基于LII技术的发动机缸内碳烟测量平台设计_张玉林.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 020基于 LII 技术的发动机缸内碳烟测量平台设计张玉林，苏岩，李小平，解方喜，姜北平(吉林大学 汽车底盘集成与仿生全国重点实验室，汽车工程学院，长春 130022)摘要:设计并建立了 LII 技术结合双色法的碳烟定量测量系统，通过层流扩散火焰测试平台验证了 LII 测量系统的准确性。在光学发动机上应用该技术测量了不同循环喷油量下缸内碳烟体积分数分布，并研究了汽油直喷(GDI)发动机缸内碳烟的生成及发展历程。结果表明，45.5 mg/c 工况下所测得的碳烟最多，并且碳烟主要集中在活塞顶面附近且靠近喷油器一侧。对于 5 和 10 mm 2 个测量平面，缸内碳烟分别在 32CA ATDC 和 42CA ATDC 时刻达到最大值，之后由于氧化作用而逐渐减少。该 LII 缸内碳烟测量系统可以实现发动机燃烧过程中缸内碳烟分布的定量测量，为控制发动机微粒排放提供技术支持。关键词:碳烟;激光诱导炽光法;层流扩散火焰;汽油直喷发动机中图分类号:TK 39;TK 41文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0092 06Development of Soot Measurement Platform inEngine Cylinder Based on LII TechnologyZHANG Yulin，SU Yan，LI Xiaoping，XIE Fangxi，JIANG Beiping(National Key Laboratory of Automotive Chassis Integration and Bionics;College of AutomotiveEngineering，Jilin University，Changchun 130022，China)Abstract:A quantitative soot measurement system combining LII and two-color method was established，and theaccuracy of the LII measurement system was verified by a laminar diffusion flame test platform The in-cylinder sootvolume fraction distribution was measured on an optical engine with different cyclic injection volumes，and the generationand development process of in-cylinder soot in gasoline direct injection(GDI)engines were investigated The resultsshow that the most soot is measured at 45.5 mg/c on the same measurement plane，and the soot is mainly concentratednear the top surface of the piston and near the injector side For the two measurement planes of 5 mm and 10 mm，thein-cylinder soot reaches the maximum value at 32CA ATDC and 42CA ATDC，respectively，and then graduallydecreases due to the effect of oxidation The LII in-cylinder soot measurement system can realize the quantitativemeasurement of in-cylinder soot distribution during engine combustion，which canprovide the theoretical basis anddirection in realizing engine particulate emission controlKey words:soot;laser induced incandescence(LII);laminar diffusion flame;gasoline direct injection(GDI)engine收稿日期:2022-06-28基金项目:吉林省教育厅项目(JJKH20221002KJ);吉林大学本科教学 改 革 研 究 项 目(2021XYB091);吉 林 大 学 实 验 技 术 项 目(SYXM2021b018);汽车仿真与控制国家重点实验室自由探索项目(ascl-zytsxm-202014)作者简介:张玉林(1996 )，男，河南商丘人，博士生，研究方向为内燃机工作过程控制及优化。Tel:[phone];E-mail:yulin20 mails jlu edu cn通信作者:李小平(1984 )，男，湖南宁远人，博士，高级工程师，主要从事代用燃料高效清洁燃烧技术的研究工作。Tel:[phone];E-mail:lixp2008 jlu edu cn0引言颗粒物是内燃机的主要排放污染物之一，是导致光化学烟雾和全球气候变化的重要因素，对生态环境和人体健康有不利影响1-2。颗粒物的主要成分是碳烟，碳烟的生成和氧化机理十分复杂，一直是燃烧领域的热点和难点。近年来火花点火(Spark Ignition，SI)第 2 期张玉林，等:基于 LII 技术的发动机缸内碳烟测量平台设计发动机也向直喷配置发展，汽油缸内直喷(GasolineDirect Injection，GDI)可以组织更加精确的燃烧过程并降低排放，同时由于汽油缸内蒸发使得抗爆性能增强，可以提高发动机压缩比，改善经济性3-4。但是，相比于传统汽油机，GDI 发动机的混合气形成时间变短，颗粒物排放增加5。面对日益严格的排放法规，通常采用加装后处理装置的方法降低发动机污染物排放。随着发动机节能减排技术的发展，人们更希望通过改善缸内燃烧过程，如优化活塞轮廓、组织合理的气流运动等措施来实现发动机的低碳烟排放。碳烟测试技术有助于揭示发动机缸内燃烧过程中碳烟生成和氧化过程的演化规律，为碳烟控制策略的研究提供理论基础。光学诊断技术和缸内瞬态采样是发动机缸内碳烟测试常用的两种方法。其中光学诊断技术具有非介入、不会干扰燃烧过程等优势，所以其在燃烧火焰中碳烟测量的应用最为广泛。常见用于发动机缸内碳烟测试的光学诊断技术有消光法、双色法和激光诱导炽光法(Laser InducedIncandescence，LII)。与消光法和双色法相比，激光诱导炽光法精度高、响应快，而且具备位置分辨能力，能够获取具有时间、空间分辨率的碳烟信息，越来越受到人们重视。应用 LII 对缸内碳烟的测量分为定性测量和定量测量，目前定量测量的方法按照其标定原理分为基于消光法的 LII6-7 和基于双色法的 LII 两种8-9。本文采用基于双色法的激光诱导炽光法对发动机缸内碳烟进行定量测量。建立了层流乙烯-空气扩散火焰的 LII测试平台验证 LII 测试系统的准确性，并将该系统应用于单缸 GDI 光学发动机，深入研究其燃烧和碳烟生成氧化的具体过程、解析碳烟排放机理。1双色激光诱导炽光法基本原理激光诱导炽光是高能脉冲激光照射在碳烟粒子云团时，火焰中的碳烟颗粒被迅速加热到 2500K 以上的高温同时发出黑体辐射的现象。在一定的激光能量范围内，随着激光能量增大，碳烟温度最高会达到其气化温度(4 000 4 500 K)。当激光能量达到碳烟颗粒升华的阈值后，炽光信号强度只与激光照射范围内的碳烟体积分数相关，不再随激光能量的增长而变化。Melton 建立了最高温度下碳烟粒子的能量平衡数学模型，即:ILII fv(1)式中:为标定系数;fv为碳烟体积分数。指出在碳烟达到升华温度条件下，炽光信号的强度只与碳烟体积分数成比例，为 LII 用于测量碳烟浓度提供了理论依据10。通常使用 LII 测试技术对发动机缸内碳烟浓度进行定性测量，用 LII 信号强度来表征碳烟的相对浓度。通过标定试验获得标定系数，可以实现 LII 对碳烟浓度分布的定量测量。Snelling 等11 提出了一种基于双色测温原理的标定方法:利用双色法测量受到激光激发后的碳烟粒子温度;利用数学关系求解出碳烟体积分数。具体的试验过程为:使用 LII 信号采集系统测量标准辐射光源，计算得出信号采集系统对光强的响应系数;再利用 2 个不同的滤波片在 2 个不同的波长上采集 LII 信号，根据双波长下的炽光信号计算碳烟温度和碳烟体积分数。双色-激光诱导炽光法11(2C-LII)较传统 LII 优势明显，一方面，通过使用 2 个滤波片可以实现双色法和激光诱导炽光法的同时测量，可实时在线标定，保证了标定过程和 LII 测量过程中边界条件(颗粒组分、压力、温度等)的一致性;另一方面，LII 与双色法结合后，与高能脉冲激光片光内的碳烟炽光相比，火焰本身发光可以忽略，有利于得到激光片光内碳烟粒子的实际温度。通过信号采集系统可以同时获得碳烟粒子受到激光激发后在 2 个波长下的炽光信号，根据双色测温原理，碳烟温度:TP=hck121()1lnIEXP1261Em()1IEXP2162Em()2(2)碳烟体积分数:fv=IEXP/b12c2h6Em()exphckT()P11(3)式中:h 为普朗克常数;c 为光速;k 为玻尔兹曼常数;1、2为选用滤波片的中心波长，本文中 1和 2分别为 400 和 600 nm;IEXP为 ICCD 相机输出的炽光信号值;E(m)为碳烟吸收函数;1、2为相机对发光体辐射强度的响应系数;b为激光厚度。2光学发动机 LII 测试平台搭建为将 2C-LII 测试方法应用于发动机缸内燃烧过程中碳烟的浓度测量，本文基于一台单缸 GDI 光学发动机，搭建了 LII 缸内碳烟测量系统，其示意图如图 1所示。光学发动机 LII 测试系统主要包括光学发动机和光学测量系统 2 个部分。图 1GDI 光学发动机 LII 测试平台示意图39第 42 卷2.1光学发动机本试验中所用的 GDI 光学发动机是由一款商用1.4L 四缸 GDI 发动机改造而成，在原机第三缸的基础上进行可视化设计12。GDI 光学发动机如图 2 所示，该光学发动机可视化部分主要有石英缸套、活塞顶置石英视窗和 45反光镜。试验过程中可以直接从石英缸套采集缸内的燃烧图像，也可以通过 45反光镜从底部采集缸内的燃烧图像。由于使用了透明石英玻璃实现燃烧过程可视化，光学发动机的结构强度有所降低，不适合长时间连续运转。因此，采用电动机倒拖光学发动机。ZF42 缸压传感器布置在火花塞位置，具有1分辨率的 LF-72BMC05E 角标仪与 AVL 461 燃烧分析仪联用以测量缸内压力等燃烧数据。1 个基于 16位 Freescale 单片机的 ECU 用以控制喷油参数。图 2GDI 光学发动机实物2.2光学测量系统光学测量系统包括激光系统、信号采集系统和同步系统 3 个部分。(1)激光系统。激光系统由 Nd:YAG 激光器、反射镜组和片光生成系统组成。选用 LS-2137 调 Q 闪光灯泵浦激光器，可以产生 1 064、532、355 和 266 nm4 种波长脉冲激光，最大工作频率是 10 Hz。激光器实物如图 3 所示。激光器出口的点状激光初始直径是 8mm 左右，反射镜组将其调整到指定位置，经过片光生成系统转换为一定宽度和厚度的激光片光。激光波长和激光能量的选择对 LII 碳烟测量至关重要，本试验中选择 532 nm 波长激光作为激发光源，激光能量为170 mJ。图 3Nd YAG 激光器实物(2)信号采集系统。信号采集系统由 ICCD(带有增强器的 CCD 相机)、双像器和滤波片组成。双像器可以使一个目标呈现 2 幅图像，如图 4 所示装有双像器的 ICCD 相机。采用的 CCD 相机为 LAVISION 的Imager Pro X2M，增强器和双像器也由 LAVISION 公司提供。采集波长的选择会影响信号的信噪比和计算精度，选取 400 和 600 nm 2 个探测波长对炽光信号进行采集。试验过程中采用 ICCD 相机结合紫外增强镜头对碳烟颗粒受到激光激发后发出的炽光信号进行采集，利用装有 2 个滤波片的双像器可以同时获取碳烟炽光在 2 个波长下的信号。图 4安装双像器的 ICCD 相机(3)同步系统。利用 LAVISION 公司的增强器控制器和可编程控制单元来实现激光信号和相机门宽的同步。在光学发动机上进行碳烟测量时，需要在指定曲轴转角时刻进行信号采集，通过角标仪和可编程控制单元来实现，时序关系图如图 5 所示。此时，测试系统的参考时间 T1 单位为曲轴转角的角度。图 5时序关系图32C-LII 测试系统的验证搭建的层流乙烯扩散火焰 LII 测试平台主要包括燃烧器装置系统和光学测量系统，整体测量系统如图6 所示，在使用 LII 定量测量发动机缸内碳烟浓度前，对测试系统进行标定和验证。3.1燃烧器系统本文选用 Glder 燃烧器(层流扩散燃烧器)进行平台搭建。与内燃机缸内的复杂燃烧过程相比，燃烧器的火焰比较稳定，而且层流扩散火焰在空间上呈对称分布，有利于激光诊断技术的实现。燃烧器采用的气体燃料为乙烯，气体流量通过流量控制器实现精确控制。3.2层流扩散火焰碳烟体积分数测量图7所示为大气压力下层流乙烯扩散火焰的碳烟49第 2 期张玉林，等:基于 LII 技术的发动机缸内碳烟测量平台设计图 6层流乙烯-空气扩散火焰 LII 测试平台组成(a)本文测得数据(b)参考文献数据图 7层流乙烯-空气扩散火焰碳烟分布分布图，由图 7(a)可知，由于火焰的结构(碳烟前驱物、碳烟生成和碳烟氧化)中碳烟分布比较典型，基本呈左右对称分布。碳烟首先在燃烧器轴线上方 5 mm处产生，并在 66 mm 左右处消失;在低于 28 mm 时，碳烟只在火焰边缘产生，而在中部显现出一个无碳烟的三角形区域。其主要原因是该位置是碳烟前驱物的生成区域13。随着高度的增加，碳烟体积分数先增加后减小，最高碳烟体积分数为 8.2 106。本文所测得的乙烯层流火焰碳烟分布及体积分数 见图 7(a)与文献 14 中 见图 7(b)的试验数据相比大致相同。由此可验证本文所建立的 LII 测试平台的有效性。根据层流扩散火焰的碳烟定量测量结果，可以构建 LII信号与碳烟体积分数的数学关系。4试验流程及方法本文用搭建的 2C-LII 碳烟定量测量系统，在单缸GDI 光学发动机上研究不同循环喷油量下缸内的碳烟分布以及碳烟发展历程。试验过程中，发动机由交流电动机拖动运行在 600 r/min;喷油压力、喷油时刻和点火角分别维持在 12 MPa，240CA BTDC 和 10CABTDC;进气流量为 9 kg/h。为降低光学发动机可视化部件受到的热应力和机械应力，试验中发动机的运行为“连续点火-间断喷油”模式，即每次只着火 1 个循环。由于这种运行模式的特点，很难用 lambda 仪准确测量缸内的过量空气系数。试验所用燃料为异辛烷，选择3 个循环喷油量(39、45.5 和52 mg/c)进行分析，本文根据之前的研究，45.5 mg/c 对应的实际过量空气系数在 1.0 1.2 范围内，39 mg/c 工况下混合气较稀(1.2)，而 52 mg/c 工况下混合气较浓(1)。试验过程中 Nd:YAG 激光器产生波长为 532 nm、频率为 10 Hz 的脉冲激光，在进入燃烧室之前经过片光生成系统形成横截面为 1 mm 66 mm 的片状激光，沿水平方向从环形石英缸套进入发动机燃烧室。通过调整激光片光在燃烧室内的相对高度可以测量不同平面上的碳烟浓度分布，试验中将激光片光距缸盖的位置调整至 5 或 10 mm，在这 2 个平面处，激光片光穿过燃烧室中的碳烟生成区域，碳烟粒子团发出炽光信号，经过 45反光镜反射后被 ICCD 相机捕获。5试验结果分析(1)5 mm 平面。如图8 所示为5 mm 平面上不同循环喷油量下的碳烟分布，此平面的拍摄时刻为 32CA ATDC，此时活塞顶面恰好掠过 5 mm 平面位置(10mm 平面类似)，片光从图片上方入射，进气门和喷油器在靠近上方位置，排气门在靠近下方位置。图中每张碳烟云图由至少 10 张同一工况下的碳烟云图平均得来。如图 9 所示为 5 mm 平面上碳烟体积分数，由图可知，在 39 mg/c 工况下，缸内碳烟分布较均匀，其最大和平均碳烟体积分数最低，见图 9(a);随着喷油量的增加，碳烟分布的不均匀性变强，且聚集在图 8 所示图片上方位置。这种变化的原因一方面可能是由于激光的衰减，然而更主要的是局部混合气的过浓。对于喷雾引导的直喷汽油机来说，喷油量的增加会加重油束撞击活塞。由于喷油器布置在平面上部位置，所以此位置处的池火更多，生成的碳烟也较多，在对活塞视窗进行清洗时发现，在此位置处的碳烟沉积较多。由图 9(a)还可知，最大碳烟体积分数逐渐升高，而 52mg/c 的平均值小于 45.5 mg/c，这也反映了 52 mg/c工况下碳烟的不均匀分布。图 9(b)所示为各碳烟体积分数范围的占比情况。可以看出，在 39 mg/c 工况下，大约 98%的测试点的体积分数集中在 0 4 108图 85 mm 平面上在 32CA ATDC 时刻的碳烟分布59第 42 卷(a)最大和平均碳烟体积分数(b)各体积分数所占比例图 95 mm 平面上碳烟体积分数范围内，随着混合气的变浓，大体积分数的像素点的比例增大，不均匀性开始显现出来。52 mg/c 工况下，5 mm 平面上的碳烟发展历程如图 10 所示，由图可知，随着活塞的下移，碳烟呈降低趋势并且其分布更加均匀。这种变化的原因主要有两个:在膨胀冲程中，随着曲轴转角的增大，燃烧室容积变大，这使得碳烟分布更加疏松，体积分数减小;随着活塞下行，初始形成的碳烟颗粒有更多的时间被空气以及燃烧中间产物氧化，碳烟总体数量降低，体积分数减小。在 72CA ATDC 时，此平面上只测得微量的碳烟。然而在此之后，部分区域的碳烟体积分数有所增加。这主要是由于缸内混合气的随机运动使得剩余碳烟出现了不规则的聚集。图 1052 mg/c 工况下，5 mm 平面上的碳烟发展(2)10 mm 平面。对于 10 mm 平面，碳烟分布以及碳烟体积分数如图 11、12 所示。由图可知，在该平面上，45.5 mg/c 工况下的最大和平均体积分数都是最大，其次是 52 mg/c，而 39 mg/c 最小。与 5 mm 平面相同，随着循环喷油量的增加，碳烟分布的不均匀性更加严重，且大部分碳烟集中在测量范围的上方。与5 mm 平面相比，10 mm 平面相应的碳烟体积分数都较大。如前所述，油束碰壁会在近活塞顶面处产生大量碳烟。尽管燃烧室上部空间内碳烟会由于氧化而减小，但是随着缸内温度的增加，活塞顶部油膜会蒸发更多燃油，由此产生的池火进而生成更多的碳烟。另外，52 mg/c 工况下的碳烟与 45.5 mg/c 相比较低:52mg/c 对应的混合气较浓，这使得燃烧不完全，燃烧温度较低，因此，此过程中的脱氢反应被减缓，初级碳烟颗粒的形成被抑制;较大喷油量意味着较长的喷油持续期，这使得燃油蒸发的更慢。所有这些因素使得45.5 mg/c 的最大和平均碳烟体积分数较大，在此工况下，有 16%的测试点的碳烟体积分数大于 1 107。图 1110 mm 平面上在 42CA ATDC 时刻的碳烟分布(a)最大和平均碳烟体积分数(b)各体积分数所占比例图 1210 mm 平面上碳烟体积分数;如图 13 所示为 10 mm 平面上碳烟的发展历程。随着探测时间的推迟，所测平面上的碳烟逐渐减少且其在整个燃烧室内的分布变得更加均匀。对比图 10和 13 可以发现，在相同时刻下，10 mm 平面上的碳烟比 5 mm 多得多。图 1352 mg/c 工况下，10 mm 平面上的碳烟发展6结语本文设计并搭建了一个基于激光诱导炽光法的GDI 光学发动机缸内碳烟定量测量平台。通过该平台实验研究了不同循环喷油量对缸内碳烟分布的影响，同时通过改变不同观测时刻，揭示了 GDI 发动机缸内碳烟的生成及发展历程，结果表明:在同一平面上，45.5 mg/c 工况下所测得的碳烟最多;对于5 和10 mm2 个测量平面，缸内碳烟分别在 32CA ATDC 和 42CA ATDC 时刻达到最大值，之后由于氧化的作用而逐渐减少。有利于深入了解发动机缸内碳烟形成机理，为从根本上减少发动机颗粒物排放提供理论基础。也为发动机燃烧模型的优化提供定量参考和验证。研究成果将有利于发动机行业向低碳排放发展，推动汽车工业绿色低碳转型。69第 2 期张玉林，等:基于 LII 技术的发动机缸内碳烟测量平台设计参考文献(eferences):1Maikawa C L，Zimmeman N，ais K，et al 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传感器对实验室箱梁模型的横向应变进行实时监测，并根据监测的横向应变时程数据依次确定了桥梁上的车轴数、轴距、轴重比、车辆总重和轴重等参数。在两种测试工况的试验结果中，车辆总重最大识别误差为 2.08%，车轴轴重最大识别误差为5.14%，满足实际工程中车轴重测量精度的要求，表明该方法能够有效识别箱梁桥上的移动车辆车轴轴重，更可提高车辆荷载识别的精度;箱梁桥上移动车辆的多车轴轴重识别方法利用箱梁的横向应变对车轴信息敏感，利用更注重各车轴轴重的轴重比来识别车辆荷载和轴重信息，不仅提高了测量方法的准确性，保证了方法的可靠性，还为有效预警超载车辆提供了有力保障。参考文献(eferences):1张喜刚 公路桥梁汽车荷载标准研究 M 北京:人民交通出版社，20142Law S S，Chan T H T egularization in moving force identification J Journal of Engineering Mechanics，2001，127(2):136-1483李忠献，陈锋 简支梁桥与多跨连续梁桥上移动荷载的识别与参数分析J 工程力学，2006，23(12):91-994余岭，朱军华，陈敏中，等 基于矩量法的桥梁移动车载识别试验研究 J 振动与冲击，2007，26(1):16-205王蕾，侯吉林，欧进萍 基于荷载形函数的大跨桥梁结构移动荷载识别 J 计算力学学报，2012，29(2):153-1586王宁波，任伟新 基于影响线的桥梁移动荷载识别J 振动与冲击，2013，32(3):129-1337张福俭，李惠 基于拉索振动监测的车辆荷载识别研究J土木工程与管理学报，2013，30(1):1-58Bao Y Q，Li H，Chen Z C，et al Sparse 11 optimization-basedidentification approach for the distribution of moving heavy vehicleloads on cable-stayed bridgesJ Structural Control HealthMonitoring，2016，23(1):144-1559陈震，魏文杰，余岭，等 基于 PPTSVD 的桥梁移动荷载识别 J 振动、测试与诊断，2018，38(4):727-871 10Zhou 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