LIF技術(shù)在HCCI發(fā)動機甲醛定量測量中的應(yīng)用

張大源，李?博，高?強，李曉峰，李?紅，李中山

LIF技術(shù)在HCCI發(fā)動機甲醛定量測量中的應(yīng)用

張大源，李?博，高?強，李曉峰，李?紅，李中山

(天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072)

激光誘導(dǎo)熒光；定量測量；均質(zhì)壓燃發(fā)動機；甲醛

人們對于燃燒過程的研究由來已久．近年來，隨著發(fā)動機排放法規(guī)的日益嚴格，尋求發(fā)動機內(nèi)部新型燃燒方式成為燃燒領(lǐng)域研究的熱點[1-2]．均質(zhì)壓燃發(fā)動機(HCCI)因其獨特的燃燒放熱特點[3]，能夠獲得優(yōu)越的排放特性，例如HCCI發(fā)動機缸內(nèi)燃燒迅速且比較均勻，既沒有局部高溫區(qū)也沒有明顯的火焰?zhèn)鞑?，因而氮氧化?NO)和碳煙(PM)的排放能夠得到明顯的抑制[4]．但HCCI發(fā)動機燃燒存在運轉(zhuǎn)工況范圍窄、著火時間和放熱率不好控制等問題，這就要求對HCCI發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程進行精確診斷，從而更好地控制燃燒過程，優(yōu)化燃燒效率．?dāng)?shù)值模擬在HCCI發(fā)動機燃燒研究中發(fā)揮了重要作用，但模擬過程基于對實際過程的簡化，因此需要實驗數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進行驗證．其中，激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)因具有無干擾測量以及可視化檢測的優(yōu)勢，成為燃燒診斷領(lǐng)域中的重要實驗技術(shù)．

甲醛(CH2O)是碳氫燃料燃燒過程中的重要中間產(chǎn)物[5]．對于燃燒過程中CH2O的光學(xué)診斷具有如下意義：①在碳氫燃料燃燒過程中，CH2O出現(xiàn)于著火過程中的低溫反應(yīng)階段，并在后續(xù)反應(yīng)中由于燃燒開始、放熱率升高而被迅速消耗[6]，因此，CH2O能夠指示燃燒火焰的冷火焰區(qū)域．②通過對于燃燒過程中CH2O的診斷，有利于更好地理解燃燒反應(yīng)機理．根據(jù)化學(xué)動力學(xué)模型，燃燒過程中CH2O的分布能夠成功反映未燃碳氫(UHC)的分布，可用于燃燒過程中未燃碳氫的示蹤分析[7-8]．③通過分析CH2O的熒光譜線，能夠獲得火焰的溫度分布，可作為建立燃燒模型的指導(dǎo)數(shù)據(jù)，對于燃燒過程控制，尤其是對于新型燃燒方式的控制具有重要意義．

國外的研究者應(yīng)用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)開展了大量關(guān)于CH2O診斷的相關(guān)工作，但早期研究僅在相對簡單的燃燒模型下進行[9-13]．近十年來，CH2O的光學(xué)診斷技術(shù)逐漸應(yīng)用到發(fā)動機中．Burkert等[14]應(yīng)用CH2O激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，通過分析CH2O光譜獲得了正癸烷在蒸發(fā)與自燃過程中的溫度分布，所得結(jié)果與傳統(tǒng)的熱電偶測溫技術(shù)相比僅存在14K的誤差．但由于CH2O會在高溫下分解，因此測溫技術(shù)僅限于低溫條件下應(yīng)用．Lund大學(xué)的Brackmann等[15]使用Nd：YAG的3倍頻激光(355nm)激發(fā)CH2O分子，實現(xiàn)了燃燒過程中CH2O的可視化成像，并應(yīng)用在傳統(tǒng)的點燃式發(fā)動機以及HCCI發(fā)動機中，得到了缸內(nèi)燃燒過程中CH2O的二維分布，但實驗并未實現(xiàn)缸內(nèi)CH2O的定量測量．Schrewe等[16-17]通過發(fā)動機缸內(nèi)CH2O-PLIF光譜分析，獲得了氣缸壁面附近流場熱邊界層內(nèi)CH2O的分布信息，并且通過對比CH2O、羥基、多環(huán)芳香烴的熒光，分析了活塞幾何結(jié)構(gòu)對于缸內(nèi)混合氣形成的影響．Lachaux等[18]同樣使用Nd：YAG的3倍頻激光實現(xiàn)了低溫壓燃式發(fā)動機中CH2O的可視化成像，并用CH2O的分布成功反映了燃燒過程中未燃碳氫的分布．Donkerbroek等[19]在此基礎(chǔ)上，通過定量標(biāo)定的方法實現(xiàn)了重型柴油機中CH2O的定量測量．但實驗過程中由于碳煙和多環(huán)芳香烴(PAH)對于CH2O熒光的干擾，使實驗結(jié)果與模擬結(jié)果存在一定差距．

據(jù)筆者所知，對于HCCI發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程的研究，缺乏CH2O濃度的定量數(shù)據(jù)．相對于傳統(tǒng)發(fā)動機，HCCI發(fā)動機具有預(yù)混合燃燒和低溫燃燒的特點．因此，燃燒過程中產(chǎn)生的碳煙和PAH相對較少，激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)以及標(biāo)定過程應(yīng)用于HCCI發(fā)動機中更具有適用性．

筆者應(yīng)用LIF技術(shù)以及定量標(biāo)定的方法，實現(xiàn)了HCCI發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程中間產(chǎn)物CH2O的在線定量測量，并將所得實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行對比，得到了相對一致的結(jié)果．文章中對實驗原理和標(biāo)定過程的誤差進行了詳細討論．實驗結(jié)果能夠充分證明此方法應(yīng)用于發(fā)動機缸內(nèi)CH2O在線定量測量具有可信性，所得實驗結(jié)果能夠為數(shù)值模擬提供指導(dǎo)數(shù)據(jù).

1?實驗及原理

1.1?光學(xué)發(fā)動機

為滿足光學(xué)測量的目的，實驗中使用經(jīng)過改進的光學(xué)實驗專用發(fā)動機，并將氣缸靠近頂部氣門處的部分缸套替換成可以透過紫外激光以及熒光的石英缸套(如圖1)，以確保激光能夠入射到缸內(nèi)燃燒室．為簡化實驗系統(tǒng)，實驗中只運行一個氣缸．為簡化燃燒反應(yīng)機理，使用異辛烷與正庚烷按1∶1體積比例混合制成的參比燃料(PRF50)代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油，通過進氣道噴射與熱空氣混合氣化后進入缸內(nèi)燃燒．發(fā)動機的具體技術(shù)參數(shù)如圖1所示．

圖1?HCCI光學(xué)發(fā)動機及技術(shù)參數(shù)

1.2?激光誘導(dǎo)熒光光路系統(tǒng)

實驗光路如圖2所示，Nd：YAG激光器(Quantel，Brilliant-b)的基頻光經(jīng)過3倍頻后產(chǎn)生355nm波長的出射光，作為LIF技術(shù)的光源．激光能量為100mJ，脈沖寬度為8ns，頻率為10Hz．激光經(jīng)凹柱面透鏡(＝-40mm)擴束以及凸球面透鏡(＝300mm)聚焦后形成激光片，入射到光學(xué)發(fā)動機缸內(nèi)，激光片的寬度為40mm，激光片中心處的厚度為0.15mm．激光激發(fā)燃燒過程中產(chǎn)生的CH2O分子發(fā)生躍遷并釋放熒光，熒光被與激光入射方向成90°角放置的ICCD相機收集，相機鏡頭選用UV-Nikkor鏡頭(＝105mm，/4.5)．ICCD相機增益為200，門寬為100ns，無延遲時間．在ICCD相機前放置濾光片(GG395)濾除激光的雜散光．實驗中，激光片平行于活塞頂部，水平入射到氣缸內(nèi)部．活塞處于上止點時，活塞頂部距氣缸頂部7.5mm，激光片距氣缸頂部6mm，如圖3所示．之所以將激光片水平入射而非垂直入射，原因如下：①避免活塞運行到上止點時，活塞頭部阻擋激光片的傳播；②這種激光片布置方式雖然喪失了空間分辨率，但可獲取平均流場的濃度信息，信號強度和信噪比明顯增加，在此基礎(chǔ)上進行定量標(biāo)定過程，結(jié)果更具可信度．

圖2?CH2O激光誘導(dǎo)熒光光路

圖3?激光片位置示意

1.3?實驗原理

???(1)

由于熒光猝滅效率難以計算，使得激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)很難應(yīng)用于流場定量測量．熒光猝滅效率由流場溫度、壓力以及氣體組分決定，由于實驗中待測流場屬于燃燒反應(yīng)流場，氣體組分更加復(fù)雜，并且溫度、壓力不斷變化，這使得對熒光淬滅效率的理論計算更加困難．

為解決上述問題，實現(xiàn)HCCI發(fā)動機燃燒過程中CH2O的在線定量測量，實驗采用定量標(biāo)定的方法．標(biāo)定過程發(fā)動機不點火，使用電動機倒拖發(fā)動機運行；使用質(zhì)量分數(shù)為7.4%的甲醛水溶液代替上文提到的PRF50參比燃料在進氣道噴射，并與進氣溫度為120℃的空氣混合，高溫加熱氣化后，通過進氣門噴入缸內(nèi)；保證發(fā)動機缸內(nèi)任意時刻的CH2O的質(zhì)量分數(shù)為定值0.5%．

在發(fā)動機正常運行工況和定量標(biāo)定過程兩種情況下，由于標(biāo)定過程與發(fā)動機正常運行時的轉(zhuǎn)速、負荷相同，所以兩種情況下的分子密度與壓強基本不變，分子密度與壓強對于熒光淬滅的影響基本相同．雖然標(biāo)定過程發(fā)動機不點火，但實驗測量對象CH2O只產(chǎn)生于點火前的低溫反應(yīng)階段，并且標(biāo)定過程對噴入缸內(nèi)的甲醛水溶液進行了加熱氣化，因此在兩種情況下發(fā)動機缸內(nèi)的溫度差別不大，溫度對于熒光猝滅的影響可近似忽略．在點火前的低溫反應(yīng)階段，標(biāo)定過程與發(fā)動機正常運行時缸內(nèi)氣體組分近似相同，主要為空氣中的氮氣和氧氣，燃料改變對于熒光猝滅的影響不大，也可近似忽略．

基于上述近似，標(biāo)定過程與發(fā)動機正常運行兩種情況下的熒光猝滅效率近似相同，兩種情況下的光路效率也一樣．因此，標(biāo)定過程與發(fā)動機正常運行時所獲得的熒光強度之比，即為CH2O質(zhì)量分數(shù)之比，而標(biāo)定過程CH2O質(zhì)量分數(shù)已知，因此可獲得發(fā)動機缸內(nèi)CH2O的定量質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)．

2?結(jié)果及分析

經(jīng)過定量標(biāo)定實驗，得到在不同曲軸轉(zhuǎn)角下氣缸內(nèi)CH2O的定量質(zhì)量分數(shù)，圖4為獲得質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)時具有代表性的4個曲軸轉(zhuǎn)角處的單幅成像圖片，激光片平行于活塞上表面水平入射到缸內(nèi)，自左向右傳播；圖片上部的淺藍色信號來自于光學(xué)發(fā)動機進排氣門的激光散射光，下部直線結(jié)構(gòu)的信號為CH2O分子熒光信號．實驗所得CH2O質(zhì)量分數(shù)為激光片照亮范圍內(nèi)的二維流場的平均濃度，觀察圖4能夠清楚地發(fā)現(xiàn)隨著曲軸轉(zhuǎn)角的改變，缸內(nèi)CH2O經(jīng)歷了從無到有再到消失的過程：在進氣之前(－40°,CA)缸內(nèi)基本不存在CH2O；在－28°,CA附近，缸內(nèi)出現(xiàn)了少量的CH2O；在－10°,CA時，缸內(nèi)CH2O達到峰值，熒光信號最強；0°,CA時，缸內(nèi)燃燒反應(yīng)進入高溫階段，高溫使CH2O迅速消失．

圖4?不同曲軸轉(zhuǎn)角下的單幅成像圖片

將實驗結(jié)果與DARS軟件模擬的結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖5所示．對于發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒使用DARS軟件中的Stochastic反應(yīng)模型(SRM)進行仿真模擬，反應(yīng)模型包括33種反應(yīng)物以及38項反應(yīng)過程．模擬過程持續(xù)在-60°,CA到60°,CA范圍內(nèi)，并且每經(jīng)過0.2°,CA進行一次數(shù)據(jù)采集[23]．觀察對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然實驗結(jié)果與模擬結(jié)果在數(shù)值上存在一定差距，但曲線的整體發(fā)展趨勢非常吻合，這證明上述定量標(biāo)定過程的近似具有可信度．圖5中實驗結(jié)果與模擬結(jié)果在數(shù)值上存在差距，這可能是在標(biāo)定過程中，雖然CH2O水溶液經(jīng)過高溫氣化進入到燃燒室中，但是發(fā)動機沒有進行真正的燃燒，因此，發(fā)動機缸套內(nèi)壁的溫度往往低于100℃，而排氣沖程無法將氣化的CH2O溶液完全排出燃燒室，這樣就會有少量的氣化溶液凝結(jié)在石英缸套表面，造成標(biāo)定過程所拍攝的熒光強度降低，以此信號進行標(biāo)定，會使發(fā)動機正常運行時的CH2O質(zhì)量分數(shù)被高估．

圖5 CH2O質(zhì)量分數(shù)實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，－30°,CA以前氣缸內(nèi)基本不存在CH2O；在－28°,CA時，缸內(nèi)可燃混合氣開始氧化反應(yīng)，CH2O開始出現(xiàn)．在此之后CH2O的質(zhì)量分數(shù)呈快速上升的趨勢，并最終在－10°,CA附近達到最大值(質(zhì)量分數(shù)約為0.21%)，此峰值質(zhì)量分數(shù)大約持續(xù)了10°,CA．在-5°,CA，燃燒反應(yīng)繼續(xù)進行，放熱率迅速升高，導(dǎo)致CH2O的質(zhì)量分數(shù)急速下降．在上止點附近，進入高溫反應(yīng)階段，缸內(nèi)CH2O基本?消失．

通過分析缸內(nèi)CH2O質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢，可以反映HCCI發(fā)動機的兩階段著火特點：第1階段放熱是低溫化學(xué)動力學(xué)放熱，此時是冷焰，燃燒放熱率相對較低，缸內(nèi)溫度較低，是CH2O存在的階段．此階段之后，高溫反應(yīng)正式開始，反應(yīng)迅速且比較均勻，屬于熱焰，放熱率迅速增加，導(dǎo)致CH2O快速消失．CH2O所存在的階段相對于整個燃燒過程而言，所占時間比例非常?。?/p>

3?結(jié)?論

(1)實驗成功應(yīng)用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)實現(xiàn)了HCCI發(fā)動機燃燒過程中間產(chǎn)物CH2O的在線定量測量．為了獲取隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的定量實驗數(shù)據(jù)，采用定量標(biāo)定的方法(將CH2O水溶液代替PRF50參比燃料)，在相同轉(zhuǎn)速、負荷的發(fā)動機運行條件下進行熒光信號探測，通過熒光強度的比值得到了在不同曲軸轉(zhuǎn)角下CH2O的質(zhì)量分數(shù)．

(2)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的CH2O質(zhì)量分數(shù)的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果擬合良好，只是在峰值數(shù)值上略有不同．這說明此技術(shù)應(yīng)用于HCCI發(fā)動機CH2O定量測量具有可信度．實驗結(jié)果表明，CH2O濃度在-28°,CA處開始急速上升，峰值質(zhì)量分數(shù)達為0.21%，在持續(xù)10°,CA后，大約在-5°,CA處急速下降，此變化趨勢反映出HCCI發(fā)動機兩階段燃燒的特點．

(3)此技術(shù)可以用來系統(tǒng)地研究不同工況下HCCI發(fā)動機燃燒室內(nèi)的CH2O質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律，為HCCI發(fā)動機燃燒模型提供指導(dǎo)數(shù)據(jù)，從而更好地控制HCCI發(fā)動機的燃燒過程以及優(yōu)化燃燒效率．

［1］ 郭銀飛，董?芳，楊?勇，等. 不同標(biāo)準(zhǔn)柴油對柴油機性能和排放的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2017，23(1)：81-89.

Guo Yinfei，Dong Fang，Yang Yong，et al. Effect of various standard diesel on performance and emissions of diesel engine[J].，2017，23(1)：81-89(in Chinese).

［2］ 關(guān)?淳，李新令，鄭?軼，等. 含氧燃料對柴油機燃燒和排放的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2017，23(6)：497-504.

Guan Chun，Li Xinling，Zheng Yi，et al. Effect of oxygenated fuels on combustion and emissions of a diesel engine[J].，2017，23(6)：497-504(in Chinese).

［3］ 陳?權(quán)，謝?輝，江維海，等. NVO策略下HCCI汽油機缸內(nèi)殘余廢氣率估計[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2016，22(6)：499-506.

Chen Quan，Xie Hui，Jiang Weihai，et al. Estimation of residual gas fraction in HCCI gasoline engine with NVO strategy[J].，2016，22(6)：499-506(in Chinese).

［4］ Thring R H. Homogeneous charge compression ignition(HCCI)engines[J].，1989，44(1/2)：41-61.

［5］ 陳志方，姚春德，王全剛，等. 柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機各缸燃燒均勻性研究[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2017，23(1)：41-46.

Chen Zhifang，Yao Chunde，Wang Quangang，et al. Cylinder-to-cylinder variation in a diesel engine fueled with diesel/methanol dual fuel[J].，2017，23(1)：41-46(in Chinese).

［6］ van Basshuysen R，Sch?fer F.[C]//. Warrendale，PA，2002：439.

［7］ Curran H J，Gaffuri P，Pitz W J，et al. A comprehensive modeling study of n-heptane oxidation[J].，1998，114(s 1/2)：149-177.

［8］ Westbrook C K. Chemical kinetics of hydrocarbon ignition in practical combustion systems[J].，2000，28(2)：1563-1577.

［9］ Gabet K N，Patton R A，Jiang N，et al. High-speed CH2O PLIF imaging in turbulent flames using a pulse-burst laser system[J].，2012，106(3)：569-575.

［10］ Burkert A，Grebner D，Müller D，et al. Single-shot imaging of formaldehyde in hydrocarbon flames by XeF excimer laser-induced fluorescence[J].，2000，28(2)：1655-1661.

［11］ B?ckle S，Kazenwadel J，Kunzelmann T，et al. Single-shot laser-induced fluorescence imaging of formaldehyde with XeF excimer excitation[J].，2000，70(5)：733-735.

［12］ Bombach R，K?ppeli B. Simultaneous visualisation of transient species in flames by planar-laser-induced fluorescence using a single laser system[J].，1999，68(2)：251-255.

［13］ Shin D I，Dreier T，Wolfrum J. Spatially resolved absolute concentration and fluorescence-lifetime determination of H2CO in atmospheric-pressure CH4/air flames[J].，2000，72(2)：257-261.

［14］ Burkert A，Triebel W，Stafast H，et al. Single-shot imaging of gas temperatures in low-temperature combustion based on laser-induced fluorescence of formaldehyde[J].，2002，29(2)：2645-2651.

［15］ Brackmann C，Nygren J，Bai X，et al. Laser-induced fluorescence of formaldehyde in combustion using third harmonic Nd：YAG laser excitation[J].：，2003，59(14)：3347-3356.

［16］ Schrewe M R，Ghandhi J B. Near-wall formaldehyde planar laser-induced fluorescence measurements during HCCI combustion[J].，2007，31(2)：2871-2878.

［17］ Genzale C L，Reitz R，Musculus M P B. Effects of piston bowl geometry on mixture development and late-injection low-temperature combustion in a heavy-duty diesel engine[J].，2009，1(1)：913-937.

［18］ Lachaux T，Musculus M P B. In-cylinder unburned hydrocarbon visualization during low-temperature compression-ignition engine combustion using formaldehyde PLIF [J].，2007，31(2)：2921-2929.

［19］ Donkerbroek A J，Vliet A P V，Somers L M T，et al. Time- and space-resolved quantitative LIF measurements of formaldehyde in a heavy-duty diesel engine[J].，2009，157(1)：155-166.

［20］ Burkert A，Grebner D，Müller D，et al. Single-shot imaging of formaldehyde in hydrocarbon flames by XeF excimer laser-induced fluorescence [J].，2000，28(2)：1655-1661

［21］ Donges A，Noll R. Laser-Induced Fluorescence[G]// Laser Measurement Technology. Springer Berlin Heidelberg，2015：503-508.

［22］ 汪?亮. 燃燒實驗診斷學(xué)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2011.

Wang Liang.[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2011(in Chinese).

［23］ Li B，Jonsson M，Algotsson M，et al. Quantitative detection of hydrogen peroxide in an HCCI engine using photofragmentation laser-induced fluorescence[J].，2013，34(2)：3573-3581.

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．

國家自然科學(xué)基金資助項目(91741205；91541119).

張大源（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