內燃機激光測量技術的應用與發展

葉 坦

(合肥工業大學,安徽合肥 230009)

內燃機激光測量技術的應用與發展

葉 坦

(合肥工業大學,安徽合肥 230009)

在內燃機工作過程的研究中,激光測量可以直觀地提供缸內混合氣形成和燃燒狀態的信息,相比其它試驗手段具有很大的優勢。本文概括了目前用于內燃機工作過程研究的激光測量技術,闡述了其工作原理,分析比較了它們的優缺點,講述了各種激光測量技術的在內燃機工作過程研究中的應用現狀及注意事項。

內燃機;激光測量;應用現狀;發展

內燃機作為在工農業生產和交通運輸中應用最廣泛的動力機械,研制高效率、低污染的發動機是長期以來世界各國科學界及工程界所極力追求的目標,而這一目標的實現都必須首先在燃燒的改善和優化方面下功夫,由此也需要先進的測量技術對燃燒過程進行診斷。而光學技術和計算機技術的發展為更精準地研究內燃機的工作過程提供了平臺。光學測量方法屬于非接觸式測量,其最大的優越性在于對測量場沒有干擾而且精度高,尤其上世紀60年代以后,激光技術的誕生和發展,憑借激光出色的單色行、相干性和方向性,為內燃機的光學測量開辟了一個新的領域。

激光在內燃機測量中的應用主要是測量缸內速度場、溫度場、濃度場等,常用的激光測量技術包括激光多普勒技術、粒子圖像測速技術、激光全息技術、激光誘導熒光法等。

1 激光多普勒技術(LDV)

激光多普勒技術(LDV)是最早應用于內燃機測量的一門激光技術,它常用來測量缸內單點的瞬時速度。

在激光多普勒技術之前,缸內單點的瞬時速度測量多采用熱線風速儀。熱線風速儀是接觸式測量儀器,它將特定的電加熱的金屬絲放入被測流場中,測量單一點瞬時速度的變化歷程,當氣流流過金屬絲時帶走其表面熱量而引起溫度下降,從而引起熱絲電阻的改變,當氣流使熱線電阻發生變化時,電橋的不平衡電壓被反饋放大器放大后送回橋端。氣體性質一定時,可以用標定的方法得出氣體速度和橋端電壓之間的關系,即熱線的標定曲線,根據這條曲線可以用熱線風速儀來測量氣流速度。熱線風速儀用于流速的測量已有幾十年的歷史,是內燃機缸內流場測量的重要手段。

自1964年多普勒技術發明以來已經有40多年的歷史,其工作原理是依據激光多普勒效應,當一束具有單一頻率的激光照射到一個運動的粒子上時,粒子接收到的光波頻率與光源頻率會有所差異,其差異的大小同粒子的運動速度大小以及照射光與速度之間的夾角有關,通過檢測光波的多普勒頻移,即可求得粒子運動速度,進而得到流場中特定的速度時間變化歷程。

激光多普勒測速技術的優勢在于它屬于非接觸式測量,對氣流沒有干擾,可以鑒別流動方向,流場的氣體溫度壓力對測量沒有影響,具有良好的空間分辨率,典型的LDV系統空間分辨率為20～10μm,而且測量位置不受活塞運動位置的限制,可以測量燃燒過程中的氣流。其本身的缺點在于信號不連續,是一系列的階躍信號,階躍信號出現頻率與測量點的濃度有關,LDV輸出的有效數據將隨粒子濃度變稀很快減少,導致LDV數據率急劇下降。測量必須在缸頭上設有激光出入的透明窗口,安排起來比較困難,氣流中的粒子的大小和數量必須適當。自從 Yeh和Cummins在1964年第一次采用激光多普勒技術測得測流的速度以來,尤其是在80年代,LDV技術得到了迅猛的發展。針對LDV數據率低的問題,在散射粒子的選擇上,粒子加入方式上,光路系統的改進和調整以及信號處理的方法上都進行了大量的研究,極大提高了LDV的數據率,而且在數據處理方法上也取得了重要進步,能夠采用循環分析法分離出循環變動量和真正的湍流分量。

激光多普勒測速屬于單點測量,不能直接反映出缸內流場的長度積分尺度,而下面介紹的粒子圖像測速技術可以很好地計算這一參數。

2 粒子圖像測速(PIV)

粒子圖像測速技術是二維平面的速度場測試技術,這是近十幾年發展起來的一種測速技術,它可以測量非定常的二維瞬時速度場,能確定宏觀渦流的角動量,同時具有非接觸式測量的動態響應速度快,空間分辨率和精度高等諸多特點,因此受到很多學者的重視。

PIV技術的原理是:在流場中加入密度和濃度的合適的示蹤粒子,將激光束通過相應的光學裝置在缸內流場中激光片光源,并以一定的脈沖間隔多次照亮流場,成像系統利用CCD等成像設備記錄下片光源平面內粒子的多次曝光影像(利用粒子對激光的散射),通過查詢每個粒子的位移并與位移時間相除獲得平面速度矢量場。

圖1 PIV系統實驗裝置圖

內燃機中應用粒子圖像測速技術需要對發動機進行改造,圖1是典型的光學發動機結合PIV系統進行二維流場測量的裝置簡圖,光學發動機的存在使激光片光源能夠穿過被測流場,在與片光源垂直的方向需要放置成像光路,便于記錄曝光影像。在 PIV測試系統中,激光發生器一般采用雙諧振腔的Nd:YAG激光器,可以在間隔極短的時間內發射兩束激光脈沖,記錄流場內示蹤粒子的曝光圖像,圖過兩幅圖像的示蹤粒子的位移與兩脈沖的間隔時間,獲得二維平面速度場。

在PIV測量中,示蹤粒子的選擇直接影響到PIV測量的效果。示蹤粒子要具有良好的流體跟隨性和光散射性,對光學窗口的污染少,對汽缸的磨損少。研究內燃機缸內流場時示蹤粒子的直徑一般為1～5μm,為無毒的液滴。若示蹤粒子過大,容易使跟隨性變差,測量結果無法反映真實的流場;若示蹤粒子過小,散射光會較弱。一般PIV實驗中會采用液態示蹤粒子發生器,產生的示蹤粒子直徑為1μm左右。

對于得到的圖像的處理方法通常采用互相關圖像分析:互相關圖像分析是指通過分析兩幅PIV圖像之間的空間相關關系來獲得流場流速的分布。其分析思想源于像平面分析方法,即用數字方法將整幅粒子圖像分成若干個查詢區,逐個區域進行分析,所獲得的速度矢量代表查詢區域內粒子的平均速度。所謂查詢區域就是指在PIV圖像中開一個小窗口(一般大小為N×N,N為像素),并且認為在該窗口多對應的流場內所有示蹤粒子的速度是相同的,這就認為該窗口內同一示蹤粒子像之間的位移是相同的。

與LDV技術相比,PIV技術的優越性體現在它突破了單點測量技術的局限性,可以同時測量整個流場的流速分布,而且能夠獲得與單點測量相當的空間分辨率和測量精度,利用PIV技術可以方便的獲得流場隨時間的變化規律和流場中流速的空間分布。

3 激光全息技術

激光全息技術是建立在相干理論基礎上的,在內燃機測量中的應用主要集中在噴霧測量上。

用激光全息術測量噴霧場粒度的基本原理是經過粒子衍射的物光和未經粒子衍射的參考光一起記錄到全息干板上,這兩束光的干涉圖即構成全息圖。全息圖可將被照粒子的光強和相位記錄下來。當用激光重新照射全息圖時,可得到粒子的三維圖像。全息圖是脈沖激光在極短的時間拍成,好像在某一時刻將霧場“凍結”了一樣。應用激光全息術測量柴油機噴霧場粒度分布,可把噴注的任意瞬時空間分布記錄下來,不破壞霧場,測量結果精確,原始資料可以長期保存。但是激光全息技術的難點在于對全息干板分辨率及設備性能要求較高、光路調整困難、數據處理相對復雜。

4 激光誘導熒光技術(LIF)

激光誘導熒光技術是近年來比較新穎和先進的測量技術,其顯著的特點是技術本身的高精度,在內燃機測量中的應用也很廣泛,可以進行噴霧測量、燃燒產物測量和溫度測量。

LIF技術的原理(圖2所示):當激光光子的能量(表征為波長λ)符合分子特定兩個能級間隔時,受照射分子可以吸收光子從基態躍遷至高能態。由于處在高能態的分子不穩定,在一定時間內受激分子將通過輻射(圖中直線)和非輻射(圖中曲線)的方式釋放能量返回基態,熒光的發射是分子釋放能量的一種方式(有可能發出系間竄越發出磷光),通過標定建立熒光強度與被測量的關系,從而測得被測量。

圖2 激光誘導法熒光發射過程

LIF測量缸內燃油分布的三種策略:(1)通過燃油的自然熒光;(2)通過燃料內匹配的示蹤粒子;(3)通過激光絡合物的熒光 。前兩種用于測量燃油的氣態或者液態分布,而第三種策略可以同時測量氣液兩相的燃油分布。利用燃料自身的熒光可以使實驗設備簡化,但是對于測量結果的解釋非常困難,因為燃料的組分不同,熒光信號由于燃油中熒光成分的變化不具有可重復性。燃油中只有高沸點的芳香烴可能發出熒光,它不能夠代表燃油的分布。通常采用激光絡合物的熒光進行噴霧測量,這樣就需要在噴霧中加入示蹤粒子。示蹤粒子要達到嚴格的要求:可以在激光光源的波長內吸收令人滿意的熒光區域;足夠低的淬滅率;無毒、穩定;在燃油內的可溶性及與燃油匹配的氣化率。在可見光區和紫外光區能夠吸收的示蹤粒子只有芳香烴類和羥基類(包含OH的)化合物,芳香烴類會受到氧氣淬滅效應的影響,羥基化合物對氧氣的淬滅效應不是很敏感,而且能夠被一系列的光源激發。在羥基化合物中常用的有醛類、酮類和diones。丙酮和3-戊酮比醛類有更高的熒光區域。另外,酮類比醛類更適合做示蹤粒子,是因為他們在高溫高壓環境下不容易反應。

LIF在燃燒產物測量中主要是測量OH、NO、CH2O。OH(hydroxyl)是最常見的利用LIF進行測量的燃燒產物之一。原因是它是燃燒過程中重要的化學產物,而且其在燃燒過程中存在的數量很大,它的激發源是很方便的紫外激光系統。NO與NOX污染物的生成量有很大的關系, CH2O是自燃前期的中間產物。當自燃進入高溫階段,甲醛會迅速的消失。燃燒產物的測量需要將激發光的波長調諧被測物質的兩個電子能態的譜線處,這樣吸收效率會大大增加,另外還要調整激發光減少燃油和燃燒產物對激光和熒光的吸收,保證足夠的激光和熒光強度,而且燃燒產物測量不需要示蹤粒子。

二維的LIF溫度測量方法一般有三種:激光/熒光掃描法、單譜線測溫法和雙譜線測溫法。激光/熒光掃描法需要穩定熒光淬滅率,所以一般應用于穩態火焰的測量。雙譜線測溫法對比于單譜線測溫法的優勢在于標定系統的簡化和準確性,但是實驗設備比較復雜。

激光誘導熒光技術的優勢在于其高靈敏度以及測量的廣泛性,除了進行二維場的測量,三維PLIF的技術也得到了長足發展,體現了PLIF技術的靈活性。但是如何將熒光濃度與被測物質濃度的相對應的標定方法是PLIF技術的難點,目前采用的標定技術是在定容彈或發動機內的均勻場標定,若要提高PLIF測量準確度,標定方法是目前技術上的難點。

5 結束語

激光技術在內燃機測量技術中的應用還有很多方法,比如激光光聲光譜技術、激光拉曼散射法、激光CT技術等等,激光本身優秀的單色性、方向性、相干性為常規方法無法測量的物理量提供了新的測量方法,但是內燃機惡劣的工作環境對激光技術的應用產生了障礙,而且激光技術的應用需要布置光路,因此必須對發動機進行改造,一定程度上脫離了發動機真實的工作環境。激光測量技術的發展是與內燃機本身的進步和光、電、機械、流體、計算機顯示技術密不可分的,也只有將激光測量技術與仿真實驗真正地結合起來,才能更深刻地研究內燃機工作過程。

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責任編輯:訾興建

TK407

A

1671-8275(2010)03-0046-03

2009-03-14

葉坦(1981-),男,安徽宿州人,淮北職業技術學院助教,合肥工業大學機械與汽車工程學院車輛工程專業在讀碩士研究生。