

隨著世界范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境問題以及能源可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)一步關(guān)注，利用新能源，例如電能、氫能、或天然氣等其他替代能源驅(qū)動(dòng)車輛的方法正在受到較多的關(guān)注。然而，不可否認(rèn)的是，新技術(shù)尚存在各種各樣的問題，利用新興能源是否可以降低排放仍有待探討。傳統(tǒng)碳?xì)淙剂习l(fā)動(dòng)機(jī)在很長的一段時(shí)間內(nèi)仍將在汽車行業(yè)中處于主導(dǎo)地位。因此，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排不應(yīng)只是依賴新式能源，同時(shí)也應(yīng)針對(duì)現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)技術(shù)進(jìn)行改良，以實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化利用的目的。

在直噴汽油機(jī)系統(tǒng)中，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，研究者們?cè)絹碓蕉嗟仃P(guān)注顆粒物排放較多的工況，如冷起動(dòng)[1]。此外，隨著壓縮比的提高，爆震診斷也成為近年來的研究重點(diǎn)。無論是控制顆粒物排放還是抑制爆震，都需要對(duì)缸內(nèi)燃燒的瞬態(tài)過程進(jìn)行充分研究。例如，為尋求減少顆粒物排放的途徑，需要對(duì)燃燒反應(yīng)中某些關(guān)鍵自由基以及炭黑顆粒的瞬態(tài)濃度及溫度分布有充分的掌握。近些年來，國際上越來越多的學(xué)者選擇采用快速壓縮(膨脹)機(jī)(rapid compression(expansion)machine)作為試驗(yàn)平臺(tái)?？焖賶嚎s(膨脹)機(jī)是針對(duì)內(nèi)燃機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)設(shè)備。相比于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒室結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，因此更適合用來驗(yàn)證計(jì)算模型；而且缸蓋的可視化設(shè)計(jì)更易于進(jìn)行缸內(nèi)診斷；此外，快速壓縮(膨脹)機(jī)的起始條件以及壁溫等邊界條件更容易控制。

快速壓縮機(jī)與一般單缸內(nèi)燃機(jī)相似，通過控制活塞運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)可控燃燒。為了更精確地控制活塞運(yùn)動(dòng)，快速壓縮(膨脹)機(jī)一般利用液壓控制和氣壓控制實(shí)現(xiàn)預(yù)期燃燒?？焖賶嚎s(膨脹)機(jī)多被用于反應(yīng)機(jī)理研究，然而相比其他燃燒分析設(shè)備，如激波管以及管式反應(yīng)器，應(yīng)用快速壓縮(膨脹)機(jī)進(jìn)行機(jī)理分析尚存在一定的局限性。造成這種局限性的主要原因之一是快速壓縮(膨脹)機(jī)運(yùn)行過程中在缸內(nèi)存在的湍流問題。盡管快速壓縮(膨脹)機(jī)設(shè)計(jì)的初衷是消除湍流的影響進(jìn)行均質(zhì)燃燒， 然而目前的快速壓縮(膨脹)機(jī)設(shè)計(jì)并不能完全有效消除湍流。這一觀點(diǎn)也逐漸被學(xué)術(shù)界加以討論并給予認(rèn)可[2-6]。

目前，對(duì)于快速壓縮機(jī)內(nèi)殘余湍流的研究仍處于發(fā)展階段。Grogan等[2]對(duì)快速壓縮機(jī)缸內(nèi)湍流Re數(shù)及Da數(shù)進(jìn)行了研究，并將缸內(nèi)燃燒情況按Re數(shù)和Da數(shù)進(jìn)行燃燒區(qū)域劃分。本研究對(duì)多臺(tái)不同的快速壓縮(膨脹)機(jī)進(jìn)行工況分析，認(rèn)為列舉的快速壓縮(膨脹)機(jī)試驗(yàn)中均存在一定程度的湍流干擾，并不能完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期的均質(zhì)燃燒。同樣的結(jié)論也被Jeffery等人[3]加以深入探討。因此，深入了解快速壓縮(膨脹)機(jī)內(nèi)的湍流現(xiàn)象對(duì)提高設(shè)備性能、深化理論理解等具有重要意義；同時(shí)，此項(xiàng)研究會(huì)為新一代燃燒模式以及新一代車用發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和開發(fā)奠定重要的理論基礎(chǔ)，從而有助于實(shí)現(xiàn)我國能源戰(zhàn)略與發(fā)展要求。

由于缸內(nèi)燃燒的強(qiáng)烈瞬態(tài)特性，傳統(tǒng)診斷手段，如熱電偶，由于其侵入性及不理想的時(shí)間響應(yīng)等問題，很難被應(yīng)用在快速壓縮(膨脹)機(jī)的研究中[7]。其他類型傳感器，例如壓力傳感器，僅能提供有限的整體設(shè)備運(yùn)行信息，而不能提供空間解析能力。近年來，隨著激光和成像技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)診斷憑借其非侵入式、高時(shí)間/空間分辨率、選擇性強(qiáng)的特點(diǎn)，受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前，光學(xué)診斷技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)及快速壓縮(膨脹)機(jī)缸內(nèi)的瞬時(shí)溫度測(cè)量、中間產(chǎn)物濃度測(cè)量、速度場(chǎng)測(cè)量、噴霧診斷、炭煙診斷等方面。雖然光學(xué)診斷技術(shù)正在受到科研界的進(jìn)一步重視，但目前其仍具有局限性。

因此，本綜述將對(duì)目前快速壓縮(膨脹)機(jī)的現(xiàn)狀和其存在的湍流問題加以介紹，并對(duì)應(yīng)用于快速壓縮(膨脹)機(jī)的光學(xué)診斷技術(shù)的測(cè)試能力及其局限性加以總結(jié)。

1 快速壓縮(膨脹)機(jī)原理簡(jiǎn)介

快速壓縮(膨脹)機(jī)保留實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞—?dú)飧捉Y(jié)構(gòu)，不同之處在于活塞不再由曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，而是由其他方式(主要為液壓或氣壓)驅(qū)動(dòng)。相比實(shí)際單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，快速壓縮(膨脹)機(jī)能夠保證混合氣溫度、壓力、組分等初始狀態(tài)按試驗(yàn)者的要求配置，沒有殘余廢氣以及進(jìn)氣行程引起的湍流等其他干擾因素。另外，一般而言，快速壓縮(膨脹)機(jī)缸蓋處通常沒有類似發(fā)動(dòng)機(jī)中的配氣機(jī)構(gòu)，需要試驗(yàn)前充入試驗(yàn)要求的混合氣體進(jìn)行預(yù)混燃燒。但近年來也有利用快速壓縮機(jī)進(jìn)行直噴燃燒分析的嘗試[8-9]。

世界范圍內(nèi)目前有多家研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并搭建了各自的快速壓縮(膨脹)機(jī)設(shè)備[10-17]。一種典型的快速壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。該快速壓縮機(jī)主要由氣壓腔、液壓腔和燃燒室三部分串聯(lián)組成。連桿將燃燒室活塞、液壓腔活塞以及氣壓腔活塞耦合在一起。試驗(yàn)前氣壓腔和液壓腔均充入高壓介質(zhì)相互平衡，電磁閥控制液壓腔泄壓，平衡破壞，活塞得以開始運(yùn)動(dòng)?；钊臏p速和制動(dòng)依靠液壓腔內(nèi)配合間隙很小的環(huán)槽結(jié)構(gòu)形成很大的液壓油剪切力來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)缸內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)甚至爆震，氣壓腔內(nèi)的高壓空氣也足以將活塞一直保持在上止點(diǎn)位置。本類快速壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)相對(duì)成熟，控制靈敏度和精確度較高；而其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)加工難度較大、控制液壓氣壓傳動(dòng)相對(duì)困難、進(jìn)行多次壓縮膨脹過程困難等。同時(shí)還有針對(duì)已有快速壓縮(膨脹)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，例如利用機(jī)械方式進(jìn)行傳動(dòng)[18]，或者利用自由活塞運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)(見圖2)[7,19]。

圖1 典型液壓/氣壓快速壓縮機(jī)主體裝配圖[10]

圖2 自由活塞快速壓縮機(jī)示意圖[7]

快速壓縮(膨脹)機(jī)中最常見的診斷方法為利用壓力傳感器進(jìn)行缸內(nèi)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)，針對(duì)燃燒產(chǎn)物的采樣，氣相色譜分析也是常見的分析診斷手段。對(duì)快速壓縮(膨脹)機(jī)的其他重要參數(shù)，例如溫度、反應(yīng)瞬時(shí)中間產(chǎn)物分布和燃燒室內(nèi)速度場(chǎng)等，應(yīng)用傳統(tǒng)的測(cè)量方法并不能得到滿意的測(cè)量結(jié)果。在傳統(tǒng)測(cè)量方法中(如熱電偶測(cè)溫法或熱線測(cè)速法)，探測(cè)器均需要伸入燃燒腔，這不僅會(huì)對(duì)燃燒產(chǎn)生影響，同時(shí)由于燃燒的惡劣環(huán)境，探測(cè)器的正常工作狀態(tài)也經(jīng)常難以維系。為對(duì)缸內(nèi)溫度進(jìn)行分析測(cè)量，研究人員常應(yīng)用絕熱核心假設(shè)(adiabaticcorehypothesis)進(jìn)行缸內(nèi)溫度估算[13,20-21]：

式中：T1和Tc分別為燃燒腔初始溫度和壓縮后絕熱核心溫度；p1和pc為初始?jí)毫蛪嚎s壓力；γ為絕熱指數(shù)。絕熱核心假設(shè)認(rèn)為在快速壓縮機(jī)壓縮過程當(dāng)中，燃燒腔中心部分經(jīng)歷了絕熱等熵的壓縮過程，快速壓縮機(jī)熱邊界層并不對(duì)其造成影響。盡管絕熱核心假設(shè)經(jīng)常被應(yīng)用于快速壓縮機(jī)相關(guān)理論分析，但數(shù)篇文獻(xiàn)從數(shù)值模擬上和試驗(yàn)分析中均證明了絕熱核心假設(shè)的應(yīng)用局限性[6,13,22]。快速壓縮機(jī)應(yīng)用平活塞在壓縮過程中產(chǎn)生的上行渦流引起壁面低溫氣體侵入溫度較為均勻的核心部分，由此導(dǎo)致絕熱核心的破壞(見圖3)。為應(yīng)對(duì)此問題，研究者一般會(huì)在活塞設(shè)計(jì)中加入容納近壁面渦流的環(huán)槽結(jié)構(gòu)，用于抑制該渦流對(duì)燃燒室中心區(qū)域的侵入。即便如此，因燃燒腔設(shè)計(jì)和活塞運(yùn)動(dòng)帶來的湍流仍然會(huì)導(dǎo)致溫度分布的不均勻，而以上擾動(dòng)很難通過絕熱核心假設(shè)來表達(dá)。因此現(xiàn)階段，快速壓縮(膨脹)機(jī)的設(shè)計(jì)尚不能完美實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)與化學(xué)反應(yīng)解耦，這也要求研究人員對(duì)燃燒腔內(nèi)殘余湍流及預(yù)混氣的非均質(zhì)性進(jìn)行定量分析，從而實(shí)現(xiàn)深化理論分析和優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的。

圖3 應(yīng)用粒子成像測(cè)速法分析燃燒腔內(nèi)渦流現(xiàn)象[6]

2 光學(xué)診斷在湍流及不均質(zhì)性診斷中的應(yīng)用

光學(xué)診斷技術(shù)因其優(yōu)異的響應(yīng)性、非侵入性、多維性等能力，已成為廣泛應(yīng)用的燃燒診斷技術(shù)。一般而言，該技術(shù)使用脈沖激光或連續(xù)激光作為光源，利用光學(xué)相機(jī)或光學(xué)傳感器作為探測(cè)器，獲得光學(xué)診斷信息，從而分析燃燒或者流場(chǎng)性質(zhì)。光學(xué)診斷技術(shù)常利用各類光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量分析，例如基于光線吸收的吸收光譜技術(shù)，基于散射的拉曼散射、瑞利散射和多重散射技術(shù)，基于受激放大輻射的激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，基于化學(xué)熒光的診斷技術(shù)，等等。這些技術(shù)旨在解決反應(yīng)流中的重要參數(shù)測(cè)量問題，例如溫度測(cè)量、濃度測(cè)量、速度場(chǎng)分析、光學(xué)性質(zhì)分析等。

然而，現(xiàn)有光學(xué)技術(shù)在時(shí)間和空間解析度、可測(cè)工況范圍等方面仍不能完全滿足對(duì)快速壓縮(膨脹)機(jī)的測(cè)量需求， 因此現(xiàn)有光學(xué)診斷技術(shù)仍需要進(jìn)一步完善。本研究將從不同的測(cè)量目的，包括速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)測(cè)量上介紹具有代表性的光學(xué)技術(shù)及其在應(yīng)用中的能力和局限性。

2.1 快速壓縮(膨脹)機(jī)中的速度場(chǎng)測(cè)量

盡管針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度場(chǎng)測(cè)量十分普遍，應(yīng)用于快速壓縮(膨脹)機(jī)中的速度場(chǎng)測(cè)量卻并不是十分常見。這主要是因?yàn)閷W(xué)術(shù)界認(rèn)為快速壓縮(膨脹)機(jī)內(nèi)的速度場(chǎng)較為簡(jiǎn)單且易于估計(jì)，因此未能對(duì)速度場(chǎng)測(cè)量給予足夠的重視。然而，近年來數(shù)量有限的速度場(chǎng)分析均揭露了快速壓縮(膨脹)機(jī)中可觀的湍流問題。因此可以預(yù)計(jì)今后將會(huì)有更多的針對(duì)快速壓縮(膨脹)機(jī)中速度場(chǎng)的分析。

快速壓縮(膨脹)機(jī)中的測(cè)速方法主要為粒子成像測(cè)速法(particle imaging velocimetry, PIV)。粒子成像測(cè)速法常利用片狀激光或大直徑激光束照射探測(cè)區(qū)域，并在探測(cè)區(qū)域添加示蹤粒子，通過觀測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)示蹤粒子對(duì)激光的散射來推斷探測(cè)區(qū)域的流場(chǎng)。粒子成像測(cè)速法主要具有空間和時(shí)間解析率高、能夠解析二維和三維速度場(chǎng)分布等優(yōu)點(diǎn)。

在粒子成像測(cè)速法相關(guān)工作中，Guibert等人[5]以一臺(tái)裝有活塞位置傳感器、以液壓伺服閥控制的快速壓縮機(jī)為研究對(duì)象，采用粒子成像測(cè)速法研究了湍流的形成和分布情況。該研究中使用的RCM主體部分由直徑不相等的壓縮腔和燃燒室組成，燃燒腔采用石英玻璃環(huán)作為光學(xué)窗口。為產(chǎn)生不同特征的湍流，試驗(yàn)中在燃燒室和壓縮腔之間加入一張孔板，通過改變孔板上孔的數(shù)量和大小來形成不同特征的湍流。試驗(yàn)中采用粒子成像測(cè)速法對(duì)燃燒腔內(nèi)速度場(chǎng)進(jìn)行分析。該方法利用527 nm片狀激光作為光源，使用淀粉TWR/溶膠R972混合物作為示蹤粒子。試驗(yàn)中分別使用1-己烯、PRF90、甲基環(huán)戊烷、PFR100四種滯燃期差別較大的燃料，來分析滯燃期與湍流衰減時(shí)間對(duì)燃燒點(diǎn)火的影響。該研究通過粒子成像測(cè)速法證實(shí)了燃燒腔內(nèi)湍流的存在，也推斷了燃燒腔內(nèi)湍流強(qiáng)度對(duì)判定快速壓縮機(jī)點(diǎn)火燃燒區(qū)域(體積式燃燒或混合式燃燒)具有顯著的影響。在其他研究[6]中，作者還利用粒子成像測(cè)速法證實(shí)了活塞運(yùn)動(dòng)過程中上升渦流的侵入和湍流衰減等現(xiàn)象。Ben-Houidi等人[23]也應(yīng)用粒子成像測(cè)速法觀測(cè)到了同樣的上行渦流現(xiàn)象(見圖4)。

在以上試驗(yàn)中，粒子成像測(cè)速法可以高速(高至10 kHz)測(cè)量缸內(nèi)二維流場(chǎng)，并清晰顯示出燃燒腔內(nèi)存在的渦流等湍流現(xiàn)象。然而粒子成像測(cè)速法仍然存在其不足之處。首先，粒子成像測(cè)速法由于應(yīng)用光的彈性散射現(xiàn)象，干擾信號(hào)和噪聲不易被排除；其次，常用示蹤粒子由于其化學(xué)性質(zhì)，在燃燒過程中會(huì)同時(shí)參與反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒階段流場(chǎng)無法識(shí)別。

圖4 粒子成像測(cè)速法和甲苯激光誘導(dǎo)熒光測(cè)溫法結(jié)果[23]

2.2 快速壓縮(膨脹)機(jī)中的溫度場(chǎng)測(cè)量

由于快速壓縮(膨脹)機(jī)中溫度場(chǎng)的不均勻性，對(duì)燃燒腔內(nèi)的溫度場(chǎng)測(cè)量是目前相對(duì)比較熱門的研究課題。溫度測(cè)量是燃燒診斷需要解決的關(guān)鍵問題之一，目前也有多種光學(xué)診斷技術(shù)被應(yīng)用于快速壓縮(膨脹)機(jī)的溫度分布診斷中。

在已有測(cè)溫方法中，應(yīng)用比較普遍的是激光誘導(dǎo)熒光測(cè)溫法(Laser-induced fluorescence thermometry)和瑞利散射測(cè)溫法(Rayleigh scattering thermometry)。激光誘導(dǎo)熒光測(cè)溫法主要利用示蹤物質(zhì)(如丙酮或甲苯)的熒光量子產(chǎn)率受溫度變化而影響的物理現(xiàn)象進(jìn)行溫度測(cè)量，其優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行高空間解析度的二維溫度測(cè)量。

Mittal等[13]應(yīng)用激光誘導(dǎo)熒光測(cè)溫法對(duì)一臺(tái)快速壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行了近似定量測(cè)溫的研究。研究中使用的熒光物質(zhì)為丙酮，并利用279 nm激光激發(fā)。該研究對(duì)溫度為室溫273 K、壓力4.4 MPa的丙酮/氮?dú)饣旌蠚怏w進(jìn)行了標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)標(biāo)定誤差僅±4 K。之后該研究又利用上述標(biāo)定方法、絕熱假設(shè)和實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)對(duì)燃燒腔內(nèi)溫度分布進(jìn)行了近似定量分析。試驗(yàn)得出的溫度分布結(jié)果表明活塞環(huán)槽結(jié)構(gòu)(見圖5a)有效地減小了燃燒腔內(nèi)的溫度差異(見圖5b與圖5c)，圖中橫坐標(biāo)0表示氣缸中心。

圖5 丙酮PLIF試驗(yàn)裝置和結(jié)果[13]

Strozzi等[24]應(yīng)用了激光誘導(dǎo)熒光法對(duì)一臺(tái)方形活塞快速壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)溫。這項(xiàng)研究采用甲苯為示蹤物質(zhì)，波長266 nm的激光為激發(fā)光源。該研究利用現(xiàn)有的甲苯熒光量子產(chǎn)率隨溫度變化的曲線，測(cè)量了甲苯熒光光譜受燃燒腔內(nèi)壓力變化的影響，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)快速壓縮機(jī)壓縮過程中的溫度測(cè)量。該試驗(yàn)結(jié)果證明了絕熱核心假設(shè)與甲苯測(cè)溫法的一致性，但是也表明快速壓縮機(jī)在運(yùn)行過程存在三個(gè)階段的非穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)熱過程以及冷區(qū)域，從而也表明了對(duì)快速壓縮機(jī)進(jìn)行溫度標(biāo)定的重要性。

激光誘導(dǎo)熒光測(cè)溫法盡管已經(jīng)在快速壓縮(膨脹)機(jī)的測(cè)溫中得到了初步的滿意結(jié)果，但其仍存在其不足之處。首先，與粒子成像測(cè)速法類似，常用的示蹤物質(zhì)會(huì)在壓縮過程中通過熱分解[25]或者氧猝滅[26]過程逐漸消耗，進(jìn)而影響熒光的形成以及信噪比；在燃燒過程中示蹤物質(zhì)會(huì)參與化學(xué)反應(yīng)以致測(cè)量無法正常進(jìn)行。其次， 誘導(dǎo)熒光法測(cè)溫的靈敏區(qū)間范圍較小，同時(shí)本方法的靈敏度會(huì)隨溫度升高而降低。最后，加入示蹤物質(zhì)的濃度必須維持在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)，濃度過低會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度過低，而濃度過高將導(dǎo)致示蹤物質(zhì)改變?nèi)剂系幕瘜W(xué)性質(zhì)。

除激光誘導(dǎo)熒光測(cè)溫法之外，瑞利散射測(cè)溫法也是常見的快速壓縮機(jī)測(cè)溫方法。瑞利散射測(cè)溫法主要是通過散射現(xiàn)象推斷物質(zhì)的數(shù)量密度，從而根據(jù)氣體定律計(jì)算溫度分布。然而，瑞利散射測(cè)溫法同樣也是利用光的彈性散射現(xiàn)象，因此噪聲和干擾極大地影響了其精度。為克服以上缺點(diǎn)，能夠有效移除背景噪聲的過濾瑞利散射(filteredRayleighscattering, FRS)方法更經(jīng)常被應(yīng)用于實(shí)際工況下的溫度測(cè)量。過濾瑞利散射方法通過吸收效應(yīng)移除與入射激光相同波長的背景光，吸收介質(zhì)一般為碘蒸氣[27]或汞蒸氣[28]。

Clarkson等[29]同時(shí)采用一維瑞利散射和平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)溫法對(duì)燃燒室的溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)定。試驗(yàn)中使用過氧化二叔丁基(di-t-butyl peroxide，DTBP)，因?yàn)樵撊剂戏磻?yīng)過程中自然生成丙酮，因此丙酮被當(dāng)做激光誘導(dǎo)熒光法的示蹤物質(zhì)。該研究中這兩種方法均未進(jìn)行標(biāo)定，所以沒有實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量以及比較。但從試驗(yàn)結(jié)果上來看，瑞利散射信號(hào)未能分辨出此時(shí)燃燒室核心區(qū)與邊緣區(qū)約50 K的溫度差異，而激光誘導(dǎo)熒光測(cè)溫法體現(xiàn)了這一不均勻性，這指出了激光誘導(dǎo)熒光相比瑞利散射測(cè)溫的性能優(yōu)越性。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy, TDLAS)作為常見和相對(duì)低成本的激光測(cè)溫技術(shù)，也被利用于快速壓縮(膨脹)機(jī)的溫度測(cè)量應(yīng)用。可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)是一種視線上平均的(line-of-sight)溫度和物質(zhì)量濃度測(cè)量技術(shù)，常被用于小分子物質(zhì)，如二氧化碳、水蒸氣、一氧化氮等的溫度和物質(zhì)量濃度測(cè)量。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間分辨率(20～100 kHz)，溫度計(jì)算過程簡(jiǎn)便易行，抗干擾能力也比較突出。

Uddi等[30]利用雙線可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)對(duì)一臺(tái)快速壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行了定量測(cè)溫的研究。 該試驗(yàn)采用較低頻率的激光源(100 Hz)對(duì)7.6 μm附近水的吸收光譜進(jìn)行了分析測(cè)量，結(jié)果表明標(biāo)定溫度誤差在5 K以內(nèi)，實(shí)際溫度測(cè)量不確定性在500～1 300 K，0.1～2 MPa工況下為0.6%～1.6%，此測(cè)量能力很大程度上超過了其他的光學(xué)溫度測(cè)量方法。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)可在其他方法不適用的工況下進(jìn)行測(cè)量，一般也不需要添加額外的示蹤物質(zhì)，但該技術(shù)的缺點(diǎn)也十分明顯。視線測(cè)量技術(shù)只能得到激光沿程溫度和量濃度的平均值，也就是說該技術(shù)不具有良好的空間解析能力。這個(gè)問題對(duì)于應(yīng)用該技術(shù)對(duì)快速膨脹機(jī)進(jìn)行瞬時(shí)狀態(tài)測(cè)量，尤其對(duì)溫度的不均勻性測(cè)量是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

還有其他光學(xué)技術(shù)也常被應(yīng)用于溫度測(cè)量，例如相干反斯托克斯—拉曼散射等方法，但是由于其在快速壓縮膨脹機(jī)測(cè)溫中的應(yīng)用并不廣，因此不在此進(jìn)行贅述。

2.3 快速壓縮(膨脹)機(jī)中的濃度測(cè)量

快速壓縮(膨脹)機(jī)中的濃度測(cè)量對(duì)象常為燃燒中間產(chǎn)物，如OH，CH等。常用的診斷方法為激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)或化學(xué)熒光技術(shù)。一般來講，濃度場(chǎng)一般用來分析火焰燃燒情況，推斷溫度等其他物理量以及反應(yīng)的進(jìn)程等，并非測(cè)量的最終目的。

M. P?schl等人[31]應(yīng)用化學(xué)熒光方法在一臺(tái)快速壓縮膨脹機(jī)設(shè)備上研究了缸內(nèi)溫度不均勻性對(duì)爆震的影響(見圖6)。本試驗(yàn)采用幀率15 000 fps的高速相機(jī)配以窄帶濾光片捕捉OH和CH化學(xué)熒光信號(hào)。圖6中p1和p2為布置于燃燒室不同位置的壓力測(cè)點(diǎn)，沒有爆震發(fā)生時(shí)兩者重合。從圖6中可以看到冷焰過程中出現(xiàn)較強(qiáng)的CH信號(hào)，OH信號(hào)則出現(xiàn)在隨后發(fā)生的主燃燒階段前期。研究還嘗試在缸蓋上布置50束光學(xué)纖維用于捕捉火焰化學(xué)發(fā)光信號(hào)，這些纖維能覆蓋到活塞光學(xué)窗口外的環(huán)形盲區(qū)。此測(cè)量用于對(duì)溫度不均勻性進(jìn)行合理的評(píng)估。

圖6 缸壓曲線與OH，CH發(fā)光信號(hào)[31]

化學(xué)熒光診斷技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是不需要使用外部光源，僅靠火焰自身輻射作為診斷依據(jù)。然而化學(xué)熒光技術(shù)同樣是一種視線測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)得到的測(cè)量結(jié)果是三維火焰在二維攝像機(jī)上的投影，并不能真實(shí)合理反映火焰空間分布，所以一般此方法更經(jīng)常被應(yīng)用于火焰定性分析過程中。

3 結(jié)束語

本研究主要介紹了現(xiàn)有快速壓縮(膨脹)機(jī)存在的問題和相應(yīng)的光學(xué)診斷檢測(cè)方法?？焖賶嚎s(膨脹)機(jī)是用于深度優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)、改善燃燒狀況的重要試驗(yàn)設(shè)備。改進(jìn)優(yōu)化快速壓縮(膨脹)機(jī)的工作性能會(huì)大幅提高對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作狀況的理解，從而實(shí)現(xiàn)高效、清潔燃燒的目的。

本研究介紹的現(xiàn)有針對(duì)快速壓縮(膨脹)機(jī)的常見的光學(xué)診斷方法，主要涵蓋了速度場(chǎng)測(cè)量，溫度場(chǎng)測(cè)量，以及中間產(chǎn)物濃度測(cè)量等多個(gè)方面。現(xiàn)階段，光學(xué)診斷方法能有效地對(duì)快速壓縮(膨脹)機(jī)工況進(jìn)行診斷測(cè)量，并得到高分辨率的測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)，光學(xué)診斷方法也驗(yàn)證了燃燒腔內(nèi)湍流和溫度不均勻性的客觀存在。然而，目前并沒有一種合適的光學(xué)測(cè)量方法可以完全滿足對(duì)快速壓縮(膨脹)機(jī)燃燒過程的診斷。更進(jìn)一步說，盡管當(dāng)前有多種光學(xué)診斷方法，目前并沒有一種合適的技術(shù)可以完全滿足廣義燃燒過程的多種診斷需求。合適的光學(xué)測(cè)溫方法應(yīng)具備高時(shí)間/空間分辨率，能在比較廣的工況下完成測(cè)量，同時(shí)最低程度地改變反應(yīng)過程(無示蹤物質(zhì)或少示蹤物質(zhì))。目前光學(xué)測(cè)量的應(yīng)用仍存在一系列瓶頸和挑戰(zhàn)，此類問題將是光學(xué)診斷技術(shù)發(fā)展需要解決的重要問題。

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[編輯： 袁曉燕]

Turbulence Fault and Optical Diagnosis of Rapid Compression or Expansion Machine

WU Dongyuan1, LI Xuesong2, DONG Xue1, XU Min1

(1. National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Thomas E Murphy Engine Research Laboratory, University of Minnesota, Minneapolis 55414, USA)

The working principle and structural feature of rapid compression or expansion machine were first reviewed and the turbulence problem during the compression or expansion was further described. Besides, the key optical diagnostic techniques for measuring the velocity, temperature and concentration were emphatically introduced and the capabilities and limitations of optical diagnostic method were summarized based on the typical test method of each research case.

rapid compression or expansion machine; optical diagnosis; turbulence; flow field measurement

2016-10-28；

2017-02-08

吳東遠(yuǎn)(1992—)，碩士，主要研究方向?yàn)榭焖賶嚎s膨脹機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)與光學(xué)診斷；toneon@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.001

TK421.2

A

1001-2222(2017)01-0001-07