光学测试技术在内燃机燃烧研究中的应用与发展

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1、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

2、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

3、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1/5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。气体性质一定时，可以用

4、标定的方法得出气体速度和桥端电压之间的关系，即热线的标定曲线，根据这条曲线可以用热线风速仪来测量气流速度。热线风速仪用于流速的测量已有几十年的历史，是内燃机缸内流场测量的重要手段。自1964年多普勒技术发明以来已经有40多年的历史，其工作原理是依据激光多普勒效应，当一束具有单一频率的激光照射到一个运动的粒子上时，粒子接收到的光波频率与光源频率会有所差异，其差异的大小同粒子的运动速度大小以及照射光与速度之间的夹角有关，通过检测光波的多普勒频移，即可求得粒子运动速度，进而得到流场中特定的速度时间变化历程。激光多普勒测速技术的优势在于它属于非接触式测量，对气流没有干扰，可以鉴别流动方向，

5、流场的气体温度压力对测量没有影响，具有良好的空间分辨率，典型的LDV系统空间分辨率为20～10μm，而且测量位置不受活塞运动位置的限制，可以测量燃烧过程中的气流。其本身的缺点在于信号不连续，是一系列的阶跃信号，阶跃信号出现频率与测量点的浓度有关，LDV输出的有效数据将随粒子浓度变稀很快减少，导致LDV数据率急剧下降。测量必须在缸头上设有激光出入的透明窗口，安排起来比较困难，气流中的粒子的大小和数量必须适当。自从Yeh和Cummins在1964年第一次采用激光多普勒技术测得测流的速度以来，尤其是在80年代，LDV技术得到了迅猛的发展[3]。激光多普勒测速属于单点测量，不能直接反映出缸

6、内流场的长度积分尺度，而下面介绍的粒子图像测速技术可以很好地计算这一参数。1.2二维测速技术1.2.1粒子图像测速(PIV)粒子图像测速技术是二维平面的速度场测试技术，这是近十几年发展起来的一种测速技术，它可以测量非定常的二维瞬时速度场，能确定宏观涡流的角动量，同时具有非接触式测量的动态响应速度快，空间分辨率和精度高等诸多特点，因此受到很多学者的重视[4]。PIV技术的原理是:在流场中加入密度和浓度的合适的示踪粒子，将激光束通过相应的光学装置在缸内流场中激光片光源，并以一定的脉冲间隔多次照亮流场，成像系统利用CCD等成像设备记录下片光源平面内粒子的多次曝光影像(利用粒子对激光的散射

7、)，通过查询每个粒子的位移并与位移时间相除获得平面速度矢量场。响到PIV测量的效果。示踪粒子要具有良好的流体跟随性和光散射性，对光学窗口的污染少，对汽缸的磨损少。研究内燃机缸内流场时示踪粒子的直径一般为1～5μm，为无毒的液滴。若示踪粒子过大，容易使跟随性变差，测量结果无法反映真实的流场;若示踪粒子过小，散射光会较弱。一般PIV实验中会采用液态示踪粒子发生器，产生的示踪粒子直径为1μm左右。对于得到的图像的处理方法通常采用互相关图像分析:互相关图像分析是指通过分析两幅