LIF技术在HCCI发动机甲醛定量测量中的应用

张大源，李 博，高 强，李晓峰，李 红，李中山

LIF技术在HCCI发动机甲醛定量测量中的应用

张大源，李 博，高 强，李晓峰，李 红，李中山

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

激光诱导荧光；定量测量；均质压燃发动机；甲醛

人们对于燃烧过程的研究由来已久．近年来，随着发动机排放法规的日益严格，寻求发动机内部新型燃烧方式成为燃烧领域研究的热点[1-2]．均质压燃发动机(HCCI)因其独特的燃烧放热特点[3]，能够获得优越的排放特性，例如HCCI发动机缸内燃烧迅速且比较均匀，既没有局部高温区也没有明显的火焰传播，因而氮氧化物(NO)和碳烟(PM)的排放能够得到明显的抑制[4]．但HCCI发动机燃烧存在运转工况范围窄、着火时间和放热率不好控制等问题，这就要求对HCCI发动机缸内燃烧过程进行精确诊断，从而更好地控制燃烧过程，优化燃烧效率．数值模拟在HCCI发动机燃烧研究中发挥了重要作用，但模拟过程基于对实际过程的简化，因此需要实验数据对模拟结果进行验证．其中，激光诱导荧光(LIF)技术因具有无干扰测量以及可视化检测的优势，成为燃烧诊断领域中的重要实验技术．

甲醛(CH2O)是碳氢燃料燃烧过程中的重要中间产物[5]．对于燃烧过程中CH2O的光学诊断具有如下意义：①在碳氢燃料燃烧过程中，CH2O出现于着火过程中的低温反应阶段，并在后续反应中由于燃烧开始、放热率升高而被迅速消耗[6]，因此，CH2O能够指示燃烧火焰的冷火焰区域．②通过对于燃烧过程中CH2O的诊断，有利于更好地理解燃烧反应机理．根据化学动力学模型，燃烧过程中CH2O的分布能够成功反映未燃碳氢(UHC)的分布，可用于燃烧过程中未燃碳氢的示踪分析[7-8]．③通过分析CH2O的荧光谱线，能够获得火焰的温度分布，可作为建立燃烧模型的指导数据，对于燃烧过程控制，尤其是对于新型燃烧方式的控制具有重要意义．

国外的研究者应用激光诱导荧光技术开展了大量关于CH2O诊断的相关工作，但早期研究仅在相对简单的燃烧模型下进行[9-13]．近十年来，CH2O的光学诊断技术逐渐应用到发动机中．Burkert等[14]应用CH2O激光诱导荧光技术，通过分析CH2O光谱获得了正癸烷在蒸发与自燃过程中的温度分布，所得结果与传统的热电偶测温技术相比仅存在14K的误差．但由于CH2O会在高温下分解，因此测温技术仅限于低温条件下应用．Lund大学的Brackmann等[15]使用Nd：YAG的3倍频激光(355nm)激发CH2O分子，实现了燃烧过程中CH2O的可视化成像，并应用在传统的点燃式发动机以及HCCI发动机中，得到了缸内燃烧过程中CH2O的二维分布，但实验并未实现缸内CH2O的定量测量．Schrewe等[16-17]通过发动机缸内CH2O-PLIF光谱分析，获得了气缸壁面附近流场热边界层内CH2O的分布信息，并且通过对比CH2O、羟基、多环芳香烃的荧光，分析了活塞几何结构对于缸内混合气形成的影响．Lachaux等[18]同样使用Nd：YAG的3倍频激光实现了低温压燃式发动机中CH2O的可视化成像，并用CH2O的分布成功反映了燃烧过程中未燃碳氢的分布．Donkerbroek等[19]在此基础上，通过定量标定的方法实现了重型柴油机中CH2O的定量测量．但实验过程中由于碳烟和多环芳香烃(PAH)对于CH2O荧光的干扰，使实验结果与模拟结果存在一定差距．

据笔者所知，对于HCCI发动机缸内燃烧过程的研究，缺乏CH2O浓度的定量数据．相对于传统发动机，HCCI发动机具有预混合燃烧和低温燃烧的特点．因此，燃烧过程中产生的碳烟和PAH相对较少，激光诱导荧光技术以及标定过程应用于HCCI发动机中更具有适用性．

笔者应用LIF技术以及定量标定的方法，实现了HCCI发动机缸内燃烧过程中间产物CH2O的在线定量测量，并将所得实验数据与模拟数据进行对比，得到了相对一致的结果．文章中对实验原理和标定过程的误差进行了详细讨论．实验结果能够充分证明此方法应用于发动机缸内CH2O在线定量测量具有可信性，所得实验结果能够为数值模拟提供指导数据.

1 实验及原理

1.1 光学发动机

为满足光学测量的目的，实验中使用经过改进的光学实验专用发动机，并将气缸靠近顶部气门处的部分缸套替换成可以透过紫外激光以及荧光的石英缸套(如图1)，以确保激光能够入射到缸内燃烧室．为简化实验系统，实验中只运行一个气缸．为简化燃烧反应机理，使用异辛烷与正庚烷按1∶1体积比例混合制成的参比燃料(PRF50)代替传统汽油，通过进气道喷射与热空气混合气化后进入缸内燃烧．发动机的具体技术参数如图1所示．

图1 HCCI光学发动机及技术参数

1.2 激光诱导荧光光路系统

实验光路如图2所示，Nd：YAG激光器(Quantel，Brilliant-b)的基频光经过3倍频后产生355nm波长的出射光，作为LIF技术的光源．激光能量为100mJ，脉冲宽度为8ns，频率为10Hz．激光经凹柱面透镜(＝-40mm)扩束以及凸球面透镜(＝300mm)聚焦后形成激光片，入射到光学发动机缸内，激光片的宽度为40mm，激光片中心处的厚度为0.15mm．激光激发燃烧过程中产生的CH2O分子发生跃迁并释放荧光，荧光被与激光入射方向成90°角放置的ICCD相机收集，相机镜头选用UV-Nikkor镜头(＝105mm，/4.5)．ICCD相机增益为200，门宽为100ns，无延迟时间．在ICCD相机前放置滤光片(GG395)滤除激光的杂散光．实验中，激光片平行于活塞顶部，水平入射到气缸内部．活塞处于上止点时，活塞顶部距气缸顶部7.5mm，激光片距气缸顶部6mm，如图3所示．之所以将激光片水平入射而非垂直入射，原因如下：①避免活塞运行到上止点时，活塞头部阻挡激光片的传播；②这种激光片布置方式虽然丧失了空间分辨率，但可获取平均流场的浓度信息，信号强度和信噪比明显增加，在此基础上进行定量标定过程，结果更具可信度．

图2 CH2O激光诱导荧光光路

图3 激光片位置示意

1.3 实验原理

   (1)

由于荧光猝灭效率难以计算，使得激光诱导荧光技术很难应用于流场定量测量．荧光猝灭效率由流场温度、压力以及气体组分决定，由于实验中待测流场属于燃烧反应流场，气体组分更加复杂，并且温度、压力不断变化，这使得对荧光淬灭效率的理论计算更加困难．

为解决上述问题，实现HCCI发动机燃烧过程中CH2O的在线定量测量，实验采用定量标定的方法．标定过程发动机不点火，使用电动机倒拖发动机运行；使用质量分数为7.4%的甲醛水溶液代替上文提到的PRF50参比燃料在进气道喷射，并与进气温度为120℃的空气混合，高温加热气化后，通过进气门喷入缸内；保证发动机缸内任意时刻的CH2O的质量分数为定值0.5%．

在发动机正常运行工况和定量标定过程两种情况下，由于标定过程与发动机正常运行时的转速、负荷相同，所以两种情况下的分子密度与压强基本不变，分子密度与压强对于荧光淬灭的影响基本相同．虽然标定过程发动机不点火，但实验测量对象CH2O只产生于点火前的低温反应阶段，并且标定过程对喷入缸内的甲醛水溶液进行了加热气化，因此在两种情况下发动机缸内的温度差别不大，温度对于荧光猝灭的影响可近似忽略．在点火前的低温反应阶段，标定过程与发动机正常运行时缸内气体组分近似相同，主要为空气中的氮气和氧气，燃料改变对于荧光猝灭的影响不大，也可近似忽略．

基于上述近似，标定过程与发动机正常运行两种情况下的荧光猝灭效率近似相同，两种情况下的光路效率也一样．因此，标定过程与发动机正常运行时所获得的荧光强度之比，即为CH2O质量分数之比，而标定过程CH2O质量分数已知，因此可获得发动机缸内CH2O的定量质量分数数据．

2 结果及分析

经过定量标定实验，得到在不同曲轴转角下气缸内CH2O的定量质量分数，图4为获得质量分数数据时具有代表性的4个曲轴转角处的单幅成像图片，激光片平行于活塞上表面水平入射到缸内，自左向右传播；图片上部的浅蓝色信号来自于光学发动机进排气门的激光散射光，下部直线结构的信号为CH2O分子荧光信号．实验所得CH2O质量分数为激光片照亮范围内的二维流场的平均浓度，观察图4能够清楚地发现随着曲轴转角的改变，缸内CH2O经历了从无到有再到消失的过程：在进气之前(－40°,CA)缸内基本不存在CH2O；在－28°,CA附近，缸内出现了少量的CH2O；在－10°,CA时，缸内CH2O达到峰值，荧光信号最强；0°,CA时，缸内燃烧反应进入高温阶段，高温使CH2O迅速消失．

图4 不同曲轴转角下的单幅成像图片

将实验结果与DARS软件模拟的结果进行对比，结果如图5所示．对于发动机缸内的燃烧使用DARS软件中的Stochastic反应模型(SRM)进行仿真模拟，反应模型包括33种反应物以及38项反应过程．模拟过程持续在-60°,CA到60°,CA范围内，并且每经过0.2°,CA进行一次数据采集[23]．观察对比结果发现，虽然实验结果与模拟结果在数值上存在一定差距，但曲线的整体发展趋势非常吻合，这证明上述定量标定过程的近似具有可信度．图5中实验结果与模拟结果在数值上存在差距，这可能是在标定过程中，虽然CH2O水溶液经过高温气化进入到燃烧室中，但是发动机没有进行真正的燃烧，因此，发动机缸套内壁的温度往往低于100℃，而排气冲程无法将气化的CH2O溶液完全排出燃烧室，这样就会有少量的气化溶液凝结在石英缸套表面，造成标定过程所拍摄的荧光强度降低，以此信号进行标定，会使发动机正常运行时的CH2O质量分数被高估．

图5 CH2O质量分数实验数据与模拟数据对比

观察图5可以发现，－30°,CA以前气缸内基本不存在CH2O；在－28°,CA时，缸内可燃混合气开始氧化反应，CH2O开始出现．在此之后CH2O的质量分数呈快速上升的趋势，并最终在－10°,CA附近达到最大值(质量分数约为0.21%)，此峰值质量分数大约持续了10°,CA．在-5°,CA，燃烧反应继续进行，放热率迅速升高，导致CH2O的质量分数急速下降．在上止点附近，进入高温反应阶段，缸内CH2O基本 消失．

通过分析缸内CH2O质量分数的变化趋势，可以反映HCCI发动机的两阶段着火特点：第1阶段放热是低温化学动力学放热，此时是冷焰，燃烧放热率相对较低，缸内温度较低，是CH2O存在的阶段．此阶段之后，高温反应正式开始，反应迅速且比较均匀，属于热焰，放热率迅速增加，导致CH2O快速消失．CH2O所存在的阶段相对于整个燃烧过程而言，所占时间比例非常小．

3 结 论

(1)实验成功应用激光诱导荧光技术实现了HCCI发动机燃烧过程中间产物CH2O的在线定量测量．为了获取随曲轴转角变化的定量实验数据，采用定量标定的方法(将CH2O水溶液代替PRF50参比燃料)，在相同转速、负荷的发动机运行条件下进行荧光信号探测，通过荧光强度的比值得到了在不同曲轴转角下CH2O的质量分数．

(2)随曲轴转角变化的CH2O质量分数的实验结果与模拟结果拟合良好，只是在峰值数值上略有不同．这说明此技术应用于HCCI发动机CH2O定量测量具有可信度．实验结果表明，CH2O浓度在-28°,CA处开始急速上升，峰值质量分数达为0.21%，在持续10°,CA后，大约在-5°,CA处急速下降，此变化趋势反映出HCCI发动机两阶段燃烧的特点．

(3)此技术可以用来系统地研究不同工况下HCCI发动机燃烧室内的CH2O质量分数的变化规律，为HCCI发动机燃烧模型提供指导数据，从而更好地控制HCCI发动机的燃烧过程以及优化燃烧效率．

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Quantitative Detection of Formaldehyde in HCCI Engine Using LIF Technique

Zhang Dayuan，Li Bo，Gao Qiang，Li Xiaofeng，Li Hong，Li Zhongshan

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

laser-induced fluorescence；quantitative detection；HCCI engine；formaldehyde

TK314

A

1006-8740(2019)02-0112-05

2018-04-03．

国家自然科学基金资助项目(91741205；91541119).

张大源（1992—  ），男，博士研究生，2015201040@tju.edu.cn.

李 博，男，博士，副教授，boli@tju.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201804014