内燃机激光测量技术的应用与发展

叶 坦

(合肥工业大学,安徽合肥 230009)

内燃机激光测量技术的应用与发展

叶 坦

(合肥工业大学,安徽合肥 230009)

在内燃机工作过程的研究中,激光测量可以直观地提供缸内混合气形成和燃烧状态的信息,相比其它试验手段具有很大的优势。本文概括了目前用于内燃机工作过程研究的激光测量技术,阐述了其工作原理,分析比较了它们的优缺点,讲述了各种激光测量技术的在内燃机工作过程研究中的应用现状及注意事项。

内燃机;激光测量;应用现状;发展

内燃机作为在工农业生产和交通运输中应用最广泛的动力机械,研制高效率、低污染的发动机是长期以来世界各国科学界及工程界所极力追求的目标,而这一目标的实现都必须首先在燃烧的改善和优化方面下功夫,由此也需要先进的测量技术对燃烧过程进行诊断。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。

激光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,常用的激光测量技术包括激光多普勒技术、粒子图像测速技术、激光全息技术、激光诱导荧光法等。

1 激光多普勒技术(LDV)

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。

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。针对LDV数据率低的问题,在散射粒子的选择上,粒子加入方式上,光路系统的改进和调整以及信号处理的方法上都进行了大量的研究,极大提高了LDV的数据率,而且在数据处理方法上也取得了重要进步,能够采用循环分析法分离出循环变动量和真正的湍流分量。

激光多普勒测速属于单点测量,不能直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。

2 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。

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1 PIV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,图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。所谓查询区域就是指在PIV图像中开一个小窗口(一般大小为N×N,N为像素),并且认为在该窗口多对应的流场内所有示踪粒子的速度是相同的,这就认为该窗口内同一示踪粒子像之间的位移是相同的。

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。

3 激光全息技术

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。

4 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。

LIF技术的原理(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

LIF测量缸内燃油分布的三种策略:(1)通过燃油的自然荧光;(2)通过燃料内匹配的示踪粒子;(3)通过激光络合物的荧光 。前两种用于测量燃油的气态或者液态分布,而第三种策略可以同时测量气液两相的燃油分布。利用燃料自身的荧光可以使实验设备简化,但是对于测量结果的解释非常困难,因为燃料的组分不同,荧光信号由于燃油中荧光成分的变化不具有可重复性。燃油中只有高沸点的芳香烃可能发出荧光,它不能够代表燃油的分布。通常采用激光络合物的荧光进行喷雾测量,这样就需要在喷雾中加入示踪粒子。示踪粒子要达到严格的要求:可以在激光光源的波长内吸收令人满意的荧光区域;足够低的淬灭率;无毒、稳定;在燃油内的可溶性及与燃油匹配的气化率。在可见光区和紫外光区能够吸收的示踪粒子只有芳香烃类和羟基类(包含OH的)化合物,芳香烃类会受到氧气淬灭效应的影响,羟基化合物对氧气的淬灭效应不是很敏感,而且能够被一系列的光源激发。在羟基化合物中常用的有醛类、酮类和diones。丙酮和3-戊酮比醛类有更高的荧光区域。另外,酮类比醛类更适合做示踪粒子,是因为他们在高温高压环境下不容易反应。

LIF在燃烧产物测量中主要是测量OH、NO、CH2O。OH(hydroxyl)是最常见的利用LIF进行测量的燃烧产物之一。原因是它是燃烧过程中重要的化学产物,而且其在燃烧过程中存在的数量很大,它的激发源是很方便的紫外激光系统。NO与NOX污染物的生成量有很大的关系, CH2O是自燃前期的中间产物。当自燃进入高温阶段,甲醛会迅速的消失。燃烧产物的测量需要将激发光的波长调谐被测物质的两个电子能态的谱线处,这样吸收效率会大大增加,另外还要调整激发光减少燃油和燃烧产物对激光和荧光的吸收,保证足够的激光和荧光强度,而且燃烧产物测量不需要示踪粒子。

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。

5 结束语

激光技术在内燃机测量技术中的应用还有很多方法,比如激光光声光谱技术、激光拉曼散射法、激光CT技术等等,激光本身优秀的单色性、方向性、相干性为常规方法无法测量的物理量提供了新的测量方法,但是内燃机恶劣的工作环境对激光技术的应用产生了障碍,而且激光技术的应用需要布置光路,因此必须对发动机进行改造,一定程度上脱离了发动机真实的工作环境。激光测量技术的发展是与内燃机本身的进步和光、电、机械、流体、计算机显示技术密不可分的,也只有将激光测量技术与仿真实验真正地结合起来,才能更深刻地研究内燃机工作过程。

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责任编辑:訾兴建

TK407

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1671-8275(2010)03-0046-03

2009-03-14

叶坦(1981-),男,安徽宿州人,淮北职业技术学院助教,合肥工业大学机械与汽车工程学院车辆工程专业在读硕士研究生。