（车辆工程专业论文）用光学法对汽油机燃烧循环变动的测量与评价.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着光纤燃烧传感技术的迅速发展，光谱测量为燃烧研究提供了新 的手段和方法，开辟了新的研究领域。本课题的目的是，利用课题组开发的对燃 烧火焰光谱进行诊断的光纤传感系统，进行燃烧火焰光谱测量和燃烧分析，为最 终开发用于发动机实时反馈控制的光纤传感系统提供依据。 试验所用的光学传感测量系统包括光纤传感器，光电转换器，n e c l 内燃机 瞬态热力参数数据采集系统和数据处理软件o i u g i n 6 0 。设计的光纤传感探头安 装在缸盖上。所用的光电检测器件为光电转换器。该转换器可同时实现三个通道 的光电转换，各通道灵敏度独立可靠，光谱响应范围为3 0 0 6 7 0 r t m ，峰值波长 为4 0 0 2 0 n m 。使用表明，该系统较为成功。光电转换器工作可靠，完全能够适 应光谱测量要求。数据采集系统和数据分析软件能够较准确采集和反应燃烧的全 过程。 ， 试验中，用该光纤燃烧传感系统，测量e q 4 9 1 汽油机燃烧火焰光谱。试验 中测童了c h ( 4 3 l n m ) 、c 2 ( 5 1 6 砌) 及h 2 0 ( 5 8 8 n m ) 三种特征谱线在不同工况 下的光强变化曲线。并根据光强变化曲线进行了燃烧分析以及燃烧参数的测量或 计算。主要包括时间特性，循环变动，以及不同工况下燃烧光变化曲线的比较。 并在国内首次提出了一种新的评价燃烧循环变动的方法，即用光变化曲线的特征 参数峰值光强标准偏差s d ( i r a ) 和变动率c v ( i r a ) 来评价循环变动。试验结果 表明，光强变化曲线能够反映燃烧过程进行的好坏及燃烧的时间特性，可以用来 进行燃烧循环变动的评价。1 ， ， 最后提出了系统待完善的地方，并指出了进一步的研究方向。 关键词：光痞7 燃烧循寐妥二光纤禧汽藩磊关键词：光谱燃烧循环变动光纤传感器汽油机 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e m ，t h e s p e c t r am e a s u r e m e n th a sp r o v i d e dan e wm e t h o df o rc o m b u s t i o nr e s e a r c h i nt h i s r e s e a r c hp r o g r a m ，b yu s i n gt h eo p t i c a lf i b e r s e n s i n gs y s t e md e v e l o p e d ，s p e c t r ao f c o m b u s f i o nf l a m ec a nb em e a s u r e d ，a n dc o m b u s t i o na n a l y s i sc a nb em a d e w h i c hw i l l p r o v i d ee v i d e n c e f o rt h e d e v e l o p m e n t o ff i b e r o p t i c s e n s i n gs y s t e m f o rf e e d b a c k c o n t r o lu s e di np r o d u c t e n g i n e s 西eo p t i c a lf i b e rs e n s i n ga n dm e a s u r i n gs y s t e mc o n s i s t so fo p t i c a lf i b e rs e n s o r , p h o t o e l e c t r i ct r a n s d u c e r , n e c l d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a n do r i g i n6 0d a t a p r o c e s s i n g s o f t w a r e t h e p r o b ed e s i g n e d i si n s t a l l e do n c y l i n d e r h e a d t h e p h o t o e l e c t r i ct r a n s d u c e ri su s e d t h et r a n s d u c e rc a n 血l f l ut h r e e c h a n n e ls i m u l t a n e o u s p h o t o e l e c t r i ct r a n s i t i o n 1 1 1 es e n s i b i l i t yo f e a c hc h a n n e lc a nb ea d j u s t e di n d e p e n d e n t l y n e s p e c t r ar e s p o n s er a n g e sf r o m3 0 0 r i mt o6 7 0 r t m a n dt h es p e c t r ar e s p o n s eo fp e a k v a l u el i e si n4 0 0 2 0 n m t h ea c t u a lo p e r a t i o ns h o w st h a t t h es y s t e md e v e l o p e di s s a t i s f a c t o r y ：t h ep h o t o e l e c t r i ct r a n s d u c e rw o r k sr e l i a b l y ；t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a n dd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ec a na c q u i r et h ed e t a i lp r o c e s so f c o m b u s t i o n t h e o p t i c a lf i b e rc o m b u s t i o ns e n s i n gs y s t e mi su s e di nm e a s u r i n g t h ec o m b u s t i o n e m i s s i o n s p e c t r a i ne q 4 9 1 g a s o l i n ee n g i n e s i n t h i se x p e r i m e n t ，t h ec u r v e so f l u m i n o u s i n t e n s i t y v a r i a t i o n so ft h r e ec h a r a c t e r i s t i c s p e c t r ac h ( 4 3 i n t o ) 、c 2 ( 5 1 6 n m ) a n d h 2 0 ( 5 8 8 n m ) u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sa r em e a s u r e d a c c o r d i n gt o t h e c u r v e so fl u m i n o u si n t e n s i t ym e a s u r e d s o m ec o m b u s t i o nc h a r a c t e n s t i ci n d i c e s 玳 c o m p u t e da n da n a l y z e d ，w h i c h i n c l u d et i m e c h a r a c t e r i s t i c s ，c y c l i c v a r i a t i o na n d c o m p a r i s o n s o fd i f f e r e n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n s o n en e we v a l u a t i o nm e t h o do f c o m b u s t i o n c y c l i cv a r i a t i o ni sp r o p o s e d w h i c h i s 也ec h a r a c t e r i s t i ci n d i c e ss d ( 1 m ) a n d c v ( i r aj 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h eo b t a i n e dc t u v e sr e v e a lt h ea c t u a lg o o d n e s so f c o m b u s t i o np r o c e s s ，a n dt h et i m ec h a r a c t e r i s f i c so fc o m b u s t i o nc a nb ed i s p l a y e do n t h e s ec u r v e s a n dt h ec r r v c sc a nb eu s e dt oe v a l u a t et h ec y c l i cv a r i a t i o no f c o m b u s t i o n t h ed e f i c i e n c yo ft h es y s t e ma r ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o na r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：s p e c t r a c o m b u s t i o n c y c l i cv a r i a t i o n o p t i c a lf i b e rs e n s o r g a s o l i n ee n g i n e h 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 l绪论 能源和环境是人类面临的两大难题。目前世界上每年生产5 0 0 0 万辆汽车，销 售1 万亿美元【“。随着汽车保有量的激增，汽车对环境影响越来越大，城市中空 气污染的7 0 来自汽车废气的排放1 2 】。中国在这方面的问题特别严重，据有关资 料报道，全世界2 0 个大气质量最差的城市中，中国就占了1 0 个，而汽车尾气的 有害排放物是我国城市大气污染的元凶。自六十年代以来，各国对发动机排放要 求日趋严格。同时，严峻的能源形势追使人们制定经济性法规。提高内燃机燃烧 效率，降低内燃机有害气体排放，已成为世界性研究课题。未来发动机电子系统 必须寻求一种可靠的实时监控系统，更加准确地控制点火和喷油。而研制缸内燃 烧传感器，深入的研究和准确的监控燃烧过程进而进行燃烧诊断，来保证发动机 高效、低污染及安全运转，已越来越受到重视。 燃烧过程是极其复杂的物理和化学反应过程，包括流体的流动、燃料的高温 化学反应、对流和辐射热交换，涉及热力学、化学动力学、流体力学、传热传质 学等多学科的知识e 3 1 4 1 。在对燃烧过程的研究中，理论上的模拟和计算与实际发 动机上的试验测量是紧密联系在一起的。理论上的模拟和计算需要试验测量得到 的数据作基础，其结果也要在试验过程中验证，而理论研究则能提供一些简化的 燃烧模型或某一燃烧现象的局部模型，为试验研究提供方向和指导。燃烧研究的 主要方法就是通过测量燃烧过程中的各种参数，来获得对燃烧过程的认识和评价， 为改进燃烧装置或对燃烧过程进行反馈控制提供依据。 传统测量发动机燃烧参数的一些方法如：压力压电传感器( 成本高、寿命短， 而且直接与高温燃气接触，难以长期使用【5 】) ，振动传感器( 火花点火发动机表面 华中科技大学硕士学位论文 不同位置的振动特性有着较大差别，且灵敏度不够高，特别是高转速时，信噪比 低，测量结果不能体现缸内爆燃真实情况【6 】) ，氧传感器等已越来越不能满足新的 要求。早在二十年代，为了更深入的认识燃烧现象，内燃机研究人员开始运用光 学法测量火焰温度和燃烧产物浓度，并探索火焰光与爆震之间的关系。此后一系 列的光学法运用于内燃机燃烧过程的研究中，包括各种激光技术、谱线反转法川， 吸收法【8 】，c a r s 法 9 】【1 们，测量温度的双色法等。总的来说，对燃烧的研究是 在不断向可视化、实时化方向发展，由对单一点的研究发展到三维空间，由接触 式测量到半接触式、非接触式测量。 1 2 光学技术在燃烧测量中的应用 1 2 1 激光技术在燃烧测量中的应用 虽然运用光学方法进行燃烧测量的研究早在本世纪二十年代就已经开始，但 是在激光出现以前，燃烧火焰测量主要使用皮托管测量速度，用空吸式( 真空) 高温计测量温度，用真空取样管测量气体浓度【l 甜。科学家只能根据测量得到的温 度和压力推断燃烧特性，计算放热率和流率。在采用这些用水冷却的探头时，不 可避免会对温度场和流场造成干扰，影响测量结果的准确性和可靠性。而激光的 发明及随后激光技术的发展，为燃烧测量提供了新的手段，也开辟了新的研究领 域。由于激光技术具有非接触式测量，空间分辨率极高，动态响应快，测量精度 高，量程大以及测量方向上的灵敏性好等诸多优点，它迅速成为燃烧测量研究中 的主流技术，使得燃烧研究的可视化真正成为可能。 燃烧研究测量中的激光技术主要由激光散射技术、激光全息技术、激光多普 勒技术、激光诱导荧光技术和傅立叶变换红外光谱技术等，它们主要是基于光的 折射、反射、衍射、散射、吸收和干涉原理【l3 1 。激光风速仪已经成为测量火焰速 度和湍流特性的主要手段。采用两组或三组这样的系统可以测量正应力和剪切应 力，并由此计算涡流的动能，为计算流体动力模型提供基本依据，而三色激光多 2 华中科技大学硕士学位论文 普勒速度仪( l d v ) 则能同时测量速度的三个分量，双色激光多普勒速度仪可以 测量轴向和水平方向的平均和均方速度。用相位多普勒激光风速仪可测量速度， 液滴大小分布，液滴速度分布，液滴数目密度和液体流量。激光全息技术可以在 摄影底片上同时记录物体的振幅和位相的全部信息，能获得物体的三维信息，而 普通摄影只能记录物体的光强信息而丢失了与光强有关的相位信息。从单张全息 图上就能很容易得到粒子的大小和形状，用多次曝光全息技术则能够测量粒子的 速度和轨迹。在非接触激光测量技术中，主要有用激光瑞利散射，激光诱导荧光， 自激振动和旋转喇曼散射和相关反斯托克喇曼散射同时测量温度和物质浓度，并 由此确定它们之间的相关性。利用上述各种散射技术并结合l d v 技术可以同时 测量温度、速度和组分浓度，并研究它们的相关性。傅立叶变换红外光谱技术同 样可以测量温度及气体成分、粒子和碳烟的浓度【1 2 1 【3 】【1 4 1 。须指出的是，上述各种 激光测量技术对光路的安装要求十分严格，需要对燃烧室进行改造，装置成本昂 贵。因此，它们只能作为实验室进行燃烧研究的技术手段，不能对产品发动机进 行直接的测量研究，也不可能成为产品发动机上的反馈控制传感元件。为满足现 代发动机管理系统的要求，需要开发针对产品发动机的传感元件。它必须具备工 作可靠、装置简单、抗干扰能力强和成本低的特点。 下面重点介绍一下激光诱导荧光法在燃烧领域应用的发展情况。 1 2 2 激光诱导荧光法在燃烧中的应用 在激光光谱中，激光诱导荧光光谱( l i f ) 是经常采用的、非常灵敏的检测 技术，可用于测量原子与分子的浓度，探测分子内的能量传递过程等方面。 在内燃机领域，对燃烧现象的l 实验研究，实现了对燃烧过程的非侵入式 观察。l i f 法利用单色性好、波长较短、能量较大的短脉冲激光光束使某种分子 或原子激发，测量由激发态返回基态时发出的荧光，可以计算该成分的浓度和温 度分布。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 激光诱导荧光法的原理简介 当激光波长调谐到分子的某两个特定能级时，分子就发生共振并吸收光子能 量而激发到高能态，处于高能态的分子是不稳定的，它要通过辐射的或非辐射的 方式释放出能量而返回到基态。分子通过自发发射返回基态所发射的光称为荧光。 荧光用光电倍增管等接收，其信号为：p f = h ，a 2 口。圪2 。其中 为荧光光子能量，a 2 i 为荧光上能级自发辐射系数，口。、圪分别为光学收集系统 的立体角和有效的荧光体积，m 为荧光上能级粒子数。通过测量邱就可以得到 粒子数2 的大小，然后利用b o l t z m a n 分布n l , 一( z j + 1 ) e x p ( - e j k t ) 便可推导出温度。 ( 2 ) 燃烧系统中激光诱导荧光法( l 正) 的应用 在燃烧系统中l i f 的应用，包括测量温度，测量粒子浓度，燃料分布等方面。 目前，l i f 已成为燃烧气流的化学与结构研究的重要手段。 l i f 方法在火焰中粒子浓度的测量包括：瞬态自由基粒子的测量。瞬态自 由基是燃烧中的反应中间体，如o h 、h 、0 、等，它们在燃烧剂分子的复合与燃 烧产物( 如c o 、n o 等污染粒子) 的形成中起着重要的作用，此外自由基在火焰 反应区的输运、火焰的稳定与点燃中起着关键的作用。污染粒子测量。测量污 染粒子主要用于对污染物的控制与排放，常见的污染粒子有n o 、c o 、n 0 2 、s 0 2 等分子。l i f 方法的空间与时间分辨测量有助于深入理解燃烧过程中这些粒子形 成的机理。 对火焰温度的测量是l i f 在燃烧中的另一个重要应用。用l i f 进行温度测量 大多利用燃烧中的o h 自由基，也有用c n 或c h 等粒子。还可以在火焰中植入 一些荧光粒子来进行l i f 测量，如混入一定量的n o 等分子【l 引。由于l i f 测量温 度是一种非接触式方法，具有很好的空间分辨率，而且在荧光很强时可以实现单 次激光测量，因此是一种高精度的快速测量方法。 需要指出的是，用l i f 方法来研究像内燃机这样的高温高压燃烧过程，必须 4 华中科技大学硕士学位论文 考虑荧光的淬灭效应。淬灭效应是指分子吸收了光子能量跃迁到激发态时，能量 不是以荧光而是通过碰撞弛豫到达其它能级。特别是在高温高压下，粒子浓度大， 平均自由程短，这种效应更加明显，严重时会收不到荧光光谱。为此提出了多种 方法来校正淬灭效应对荧光测量的影响，例如，m u l l e r 等人提出，采用压缩荧光 检测的带宽，即只接收直接激发的上转动能级的荧光。饱和吸收跃迁是抑制碰撞 淬灭干扰的另一种方法。l u c h t 等人对在( 3 0 2 4 2 ) 1 3 3 3 2 2 p a 的火焰中的o h 自由基的饱和荧光进行了测量，他们证明，如果激光激发转动跃迁饱和，并只测 量激光泵浦的上转动能级的荧光，荧光信号对碰撞转移的依赖关系可以降低5 1 0 倍【l ”。但是，直到1 9 8 8 年a n d r e s o n 教授提出了激光诱导预分离荧光法( l 坤f ) ， 这个效应才被彻底消除。 ( 3 ) 用l 法进行燃烧参数测量的国外研究进展 对燃烧生成物的测量 早在1 9 8 2 年，美国s t a n f o r d 大学h a n s e n 实验室就首次用l i f 法测得了喷灯 火焰燃烧产物o h 的荧光【1 6 1 。9 7 年，日本马自达摩托车公司的t a t s u y at a a a k a 等 人在火花点火发动机上用l i f 法进行了n o 的面测量【埘。大众公司的w e r n e r h e n t s c h e l 等人也用l i f 法在一火花点火发动机上得到了n o 的一维定量分布【堋。 光 火花毫 图1 - 1 光学发动机图示 9 8 年，德国海德堡大学的 e h i l d e n b r a n d 等人报告说，首次在实机火 花点火发动机上用二维的l 球法进行了 流场和n o 形成的研究，测得了火焰前锋 的发展和量化的n o 浓度分布。他们的目 标是开发一种能预测发动机燃烧和排放 形成的数字化工具【1 9 1 。 他们在异辛烷空气混合物为燃料 华中科技大学硕士学位论文 的火花点火发动机中对n o 的分布进行了量化特征的测量，得到了从点火开始到 膨胀冲程中期曲轴转角范围内整个气缸的n o 浓度的实际值。基于l i f 技术，用 k r f 受激准分子激发n o a - x ( 0 ，2 ) 带，来测量二维n o 浓度分布，得到了高时间 和空间分辨率的结果。 所用的发动机是一台装备了光学通道的单缸v o l v o n l p 发动机。图1 1 为该 光学发动机的图示。可调的窄带k r f 受激准分予在2 4 8 n m 处的光束被柱面镜片形 成水平光片，通过顶上的窗口或缸线排列在不同的平面。四个绝热镜合成一2 3 0 r i m 处的窄带光谱反射特性，和另一2 4 8 n m 处的0 0 镜一起被用来将n 0 荧光从其它荧 光中分离出来，主要是从0 2 荧光和2 4 8 n m 引起的瑞利散射荧光分离。l i f 信号强 度和n o 的密度 线性相关 实验中，可以很清楚的看到n o 形成开始于燃烧室中间的火花塞。在燃烧初 期，火焰和n o 浓度场向排气阀移动。在早点火时，即上止点前3 0 0 处，测得燃 烧室中间的峰值n o 浓度为3 7 1 0 1 7 n o 分子c m 3 。在点火较晚时，即上止点前 1 0 0 处，峰值浓度要低得多，因为此时压力和燃烧温度相对较低。可见，n o 形成 主要是由于基于z e l d o v i c h 机理的高温和长反应时间。 他们的研究过程，有以下几点值得关注：a ) 用k r f 受激准分子在2 4 8 n m 激发 n oa x ( 0 ，2 ) 带，从而使激光衰减的影响达到最小化。b 注稀薄燃烧情况下， 可能会出现0 2 的干涉。用2 2 5 n m 到2 4 0 r i m 之间的荧光激发位于2 4 7 9 4 r i m 处的 n oa - x ( 0 ，2 ) 0 1 2 带时，就可以使0 2 的干涉最小化。 另外，9 8 年，美国s a n d i a 国家实验室的j o h ne d e e 等人也在直喷柴油机上 进行了n o 形成的光片激光诱导荧光法( p l i f ) 测量【2 0 】。 对燃烧温度的测量 在描述反应和未反应的气流系统时，温度分布是研究人员的主要兴趣所在。 特别是在内燃机系统中，初始温度分布对火焰的发展和自燃过程非常关键。 6 华中科技大学硕士学位论文 早在7 0 年代末，美国密西根通用汽车研究实验室的j h b e c h t e l 就在预混层 状c h 4 火焰中利用l i f 方法，得到了温度分布，并且把结果和氮分子的r a i d , a n 光谱温度分布测量值作比较，两者吻合得很好【2 l 】。日本h o k k a i d o 大学的a k i h i r o k i d o 等人在9 8 年用碘l i f 法在非稳定煤气喷灯上进行了火焰温度分布的测量阱1 。 最近，德 国海德堡大学 的w o l f g a n gg b e s s l e r 等人， 利用n o 粒子 双色激光诱导 荧光法，进行 了稀薄火焰和 煤烟火焰中的 二维温度场的 图形化测量。 用可调的k r f 激发准分子激 光在其基本波 长 a - x ( 0 ，2 ) ；2 4 8 n m 】处和第一反斯托克斯的h 2 拉曼单元在其移动波长 a x ( 0 ，o ) ，2 2 5 姗】处共同激发转动跃迁】。 测试在乙烯空气混合燃烧火焰中进行。用装备了无色镜片的增强型c c d 摄 像机( 户1 0 5 m m ，五：4 5 ) 来得到l i f 信号。图像增强器以1 0 0 n s 的曝光时间打开， 来抑制对火焰自发光的探测。 华中科技大学硕士学位论文 在稀薄火焰的探测中，没有发现明显的背景荧光，在碳烟火焰中，相当多的 背景荧光被测得，从而导致了温度值的1 2 左右的误差。 本次实验中几点值得关注的是：a ) 选用了n o 作为示踪物。当n o 被植入反 应流系统时，可同时在未燃气体和焰后气体中出现。而且，n o 提供了相对较大 的荧光跨区，能得到较强的无共鸣荧光信号。另外，在此研究中，n o 搀杂物看 来对火焰温度没有明显的影响。b ) 为达到单个激光同时激发的可能性，用n o a x ( o ，0 ) q i + p 2 1 ( 3 3 5 ) 和a - x ( o ，2 ) 0 1 2 ( 5 5 ) 双线，同时激发n o 。用两个不同的激光 源可以使得信号强度最大化，同时仍然保持高的背景能量差。c ) 本次研究还进行 了双线l i f 温度图示法与c a r s 测量法的比较。通过与被认为是可靠的火焰温度 测量方法c a r s 法的比较，得出该l i f 法能够得到精确的温度分布测量。 对o h 自由基的测量 为了得到火花点火发动机的o h 自由基图像，1 9 8 8 年，f d t o n 和s u n t z 在一 台以丙烷空气混合物为燃料的火花点火发动机上进行了o h 自由基浓度的l i f 图 像显示。1 9 9 3 年，v a n n o b e l 用l i f 技术同时测得一台四缸火花点火发动机的o h 自由基和异辛烷燃料的分布。 对于柴油机中的o h 自由基，1 9 9 2 年，a r n o l d 成功地用l i f 法显示了1 1 庚 烷空气燃烧时一四缸直喷柴油发动机在最大压力5 m p a 下的二维o h 和n o 分布。 对于稳定的传播火焰，p u f f 于1 9 9 4 年用l i f 技术和热磷采样技术测量了o h 的量 化浓度，以及传播火焰的碳烟氧化区域的起始碳烟颗粒尺寸【2 ”。 这里，主要谈一下东京理工大学的h i d e n o f ik o s a k a 等人在9 6 年用l i f 技术 在柴油机上进行非稳态火焰中o h 自由基二维成像的实验 2 5 j 。实验表明，o h 自 由基在碳烟的形成和氧化过程中起重要的作用。研究人员期望通过该实验，提供 碳烟形成和氧化过程的详细信息，从而监控发动机的燃烧进程。 图1 3 所示为所用的光学系统和柴油机的燃烧室。所用的柴油机压缩比为 1 4 7 。燃料混合物是由9 0 的石蜡碳氢和1 0 的聚乙烯已二醇组成的，用来减少 华中科技大学硕士学位论文 浓碳烟烟雾引起的光学衰减。另外，纯聚乙烯已二烯被用来比较极低碳烟火焰和 碳烟火焰中o h 的分布。 0 缸内透镶 。光电二棱管降耐 图1 - 3 试验用发动机的燃烧室及光学装置 n d ：y a g 激光泵 浦的染料激光系统被 用来激发o h 自由基和 照亮碳烟颗粒。激光工 作于1 0 h z ，泵取a 2 一x 2 跃迁的( 1 , 0 ) 振动带的0 2 ( 8 ) 和q l ( 9 ) 线。激光束通过 三个柱面镜转换成一 高2 5 r i m ，厚o 1 5 r i m 的 光片。光片被安装在燃 烧中的棱镜反射，穿过火焰的中间平面。成像系统由一组带通滤镜，一面倍增棱镜， 一台门控图像增强器和一个c c d 摄像机组成。 l i f 法在距离喷嘴孔3 5 r i m 到1 1 0 n m 的区域内得到图像，因为该区域的燃料 气化完全。研究得出：a ) 在喷射火焰的附近区域内，o h 自由基出现比碳烟早。b ) 在准稳态区域和火焰的绝大部分，碳烟烟雾主要在中心区域存在，被主要存在于 火焰周围的o h 包围，o h 和碳烟在柴油机火焰中几乎不能共存。c ) 柴油机火焰中 的o h 的定性分布不随着火焰中碳烟的总量变化而剧烈变化，用l i f 得到的o h 荧光在喷雾火焰中的定性分布趋势跟碳烟颗粒的光学衰减无关。 本实验的独特之处在于：a ) 能确定探测到的荧光是不是o h 放出的。研究人 员发现，有机分子如p a h ，有很宽的吸收带，能被波长不同于激发o h 的波长的 光激发。而o h 只有很窄的吸收带，即使瞬态光的波长只变动0 1 n m ，都将导致 9 华中科技大学硕士学位论文 无法激发。因此，他们用柴油机燃烧1 0 0 聚乙烯p - - 烯燃料时波长共鸣激光和 无波长共鸣激光来测量l i f 光谱。结果指出，在3 0 0 r i m 到3 4 0 r i m 观察到的强光 谱是被激o h 的荧光光谱，此时，燃料气体、p a h 和o h 自发放光的荧光可以忽 略不计。b ) 用含有氧化燃料的燃料混合物来控制火焰的碳烟形成。 9 7 年，日本的h i r o s h i n a k a g a w a 等人也用l i f 法进行了柴油喷雾火焰中o h 自由基的测量【2 6 1 。 对燃油分布的测量 9 7 年，美国s a n d i a 国家实验室的p e t e ro w i 乜e 等人用l i f 法和火域成像法 在火花点火发动机的冷起动模拟中进行了液态油膜的测量【2 】。 该实验在一台四气门，单缸实验发动机上进行。激光诱导荧光法被用来直接 观察油膜。头部带有窗口的b o w d i t c h 活塞提供了燃烧室8 0 的光学通道。燃烧 室安装了一个非冷却的压电压力传感器，在进气凸轮上安装了一个全方位杆状译 码器为曲轴位置提供1 0 曲轴转角分辨率。发动机燃用8 7 号辛烷汽油。选用一 个模拟进程，该处发动机维持一个稳定的冷却温度，运转在稳定速度。燃油喷射 和点火在特定的发动机循环数内实现，一般是在5 0 到2 0 0 之间。 p c 为实验提供时间信息，控制发动机，通过杆状译码器和发动机达到同步。 当用一三倍频的n d ：y a g 激光在3 5 5 n m 处激发时，荧光具有一个4 5 0 n m 处的发光峰值。用一个1 0 r i m 的带通滤镜在4 5 0 r i m 中心处滤掉不要的光。 研究得到：1 ，喷阀开启时，产生覆盖大面积的油膜，时间上比喷阀关闭时 早；2 ，喷阀关闭时，油膜主要在燃烧室的进气边生成，喷阀开启时，整个燃烧室 都会生成油膜；3 ，在冷起动早期，不论是压缩变热还是燃烧，燃烧室中的液态油 膜都不能完全气化。研究人员预计，排气阀附近的油膜是未燃碳氢排放的直接来 源，气缸壁上的油膜是窜入曲轴箱的燃油的来源之一，火焰场则是碳烟的来源之 0 华中科技大学硕士学位论文 。 通过对实验的了解可知，所用的激光诱导荧光法有一定的局限性：a ) 具有 线性可见性的技术缺点，因此不能清楚地区分位于头部和活塞顶上窗口的油膜i b ) 窗口的碳烟沉积会模糊该技术的可见性，因此，要求具有实际可操作的便利的具 有自洁能力的窗口：c ) l i f 图像会被气态阶段延迟的火焰场产生的碳烟模糊：d ) l i f 法能得到起动、起火和失火等发动机工况的油膜图像。 9 7 年，德国的j m e y e r 等人在带有e g r 的分层火花点火发动机上，用l i f 法进行了燃油分布的可视化研究口舶。9 8 年，日本的m a s a r uh a y a s h i d a 等人在直喷 煤气发动机上用l i f 法进行了发动机运行和燃油分布的研究。实验得出，喷射时 间对燃料分布和发动机运行状况有很大的影响。喷射方向对缸内燃油分布和发动 机运行稳定性也有影响口9 】。 对混合气空燃比的测量 在火花点火发动机的燃烧室中，火花塞周围的空燃比也是火焰传播的一个主 要参数，特别是在稀薄燃烧发动机中。 r o u e n 大学的j r e b o u x 和d a n i e lp u e c h b e r t y 等人在9 0 年代中期，用l i f 法 在火花点火发动机的燃烧室内进行了空燃比的定量测量【3 0 1 。甲苯以5 的小含量 出现在异辛烷中，作为示踪物来显示燃油的分布。在一台装备了光学通道的四冲 程单缸发动机上，进行了压缩阶段缸内空燃比的瞬时图示。显示出离火花塞较远 处燃油的非均匀分布对燃烧的有利之处。 l i f 测量在3 3 0 度( 上止点前3 0 度) 处，压缩冲程的末期，火焰到达探测体 积前进行：在0 9 到1 1 0 这5 个不同的空燃比r 。处进行。结果，循环变动的当量 率和混合物不均匀率随着进气层的冷却及进气阀门和喷嘴的距离增加而增加。 本次实验具有很强的代表性，因为：在压缩冲程末期的空燃比特别有用。但 华中科技大学硕士学位论文 是此时，现代发动机中的压力在1 5 到2 0 巴左右。这么高的压力对于对熄灭尤其 敏感的传统的l i f 量化测量是不适合的，因此，传统的l i f 法很难用于压缩冲程 空燃比的定量测量。这里用一种新方法，就是把氧气作为激光激发示踪物的主要 碰撞对象，这样，在温度恒定，压力高于3 巴时，特别是在压缩冲程3 0 0 0 c a 到 3 3 0 0 c a 范围内，荧光信号直接和空燃比成正比，和压力无关。这种新的测量方法 在校准后可以进行二维空燃比测量，不用假设氧气均匀分布，没有运转压力的最 大值限制。不过，在进气冲程得到的图象只是对燃油分布的定性图示。在压缩冲 程，空燃比也只能定性测量。而只有图像的统计过程才能给出空燃比分布的量化 信息。 ( 4 ) 关于l i f 燃烧测量的国内研究进展 国内在这方面的研究还很少，从9 0 年代初到现在，所进行的工作还是很有 限。这跟实验装置的不完备有关。 9 0 年代初，天津大学热能研究所的张江波等人，利用分子体系的激光诱导热 助振动荧光光谱( l i t v f ) 实现燃烧温度测量新技术口”。建立了分子激发态振动 能级粒子碰撞能量弛豫模型，研究b a c l 分子的l i t v f 光谱特性，通过5 1 7 n m 波 长选择激发c 2 i il ，2 ( v = 1 ) 一x 2 ( v s = o ) 跃迁，对液化石油气空气预混层流火焰 温度进行了实验测量。结果表明，对b a c l 分子，该方法的测量精度可达ot = 3 0 k 。 另外，最近，西北核技术研究所的关小伟等人也用激光诱导预分离荧光法进行了 燃烧场的温度研究【3 2 1 。 这里，重点介绍作者所在的华中科技大学汽车系的盛凯夫等人，曾在1 9 9 3 年做过的激光诱导荧光测量汽油机换气中c 2 浓度的实验【3 3 l 。用x e c i 激光泵浦染 料激光器，激发汽油机换气中c 2 自由基3 刀h 一3 口；带荧光谱，根据谱线强度， 测量了换气中的c 2 浓度( 1 0 1 7 c m 一3 ) ；同时研究了汽油机不同空燃比对c 2 浓度 1 2 华中科技大学硕士学位论文 的影响。 他们所用的汽油机是一台d f 7 5 0 型单缸二冲程风冷回流扫气式点火汽油机。 以l a m d ae m g 2 0 1 型x e c l 准分子激光泵浦的f l 3 0 0 2 型染料激光器为激发光源， 输出激光波长在4 5 0 4 7 5 n m 之间可调谐，激光线宽o 2 c m ，脉冲宽度为3 0 n s ， 平均脉冲能量为1 5 m j ，经f = 0 8 m 的石英透镜会聚入射进汽油机的气缸内，光束 半径约o 5 m m 。这样，经聚焦后的激光束能量密度达1 9 1 1 0 4 j m 2 。激发出的荧 光经o 5 m 单色仪分光并由r 4 5 6 型光电倍增管接收，电信号由e g & g 4 4 0 0 型 b o x c a r 信号平均器进行采集，并存贮在磁盘中进行后处理，整套系统由汽油机 曲轴转角信号作同步控制信号。 测量中，激光的激发波长为4 7 3 7 r i m ，它对应于c 2 3 刀h 一3 刀；中( 1 ，o ) 态的 振动光谱波长值，单色仪从4 5 8 a m 扫描到4 8 5 n m 。图l - 4 是实验测得的汽油机换 薯 v 颓 米 波长( a 1 ) 图1 4 实验测得的c 2 诱导光谱圈 气中c 2 的诱导光谱图，从图中 可以看到，由于存在分子间的 相互碰撞作用，当激发( 1 ，o ) 态时，可同时接收到( 3 2 ) ， ( 4 ，3 ) 和( 6 ，5 ) 态的跃迁。在一 个大气压左右，( 6 ，5 ) 态光谱 强度比较强。而由于单色仪的 分辨率有限，所以它与( 4 ，3 ) 带光谱重迭在一起，使得谱线 比( 3 ，2 ) 态的要宽一些。利用 ( 3 ，2 ) 态的非共振荧光，就可 以计算出c 2 分子的粒子数n t 的大小。 华中科技大学硕士学位论文 按照同样的方法，研究了汽油机在不同空燃比下c 2 浓度的变化规律。结果 表明，随着a f 的减小，c 2 浓度呈上升趋势，从而导致了排气中碳烟粒子浓度的 上升。 总之，与其它光谱诊断技术相比，l i f 法有以下优点：用脉冲激光实现高的 时间分辨率，用激光片实现高的空间分辨率以及用单色光实现高的光谱分辨率。 因为荧光信号直接和被测分子的上下能级联系起来，具有高灵敏度。可以实现浓 度场和温度场的二维分布显示。 但是，至今还没有将缸内燃气分布波动用三维明确表示的实例，这是今后的 研究题目。 1 2 3 光纤传感技术在燃烧测量中的应用 随着光电技术与计算机技术的发展，用光纤传感器对内燃机燃烧过程进行监 测和反馈控制成为八十年代后期迅速发展的一门新技术，国外已在电子燃油喷射 发动机上开展应用研究。光纤传感器特别是火花塞光纤传感器成本低、可靠性好、 无污染，可以很方便的将缸内火焰辐射光的真实变化如实地传输出来。 德国f e v 发动机技术公司在八十年代末，成功地开发出一套用于燃烧火焰传 播测量和诊断的多光纤系统【蚓【3 5 1 1 3 6 1 。通过该系统可以对火焰传播与敲缸程度进行 测量，可以检测出高频信号，并能分辩出哪一个循环有敲缸，哪一个循环没有敲 缸，而且不受电子和机械干扰。缺点是过于复杂，难以操作，只能作为实验室专 门研究的技术装置。 美国底特律柴油机公司利用缸内燃烧传感器对柴油机的烟度进行了测量和控 制的实验研究【3 7 】。 美国s a n d i a 国家实验室的w i t z e 3 8 1 和m i ts l o a n 汽车实验室 h e y w o o d 3 9 】等人，利用开发成功的多光纤火花塞传感器，对汽油机火焰核心形 成和早期发展进行测量研究，取得有意义的进展。所应用的光纤传感器技术比较 1 4 华中科技大学硕士学位论文 成熟，可以作为实验室测量研究的常用设备。 美国a r g o n n e 国家实验室的z h i h o n gs 吼i 帅1 和m i n n e s o t a 大学的p e r r y l b l a c 运用火花塞光纤传感器和普通光纤传感器同时探测了一单缸c f r 型 汽油机爆震燃烧状况。此时普通光纤传感器的主要功用是监测燃烧过程快结束时 接近末端气体区域处的未燃气体的辐射。 日本研究人员在内燃机燃烧火焰发射光谱方面做了许多研究。其中以 n a g a s e 【4 1 】【4 2 l 等人的研究集体，自1 9 8 5 年至1 9 9 0 年期间，建立了一套分别包括 单束光纤传感器和条纹照相机，以及包括一进四出的集束多分路光纤传感器，单 色滤光片和光电倍增管组成的光电分析系统，分别对柴油机火焰光谱中可见光光 谱以及波长为4 8 0 n m ，5 1 0 n m ，1 3 5 0 n m ，1 5 5 0 n m 等颜色的单色光进行了详细的 分析，同时也研究了多色法测量火焰温度及c n 光谱与n o x 生成的关系。 日立公司【4 3 l 通过对c 2 和c h 两种燃烧中间产物的发射光谱的测量，提出了 光强比值法测量汽油机瞬态空燃比的方法，并给出所获得的经验公式，为测量瞬 态空燃比提供了新思路。同时该公司还研究了用可见光双色法测量瞬态火焰温度 的方法。 日产公司采用多光纤传光结合对c 2 和o h 两种自由基光强变化而测量对爆 震条件的光强变化的原因进行了研究【“】。指出，当发生爆震时，c 2 和o h 光强均 出现了双峰值。 英国l u c a s 公司在几台轿车发动机上进行试验研究，研究如何根据所测光 强变化识别燃烧始点和终点以及敲缸程度。另外，他们还对敲缸强度和循环变动 参数进行统计处理，研制了一套根据燃烧始点和终点的检测对点火和供油进行反 馈控制的系统。 英国l o c u s 公司的n u t r o n 【4 5 1 ，美国b a r r a c k 公司的p l 】z e m ，以及美 国的a m b a c 国际公司的d a y f 4 7 】采用光纤燃烧传感器，而且采用硅光电二极管 华中科技大学硕士学位论文 作为光敏元件，建立测量系统，提出不同方法的光电反馈研究。f o r d 公司的 c o p p e r 等人也应用一种光纤探头直接接硅光电管建立了一套电控柴油机喷射系 统。光纤技术被认为是未来电控系统的重点技术。 表l 为国外应用光纤燃烧传感器技术的概况。 表1 国外对光纤传感器技术的应用 研究者传感器型式转换方式研究内容备注 u s p i c h e r 多探头( 蓝宝石和石英)光电倍增管火焰传播与爆德国f e v 发动机 震的关系公司 p o w i t z c 8 光纤探头与火花塞一 光电倍增管 火焰形成与传美国能源部 体( 蓝宝石)播和气流运动 之间的关系 j b h e y w o o d8 光纤探头与火花塞一光电倍增管火焰形成与传多国财团组成的 体( 蓝宝石)播和气流运动财团 之间的关系 k s o h a m a 单根探头或火花塞电极光电倍增管火焰瞬态温度日本日立公司 中穿入探头瞬态空燃比 k n a g a s e早根探头【自夹教埚)条纹相机或柴油机火焰光日本国营铁道公 光电倍增管谱火焰温度 司 n u t t o n 单棒型或火花塞中心电硅光二极管着火时刻爆震英国l o c u s 公司 极穿入( 石英玻璃)反馈电控方法 s t c 佗n l p 单探针型( 蓝宝石)硅光二极管光强变化及反美国b a r r a c k 公 l e e 馈控制方法 司，d e t r o i td i c s c l 公司 t n o i l 多光纤探头( 石英玻璃光电倍增管光强与爆震的日本日产公司 光纤)关系 h x g u o c 一进三出光纤( 蓝宝石 光电倍增管 火焰温度法国里昂教育中 窗口) 碳