單線雙示蹤粒子PLIF測(cè)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(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072）

·研究·開發(fā)·

單線雙示蹤粒子PLIF測(cè)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(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072）

在一臺(tái)改造的四缸汽油機(jī)上開發(fā)了基于PLIF技術(shù)的單線雙示蹤粒子測(cè)溫技術(shù)，該技術(shù)采用Nd：YAG激光器的266 nm波長(zhǎng)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(jī)前加入雙像器可以在只有一臺(tái)CCD相機(jī)的情況下同時(shí)獲得兩種示蹤粒子的熒光圖片，并標(biāo)定了雙像器的光強(qiáng)透過(guò)曲線，利用數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器對(duì)激光器和CCD相機(jī)之間的延遲進(jìn)行精確設(shè)定保證可以拍攝到熒光信號(hào)。在發(fā)動(dòng)機(jī)上拍攝某工況進(jìn)氣壓縮過(guò)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(jìn)行對(duì)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(cè)溫技術(shù)示蹤粒子

引言

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)充量分布和溫度分布的了解，必須借助于先進(jìn)的測(cè)量手段，而發(fā)動(dòng)機(jī)本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、高速運(yùn)動(dòng)的部件和高溫高壓的環(huán)境對(duì)缸內(nèi)狀態(tài)的測(cè)量提出了更高的要求。而20世紀(jì)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(cè)量技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，其最大的特點(diǎn)是對(duì)測(cè)量對(duì)象的無(wú)干擾性和高測(cè)量精度。從20世紀(jì)70年代開始，激光測(cè)試技術(shù)開始應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，對(duì)缸內(nèi)速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行激光測(cè)量也成為可能。

目前缸內(nèi)流動(dòng)的激光測(cè)量技術(shù)趨于成熟，例如激光粒子測(cè)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(dòng)了PIV技術(shù)的應(yīng)用［1-3］，同時(shí)激光器和相機(jī)的時(shí)間分辨率的提高使得基于曲軸轉(zhuǎn)角的PIV測(cè)量技術(shù)成為測(cè)量流動(dòng)循環(huán)變動(dòng)的重要手段。而缸內(nèi)濃度場(chǎng)的光學(xué)測(cè)量也在科研中得到了廣泛的應(yīng)用，從20世紀(jì)90年代中期開始，缸內(nèi)燃油分布的測(cè)量也逐漸應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)研究中［4-6］，但是缸內(nèi)溫度分布的激光測(cè)量在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用較少。對(duì)缸內(nèi)溫度分布的光學(xué)測(cè)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(dòng)機(jī)測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，原因是發(fā)動(dòng)機(jī)其他組件的散射光對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾，它會(huì)錯(cuò)誤地提高信號(hào)強(qiáng)度，使溫度測(cè)量結(jié)果偏小。本文在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于LIF技術(shù)的單激光雙示蹤粒子測(cè)試系統(tǒng)，用于對(duì)缸內(nèi)二維溫度場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量。

1　PLIF測(cè)溫理論基礎(chǔ)

PLIF主要根據(jù)示蹤粒子的熒光強(qiáng)度在不同溫度下會(huì)發(fā)生變化的特性對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)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(cè)量的熒光強(qiáng)度可以用下式表示：

如果對(duì)于上式的每個(gè)量都能定量計(jì)算，那么可以通過(guò)上式計(jì)算出溫度值，這種技術(shù)已經(jīng)在一個(gè)可控的實(shí)驗(yàn)中使用過(guò)，但是在發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)法精確地通過(guò)上式進(jìn)行推導(dǎo)。同時(shí)，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(jì)的。

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

其中λ1和λ2分別表示兩個(gè)測(cè)量中激光的波長(zhǎng)。兩個(gè)PLIF測(cè)量的比值可以用上式表示，可以將該式分為3個(gè)屬性：

激光屬性與激發(fā)激光的波長(zhǎng)和能量相關(guān)，檢測(cè)系統(tǒng)屬性與熒光檢測(cè)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(gè)測(cè)量的熒光屬性對(duì)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(lái)，其中Ccal表示式子中的其他常數(shù)。對(duì)于上述方法的實(shí)現(xiàn)，可以同時(shí)引入兩種示蹤粒子，而只采用一種激發(fā)激光，通過(guò)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(shì)是不存在激光能量的差異，不需要對(duì)激光能量進(jìn)行監(jiān)控，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，也減少了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性。

2　試驗(yàn)裝置

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量系統(tǒng)

為了在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)該測(cè)量技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，為測(cè)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供必要的光學(xué)通道?；谒母灼彤a(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)改造后的整個(gè)試驗(yàn)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(jī)活塞上方安裝有加長(zhǎng)活塞，加長(zhǎng)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(yàn)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(dòng)機(jī)缸套的上部分采用圓形的光學(xué)玻璃缸套，用來(lái)為激光光源的進(jìn)入提供光學(xué)通道。進(jìn)氣加熱系統(tǒng)在一個(gè)圓柱型加熱罐中裝有6根空氣加熱棒，每個(gè)加熱棒的功率為0.6 kW，共計(jì)3.6 kW。在進(jìn)氣道口處裝有熱電偶，用于測(cè)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(jìn)行加熱控制，保證進(jìn)氣道處溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度。

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU采用自主開發(fā)的汽油機(jī)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(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度和對(duì)電源電壓良好的適應(yīng)性，其適用于四缸汽油機(jī)的控制，可以對(duì)噴油、點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，同時(shí)根據(jù)光學(xué)測(cè)量的需要將另外三缸的噴油信號(hào)改造成一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，用于發(fā)動(dòng)機(jī)PLIF系統(tǒng)的控制。

2.2激光測(cè)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(guò)一個(gè)玻璃鏡片，該鏡片可以反射13%的激光能量到NEWSPORT的功率計(jì)上，對(duì)激光能量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)控，之后經(jīng)過(guò)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(guò)光學(xué)石英玻璃缸套進(jìn)入缸內(nèi)，激光器和相機(jī)之前的時(shí)序控制采用數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器（DG645），用來(lái)對(duì)激光器和相機(jī)的觸發(fā)進(jìn)行ns級(jí)的精確控制，使相機(jī)能夠在熒光壽命期內(nèi)準(zhǔn)確接受到熒光信號(hào)，試驗(yàn)中采用Andor相機(jī)，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(jī)使用XY-100紫外鏡頭，前端裝有雙像器，可以同時(shí)獲得兩種示蹤粒子的熒光圖片，通過(guò)對(duì)兩張熒光圖片的對(duì)比得到溫度分布。

3　測(cè)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(duì)單線雙示蹤粒子的測(cè)溫精度影響很大，因此需要對(duì)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(duì)影響程度做出估計(jì)，不過(guò)這會(huì)對(duì)測(cè)溫的精度產(chǎn)生影響，因?yàn)楫?dāng)?shù)匮鯕獾拇銣缧?yīng)是很難估計(jì)的，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)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(wèn)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(cè)溫中這些示蹤粒子中只能選擇一個(gè)。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(wú)法與其他示蹤粒子采用相同的激光進(jìn)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(huì)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(huì)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?yàn)榕c丙酮相比，它具有更接近異辛烷的物理性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)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(duì)幾種組合下的熒光比值對(duì)溫度的敏感度進(jìn)行了測(cè)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(duì)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(jìn)氣溫度下，三種不同壓力值下測(cè)量的。圖2是在1 500 kPa下，三種組合隨進(jìn)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(duì)溫度的敏感性更高，在測(cè)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(zhǎng)只有40%。因此試驗(yàn)中選用3-戊酮和TEA作為是示蹤粒子。

3.2時(shí)序系統(tǒng)設(shè)定

時(shí)序控制信號(hào)的基礎(chǔ)源信號(hào)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)角度由上位機(jī)設(shè)定。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU是在多缸汽油機(jī)ECU的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)使用的，其中一缸的噴油信號(hào)改造成了觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)通過(guò)一個(gè)下降沿對(duì)DG645進(jìn)行觸發(fā)，DG645接收到發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)后立刻通過(guò)一個(gè)輸出通道發(fā)出一個(gè)上升沿對(duì)激光器的閃光燈進(jìn)行觸發(fā)，之后經(jīng)過(guò)210 μs以后，再通過(guò)一個(gè)輸出通道利用上升沿觸發(fā)Q-switch，如圖2所示。

圖2　測(cè)溫系統(tǒng)時(shí)序設(shè)定圖

由于ECU發(fā)出的信號(hào)在600 r/min時(shí)是5 Hz，而激光器的觸發(fā)信號(hào)是10 Hz，所以需要對(duì)DG645的信號(hào)進(jìn)倍頻，因此采用了其BURST功能，BURST模式下設(shè)定延遲時(shí)間為100 ms，因此可以保證在發(fā)動(dòng)機(jī)600 r/min時(shí)可以通過(guò)DG645得到10 Hz的信號(hào)，對(duì)激光器進(jìn)行觸發(fā)。

DG645在給激光器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)之后，也需要對(duì)相機(jī)做出觸發(fā)操作，這需要對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)定，對(duì)該時(shí)間的確定需要估計(jì)激光收到信號(hào)到發(fā)射所需要的時(shí)間以及相機(jī)收到信號(hào)進(jìn)行拍攝的延遲時(shí)間，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定該延遲時(shí)間D為210.17 μs。

3.3雙相器的標(biāo)定

雙像器的作用是同時(shí)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(gè)接口，分別放置接受兩種熒光所需的濾光片。兩束光通過(guò)兩個(gè)棱鏡反射到相機(jī)中，形成兩個(gè)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(duì)其成像效果進(jìn)行了測(cè)試。成像效果表明，當(dāng)成像靠近雙像器中部的時(shí)候，圖像亮度明顯降低，即雙像器光路的光強(qiáng)透過(guò)率與成像點(diǎn)距離成像中心位置有關(guān)。因此對(duì)雙像器的透過(guò)率進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程如下：

1）在無(wú)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(gè)旋鈕，使所成的兩個(gè)像分別位于成像區(qū)域的兩側(cè)，并使其空間位置對(duì)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(wú)雙像器的圖像在空間上對(duì)應(yīng)，在分別減去背景后，計(jì)算二者的比值，得到雙像器的透過(guò)率曲線。

圖3　雙像器實(shí)物

標(biāo)定結(jié)果如圖4所示，雙像器兩個(gè)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(guò)率較低，隨著成像位置原來(lái)中心，光強(qiáng)透過(guò)率越高。

圖4　雙像器透過(guò)率曲線

4　測(cè)溫結(jié)果

為了驗(yàn)證該測(cè)溫技術(shù)的可行性，在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了測(cè)溫試驗(yàn)，測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓縮的過(guò)程的缸內(nèi)溫度分布。試驗(yàn)過(guò)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(duì)背景圖片進(jìn)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(jìn)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(jì)算兩部分圖片的熒光強(qiáng)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(gè)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(duì)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(shuō)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(shí)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(cè)量結(jié)果仍然存在問(wèn)題，首先TEA與3-戊酮的熒光比值過(guò)低，比值的變化范圍從0.5到1.0，說(shuō)明熒光比值對(duì)溫度的敏感性不夠，很容易造成測(cè)量誤差，分析其原因認(rèn)為主要是由TEA的濾光片的透過(guò)率過(guò)低造成的，該實(shí)驗(yàn)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(guò)率只有15%。雖然TEA的吸收截面積要遠(yuǎn)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(hào)很低。

圖5　進(jìn)氣壓縮過(guò)程熒光比值與熱力學(xué)計(jì)算溫度值對(duì)比曲線

5　結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)汽油機(jī)進(jìn)行改造，得到了適用于激光測(cè)試技術(shù)應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，光學(xué)缸套為激光片光源提供進(jìn)入通道，加長(zhǎng)活塞內(nèi)部放置的45°反射鏡可以將熒光信號(hào)反射并采用CCD進(jìn)行收集。

2）詳細(xì)論述了單線雙示蹤粒子測(cè)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(diǎn)，在本技術(shù)中得到應(yīng)用。

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

4）將該測(cè)溫技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓縮的過(guò)程的缸內(nèi)溫度分布，熒光比值實(shí)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?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程診斷。