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:15526640390;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:13894848710;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