孔祥鑫，劉峰春，冀樹德，馬東元，魏鵬程，黃旭

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

近年來，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)燃機設(shè)計正朝著高速化、高功率密度、緊湊化等方向快速發(fā)展，軍用柴油機也在向著升功率逐步提高的方向不斷強化[1-5]。柴油機的燃燒過程是整個工作循環(huán)的核心，直接影響其動力性、可靠性、經(jīng)濟性，而氣缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)的燃燒溫度更是衡量其性能的重要參數(shù)，對深入了解燃燒機理、放熱規(guī)律以及缸內(nèi)溫度場、熱負荷、起動性能、排放問題的研究都具有重要作用[6-8]。

目前，柴油機缸內(nèi)溫度的研究主要以仿真模擬為主，但由于柴油機燃燒過程特有的復(fù)雜性，仿真計算中存在著熱交換邊界條件不易確定等問題，需要實際測量缸內(nèi)溫度對其結(jié)果進行驗證[9-10]。同時，直接測量缸內(nèi)溫度能夠更為直觀地了解缸內(nèi)燃燒發(fā)生發(fā)展的特征，更為實時地監(jiān)測燃燒室部件和整機的工作狀態(tài)。因此，對柴油機缸內(nèi)溫度的測量是十分必要的。然而，柴油機缸內(nèi)介質(zhì)的燃燒過程具有很高的溫度和壓力，且缸蓋結(jié)構(gòu)十分緊湊，這使得缸內(nèi)溫度的直接測量變得較為困難。

基于以上背景，結(jié)合某高功率密度柴油機的實際測試需求與工作狀態(tài)，研究了一種具有通用性的柴油機缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)燃燒溫度測試方法，設(shè)計了缸內(nèi)溫度測試系統(tǒng)，并結(jié)合實際臺架試驗進行了測試效果驗證。

1 柴油機缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測試要求

某軍用高功率密度單缸柴油機在研制過程中，為更深入研究其燃燒放熱特征，存在缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)燃燒溫度測試需求，該發(fā)動機主要參數(shù)見表1。

表1 單缸柴油機主要參數(shù)

該單缸柴油機缸蓋結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜，缸內(nèi)空間十分有限，實測缸內(nèi)介質(zhì)燃燒壓力最高在20 MPa左右，理論分析介質(zhì)燃燒溫度最高超過1 600 ℃，燃燒室部件的強度要求也較高?；诟咨w結(jié)構(gòu)及缸內(nèi)高溫高壓工作狀態(tài)，常見的以熱電偶法、電磁感應(yīng)法等為代表的溫度電測法和以硬度塞法、易熔合金法等為代表的溫度非電測法[11-12]在環(huán)境適用性、實施可行性、測試效果等方面均受到了不同程度的限制[13-21]，無法應(yīng)用于該單缸柴油機缸內(nèi)燃燒溫度的測量。

進一步研究適用于該高功率密度柴油機缸內(nèi)燃燒溫度的測試方法，該方法應(yīng)具備以下能力：

a) 適用于燃燒壓力達到20 MPa，燃燒溫度達到1 600 ℃的缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)；

b) 對柴油機結(jié)構(gòu)與可靠性不造成破壞，對部件無改動或改動盡可能??；

c) 測試系統(tǒng)集成簡單，拆卸方便；

d) 良好的通信能力；

e) 較高的響應(yīng)速度及測量精度。

2 缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測試方法

自然界任何物體只要溫度高于絕對零度，都在不停向周圍空間輻射包括紅外輻射波段的電磁波，紅外輻射能量的大小及其波長分布特征與物體表面溫度息息相關(guān)，所以通過對物體自身紅外輻射的測量，便能準(zhǔn)確測定它的表面溫度。因此，基于該紅外測溫原理，柴油機缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)的燃燒溫度可采用雙色紅外測溫方法。

對于柴油機，雙色法是通過對其氣缸內(nèi)燃燒火焰中炭煙顆粒的光譜輻射能量進行強度識別，并基于熱平衡原理認為炭煙顆粒的溫度能夠代表周圍氣體火焰的溫度，進而得到所需溫度值。根據(jù)普朗克定律的簡化形式——Wien方程[7]，火焰輻射的單色光強度I在可見光范圍內(nèi)可表示為

(1)

式中：ελ為波長λ時火焰的單色輻射系數(shù)；T為火焰溫度；Ta為對應(yīng)的亮度溫度，是將一般物體等同于黑體進行輻射強度計算時的名義溫度；c1，c2分別為第一、第二普朗克常數(shù)。

根據(jù)小粒子散射理論，引入Hottel-Broughton方程[8]，即

(2)

式中：K為衰減系數(shù)；L為火焰觀測光軸的幾何厚度；α為常數(shù)，對于柴油機，在可見光區(qū)間取1.38。

對所選定的兩個波長分別為λ1和λ2的單色光，將式(1)與式(2)聯(lián)立，消去KL得到溫度的計算公式[22]：

(3)

式中：Ta1，Ta2分別為特定波長λ1和λ2所對應(yīng)的亮度溫度。通過式(3)即可求解火焰的實際溫度。

3 溫度測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 關(guān)鍵測試單元設(shè)計

基于雙色法測溫原理，研究適用于目標(biāo)高功率密度柴油機的雙色紅外測溫系統(tǒng)，首先設(shè)計了關(guān)鍵溫度測試單元，該測試單元的核心工作部件為光學(xué)鏡頭組、光電探測器、信號轉(zhuǎn)換器及信號處理器，其基本工作原理見圖1。

圖1 關(guān)鍵溫度測試單元工作原理

通過關(guān)鍵測試單元對柴油機氣缸內(nèi)燃燒火焰中兩個相關(guān)且接近的特定紅外響應(yīng)波段輻射能量進行測量，進而通過輻射比確定柴油機氣缸內(nèi)介質(zhì)的燃燒溫度。具體測量過程如下：柴油機缸內(nèi)介質(zhì)開始燃燒后，光學(xué)鏡頭組首先獲取氣缸內(nèi)燃燒火焰特定紅外輻射波段的電磁波，而后光電探測器接收紅外能量并轉(zhuǎn)換為光電流，測試單元對電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字線性化處理，最后實現(xiàn)測量結(jié)果的對外數(shù)字通信以及模擬信號輸出。所采用的光學(xué)鏡頭組由特殊材質(zhì)的玻璃組成，與目標(biāo)紅外波段相匹配，能夠消除兩個波段的色差補償，確保兩個波長的光路一致，且不受燃燒火焰中炭煙顆粒發(fā)射率波動的影響。所采用的光電探測器為雙銦鎵砷探測器，能夠確保兩個相關(guān)波段盡量接近，同時保證能獲取足夠強的信號。在常規(guī)應(yīng)用場合，基于單色原理、采用單光電探測器也可以較為準(zhǔn)確地進行溫度測量，但柴油機缸內(nèi)工作的環(huán)境及介質(zhì)狀態(tài)較為特殊，存在光學(xué)窗口易受炭煙污染、目標(biāo)介質(zhì)無法充滿測量視場、介質(zhì)發(fā)射率動態(tài)變化無法準(zhǔn)確得知等單色法無法克服的實際問題，因此，基于雙色法原理設(shè)計了溫度關(guān)鍵測試單元，可以盡可能減少測量誤差。

3.2 測溫系統(tǒng)集成應(yīng)用設(shè)計

在關(guān)鍵測試單元設(shè)計的基礎(chǔ)上，基于目標(biāo)柴油機實際結(jié)構(gòu)，設(shè)計適用于目標(biāo)單缸柴油機的雙色紅外缸內(nèi)溫度測試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 測溫系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)以目標(biāo)柴油機缸蓋為載體，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，利用缸蓋上的既有結(jié)構(gòu)——缸內(nèi)壓力測試通道，通過非標(biāo)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)連接缸蓋與光纖測量鏡頭，實現(xiàn)柴油機與溫度測試單元的快速連接。在保證必需的有效光學(xué)通路的前提下，通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)內(nèi)置的人造藍寶石窗口實現(xiàn)對缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)的密封隔絕，保護光纖測量鏡頭正常工作不受損壞，進而實現(xiàn)缸內(nèi)溫度的測試。設(shè)計的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)示意

選用人造藍寶石作為光路窗口是基于其良好的材料性能，能夠?qū)Σ裼蜋C缸內(nèi)的高熱壓縮介質(zhì)起到穩(wěn)定的密封隔絕作用，其相關(guān)材料特性見表2。

表2 人造藍寶石材料性能

轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與光纖鏡頭的實際連接狀態(tài)見圖4，測溫系統(tǒng)主體部分見圖5。

圖4 轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與光纖鏡頭連接示意

圖5 測溫系統(tǒng)主體部分實物圖

以上設(shè)計的雙色紅外測溫系統(tǒng)，具備對燃燒壓力達到20 MPa，燃燒溫度達到1 600 ℃的柴油機缸內(nèi)介質(zhì)的測量能力。系統(tǒng)集成及拆卸便利，對缸蓋和活塞無結(jié)構(gòu)破壞系統(tǒng)同時具備RS485數(shù)字通信能力及0/4～20 mA模擬輸出能力，利用燃燒分析儀能夠同時輸出時域、角域的溫度測量結(jié)果。系統(tǒng)的響應(yīng)時間最短可達到100 μs，測量精度最高可達到(0.5%+1) K，適用于缸內(nèi)燃燒過程的跟蹤。

4 缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測試驗證

4.1 測試方法

將目標(biāo)單缸柴油機與所設(shè)計的雙色紅外測溫系統(tǒng)完成臺架集成，并進行缸內(nèi)溫度測試，測試工況為30 kW@2 000 r/min工況點及44 kW@2 000 r/min工況點。柴油機缸蓋通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與光纖鏡頭的實際連接狀態(tài)見圖6，溫度測試實際數(shù)據(jù)采集界面見圖7和圖8。試驗中測試單元設(shè)計的光譜響應(yīng)波段為1.4/1.64 μm，對應(yīng)的溫度測量范圍是1 300～3 000 ℃。

圖6 實際系統(tǒng)連接圖

圖7 時域溫度測量界面

圖8 角域溫度測量界面

4.2 測試結(jié)果

目標(biāo)柴油機在30 kW@2 000 r/min及44 kW@2 000 r/min工況下110個工作循環(huán)的單循環(huán)缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度及每30個循環(huán)的平均瞬態(tài)最高溫度對比見圖9和圖10。

圖9 單循環(huán)缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度對比

圖10 循環(huán)平均缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度對比

從圖中可以看出，目標(biāo)柴油機在44 kW功率狀態(tài)下的單循環(huán)缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度整體趨勢高于30 kW功率狀態(tài)，44 kW功率狀態(tài)下的循環(huán)平均瞬態(tài)最高溫度明顯高于30 kW功率狀態(tài)。具體測量數(shù)據(jù)結(jié)果為：30 kW循環(huán)平均瞬態(tài)最高溫度處于1 657～1 672 ℃區(qū)間，44 kW的循環(huán)平均瞬態(tài)最高溫度處于1 694～1 715 ℃區(qū)間。隨著目標(biāo)柴油機功率的升高，缸內(nèi)燃燒強度也隨之增大，因此缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度也會升高，測量結(jié)果符合實際預(yù)期。

盡管本研究中基于雙色紅外測溫原理設(shè)計的測溫系統(tǒng)能夠在一定程度克服缸內(nèi)介質(zhì)發(fā)射率動態(tài)變化、炭煙污染光學(xué)窗口等因素導(dǎo)致的測量誤差，但測試結(jié)果仍然存在兩個方面的實際誤差：a)透過人造藍寶石視窗進行測量時介質(zhì)輻射能量會有一部分的損失，未結(jié)合視窗材料的光學(xué)性能對該能量損失進行補償；b)目標(biāo)高功率密度柴油機產(chǎn)生的窗口污染較預(yù)期嚴(yán)重，會造成兩個相關(guān)波段透過率變化不一致，在不同的測量溫度點也會造成不同程度的測量誤差。

4.3 測試分析

將目標(biāo)柴油機在30 kW功率狀態(tài)下測取的缸內(nèi)壓力及缸內(nèi)溫度進行時域比對，結(jié)果見圖11。從圖11可以看出，缸內(nèi)溫度與缸內(nèi)壓力在時域上具有周期一致性。

圖11 缸內(nèi)溫度及壓力狀態(tài)

進一步提取目標(biāo)柴油機分別在30 kW，44 kW功率狀態(tài)下典型單個工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力與缸內(nèi)溫度，結(jié)果見圖12和圖13。從圖中可以看出，隨著試驗柴油機功率的升高，單個工作循環(huán)內(nèi)缸內(nèi)最高溫度與缸內(nèi)最高壓力的出現(xiàn)時刻同步延后，進一步驗證了缸內(nèi)溫度與缸內(nèi)壓力的周期一致性。

圖12 缸內(nèi)壓力對比

圖13 缸內(nèi)溫度對比

在此基礎(chǔ)上，通過目標(biāo)柴油機在30 kW功率狀態(tài)下典型單個工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力與缸內(nèi)溫度對缸內(nèi)工作過程及狀態(tài)進行分析。如圖14所示，缸壓曲線AB段對應(yīng)滯燃期，是從柴油噴入氣缸內(nèi)到壓力線脫離壓縮壓力線開始急劇升高的燃燒前準(zhǔn)備階段；BC段對應(yīng)速燃期，即預(yù)混燃燒期，在上止點附近快速進行，燃燒極快，壓力陡升，壓力升高率大；CD段對應(yīng)緩燃期，即擴散燃燒期，放熱量較大，缸內(nèi)溫度和壓力較高，缸壓變化放緩；DE段對應(yīng)后燃期，燃燒速率下降直至燃燒結(jié)束。

圖14 缸內(nèi)工作過程

當(dāng)進氣門關(guān)閉后，氣缸內(nèi)形成了密閉空間，缸內(nèi)氣體在壓縮行程近似為絕熱過程，缸內(nèi)溫度逐漸升高，但此時的溫度仍然較低；當(dāng)活塞繼續(xù)向上快到達上止點時，氣缸內(nèi)開始噴油，缸內(nèi)混合氣在容積變化很小的狀態(tài)下開始燃燒，近似為定容加熱過程，氣缸內(nèi)壓力陡然升高，但燃燒時間較短，溫度仍未達到較高水平；在缸內(nèi)壓力達到峰值狀態(tài)后，隨著缸內(nèi)介質(zhì)燃燒逐漸充分，在擴散燃燒期內(nèi)，溫度逐漸達到最高；而后缸內(nèi)氣體不斷膨脹對外做功，進入后燃期，缸內(nèi)溫度逐漸下降，直到燃燒結(jié)束。以上過程中，缸內(nèi)最高溫度的出現(xiàn)時刻在缸內(nèi)最高壓力出現(xiàn)時刻之后，且處于燃燒過程的緩燃期末段，這一現(xiàn)象符合理論預(yù)期，因為緩燃期的放熱量占燃燒過程總放熱量的70%～80%。

5 結(jié)束語

以柴油機缸蓋上缸內(nèi)壓力測試通道為載體，設(shè)計了雙色紅外測溫系統(tǒng)，具備高功率密度柴油機缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測試的能力，測試單元中光學(xué)鏡頭組及光電探測器起到燃燒溫度信息獲取的關(guān)鍵作用，測溫系統(tǒng)中人造藍寶石窗口起到缸內(nèi)高溫高壓工質(zhì)密封隔絕的關(guān)鍵作用。最終，實際測試結(jié)果及分析驗證了該測溫系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的有效性，表明了基于紅外測溫原理的雙色法能夠滿足柴油機缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測試的需求。在實際工程領(lǐng)域，本研究中缸內(nèi)溫度測量方法及測試系統(tǒng)，可以向多缸高功率密度柴油機拓展更為廣泛的應(yīng)用，其測溫范圍也可以通過系統(tǒng)設(shè)計進行有效延展，用于缸內(nèi)全工作過程更為精細的研究。