基于LIBS 的定容燃烧弹内乙醇直喷局部当量比测定

葛睿涵，胡二江，高群飞，黄佐华

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049)

汽油机缸内直喷技术可比进气道喷射自然吸气均质混合气汽油机热效率提高20%～25%，是提高汽油机热效率的重要手段.目前国内外高效汽油机均采用缸内直喷技术[1]，因此研究汽油机缸内直喷的燃烧调控具有十分重要的意义.对于汽油喷雾研究主要集中在喷雾特性认识的本身，很少将喷雾与燃烧进行关联研究[2-3].为了探究喷雾与燃烧的关系，需要对实际情况下点火位置局部当量比有一定的认识.

LIBS 作为一种新型的表征方式，在测量混合气局部浓度方面有较好的应用[4-6].Toshio 等[7]利用LIBS 测量了定容装置内，氢气直喷与二次喷射不同位置局部当量比随时间的变化关系；Stavropoulos等[8]利用LIBS 测量了甲烷-空气混合气不同位置的浓度变化；Wang 等[9]利用氩气作为稀释气体，在宽波谱范围内，对不同激光入射能量下的甲醇和乙醇预混气测量了局部当量比变化；Zhang 等[10]在不同激光能量和背压条件下，利用LIBS 测量了煤油-空气混合物的局部当量比变化.通过上述文献可以看出，LIBS作为一种表征方式在测量局部当量比方面有较好的研究基础.同时可以发现，对于喷射条件下的测量主要集中于小分子气体如氢气、甲烷，而对液体燃料混合气的测量则主要在液体燃料与稀释气体预混的状态下进行测量.但实际缸内直喷发动机所使用的多为液体燃料.

此外，进气道(port fuel injection，PFI)与缸内直喷(direct injection，DI)结合的双喷技术的应用也是提高汽油机热效率的方式之一，也有许多基于PFI 和DI 双喷的研究已经得到了广泛的应用[11-13].

基于上述说明，本文主要开展了定容燃烧弹内，LIBS 测量液体燃料乙醇在不同喷射压力、喷射脉宽和预混喷射比下的中心点火位置局部当量比随时间的变化关系，为开展相关燃烧调控实验奠定基础，为缸内直喷式发动机和双喷发动机燃烧调控提供基础理论依据.

1 实验装置

本实验所采用的实验装置系统图如图1 所示.其中定容燃烧弹内径与长度均为100 mm，定容燃烧弹及与燃烧弹相连管路总体积为0.85 L，燃烧弹两端石英玻璃视窗直径为140 mm.实验中使用的光谱仪型号为Shamrock 750，ICCD 相机型号为iStar DH-334T，Andor Technology.预混气燃料由定容燃烧弹上注射口注射，静置3 min 后进行测量.实验采用Nd：YAG 激光器(Grace NASOR)，聚焦镜焦距150 mm，选用激光波长为355 nm，在光谱仪光栅前设置355 nm 的滤波片对激光进行滤波.激光脉冲的入射能量和出射能量分别通过两个能量计探头(Coherent，型号：J-50-MB-YAG 和J-25-MB-LE)测量，实验中所用激光能量为60 mJ/pulse.加热系统由加热带、保温棉、温控仪和热电偶组成.相关实验装置详细内容可参考文献[14-15].

图1 实验装置系统Fig.1 Experimental system

喷射系统选用高压六孔喷油器，喷油器在容弹内实际喷射图像如图2 所示，图中所设置喷射脉宽2 ms，喷射压力10 MPa.喷射系统由液压泵提供喷射压力，液压泵可达最大压力为100 MPa，表压精度为0.5 级.电控系统基于LabView 进行编程后，可通过计算机对喷油器喷射时刻、喷射脉宽及同步器进行控制，控制精度为µs 级别.

图2 喷射压力10 MPa 标况下定容燃烧弹内喷油器喷射图像Fig.2 Spray photographs in constant volume bomb at injection pressure of 10 MPa

图2 中0 ms 图中红色十字标注位置为容弹中心的激光击穿位置，即本实验测量的局部当量比位置，距离喷油器喷油位置37 mm.图2 中0 时刻为同步触发相机与喷油器时刻，在0.25 ms 后观测到液体喷出.可知喷油器实际喷油约有0.25 ms 延迟，因此在实际触发激光器和ICCD 相机时在同步器上设置0.25 ms 延迟.

实验时，由加热系统先将容弹及管路加热至所需温度353 K，容弹抽真空后，预混工况下液体燃料用微量注射器经注射阀注射到燃烧弹内部真空气化，根据实验工况向容弹中充入氮气作为稀释气体达到工况所需初始压力0.1 MPa；进气结束后，静止3 min，使燃料和空气均匀混合；在喷射工况下，通过喷油器向容弹内喷射乙醇；最后通过同时触发同步器进行数据采集，对各个工况点进行8 次重复实验.本实验的实验工况如表1 所示.实验中为防止激光击穿使得混合气燃烧，理论当量比下的氧气分压由氮气替代，燃料分压仍等于理论分压.

表1 实验工况Tab.1 Experimental conditions

2 当量比及喷油量标定

2.1 当量比标定

图3 所示为燃料C2H6O，燃料当量比0.6，初始温度353 K，大气压条件下的混合气光谱图.对于实验测得的光谱图，通过原始曲线求得拟合基线，再对波峰进行拟合.

图3 乙醇-氮气混合气LIBS光谱Fig.3 LIBS spectrum of ethanol/N2 premixed gas mixture

可以看出在ICCD 相机可测得的波段内，有较为明显的H656 和N 峰值，选用最高的N746 峰值进行计算，求取H656 与N746 峰值强度比(peak intensity ratio，PIR).在波峰强度较大时，PIR 受底噪影响较小，但波峰强度较小时会出现较大的偏差.因此对于测得的全部数据，在曲线较为平缓区段取得基线，如图3 中蓝色虚线所示，实际H656 强度由峰值减去基线值求得.N746 强度的计算方式与H656 一致.

图4 所示为不同当量比下，初始温度353 K，大气压条件下乙醇-氮气的混合气光谱示意图.可以看出随当量比增大，N746 峰值变化较小，而H656 峰值有较大提升.

图4 不同当量比条件下乙醇-氮气混合气LIBS光谱Fig.4 LIBS spectrum of ethanol/N2 premixed gas mixture under different equivalence ratios

在当量比0.2～5.0 范围内，对预混气PIR 进行测定.为减小实验引起的误差，对每个测试点进行150 次测量，测量后计算得到平均值为该当量比下对应的PIR 值.通过一次线性回归对数据进行拟合.

预混气的标定结果如图5 所示.该回归曲线线性相关度R2＝0.998 57，说明标定测试结果具有较高的可信度.在喷射及喷射预混实验中，通过该一次函数对实际局部当量比进行标定.

图5 乙醇-氮气混合气H656/N746 随当量比变化LIBS标定曲线Fig.5 LIBS calibration curve of ethanol/N2 premixed gas mixture H656/N746 vs.equivalence ratio

2.2 喷油量标定

实验中使用的燃料为阿拉丁光谱级乙醇，浓度为99.98%.为确定在乙醇喷射下全局当量比与中心位置局部当量比关系，需要确定在实验工况下不同喷射压力与喷射脉宽时的实际喷射燃料量进行标定.实验通过两种方式对燃料喷射量进行了标定，分别为质量标定和分压标定.

其中质量标定通过在设定条件下将乙醇喷入量筒中脱脂棉内，重复30 次喷射后称重，对单次喷射质量求其平均值后转化为燃料体积；分压标定为在室温条件下，在设定条件下将乙醇喷入定容燃烧弹内，静置3 min 后，通过容弹上的压力变送器读取喷射前后的压力差对实际喷入燃料量进行计算.计算公式如下：

式中：V 为容弹体积0.85 L；Δp 为标况下喷射一定乙醇后的压力差；R 为理想气体常数；M 和ρ 为对应乙醇摩尔质量和标况下的密度.

通过质量与压力标定的燃料体积量如图6 所示，可以看出通过两种方法算得的实际燃料量在不同工况下约有2µL 的差距.这是由于在实际测定时，喷油器离开量筒时乙醇挥发，使得质量标定得出的实际喷油量小.因此本实验采用分压标定得出的燃料量对实际的喷油器喷射乙醇量进行标定.

图6 喷油脉宽1 ms 时，不同喷射压力下质量与分压的喷油器乙醇喷射量标定Fig.6 Ethanol injection quality obtained using mass and partial pressure calibration methods under different injection pressures when injection pulse time is 1 ms

3 结果与分析

图7 所示为353 K、0.1 MPa、全局当量比φ＝0.6时，中心位置局部当量比随时间变化关系.图中所示0 ms 时刻为喷射开始时刻，为保证全局当量比一致，喷射压力10 MPa，15 MPa，20 MPa 和25 MPa 对应的喷射脉宽分别为5.2 ms，3.6 ms，3.1 ms 和2.6 ms，图中对应颜色点为结束喷射时刻，即各工况对应的喷射脉宽.

图7 不同喷射压力下中心位置局部当量比随时间变化曲线Fig.7 Center local equivalence ratio under different injection pressure

由图可以看出，当喷射压力越高时，中心局部当量比能达到的最大值也越大，且喷射压力越大，达到最大峰值的时间也越早.图8 所示为喷射压力相同时(15 MPa)不同喷射脉宽局部当量比变化示意图.喷射脉宽由小到大对应的全局当量比分别为0.4、0.6和0.8.可以看出，在喷射结束时刻不同的情况下，局部当量比达到最大值的时刻并没有太大差别，这说明图7 在不同喷射压力下，局部当量比的变化主要与喷射压力有关，与实际结束喷射时刻的关系较小.

图8 不同喷射脉宽中心位置局部当量比随时间变化曲线Fig.8 Center local equivalence ratio under different injection pulse time with different injection pulses

根据上述分析，在不同工况下，中心位置的局部当量比随时间变化先增后减，在不该定容燃烧弹内，不同喷射压力与脉宽下，均在喷射开始时刻16 ms 左右与全局当量比接近.喷射压力较大时可以加速喷雾的气化，在喷射压力较高时，中心位置的局部当量比所能达到的最大值也较高.

对比文献[7]中氢气单孔喷油器喷射的中心位置当量比随时间变化结果可以发现，本实验中所测得的中心位置当量比变化较小，所达到的最高峰值均小于全局当量比的2 倍.这是由于在该实验装置下，一方面喷嘴距测点距离较大，另一方面六孔喷油器喷射出的喷雾束并未正对测点.中心位置的当量比变化主要基于燃料的扩散情况变化，与喷射过程中的燃料量增减无关.

不同预混比下局部当量比随时间变化关系如图9 所示(喷射压力15 MPa，φ＝0.8).在不同喷射预混比例下，喷射比例较小时的曲线变化更为平缓，且所达到的最大局部当量比十分接近.与图8 中喷射脉宽不同时，中心位置局部当量比达到最大所用的时间基本相同.而图9 中可以看出，在加入预混后，局部当量比达到最大值所用的时间较直喷时更长.

图9 不同预混喷射比例下中心位置局部当量比随时间变化Fig.9 Changes in center local equivalence ratio with time under different premix-injection proportions

在实验过程中发现，LIBS 对预混气进行标定时与喷射时测得的结果各原子发射光谱强度具有较大差异.在预混状态下，在当量比φ＝0.2～5.0 范围内，所测得的N746 谱峰强度浮动较小.在喷射条件下，对工况进行重复实验时，尽管同一工况点峰值强度比变化较小，但是N746 强度会出现较大的浮动.

图10 所示为实验标定过程中N746 与H656 峰值随当量比变化情况.可以看出，N746 峰值随当量比平均值及误差棒都很小，说明在测试的当量比范围内，N746 的峰值与当量比无关.上述实验中，局部当量比的变化均小于2.0，以当量比0.4～2.0 范围内的N746 峰值变化作为参考，如图11 所示，N746 峰值均在2 300±700 范围内.

图10 预混条件下H656与N746谱峰峰值随当量比变化Fig.10 Changes in H656 and N746 spectrum peaks with equivalence ratio under premixed condition

图11 所示为不同喷射压力下N746 峰值变化，可以看出对比预混情况下具有很大的波动，且在喷射压力较高时波动较大.这可能是在实际喷射时喷油器的循环变动造成的，由于液体燃料的气化不完全，在初始阶段对激光入射光线和击穿产生的光线有反射与折射作用，使得光谱仪实际接收到的光强产生了较大变动.

图11 预混条件下N746谱峰峰值随当量比变化与喷射条件下N746随喷射压力变化Fig.11 Changes in N746 spectrum peak values under premixed and injection conditions

4 结论

本文主要研究了在定容燃烧弹内，LIBS 测量乙醇喷射不同喷射压力、喷射脉宽和预混喷射比例下的容弹中心位置局部当量比随时间的变化关系.实验选用 H656/N746 峰值比对混合气当量比进行标定.主要研究结论为

(1) 在全局当量比相同的情况下，本实验容弹中心位置局部当量比在不同喷射压力下均随时间呈先增后减的趋势；在喷射压力越大的情况下，局部当量比增幅越大，且更快地达到最大峰值；不同喷射压力下，中心位置局部当量比均在16 ms 左右趋于平缓.

(2) 同一喷射压力下，不同喷射脉宽对达到局部当量比最大值的影响较小；全局当量比与喷射压力相同时，预混比越大时，相对达到平衡所需的时间越长，但局部当量比的变化较为平缓.

(3) 采用LIBS 对容弹内中心位置液体燃料喷射过程中局部当量比进行测定时，由于喷雾前期气化不完全的原因，与对预混状态下的混合气相比，原子发射光谱峰值有较大的循环变动.