单线双示踪粒子PLIF测温技术的开发

宋东先　谢　辉　邹　庆　武陈韬（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072）

·研究·开发·

单线双示踪粒子PLIF测温技术的开发

宋东先谢辉邹庆武陈韬
（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072）

在一台改造的四缸汽油机上开发了基于PLIF技术的单线双示踪粒子测温技术，该技术采用Nd：YAG激光器的266 nm波长激光作为激发光源，使用3-戊酮和TEA作为示踪粒子，在CCD相机前加入双像器可以在只有一台CCD相机的情况下同时获得两种示踪粒子的荧光图片，并标定了双像器的光强透过曲线，利用数字脉冲延迟发生器对激光器和CCD相机之间的延迟进行精确设定保证可以拍摄到荧光信号。在发动机上拍摄某工况进气压缩过程不同曲轴转角下的缸内温度分布，并与仿真的平均温度值进行对比，结果表明平均荧光比值可以反映缸内平均温度的变化历程。

激光诱导荧光技术测温技术示踪粒子

引言

对发动机缸内充量分布和温度分布的了解，必须借助于先进的测量手段，而发动机本身复杂的结构、高速运动的部件和高温高压的环境对缸内状态的测量提出了更高的要求。而20世纪60年代激光技术的诞生和发展，凭借激光出色的单色性、相干性和方向性，使得激光测量技术得到了广泛的发展和应用，其最大的特点是对测量对象的无干扰性和高测量精度。从20世纪70年代开始，激光测试技术开始应用于发动机上，对缸内速度场、浓度场和温度场进行激光测量也成为可能。

目前缸内流动的激光测量技术趋于成熟，例如激光粒子测速（PIV）技术近10年得到了迅猛的发展，商业化的PIV设备推动了PIV技术的应用［1-3］，同时激光器和相机的时间分辨率的提高使得基于曲轴转角的PIV测量技术成为测量流动循环变动的重要手段。而缸内浓度场的光学测量也在科研中得到了广泛的应用，从20世纪90年代中期开始，缸内燃油分布的测量也逐渐应用到内燃机的基础研究中［4-6］，但是缸内温度分布的激光测量在发动机应用较少。对缸内温度分布的光学测量可以采用瑞利散射技术或者激光诱导荧光（LIF）技术，采用瑞利散射技术用于发动机测量会产生较大的误差，原因是发动机其他组件的散射光对测量信号的干扰，它会错误地提高信号强度，使温度测量结果偏小。本文在一台发动机上，设计开发了一套基于LIF技术的单激光双示踪粒子测试系统，用于对缸内二维温度场分布进行测量。

1　PLIF测温理论基础

PLIF主要根据示踪粒子的荧光强度在不同温度下会发生变化的特性对温度场进行测量。

当荧光被激光片光源激发产生二维的荧光图片之后，PLIF测量的荧光强度可以用下式表示：

如果对于上式的每个量都能定量计算，那么可以通过上式计算出温度值，这种技术已经在一个可控的实验中使用过，但是在发动机中的环境是不可控的，而且分子的分布也是不均匀的，所以无法精确地通过上式进行推导。同时，分子吸收截面积和荧光量子效率在某种温度、压力和混合物组分下是很难定量估计的。

为了克服上述温度测量的困难，采用了两种测量比值的方法。在同一个区域采用两种PLIF进行测量，之后在已知的环境下对该比值进行标定。

其中λ1和λ2分别表示两个测量中激光的波长。两个PLIF测量的比值可以用上式表示，可以将该式分为3个属性：

激光属性与激发激光的波长和能量相关，检测系统属性与荧光检测系统的布置及硬件相关，剩下的荧光属性与吸收截面积以及荧光量子效率有关，而二者的值都是具有温度依赖性的，两个测量的荧光属性对荧光的依赖程度是不同的，所以其比值是温度的函数。如式（3）所示，可以将温度与标定状态的比值联系起来，其中Ccal表示式子中的其他常数。对于上述方法的实现，可以同时引入两种示踪粒子，而只采用一种激发激光，通过选择合适的示踪粒子组合，其荧光的比值是温度的函数，该方法的主要优势是不存在激光能量的差异，不需要对激光能量进行监控，简化了实验装置，也减少了实验结果的不确定性。

2　试验装置

2.1发动机测量系统

为了在发动机上实现该测量技术，对发动机进行改造，为测量技术的实现提供必要的光学通道。基于四缸汽油产品发动机改造后的整个试验系统如图1所示，光学通道采用侧面窗口与活塞窗口结合的方式。在原机活塞上方安装有加长活塞，加长活塞中间开槽部分用于放置45°反射镜。反射镜可以将燃烧室内的信息反射到图像收集系统中去，在激光诱导荧光试验中，荧光范围一般是在紫外和可见光范围，因此反射镜必须在紫外光和可见光具有较高的反射率。发动机缸套的上部分采用圆形的光学玻璃缸套，用来为激光光源的进入提供光学通道。进气加热系统在一个圆柱型加热罐中装有6根空气加热棒，每个加热棒的功率为0.6 kW，共计3.6 kW。在进气道口处装有热电偶，用于测量稳态的温度值，并反馈给温度控制单元，温度控制单元根据温度值进行加热控制，保证进气道处温度稳定在设定温度。

图1　试验系统布置图

发动机ECU采用自主开发的汽油机电控管理系统开发，该系统采用英飞凌公司32位三核高效能微处理器TC1766，采用标准的软件架构体系，实时多任务调度和对电源电压良好的适应性，其适用于四缸汽油机的控制，可以对喷油、点火信号进行实时的调整，同时根据光学测量的需要将另外三缸的喷油信号改造成一个触发信号，用于发动机PLIF系统的控制。

2.2激光测试系统

激光器采用光谱物理PRO系列激光器，激光系统发出激光后首先经过一个玻璃镜片，该镜片可以反射13%的激光能量到NEWSPORT的功率计上，对激光能量进行持续性的监控，之后经过高度调整系统，使片光源的入射光与在预定位置入射到燃烧室中，激光器发出的激光经片光源成型光路后穿过光学石英玻璃缸套进入缸内，激光器和相机之前的时序控制采用数字脉冲延迟发生器（DG645），用来对激光器和相机的触发进行ns级的精确控制，使相机能够在荧光寿命期内准确接受到荧光信号，试验中采用Andor相机，采用外触发连续拍摄模式，拍摄门宽设定为2 μs。相机使用XY-100紫外镜头，前端装有双像器，可以同时获得两种示踪粒子的荧光图片，通过对两张荧光图片的对比得到温度分布。

3　测温技术开发

3.1示踪粒子选择

由于示踪粒子的选择对单线双示踪粒子的测温精度影响很大，因此需要对两种示踪粒子的选择做充分的考虑。

首先，两种示踪粒子必须具有不同的荧光光谱范围，便于两种荧光的分离。另外，两种荧光必须具有不同的温度依赖性，这样可以使荧光比值是温度的单调函数，最好两种示踪粒子不易受到氧气淬灭效应的影响。如果存在影响的话，需要对影响程度做出估计，不过这会对测温的精度产生影响，因为当地氧气的淬灭效应是很难估计的，特别是在发动机内充量分布不均匀的情况下。

但是常用的示踪粒子似乎都存在上述的问题，常用的示踪粒子包括丙酮、3-戊酮、biacetyl，甲苯、萘和TEA和乙醛。其中丙酮、3-戊酮和乙醛在它们的光谱范围上有很大的重叠，所以在双示踪粒子测温中这些示踪粒子中只能选择一个。而biacetyl的吸收光谱与其他示踪粒子相比有明显的红移，所以无法与其他示踪粒子采用相同的激光进行激发。剩下的示踪粒子甲苯、萘和TEA也具有相同的荧光光谱，但是与酮类的荧光光谱有所不同，但是它们会受到氧分子的淬灭效应的影响。因此，最终选用的两种示踪粒子，需要具有相同的吸收光谱和不同的荧光光谱，总会有一种示踪粒子受到氧气淬灭效应的影响。而丙酮、3-戊酮，甲苯、萘和TEA都有不同的温度依赖性。

其次选择3-戊酮作为第一种示踪粒子，因为与丙酮相比，它具有更接近异辛烷的物理性质。实验中3-戊酮掺入的体积比是20%，之后在甲苯、萘和TEA中需要选择另外一种示踪粒子。Randy等人［7］对几种组合下的荧光比值对温度的敏感度进行了测试，由于甲苯的吸收截面积大于3-戊酮，所以混合比例较小（2%）。为了便于三种示踪粒子的比较，甲苯和萘的混合体积比也为2%，对三种示踪粒子的组合-3-戊酮/甲苯，3-戊酮/萘，3-戊酮/TEA，三种组合下的荧光比值是在不同的进气温度下，三种不同压力值下测量的。图2是在1 500 kPa下，三种组合随进气温度变化的荧光比值的变化规律。很明显可以看到，3-戊酮/TEA组合的荧光比值对温度的敏感性更高，在测量的温度范围内，其荧光比值增加了90%，而另外两种组合的增长只有40%。因此试验中选用3-戊酮和TEA作为是示踪粒子。

3.2时序系统设定

时序控制信号的基础源信号来自发动机控制单元（ECU）的触发信号，触发信号的触发角度由上位机设定。发动机ECU是在多缸汽油机ECU的基础上重新设计使用的，其中一缸的喷油信号改造成了触发信号，触发信号通过一个下降沿对DG645进行触发，DG645接收到发动机的信号后立刻通过一个输出通道发出一个上升沿对激光器的闪光灯进行触发，之后经过210 μs以后，再通过一个输出通道利用上升沿触发Q-switch，如图2所示。

图2　测温系统时序设定图

由于ECU发出的信号在600 r/min时是5 Hz，而激光器的触发信号是10 Hz，所以需要对DG645的信号进倍频，因此采用了其BURST功能，BURST模式下设定延迟时间为100 ms，因此可以保证在发动机600 r/min时可以通过DG645得到10 Hz的信号，对激光器进行触发。

DG645在给激光器发出触发信号之后，也需要对相机做出触发操作，这需要对延迟时间进行精确测定，对该时间的确定需要估计激光收到信号到发射所需要的时间以及相机收到信号进行拍摄的延迟时间，经过实验测定该延迟时间D为210.17 μs。

3.3双相器的标定

双像器的作用是同时接受两种示踪粒子发出的荧光（如图3所示），其前端有两个接口，分别放置接受两种荧光所需的滤光片。两束光通过两个棱镜反射到相机中，形成两个像。其成像光路决定了在不同的CCD接受位置，双像器的光通量是不同的，为了了解双像器的成像特性，在静态情况下对其成像效果进行了测试。成像效果表明，当成像靠近双像器中部的时候，图像亮度明显降低，即双像器光路的光强透过率与成像点距离成像中心位置有关。因此对双像器的透过率进行标定。标定过程如下：

1）在无双像器情况下，调整焦距拍摄目标位置的清晰图片。

2）安装双像器，调整双像器上的四个旋钮，使所成的两个像分别位于成像区域的两侧，并使其空间位置对应。

3）调整焦距，使拍摄目标清晰。

4）将安装双像器后拍摄的图片，与无双像器的图像在空间上对应，在分别减去背景后，计算二者的比值，得到双像器的透过率曲线。

图3　双像器实物

标定结果如图4所示，双像器两个成像孔上下放置，图中横坐标表示下半部分成像位置距离中心线的距离，可以看到在中心处透过率较低，随着成像位置原来中心，光强透过率越高。

图4　双像器透过率曲线

4　测温结果

为了验证该测温技术的可行性，在发动机上进行了测温试验，测试了发动机进气压缩的过程的缸内温度分布。试验过程中，在固定的曲轴转角下分别拍摄20张背景图片（不喷射燃油）和20张荧光图片（喷射燃油），对背景图片进行平均处理得到平均背景图片，每张荧光图片减去平均背景图片后再进行20张荧光图片的平均处理得到该曲轴转角下的最终荧光图片，并计算两部分图片的荧光强度比值。燃料中按照体积比加入20%的3-戊酮，6%的TEA以及74%的异辛烷。利用热力学推算出各个曲轴转角下的平均温度，将平均温度与平均荧光比值相对应，如图5所示。可以看出荧光比值可以反映温度的变化历程，说明单线双示踪粒子的荧光比值可以很好地反映温度变化，同时也可以观察到缸内温度分布存在很大的不均匀性。但是以上的测量结果仍然存在问题，首先TEA与3-戊酮的荧光比值过低，比值的变化范围从0.5到1.0，说明荧光比值对温度的敏感性不够，很容易造成测量误差，分析其原因认为主要是由TEA的滤光片的透过率过低造成的，该实验中接受TEA荧光所需的滤光片是289±10nm的窄带滤光片，其峰值透过率只有15%。虽然TEA的吸收截面积要远大于3-戊酮，但是浓度上以及滤光片上的差别使得其荧光信号很低。

图5　进气压缩过程荧光比值与热力学计算温度值对比曲线

5　结论

1）通过对传统汽油机进行改造，得到了适用于激光测试技术应用的发动机系统，光学缸套为激光片光源提供进入通道，加长活塞内部放置的45°反射镜可以将荧光信号反射并采用CCD进行收集。

2）详细论述了单线双示踪粒子测温技术的示踪粒子的选择，3-戊酮和TEA的示踪粒子组合具有温度敏感性高的特点，在本技术中得到应用。

3）制定了测温技术的关键细节，包括关键设备的选择、系统时序设定和双像器的标定等。

4）将该测温技术在发动机上进行了应用，测试了发动机进气压缩的过程的缸内温度分布，荧光比值实可以反映温度的变化历程，证明了该技术的可行性。

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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）

宋东先（1982-），男，博士，主要研究方向为内燃机燃烧过程诊断。