燃烧光学可视化技术在内燃机测试中的应用研究*

尚 勇 何 旭 刘福水 王建昕

（1-清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 2-北京理工大学机械与车辆学院）

·研究·开发·

燃烧光学可视化技术在内燃机测试中的应用研究*

尚 勇1何 旭2刘福水2王建昕1

（1-清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 2-北京理工大学机械与车辆学院）

通常内燃机的基础研究采用试验、仿真和理论计算相结合的方法进行。近年来，随着燃烧光学可视化技术的日益发展，通过燃烧可视化测试，可对内燃机的喷雾、雾化、混合、点火、燃烧及排放机理进行深入探索，并对指导内燃机设计和仿真计算模型提供有力的数据支持。重点介绍了LIF和LII测试方法在内燃机基础测试装置上的应用，结合在定容燃烧弹上的光学测试，系统阐述了燃烧光学可视化技术在内燃机基础研究中的必要性和有效性，并对燃烧光学可视化技术未来的应用前景进行了展望。

燃烧光学可视化内燃机测试

引言

在发动机研究工作中，如要获得有应用前景的实用技术，必须深入基础理论研究和进行创新性探索，加深对发动机缸内现象的认识和理解，这一切都依赖于整个工作过程的实时观测与诊断。相比试验、仿真和理论计算等研究方法，光学可视化技术具有不干扰被测对象、测试精度高、时间响应快、结果直观形象等特点，尤其是近年来随着以激光和CCD技术为代表的现代光学的发展，可视化技术已成为发动机测试的重要手段。目前，欧洲、美国、日本等发达国家越来越系统地开展缸内可视化研究，从原来的单点探测逐步发展为以激光测试技术为代表的二维激光片光诊断。我国近年来在缸内可视化技术取得了很大进展，但和国际水平相比还有较大差距，主要表现为测试装置和激光测试技术的研发和应用。

先进的光学燃烧诊断实验中心应配备燃烧器、燃烧弹、快速压缩机、光学发动机和内窥镜单缸机等5个实验平台，可进行激光诱导荧光（LIF）、激光诱导炽光（LII）、PIV粒子图像测速、高速摄影、LDV/PDA等多种光学测试，全面研究进气流动、喷雾特性、混合气形成与分布、火焰形态、燃烧温度场以及各种燃烧中间组分和生成物，对探索燃烧机理、指导发动机研发具有重要意义。

1 燃烧光学可视化方法

1.1 LIF测试方法

LIF（Laser Induced Fluorescence）测试方法的基本原理是：物质中分子受激光照射，从基态跃迁至高能态，但由于高能态不稳定，分子由高能态通过辐射的方式释放能量从而回到基态。与此同时，辐射伴有荧光发出，通过采集荧光强度可以得到浓度、温度和组分等物理参数。LIF法的应用主要有燃烧组分和温度场测试、喷雾和混合气形成测试、气液两相测试和喷雾粒径测试等。

在燃烧组分和温度场测试中，研究热点集中在NO-LIF、OH-LIF测试以及双谱线温度测试[1]。荷兰内梅亨大学的K.Verbiezen于2007年在一台重型柴油光学发动机上进行了NO-LIF定量测试，并通过数值模拟对激光束、荧光强度减弱以及压力和温度对荧光信号的影响进行了修正[2]。瑞典伦德大学的B.Li于2013年在一台HCCI发动机上采用光裂解LIF技术进行了H2O2定量测试。试验中采用泵浦激光器发出266 nm激光测试H2O2，同时采用探针激光器发出283 nm激光测试OH[3]。天津大学的唐青龙于2015年在一台双燃料光学发动机上进行了甲醛和羟基的LIF同时测试，试验中采用泵浦染料激光器发出283 nm激光测试OH，同时采用Nd：YAG激光器发出355 nm激光测试甲醛[4]。德国埃尔兰根-纽伦堡大学的J.Trost于2013年在一台喷雾诱导的直喷点燃式发动机上采用双谱线LIF法对气体温度进行了定量测试，该方法对于直观了解混合气空间分布是否均匀非常重要[5]。

在喷雾和混合气形成测试中，法国石油研究所的Jean-Francois Le Coz于2001年在一台定容燃烧弹系统中开展了汽油直喷喷雾的混合气浓度测试[6]。德国ESYTEC公司的Thomas Blotevogel于2004年在一台单缸氢气光学发动机上采用平面激光诱导荧光法（PLIF）实现了混合气形成测试[7]。国内最早开展喷雾和混合气形成测试的是天津大学的汪洋等[8-9]于1996年进行了LIF法与传统测试方法的对比以及在平面撞壁和曲面撞壁上的探索。清华大学的马骁于2009年使用PLIF技术对缸内直喷液化石油气（LPG）混合气分布进行了定量研究[10]。该研究人员还于2010年建立了基于光学发动机的缸内平面激光诱导荧光法测试平台，定量研究了直喷汽油机在不同喷射策略下的混合气分布，并对示踪剂的选择和标定方法进行了系统论述[11]。

随着LIF技术的发展，气液两相测试成为近年来的研究热点。法国雷诺动力公司的David Gervais于2002年在一台DISI光学发动机上对LIF和LIEF两种激光测试方法进行了比较，发现由于LIF数据受到高密度的液相信号干扰，影响了对气相信号的测试，而LIEF数据却不受影响[12]。德国博世公司的Philipp Rogler于2007年在定容燃烧弹试验平台上实现了GDI喷雾的LIEF气液两相喷雾的三维测试[13]。天津大学的孙田于2010年建立了定容燃烧弹中荧光强度和喷雾浓度间的定量标定方法，得到了柴油喷雾气、液相浓度量化数值，并对影响标定的各因素开展了量化研究[14]。利用以上标定方法，该研究人员于同年深入开展了喷油压力、喷孔直径、环境密度和环境温度对喷雾特性影响的定量研究[15]。更进一步地，该研究人员于2011年利用平面复合激光诱导荧光法（PLIEF）对BUMP燃烧室进行了柴油喷雾的气液两相浓度测试，并对燃烧室形状和二次撞壁距离对气液两相浓度分布的影响规律进行了研究[16]。

结合Mie散射测试技术，形成了一种光学测试新技术：LSD测试技术，即LIF/Mie散射法。利用LIF技术得到的荧光强度与液滴体积（d3）相关，同理，Mie散射技术得到的散射光强与液滴表面积（d2）相关。将两者相除便可以得到一个和光学系统参数k与液滴粒径（d）的乘积，通过标定得出k值便可以利用LSD法测试喷雾场的液滴分布及粒径平均索特直径SMD（D32）的大小，如公式1所示。西班牙瓦伦西亚的Jose V.Pastor于2009年对用于SMD测试中的LSD法提出了校正方法，发现该方法尤其适用于柴油的密集喷雾[17]。北京理工大学的刘海于2014年利用LSD技术，在定容燃烧弹上，研究了喷孔直径、背景压力和喷油压力等因素对柴油喷雾宏观几何特性和喷雾场中液滴粒径大小分布的影响[18]。

1.2 LII测试方法

LII（Laser Induced Incandescence）测试方法的基本原理是：碳烟粒子受激光照射，温度迅速上升至4 000 K，同时发出黑体辐射，通过采集黑体辐射信号可以得到碳烟的体积分数和粒径大小等物理参数。

国外最早开展LII研究的是美国联合技术研究中心的Eckbreth等[19]于1977年提出激光加热粒子的设想。美国德克萨斯大学的Melton等[20]于1984年提出激光加热粒子在碳烟体积分数测试中的应用前景。

清华大学的何旭等于2009年建立了一套LII二维测试系统，根据双色测温原理，在燃烧器平台上对二维碳烟分布图像进行了标定，获得了定量碳烟体积分数[21]。华中科技大学的陈亮等于2012年在定容燃烧弹平台上通过LII测试技术，对柴油喷雾燃烧火焰及碳烟分布进行了测试，并研究了在不同环境温度、环境压力和喷油压力下，燃烧火焰和油气混合特性对碳烟生成和分布的影响规律[22]。天津大学的唐青龙等于2015年建立了一套基于双色法-LII法的柴油机缸内碳烟测试系统，在光学发动机上实现了多点标定和全视场的碳烟体积分数测量[23]。

LII技术近年来又得到了诸多研究方向上的拓展。北京理工大学的何旭等于2012年建立了LII测试的数学模型，通过该模型对入射激光波长、激光能量密度和初始粒径对碳烟粒子加热过程的影响进行了研究[24]。北京理工大学的李红梅等于2013年通过对比碳烟粒径的LII测试结果和探针快速采样的电子显微镜测试结果，发现测试结果趋势一致，仅在数值上略有差异，验证了LII测试技术的有效性[25]。北京理工大学的高永利等于2014年提出了确定最佳激光能量密度选择在LII测试中的必要性，在燃烧器平台上研究了不同激光能量密度对乙烯层流扩散火焰中的碳烟主小球粒径的影响，为进一步测试碳烟主小球粒径奠定了研究基础[26]。美国桑迪亚国家实验室的H.A.Michelsen于2015年在一篇综述性文章中介绍了LII技术的基本原理和基于该技术的工业应用。文章中介绍了燃烧诊断和排放测试中应用最为广泛的脉冲激光激发的LII技术和最新用于碳黑测试的连续波激光LII技术。指出LII技术的研究方向包括：碳烟的体积和质量分数、主小球粒径、总体粒径以及颗粒组成和混合状态。LII的应用领域主要包括：火焰、内燃机、废气、大气环境、工程纳米颗粒和悬浮液等[27]。

观测方案对GPS-RTK系统的测量精度和可靠性具有一定的影响，主要影响因素包括历元数、坐标系统的选择、观测次数及基准站位置等方面。

2 燃烧光学可视化技术的应用

2.1 试验系统

发动机缸内过程十分复杂，为实现简单操作，通常采用定容燃烧弹（Constant Volume Combustion Vessel）来模拟活塞在上止点附近的发动机喷雾和燃烧情况。定容燃烧弹为一个开有石英观察窗口的高强度容器，如图1所示。该定容燃烧弹由北京比特英泰动力技术有限公司制造，在定容燃烧弹内通过直接加热或者点燃预混合气，形成热氛围，模拟发动机在上止点附近的高温高压状态。定容燃烧弹结构简单，温度压力便于精确控制，且石英玻璃视窗上的油污、水蒸汽或碳烟易于清除，所以得到了广泛的应用。

图1 定容燃烧弹

定容燃烧弹系统可进行多种喷雾和燃烧测试，包括：1）密度场纹影测试，2）燃烧火焰形态高速摄影，3）喷雾粒径LIF测试，4）混合气浓度LIEF测试，5）碳烟浓度、粒径LII测试，6）喷雾粒径PDPA测试，7）喷雾形态激光Mie散射测试，8）喷雾速度场PIV测试。

2.2 应用

在定容燃烧弹系统平台上，分别采用LIEF、LSD和LII测试技术，进行气液两相测试、喷雾粒径和碳烟体积分布测试。

2.2.1 LIEF测试技术的应用

图2所示为LIEF测试的定容燃烧弹试验系统图。该测试系统包括定容燃烧弹系统、加热及冷却系统、进排气系统、供油系统、控制系统、安防系统和激光设备等。

表1 LIEF试验工况表

通过LIEF测试系统拍摄得到气相和液相图像，如图3所示。

通过气液相的图像处理，可以得到不同时空分布上的混合气浓度数值，为评价发动机油气混合充分程度提供了数据支撑。

图2 LIEF测试的定容燃烧弹试验系统示意图

图3 LIEF测试系统拍摄所得气相和液相图像

2.2.2 LSD测试技术的应用

图4为LSD测试的定容燃烧弹试验系统示意图。该测试系统包括定容燃烧弹系统、进排气系统、供油系统、控制系统、Nd：YAG激光器和ICCD相机等。

试验工况如表2所示。

图5为Mie散射和LIF测试图像。

图4 LSD测试的定容燃烧弹试验系统示意图

图5 Mie散射和LIF测试图像

表2 LSD试验工况表

通过Mie散射和LIF的图像处理，可以得到喷雾SMD分布图像，根据SMD分布图像可对喷雾SMD分布进行不同时间下的统计数据处理，得到不同时刻的SMD统计数据，为喷雾孔径在不同燃烧室中的匹配提供数据支撑。

2.2.3 LII测试技术的应用

图6所示为LII测试的定容燃烧弹试验系统示意图。该测试系统包括定容燃烧弹系统、进排气系统、供油系统、控制系统、Nd：YAG激光器和ICCD相机等。

试验工况如表3所示。

分别采用LII测试技术和高速摄影技术对柴油着火图像进行拍摄，图7为LII测试图像和高速摄影图像。

图6 LII测试系统图

表3 LII试验工况表

通过LII测试，可以得到碳烟的粒径信息，结合高速摄影的火焰图像，可以得到不同空间分布下的碳烟分布，对发动机排放控制起到重要作用。

图7 LII测试图像和高速摄影图像

3 结论

通过对激光诱导荧光（LIF）和激光诱导炽光（LII）的基本原理和研究状况进行探讨，并对这两种技术在燃烧光学可视化领域中的定容燃烧弹应用进行分析，得出如下结论：

1）随着激光技术的发展，燃烧光学可视化技术在内燃机基础燃烧领域中的重要性不断提高，该技术可与模拟计算、常规发动机试验和理论计算互为补充，互相验证。

2）燃烧光学可视化技术正向着多种激光测试技术相结合的方向发展。

3）未来还会涌现出更多种类的燃烧光学可视化技术，用于内燃机基础燃烧领域的研究，甚至延伸至其他研究领域中。

1马骁，何旭，王建昕，等.激光诱导荧光法用于内燃机燃烧可视化的研究进展[J].车用发动机，2008（1）:7-13

2K.Verbiezen，R.J.H.Klein-Douwel，A.P.Van Vliet，et al. Quantitative laser-induced fluorescence measurements of nitric oxide in a heavy-duty Diesel engine[C].Proceedings of the Combustion Institute，2007，31：765-773

3B.Li，M.Jonsson，M.Algotsson，et al.Quantitative detection of hydrogen peroxide in an HCCI engine using photofragmentation laser-induced fluorescence[C].Proceedings of the Combustion Institute，2013，34：3573-3581

4唐青龙，耿超，李明坤，等.激光诱导荧光法测量内燃机双燃料燃烧过程中的甲醛和羟基[J].物理化学学报，2015，31（12）：2269-2277

5J.Trost，L.Zigan，A.Leipertz.Quantitative vapor temperature imaging in DISI-sprays at elevated pressures and temperatures using two-line excitation laser-induced fluorescence[C]. Proceedings of the Combustion Institute，2013，34：3645-3652

6Jean-Francois Le Coz,Laurent Hermant.Quantification of fuel concentrations and estimation of liquid/vapor ratios in direct injection gasoline sprays by laser-induced fluorescence[C]. SAE Paper 2001-01-0916

7Thomas Blotevogel,Jane Egermann,Jurgen Goldlucke,et al. Developing planar laser-induced fluorescence for the inverstigation of the mixture formation process in hydrogen engine[C]. SAE Paper 2004-01-1408

8汪洋，苏万华，史绍熙，等.用激光诱导荧光法（LIF）研究燃油喷雾的撞壁混合过程（1）—测试原理、平面撞壁[J].燃烧科学与技术，1996，2（4）：329-341

9汪洋，苏万华，史绍熙，等.用激光诱导荧光法（LIF）研究燃油喷雾的撞壁混合过程（2）—曲面撞壁、OSKA、半壁射流[J].燃烧科学与技术，1996，2（4）：342-348

10马骁，何旭，齐运亮，等.用激光诱导荧光法研究缸内直喷LPG混合气分布[J].内燃机学报，2009，27（6）：481-486

11马骁，何旭，王建昕，等.用激光诱导荧光法测量GDI发动机缸内混合气分布[J].内燃机工程，2010，31（4）：1-5，10

12David Gervais,Patrick Gastaldi.A comparison of two quantitative laser induced fluorescence techniques applied to a new air guided direct injection SI combustion chamber[C].SAE Paper 2002-01-0750

13 Philipp Rogler，Roman Grzeszik，Stefan arndt，et al.3D analysis of vapor and liquid phase of GDI injectors using laser induced exciplex fluorescence tomography in a high pressure/ high temperature spray chamber[C].SAE Paper 2007-01-1827

14孙田，苏万华，郭红松，等.复合激光诱导荧光定量标定技术及其对喷雾特性的研究Ⅰ：燃油喷雾当量比定量标定方法[J].内燃机学报，2010，28（1）：1-9

15孙田，苏万华，郭红松，等.复合激光诱导荧光定量标定技术及其对喷雾特性的研究Ⅱ：喷射参数和环境参数对喷雾特性的定量分析[J].内燃机学报，2010，28（1）：10-19

16孙田，郭焱，李国华，等.BUMP燃烧室内柴油喷雾气液相缸内浓度场测量激光诱导荧光法的实现和研究[J].小型内燃机与摩托车，2011，40（2）：1-5

17 Jose V.Pastor，Raul Payri.Correction method for droplet sizing by laser-induced fluorescence in a controlled test situation [J].Optical Engineering，2009，48（1）：013601

18刘海.基于激光诊断技术的高压共轨柴油机喷雾特性研究[D].北京：北京理工大学，2014

19 Eckbreth A C.Effects of laser-modulated particle incandescence on Raman scattering diagnostics[J].Journal of applied physics，1977，48（11）：4473-4479

20 Melton L A.Soot diagnostics based on laser heating[J].Applied Optics，1984，23（13）：2201-2208

21何旭，马骁，王建昕，等.用激光诱导炽光法定量测量火焰中的碳烟浓度[J].燃烧科学与技术，2009，15（4）：344-349

22陈亮，成晓北，颜方沁，等.基于激光诱导炽光法的柴油喷雾燃烧碳烟生成特性[J].内燃机学报，2012，30（5）：390-396

23唐青龙，张鹏，刘海峰，等.利用激光诱导炽光法定量测量柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数[J].物理化学学报，2015，31（5）：980-988

24何旭，李红梅，郑亮，等.激光诱导炽光技术测试过程的数值模拟[J].北京理工大学学报，2012，32（10）：1048-1053

25李红梅，何旭，郑亮，等.激光诱导炽光技术用于碳烟粒径测试的研究[J].工程热物理学报，2013，34（7）：1389-1392

26高永利，何旭，李红梅，等.激光能量密度对激光诱导炽光技术测试碳烟粒径的影响[J].红外与激光工程，2014，43（8）：2425-2430

27 H.A.Michelsen，C.Schulz，G.J.Smallwood，et al.Laser-induced incandescence:Particulate diagnostics for combustion，atmospheric，and industrial applications[J].Progress in Energy and Combustion Science，2015，51：2-48

Research on the Application of Combustion Optical Visualization Technology in the Test of Internal Combustion Engine

Shang Yong1,He Xu2,Liu Fushui2,Wang Jianxin1
1-State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University(Beijing,100084,China) 2-School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology

Usually internal combustion engine is studied by experiment,simulation and theoretical calculation.In recent years,with the increasing development of optical visualization technology,it can be used to research on the mechanism of spray,atomization,mixing,ignition,combustion and emissions of internal combustion engine.The application of LIF and LII testing method on the basis of internal combustion engine is introduced in this paper,combined with several application cases in constant volume combustion vessel.The necessity and validity of the combustion optical visualization technology in the basic research of internal combustion engine is discussed.The application future of combustion optical visualization technology is also prospected.

Combustion,Optical visualization technology,Internal combustion engine,Test

TK464

A

2095-8234（2016）05-0001-07

2016-08-08）

中国博士后科学基金资助项目（2015M581091）。

尚勇（1982—），男，博士后，主要研究方向为发动机工作过程可视化。

王建昕（1953—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为发动机燃烧与排放测试。