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1/5光学测试技术在内燃机燃烧研究中的应用与发展摘要:依据国内外文献资料研究了内燃机光学测试技术的发展现状和趋势,介绍了目前应用在内燃机流场测量和缸内浓度场、温度场测量的先进光学测试技术,着重分析了各种测量方法的工作原理、应用范围及优缺点。关键词:内燃机;光学测试;流场测量;温度场;浓度场0引言高热效率和良好的可靠性使得内燃机成为工农业生产和交通运输中应用最广泛的动力机械。研究内燃机的工作过程,改善和优化缸内燃烧是实现内燃机高效、低污染目标的重要途径。传统的测试方法属于接触式测量,在测量的同时会破坏和干扰流场的流速,所测结果不能反应流场的真实情况[1]。同时,它们只能瞬时测量一点或几点的速度值,很难提供整个流场的结构信息。而内燃机缸内流场的非稳态性,依靠单点测试技术就不能得到正确的瞬时空间全场流速分布,难于获得真实准确的流场分布状态。而光学技术和计算机技术的发展为更精准地研究内燃机的工作过程提供了平台。光学测量方法属于非接触式测量,其最大的优越性在于对测量场没有干扰而且精度高,尤其是上世纪60年代以后,激光技术的诞生和发展,凭借激光出色的单色行、相干性和方向性,为内燃机的光学测量开辟了一个新的领域。光学技术在内燃机测量中的应用主要是测量缸内速度场、温度场、浓度场等,常用的内燃机光学测量技术包括激光多普勒技术(LDV)、粒子图像测速技术(PIV)、激光全息技术、双色法、激光诱导荧光法(LIF)、平面激光诱导炽光法(PLII)、拉曼散射光谱法(SRS)、相干反斯托克斯光谱法(CARS)等。1缸内流场测量1.1单点测速技术激光多普勒技术(LDV)是最早应用于内燃机测量的一门激光技术,它常用来测量缸内单点的瞬时速度[2]。在激光多普勒技术之前,缸内单点的瞬时速度测量多采用热线风速仪。热线风速仪是接触式测量仪器,它将特定的电加热的金属丝放入被测流场中,测量单一点瞬时速度的变化历程,当气流流过金属丝时带走其表面热量而引起温度下降,从而引起热丝电阻的改变,当气流使热线电阻发生变化时,电桥的不平衡电压被反馈放大器放大后送回桥端。气体性质一定时,可以用标定的方法得出气体速度和桥端电压之间的关系,即热线的标定曲线,根据这条曲线可以用热线风速仪来测量气流速度。热线风速仪用于流速的测量已有几十年的历史,是内燃机缸内流场测量的重要手段。自1964年多普勒技术发明以来已经有40多年的历史,其工作原理是依据激光多普勒效应,当一束具有单一频率的激光照射到一个运动的粒子上时,粒子接收到的光波频率与光源频率会有所差异,其差异的大小同粒子的运动速度大小以及照射光与速度之间的夹角有关,通过检测光波的多普勒频移,即可求得粒子运动速度,进而得到流场中特定的速度时间变化历程。激光多普勒测速技术的优势在于它属于非接触式测量,对气流没有干扰,可以鉴别流动方向,流场的气体温度压力对测量没有影响,具有良好的空间分辨率,典型的LDV系统空间分辨率为20~10μm,而且测量位置不受活塞运动位置的限制,可以测量燃烧过程中的气流。其本身的缺点在于信号不连续,是一系列的阶跃信号,阶跃信号出现频率与测量点的浓度有关,LDV输出的有效数据将随粒子浓度变稀很快减少,导致LDV数据率急剧下降。测量必须在缸头上设有激光出入的透明窗口,安排起来比较困难,气流中的粒子的大小和数量必须适当。自从Yeh和Cummins在1964年第一次采用激光多普勒技术测得测流的速度以来,尤其是在80年代,LDV技术得到了迅猛的发展[3]。激光多普勒测速属于单点测量,不能直2/5接反映出缸内流场的长度积分尺度,而下面介绍的粒子图像测速技术可以很好地计算这一参数。1.2二维测速技术1.2.1粒子图像测速(PIV)粒子图像测速技术是二维平面的速度场测试技术,这是近十几年发展起来的一种测速技术,它可以测量非定常的二维瞬时速度场,能确定宏观涡流的角动量,同时具有非接触式测量的动态响应速度快,空间分辨率和精度高等诸多特点,因此受到很多学者的重视[4]。PIV技术的原理是:在流场中加入密度和浓度的合适的示踪粒子,将激光束通过相应的光学装置在缸内流场中激光片光源,并以一定的脉冲间隔多次照亮流场,成像系统利用CCD等成像设备记录下片光源平面内粒子的多次曝光影像(利用粒子对激光的散射),通过查询每个粒子的位移并与位移时间相除获得平面速度矢量场。图1PIV系统实验装置图内燃机中应用粒子图像测速技术需要对发动机进行改造,图1是典型的光学发动机结合PIV系统进行二维流场测量的装置简图,光学发动机的存在使激光片光源能够穿过被测流场,在与片光源垂直的方向需要放置成像光路,便于记录曝光影像。在PIV测试系统中,激光发生器一般采用双谐振腔的Nd:YAG激光器,可以在间隔极短的时间内发射两束激光脉冲,记录流场内示踪粒子的曝光图像,通过两幅图像的示踪粒子的位移与两脉冲的间隔时间,获得二维平面速度场。在PIV测量中,示踪粒子的选择直接影响到PIV测量的效果。示踪粒子要具有良好的流体跟随性和光散射性,对光学窗口的污染少,对汽缸的磨损少。研究内燃机缸内流场时示踪粒子的直径一般为1~5μm,为无毒的液滴。若示踪粒子过大,容易使跟随性变差,测量结果无法反映真实的流场;若示踪粒子过小,散射光会较弱。一般PIV实验中会采用液态示踪粒子发生器,产生的示踪粒子直径为1μm左右。对于得到的图像的处理方法通常采用互相关图像分析:互相关图像分析是指通过分析两幅PIV图像之间的空间相关关系来获得流场流速的分布。其分析思想源于像平面分析方法,即用数字方法将整幅粒子图像分成若干个查询区,逐个区域进行分析,所获得的速度矢量代表查询区域内粒子的平均速度。与LDV技术相比,PIV技术的优越性体现在它突破了单点测量技术的局限性,可以同时测量整个流场的流速分布,而且能够获得与单点测量相当的空间分辨率和测量精度,利用PIV技术可以方便的获得流场随时间的变化规律和流场中流速的空间分布。1.2.2粒子跟踪测速(PTV)粒子跟踪测速技术(ParticleTrackingVelocimtry,简称PTV)的测速原理是用较长的曝光时间摄取粒子的运动迹线,在曝光时间长度确定后,可根据迹线的长度计算速度。这种方法没有粒子识别问题,速度方向测量二义性也可以通过一些特殊的方法加以解决,例如用强光方法标识粒子运动的起始点(或终止点)。近年来,在PTV测速研究中,国外开展最多的是用CCD相机摄取粒子运动图像序列,它无须底片湿处理,可根据图像序列确定速度方向,使速度场测量向着实时化方向发展,是今后PTV测速发展的方向。但受到当前CCD摄像系统硬件水平的限制,时间分辨率和空间分辨率还不高,精度也不如PIV技术。目前各种PTV技术中,无一例外地都仅适合于流场中示踪粒子浓度较低的情况。当浓度较高时,不同粒子的迹线图像会相互交错、粘连或单个粒子图像的识别跟踪出现困难,粒子稀疏又使得可提取的3/5流场速度信息量少,限制了对流场细微结构的研究。1.2.3激光散斑测速技术(LSV)激光散斑测速技术(LaserSpeckleVelocimetry,简称LSV)最早应用于固体表面变形的测量。该技术用于流场测量的报导首次出现是在1977年。由Grousson和Mallick等人用LSV技术测量了环形管中层流现象。它是将一束激光直接照射在弥散于空间的粒子场,这些在空间随机分布的粒子都可以作为子波源,它们的漫散射光束在空间形成了激光散斑,如果散射粒子发生变化,那么该空间位置上相应的散斑状态也将发生变化,根据散斑位移与光束传播方向之间的函数关系就能确定出被测流体折射率场分布的数学模型。1.3三维测速技术激光全息技术是建立在相干理论基础上的,在内燃机测量中的应用主要集中在喷雾测量上。用激光全息术测量喷雾场粒度的基本原理是经过粒子衍射的物光和未经粒子衍射的参考光一起记录到全息干板上,这两束光的干涉图即构成全息图。全息图可将被照粒子的光强和相位记录下来。当用激光重新照射全息图时,可得到粒子的三维图像。全息图是脉冲激光在极短的时间拍成,好像在某一时刻将雾场“冻结”了一样。应用激光全息术测量柴油机喷雾场粒度分布,可把喷注的任意瞬时空间分布记录下来,不破坏雾场,测量结果精确,原始资料可以长期保存。但是激光全息技术的难点在于对全息干板分辨率及设备性能要求较高、光路调整困难、数据处理相对复杂。2缸内浓度场和温度场测量2.1双色法双色法自从其发明以来就被广泛的应用在柴油机的燃烧研究领域,因为其直接利用固体颗粒在燃烧中的热辐射能量,所以无需昂贵的激光器等高级器件,也免去了复杂的光路系统,因此对有焰火焰燃烧是一种有效可行的测试分析手段。将双色法运用到柴油机上最早是由日本研究者YukioMatsui,TakeyukiKamimoto等人实现的。他们结合双色法的基本原理和柴油机的燃烧特点,提出柴油火焰的明亮辐射是由柴油机燃烧时产生的炭烟粒子所产生的,并且炭烟粒子的温度代表了周围环境的温度,所以可以利用辐射学进行求解并将得到的温度作为缸内的燃烧温度。并且为了解决求解中的辐射率ελ的问题引入了KL因子,它与炭烟的体积浓度成正关系,这又为研究柴油机的排放污染物生成提供了工具。同时其将双色法测量的炭烟结果与辐射吸收法测得的结果进行了对比,充分说明了双色法的实用性[5]。2.2激光诱导荧光技术(LIF)激光诱导荧光技术是近年来比较新颖和先进的测量技术,其显著的特点是技术本身的高精度,在内燃机测量中的应用也很广泛,可以进行喷雾测量、燃烧产物测量和温度测量。激光诱导荧光法(LaserInducedFluorescence)和平面激光诱导荧光法(Planar-LaserInducedFluorescence)的基本原理如图2所示。当激光光子的能量(表征为波长λ)符合分子特定两个能级间隔时,受照射分子可以吸收光子从基态跃迁至高能态。由于处在高能态的分子不稳定,在一定时间内受激分子将通过辐射(图中直线)和非辐射(图中曲线)的方式释放能量返回基态,荧光的发射是分子释放能量的一种方式(有可能发出系间窜越发出磷光),通过标定建立荧光强度与被测量的关系,从而测得被测量。图2激光诱导法荧光发射过程在利用LIF方法作定量分析时,为了得到浓度的绝对值,必须对荧光信号进行校正,也就是考虑荧光体积Vc、荧光收集立体角、光学系统的荧光传递效率以及荧光的吸收、俘获、极化和碰撞加宽因素对荧光信号的影4/5响。并且,用LIF方法来研究内燃机这样的高温、高气压燃烧过程,还必须考虑荧光的淬灭效应。淬灭效应是指分子吸收了光子能量而跃迁到激发态时,能量不是以荧光而是通过碰撞弛豫到达其他能级。特别是在高温高气压下,粒子浓度大,平均自由程短,这种效应更加明显,严重时会接收不到荧光光谱。LIF方法最诱人的特点除了它的高灵敏度外,还有它可以用平面二维图形显示燃烧场的浓度分布,在一个激光脉冲内,就能得到一张二维的瞬态燃烧场分布图,实现了实时处理。因此,LIF方法以及改进后的LIF法(PLIF法)成为近年来国际上广泛采用的方法之一。二维的LIF温度测量方法一般有三种:激光/荧光扫描法、单谱线测温法和双谱线测温法。激光/荧光扫描法需要稳定荧光淬灭率,所以一般应用于稳态火焰的测量。双谱线测温法对比于单谱线测温法的优势在于标定系统的简化和准确性,但是实验设备比较复杂。激光诱导荧光技术的优势在于其高灵敏度以及测量的广泛性,除了进行二维场的测量,三维PLIF的技术也得到了长足发展,体现了PLIF技术的灵活性。但是如何将荧光浓度与被测物质浓度的相对应的标定方法是PLIF技术的难点,目前采用的标定技术是在定容弹或发动机内的均匀场标定,若要提高PLIF测量准确度,标定方法是目前技术上的难点。2.3平面激光诱导炽光法(PLII)平面激光诱导炽光法(Planar-LaserInducedIncandescence)的原理是炭粒受到激光能量的激发,温度升高到高于所处环境的温度,因而向外产生黑体辐射,辐射的强度和炭粒的平均直径及体积分数相关。当激光强度较高时,一些小的炭粒(C2,C3)会达到升华温度而蒸发成为气体,同时会发出激光诱导的荧光,但一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