激光诱导荧光法用于内燃机燃烧可视化的研究进展
内燃机燃烧的光学测试方法
内燃机燃烧的光学测试方法【论文摘要】介绍了用于内燃机燃烧研究的几种光学测试方法的原理和特点，这些方法包括双色法、全息法、吸收光谱法、激光诱导荧光法、喇曼散射光谱法和相干反斯托克斯光谱法。
内燃机燃烧过程是其工作循环的核心，直接影响发动机的动力性、经济性和排放指标。
由于内燃机燃烧过程十分复杂，测试相当困难，因此长期以来一直深受世界各国内燃机研究者及生产部门的重视。
内燃机的燃烧过程是实际发动机工作循环最重要、最复杂的过程，涉及到化学反应动力学、流体力学以及传热传质学等多个学科领域，是非常具有挑战性的研究领域，因而内燃机节能和降低排放的关键在于对燃烧过程系统深入的了解。
只有细致研究内燃机发生和发展的特征规律，弄清各因素的影响，在比较透彻地了解燃烧的整体过程和局部细节的基础上，才能有针对性地改进内燃机各部分的参数设计，更有效地提高内燃机效率，降低排放。
因此，运用先进的实验手段和方法来开展内燃机缸内燃烧过程的研究，获得缸内燃烧火焰的有关信息(例如温度场、浓度场、速度场)，具有十分重要的学术价值和广阔的应用前景。
内燃机缸内燃烧的光学测试方法是目前最有效的研究手段之一，在国内外得到越来越广泛的运用。
采用这种方法来研究内燃机的燃烧过程，能够进一步加深对燃烧过程的理解，为燃烧系统的评价和改进提供依据，对于指导内燃机燃烧系统的设计，提高内燃机工业整体水平具有重要的现实意义。
1内燃机燃烧研究的几种光学测试方法内燃机燃烧光学测试方法的最大优越性在于对燃烧场无干扰，并可直观地获得燃烧过程的图像。
近年来，光学技术和计算机技术的飞速发展为更精确地研究燃烧过程提供了新的契机，因此受到了各国科研机构和发动机厂商的高度重视。
近十几年来，以光学原理为基础的各种内燃机燃烧测试技术发展很快，其实际应用也日益广泛，一些先进的燃烧测试技术已逐步进入实用阶段。
在内燃机燃烧的各种光学测试方法中，主要有双色法(Two-Color Method)、全息法(Holograph Method)、吸收光谱法(Absorption Spectroscopy Method)、激光诱导荧光法(Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy,简称LIF法)、喇曼散射光谱法(Raman Scattering Spectroscopy)和相干反斯托克斯光谱法(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,简称CARS法)等。
先进航空发动机燃烧室试验温度激光测量技术
１激光测量的技术特点
激光测试技术是一种新型的测量方法，拥有其他 测量方式不可比拟的优点，测量精度高，最大特点是 可非接触式测量，能够实现无干扰地测量，符合流动 参数的测量要求。由于激光测速技术和流场显示技术 在实验领域的应用，从稳态测试转入动态测试，逐点 测量变为全场测量，使实验研究水平大为提高。在燃 烧室内复杂流场（如温度场、速度场、压力场、两相浓 度场等）的测量上具有很大的优势，获得试验数据能够 准确反映燃烧室的真实工况，因而已经引起人们越来 越多的重视。由于电子计算机的发展，计算机具有完 成自动控制、数据（图像）采集与处理系统、实时显示等 多种功能，推动了激光测试技术的快速发展，使这项 技术发展日趋完善，在工程上得到了广泛应用。 激光是光的受激辐射，而普通光源是光的自发辐 射，相比而言激光测量技术具有如下显著特点： ①激光的单色亮度极高，以掺铷硅酸盐玻璃为工 质的激光器脉冲输出功率已达１０１３ Ｗ：
・７６・
《测控技术》２０１０年第２９卷增刊
先进航空发动机燃烧室试验温度激光测量技术
毛茂华，黄春峰，石小江
（中国燃气涡轮研究院，四川江油６２１７０３）
摘要：燃烧实验诊断一直是航空发动机工程发展中研究燃烧室流动特性的极其重要的试验技术手段，要 求以先进测量技术作支撑。激光测试技术是近十几年来迅速发展起来的一门高新技术，以能量密度高、 方向性和相干性好的激光为光源，可对发动机燃烧场的温度、组分浓度、压力、流速等状态参数进行无 扰动、高时空分辨的在线测量，对于研究燃烧室中化学反应流体动力学有着非常重要的价值．详细叙述 了发动机燃烧室温度激光测试技术的原理、方法、发展概况及其应用前景。 关键词：航空发动机；燃烧流场；激光测量；非接触测量；温度测量
弓＝鬼ｘ（ｘ／４，０ｘｇｘＶｏｘ，Ｖ２
光学测试技术在内燃机燃烧研究中的应用与发展
光学测试技术在内燃机燃烧研究中的应用与发展摘要：依据国内外文献资料研究了内燃机光学测试技术的发展现状和趋势，介绍了目前应用在内燃机流场测量和缸内浓度场、温度场测量的先进光学测试技术，着重分析了各种测量方法的工作原理、应用范围及优缺点。
关键词：内燃机；光学测试；流场测量；温度场；浓度场0引言高热效率和良好的可靠性使得内燃机成为工农业生产和交通运输中应用最广泛的动力机械。
研究内燃机的工作过程，改善和优化缸内燃烧是实现内燃机高效、低污染目标的重要途径。
传统的测试方法属于接触式测量，在测量的同时会破坏和干扰流场的流速，所测结果不能反应流场的真实情况[1]。
同时，它们只能瞬时测量一点或几点的速度值，很难提供整个流场的结构信息。
而内燃机缸内流场的非稳态性，依靠单点测试技术就不能得到正确的瞬时空间全场流速分布，难于获得真实准确的流场分布状态。
而光学技术和计算机技术的发展为更精准地研究内燃机的工作过程提供了平台。
光学测量方法属于非接触式测量，其最大的优越性在于对测量场没有干扰而且精度高，尤其是上世纪60年代以后，激光技术的诞生和发展，凭借激光出色的单色行、相干性和方向性，为内燃机的光学测量开辟了一个新的领域。
光学技术在内燃机测量中的应用主要是测量缸内速度场、温度场、浓度场等，常用的内燃机光学测量技术包括激光多普勒技术（LDV）、粒子图像测速技术(PIV)、激光全息技术、双色法、激光诱导荧光法(LIF)、平面激光诱导炽光法(PLII)、拉曼散射光谱法(SRS)、相干反斯托克斯光谱法(CARS)等。
1缸内流场测量1.1 单点测速技术激光多普勒技术(LDV)是最早应用于内燃机测量的一门激光技术，它常用来测量缸内单点的瞬时速度[2]。
在激光多普勒技术之前，缸内单点的瞬时速度测量多采用热线风速仪。
热线风速仪是接触式测量仪器，它将特定的电加热的金属丝放入被测流场中，测量单一点瞬时速度的变化历程，当气流流过金属丝时带走其表面热量而引起温度下降，从而引起热丝电阻的改变，当气流使热线电阻发生变化时，电桥的不平衡电压被反馈放大器放大后送回桥端。
激光诱导击穿光谱技术的研究与应用新进展
２ ５ ９ ４
光谱学与光谱分析 第 ３ ３卷
２ ／ 能量衰减 激光等离子体丝 内 激 光 功 率 密 度 保 持 不 变 ， １ 犚
４］ 的分析精 度 。卢 伟 业 等 ［ 采用 ｎ ｓ Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ对复合肥样品中的
氮 、磷 、钾元素含量进 行 了 检 测 ，实 现 了 化 肥 中 三 大 主 要 元 素的实时同步测量 。 ） １ ２ 飞秒激光诱导击穿光谱 （ 犳 狊 犔 犐 犅 犛 随着飞秒激光 技 术 的 进 步 ， ｆ ｓ Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ成为目前的研究热 ， 点 。相对 于 常 规 的 ｎ ｓ Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ ｆ ｓ Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ 具 有 很 大 的 优 点： ｆ ｓ Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ 光谱表现出高的信号光 谱／背 景 光 谱 比 值 。纳 秒 脉 冲 激 光能使材料组分的化学键严重断裂 ，仅能 探 测 到 材 料 组 分 的 原子或离子的 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ 光谱 。而飞秒激光脉宽小 ，光强较高 ，作 用在材料表面的热效应范围 小 ，使 材 料 快 速 电 离 ，从 而 保 持 材料的分子结 构 ，除 探 测 到 原 子 或 离 子 的 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ 光 谱 外 ，还 可看到材料组分 的 分 子 结 构 光 谱 。因 此 ，相 对 于 ｎ ｓ Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ光 谱而 言 ，通 过 判 别 ｆ ｓ Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ 光 谱 中 物 质 分 子 光 谱 的 特 征 ，更 能辨别物质的成分组成 ，确切判别物质的种类 。
，吉 林 省 科 技 厅 项 目 （ １ １ ０ ７ ４ ０ ２ ７， ６ ０ ９ ７ ８ ０ １ ４， ６ １ １ ７ ８ ０ ２ ２， １ １ ２ １ １ １ ２ ０ １ ５ ６） ２ ０ １ ０ ０ １ ６ ８， ２ ０ １ １ １ ８ １ ２， ２ ０ １ ２ １ ５ １ ３ ２） 基金项目 ：国家自然科学基金项目 （ ） 和教育部博士点基金 新教师项目 （ 资助 ２ ０ １ １ ２ ２ １ ６ １ ２ ０ ０ ０ ６ ： １ ９ ８ ７ 年生 ，长春理工大学理学院硕士研究生 ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｋ ｉ ｋ ｉ ａ ｎ ４ ５＠ｓ ｉ ｎ ａ ． ｃ ｏ ｍ 作者简介 ：邵 妍 ，女 ， ｙ ： ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｕ ｓ ｔ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ 通讯联系人 ｅ ＠１
激光诱导荧光技术(LIF)的研究
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究 四、激光诱导荧光测试系统
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究 四、激光诱导荧光测试系统
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究
五、激光诱导荧光方法的应用
在燃烧系统中 L I F 法的应用，包括测量温度、 粒子浓度、燃料分布等方面。目前，LIF 法已成为 燃烧气流的化学与结构研究的重要手段。现对用激 光诱导荧光法测量发动机缸内混合气浓度进行说明。
在内燃机技术领域，激光诱导荧光试验研究燃烧，实现 了对燃烧过程的非侵入式观察。在 这 种 方 法 中利 用 单 色 性 好 、波 长 较 短 、能量较大的短脉冲激 光 使 某 种 分 子 或 原 子 激 发 ，测 量 由 激 发 态 返 回 基 态 时 发 出的荧光，便 可 以 计 算 该 成 分 的浓度 和温度分布。
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究
参考文献：
多级旋流空气雾化喷嘴雾化特性及光学测试方法研究_刘存喜 复合激光诱导荧光定量标定技术及其_省略_应用_燃油喷雾当量比定量标 定方法_孙田 复合激光诱导荧光定量标定技术及其对柴油喷雾特性研究的应用_孙田 复合激光诱导荧光法在喷雾特性的研究进展_白原原 基于PLIEF技术两次喷射柴油喷雾结构和特性的定量研究_王卓卓 利用复合激光诱导荧光法对气相柴油喷雾温度场和浓度场的定量标定_ 郭红松 使用PLIEF技术对重型柴油机相_省略_柴油喷雾结构及其浓度场的定量研 究_郭红松 应用激光诱导荧光法研究直喷汽油机缸内混合气形成过程_马骁 用激光诱导荧光法测量GDI发动机缸内混合气分布_马骁 用激光诱导荧光法研究燃烧的最新进展_薛敏霞
基于激光诱导荧光技术（LIF）的喷雾当量比特性研究
五、激光诱导荧光方法的应用
燃烧产物组成激光诱导荧光光谱的测量
光 谱 的方 法 ， 用ＹＡＧ 激 光 器 、 利 染料激 光 器 、 Ｏ。 光 器、 Ｃ 激 光谱 仪 、Ｃ Ｄ 等设备 对 燃烧 产 物 中常见 ＩＣ
小分 子 自由基 ＯＨ 和 Ｎ 进行 了测 量 ， 实验 中得到 了 自由基 ＯＨ 和 ＮＯ 的 荧光 光谱 。实验结 果表 Ｏ 从
燃烧 产物组成激光诱导荧光 光谱 的测量
陈 锐 ， 周 霖
（ 京 理 工 大 学 爆 炸 科 学 与 技 术 国家 重 点 实 验 室 ， 京 １ ０ ８ ） 北 北 ００ １
摘 要 ： 对 激 光诱 导 荧光 （ Ｉ 光谱 技 术 在燃 烧 过 程 中的应 用进 行研 究 ， 绍 测 量燃 烧 过 程 中 Ｌ Ｆ） 介
ＣＨＥＮ Ｒｕｉ ．ＺＨＯＵ ｎ Ｌｉ
（ ｔ ｔ ｙ Ｌａ ｏ ａ ｏ ｙ ｏ ｐ ｏ ｉｎ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｓ ａ ｅ Ｋｅ ｂ ｒ ｔ ｒ ｆ Ｅｘ ｌ ｓｏ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ，
Ｂ ｉｎ ｎ ｔ ｕ ｅｏ ｃ ｎ ｌｇ ｅｊ ｇ Ｉ ｓｉ ｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，Ｂ ｉ ｎ ０ ０ １ ｉ ｔ ｅｊ ｇ １ ０ ８ ，Ｃｈ ｎ ） ｉ ｉａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｌ ｓ ｒ ｉ ｄ ｃ ｄ ｆｕ ｒ ｓ ｅ ｃ （ Ｆ ） ｓ ｅ ｔ ｕ ｓ ｒ ｃ ： ａ ｅ —ｎ ｕ ｅ ｌ ｏ ｅ ｃ ｎ ｅ ＬＩ ｐ ｃ ｒ ｍ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ｉ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｏ ｓ ｕ ｙ ｅ ｈ ｉｕ ｓ ｉ ｔ ｏ ｕ ｅ ｔ ｔ ｄ
ｃ ｍ ｂ ｔｏｎ ｒ ｃ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｅ ｉ ｎｔ ｉ ｆ ＬＩ ｏ ｕｓ ｉ ｐ ｏ ｅ ｓ ｅ ｘｐ ｒｍｅ ａｔｏｎ ｏｒ Ｆ ｓ ｃ ｒ ｍ ｏ ｓ ｌ ｐｅ ｔ ｕ ｆ ｍａ ｌ ｍｏｌ ｃ ｅ ｃ ｍｍｏｎ ｎ ｅ ｕｌ ｓ ｏ ｉ ｃ ｍ ｂ ｔｏｎ ｐ ｏ ｅ ｓ ｉ ｅ ｃ ｉ ｄ ａｎ ｔ ｅ ｕ ｔ ｒ ｖｅ ｏ ｕｓ ｉ ｒ ｃ ｓ ｓ ｄ ｓ ｒｂｅ ｄ ｉｓ ｒ ｓ ｌｓ ａ ｅ ｇｉ ｎ．Ｅｘ ｒｍｅ ｔ ｌｓ ｈ ｍ ｅ ｒ ｅ ｉ ｅ ｏ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｃ ｅ ｓａ ｅ ｄ ｓｇｎ ｄ ｔ ｍｅ ｓ ｅ ｔ ｐ ｃ ｒ ｍ ａ ｕｒ ｈｅ ｓ ｅ ｔ ｕ ｏｆＯＨ ｎｄ ＮＯ ｒ ｅ ｒ ｄｉａ ｓ ｂｙ ｔ ｅ ｈｎｉ ｅ ｏｆＬＩ ａ ｆ ｅ — ａ ｃ ｌ ｈｅ ｔ ｃ ｑｕ Ｆ．ＯＨ ｒ ｅ ｒ ｄｉａ ｉ ｆｅ —ａ ｃ ｌ ｎ
飞秒激光成丝在火焰中诱导的荧光辐射及应用
Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎｄｕｃｅｄｂｙｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｆｉｌａｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎｆｌａｍｅｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ＬＩＺｉｔｉｎｇ，ＬＩＵＸｕａｎｙａ
（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＦｉｒｅＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｉａｎｊｉｎＦｉｒｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｍｅｒｇｅｎｃｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８１，Ｃｈｉｎａ）
随着激光技术的迅猛发展，目前已经发展了多种 基于激光光谱的燃烧诊断技术，如相干反斯托克斯喇
基金项目：应 急 管 理 部 天 津 消 防 研 究 所 基 科 费 资 助 项 目 （２０１８ＳＪ０１）
作者简介：李紫婷（１９８９），女，博士，助理研究员，现主要 从事基于激光光谱的燃烧诊断技术研究。
Ｅｍａｉｌ：ｌｉｚｉｔｉｎｇ＠ｔｆｒｉ．ｃｏｍ．ｃｎ 收稿日期：２０１８１０１１；收到修改稿日期：２０１８１１１５
第 ４３卷 第 ５期 ２０１９年 ９月
激 光 技 术 ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．５ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１９
文章编号：１００１３８０６（２０１９）０５０７２９０６
飞秒激光成丝在火焰中诱导的荧光辐射及应用
李紫婷，刘癶亚
（应急管理部 天津消防研究所 建筑消防工程技术重点实验室，天津 ３００３８１）
摘要：飞秒激光脉冲在传输过程中，克尔自聚焦和等离子体散焦相互作用形成了长距离的自导光通道，该过程称为 飞秒激光成丝。飞秒激光成丝在火焰中诱导的荧光辐射为燃烧诊断提供了新的可能性，为理解燃烧过程、提高燃烧效率 和减少污染物的产生提供了有用的信息。针对飞秒激光成丝诱导的荧光辐射在燃烧诊断中的应用，介绍了飞秒激光在 火焰中的传输特性以及成丝动力学过程，陈述了飞秒激光成丝诱导非线性光谱的机理及其在高温燃烧场诊断应用中的 研究现状和进展，探讨了当前飞秒激光成丝在该领域所面临的挑战和应用前景。
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
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唐青龙;张鹏;刘海峰;尧命发【期刊名称】《物理化学学报》【年(卷),期】2015(000)005【摘要】激光诱导炽光(LII)法是一种用于测量火焰中碳烟体积分数的光学测试方法.本文介绍了LII的基本原理以及LII实现定量测量的常见标定方法,建立了一套基于双色法-激光诱导炽光法(2C-LII)的用于柴油机缸内燃烧过程碳烟体积分数定量测量的测试系统,该测试系统采用双成像原理,可以实现多点标定和全视场范围内的碳烟体积分数测量.在一台工作在1200 r∙min-1、喷油量21 mg的光学单缸柴油机上,研究了60、100和140 MPa三个不同喷油压力下,缸内燃烧过程碳烟的分布情况,结果表明,碳烟自发光出现在燃烧放热率峰值之后,且随着喷油压力提高,碳烟发光持续期缩短,碳烟发光强度降低.测试区域内火焰中的碳烟体积分数范围约为0-50×10-6.不同喷油压力下,碳烟生成初期、碳烟峰值和碳烟氧化三个阶段内平均碳烟体积分数的范围分别是：5×10-6-9×10-6,15×10-6-20×10-6和14×10-6-16×10-6.喷油压力提高后火焰中的碳烟分布区域面积增大,平均碳烟体积分数减小,碳烟体积分数的空间分布趋于均匀.%Laser-induced incandescence (LII) is an optical diagnostic method used to measure the soot volume fraction in a flame. In this paper, the principle of LII and the calibration methods normal y used are introduced. Based on two-color LII theory, a quantitative test system for determining the in-cylinder soot volume fraction was established. A dual imaging setup was used, which can achieve multipointcalibration and ful field-of-view quantification of soot in a diesel engine chamber. An investigation was carried out on an optical diesel engine with the conditions 1200 r∙min-1 and 21 mg fuel injection per cycle, with various injection pressures (60, 100, and 140 MPa). The results show that the natural soot incandescence emerged after the peak rate of combustion heat release. With increasing injection pressure, the duration of natural soot incandescence shortened and the natural soot luminosity decreased. The range of soot volume fractions in the test zone was (0-50)×10-6. The mean soot volume fraction at the initial soot stage, soot peak, and soot oxidation stage were in the ranges (5-9)×10-6, (15-20)×10-6, and (14-16)×10-6, respectively, depending on the injection pressure. With increasing injection pressure, the distribution area of the soot particles increased, the mean soot volume fraction decreased, and the distributionof the soot volume fraction in space tended to be more uniform in combustion flames.【总页数】9页(P980-988)【作者】唐青龙;张鹏;刘海峰;尧命发【作者单位】天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072;天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072;天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072;天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072【正文语种】中文【中图分类】O642;O432.1【相关文献】1.基于激光诱导炽光法进行碳烟测量的研究进展 [J], 刘福水;花阳;吴晗;高永利;吴昊2.激光诱导炽光法定量测量碳烟 [J], 岳宗宇;张鹏;陈贝凌;刘海峰;郑尊清;尧命发3.用激光诱导炽光法定量测量火焰中的碳烟浓度 [J], 何旭;马骁;王建昕4.利用激光诱导炽光研究高压环境下液体燃料层流扩散火焰碳烟分布的二维图像[J], 周磊;张红兴;王震5.基于二维激光诱导炽光法的棉籽油扩散火焰碳烟生成特性 [J], 何旭;张志鹏;吴昊;高永利;花阳;刘凤山;李向荣;刘福水因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
R esearch Progress of Cooling System for Modern V ehicle EngineCH EN G Xiao 2bei ,Pan Li ,J V Hong 2ling(School of Energy &Power Engineering ,Huazhong University of Science &Technology ,Wuhan 430074,China )Abstract :The development status ,influencing factors and existing problems of cooling system were briefly analyzed ,and thef ront design concept and research method like the intelligent electronic 2controlled cooling ,precise cooling ,split cooling ,air 2side flow and vehicle thermal management for engine cooling system were also introduced.The high efficiency and low consumption realized with modern engine cooling system were discussed ,it was pointed out that the integration of precise cooling and split cooling with electronic 2controlled elements was the feasible method ,and the vehicle thermal management would be the main method to improve the cooling performance entirely.K ey w ords :automobile engine ;cooling system ;intelligent control ;thermal management ;prediction of development trend[编辑:潘丽丽] 收稿日期:2007210218;修回日期:2008201211作者简介:马 骁(1983—),男,四川省荥经市人,在读博士,主要研究方向为内燃机燃烧的激光诊断;max @ 。
激光诱导荧光法用于内燃机燃烧可视化的研究进展马 骁,何 旭,王建昕(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084) 摘要:阐述了激光诱导荧光法用于内燃机可视化的基本原理。
结合研究实例中典型的试验装置重点介绍了激光诱导荧光法在内燃机可视化研究中的应用情况,包括燃烧组分和温度场的激光诱导荧光测量、高度挥发性燃料的喷雾与混合气形成的平面激光诱导荧光法测量以及内燃机喷雾中气液两相的复合激光诱导荧光测量。
关键词:内燃机;激光诱导荧光;可视化;混合气形成;喷雾中图分类号:T K464 文献标志码:A 文章编号:100122222(2008)0120007207 近年来控制汽车尾气排放和燃油经济性的法规日益严格,对内燃机的研发,尤其是在缸内混合气组织、燃烧控制方面提出了更高的要求。
可视化技术能够直观地提供缸内混合气形成和燃烧状态的信息,,因而可视化研究作为内燃机基础研究的重要一环一直受到国内外内燃机界的重视。
以激光诱导荧光(L IF )法为代表的现代光学诊断方法用于内燃机可视化技术是近年来的研究热点。
L IF 法可以以非侵入的形式定量测量主要污染物及中间产物浓度分布、流场温度、混合气浓度分布等参数,采用不同的试验装置可以进行单点、一维、二维及准三维的测量[1],是一种灵活而有效的测试手段。
随着激光器、增强型电荷耦合器件(ICCD )及光电倍增管等技术的不断发展,L IF 法正被更多的研究者用于内燃机可视化研究。
1 L IF 法的基本原理当激光光子的能量(表征为波长λ)符合分子特定两个能级之间能量间隔时,受照射分子可以吸收光子从基态跃迁至高能态。
由于处于高能态的分子不稳定,故在一定时间内受激分子将通过辐射和非辐射的方式释放能量返回基态,在此过程中分子的自发辐射发光称为荧光。
荧光的特性随荧光物质的种类、环境温度、压力以及周围物质氛围的不同而呈现出较大的差异[2]。
在满足一定条件时,通过荧光的强度可以得到包括浓度、温度、组分在内的多种物理参数。
在用L IF 法进行内燃机可视化研究中,作为观察对象的受激分子通常是以NO 为代表的燃烧产物第1期(总第173期)2008年2月车 用 发 动 机V EHICL E EN GIN E No.1(Serial No.173)Feb.2008中的小分子,或是羟基(O H )、氰基(CN )等有较好荧光特性并能表征流场内某些物化参数的活性基,或是人为添加的、以丙酮(C H 3COCH 3)和甲苯等为代表的有机小分子。
荧光的淬息效应和示踪物质荧光特性随温度与压力的变化是L IF 技术面临的主要问题,上述因素带来的影响主要在标定和校正的过程中解决。
因此,不同环境下的标定方法是L IF 定量测量中的主要技术难点。
2 L IF 法在组分和温度场测量中的应用近年来NO 的激光诱导荧光(NO 2L IF )测量、羟基的激光诱导荧光(O H 2L IF )测量及温度场测量是缸内L IF 研究的热点。
NO 和O H 基荧光特性较好并可分别体现污染物生成和燃烧进行的状态。
NO 2L IF 常用于反映未反应低温区域的信息,但不适合反映燃料浓度,OH 2LIF 也不能反映未燃区的空燃比[223]。
大众公司研发部(G.Suck 等人)于2004年在一台缸内直喷火花点火式发动机上采用L IF 法研究了NO 的生成和分布情况[4]。
该研究用的光学发动机是由一台FSI 直列4缸发动机改造而成的单缸可视化发动机(见图1a ),该发动机燃烧室顶形状和活塞顶形状与原机基本一致,燃烧系统为喷雾引导模式,其视窗材料为高6mm 、壁厚4mm 的蓝宝石环。
试验所用激光为KrF 激光器产生的247.94nm 紫外激光,能量为30mJ ,光束横截面为3mm ×4mm ,实测结果区域为18mm ×3mm 。
为了实现准确的标定,试验中使用了一个可探入气缸内的燃烧器,采用将确定量的NO 混入甲烷的喷射火焰中的方法进行荧光强度的标定,用L IFSim 软件对与温度压力相关的参数进行校正。
为了验证试验结果的可靠性,研究中还使用了缸内快速气体采样阀采集被测区域的气体样本进行分析对比。
图1b 所示为实测瞬时NO 分布,试验结果表明,L IF测试结果图1 NO 2L IF 试验装置及结果在数量级和随时间变化的趋势上与快速采样的结果吻合较好。
基于这一结论,研究中用NO 2L IF 对不同EGR 率下测试区域的NO 分布进行了定量的对比分析,探讨了喷雾引导模式下EGR 率的参数优化问题。
K.Verbiezen 和R.J.H.Klein 2Do uwel 等人在2007年公布的一项研究中[5],采用L IF 法测量了一台由6缸重型柴油机改装成的可视化发动机(见图2a )一个缸内NO 的生成情况。
试验中所用激光为226.03nm ,荧光信号对应NO 的A —X (0,1)～(0,4)状态分布于237nm ,248nm ,259nm ,270nm ,为了分别采下这4组信号,试验光路中在ICCD 之前加装了光谱仪,通过光谱仪后4个不同波长的荧光信号会在空间上分离形成并列的4个像(见图2b )。
该研究在缸内L IF 信号衰减、L IF 信号的校正和标定方面进行了一系列试验,将两个激光探针放入燃烧室以检测激光衰减并讨论了O 2和CO 2带来的衰减效应。
研究中通过测排气门开启时排气中的NO 浓度对应该时刻的荧光图像来进行标定。
相关结果为研究预混合燃烧和混合控制燃烧中NO 生成的过程提供了直接证据。
隆德技术学院的Robert Collin 等人在HCCI 燃烧模式下进行了O H 2L IF 方面的研究。
于2003年用可视化发动机同时测量了O H 和甲醛荧光图像[6]。
研究中使用异辛烷和正戊烷各50%作为燃料,采用30mJ 的283nm 激光和75mJ 的355nm 激光分别激发O H 和甲醛,两束激光重合,通过镜组形成40mm 的片光,于燃烧室顶部下方3mm 处穿过石英环进入燃烧室。
荧光图像从下置活塞视窗和反射镜得到,由一个308nm 附近高反射率、355nm 附近75%透过率的半透半反镜片分别将源于O H 和甲醛的荧光信号采入两个ICCD 相机。
从图3中可看到O H 和甲醛的分布范围。
该研究讨论・8・ 车 用 发 动 机 2008年第1期了O H 和甲醛的分布及随曲轴转角的变化情况,并结合HCCI 的燃烧放热率进行了分析。
但研究仅采用无量纲的信号强度和荧光信号面积作为主要研究参数,未能实现定量测量。
2004年,Leif Hildings 2son 等人使用正庚烷作为燃料进行了柴油机低温燃烧和HCCI 燃烧研究[7],就O H 和甲醛的分布和变化情况,对比分析了HCCI 燃烧模式和普通柴油机燃烧模式的区别。
图2 缸内NO 2L IF试验装置和结果图像图3 O H 和甲醛基的分布 在L IF 诊断中,利用不同温度、特定激发波长下示踪物质荧光特性的不同,通过标定和计算将温度与所得荧光强度建立数值关系,这种方法被称为“单谱线法”。
选取两个不同的激光波长进行激发采集荧光信号联立的方法被称为“双谱线法”,双谱线法的优点是不需要确定被测位置的示踪剂浓度。
1998年海登堡大学的Svenja Einecke 和Christof Schulz 等人在一台火花点火发动机上进行了双谱线测温的研究[8],研究中使用的示踪剂为32戊酮,试验结果表明,双谱线测温可以有效地简化标定中必须考虑的系统状态与荧光强度之间的复杂关系。
与单谱线测温相比,优势在于适用于混合气中示踪剂分布不均匀的状态。
该研究还指出,温度场的结果亦能用于辅助校准混合气浓度的测量结果。
丰田中心研发实验室(Taketo shi Fujikawa 等人)于2006年用类似方法定量测量了活塞凹坑内局部未燃混合气的温度场[9](见图4,图中L1与L2表示测试时用于数据分析的采样位置)。
2005年海登堡大学(H.Kronemayer 等人)在开放空间火焰中成功实现了荧光的多谱线测温,即在荧光的光谱中采取多个波长的信号进行联立分析。