杜宏飛　劉江唯　虞　瀏　竇慧莉（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心　吉林 長(zhǎng)春　130011）

基于內(nèi)窺鏡的柴油機(jī)燃燒可視化研究

杜宏飛劉江唯虞瀏竇慧莉
（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心吉林 長(zhǎng)春130011）

基于單缸柴油機(jī)和內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，搭建柴油機(jī)燃燒可視化平臺(tái)，進(jìn)行缸內(nèi)燃燒可視化研究。在不同噴射壓力、不同進(jìn)氣壓力條件下分析了柴油機(jī)缸內(nèi)火焰發(fā)展過(guò)程和火焰溫度分布。結(jié)果表明：通過(guò)搭建的可視化平臺(tái)可以直接觀(guān)測(cè)缸內(nèi)火焰發(fā)展過(guò)程，獲得火焰溫度分布；隨著進(jìn)氣壓力提高，著火時(shí)刻提前，火焰面積增大，高溫區(qū)域比例增加，燃油噴射壓力對(duì)著火時(shí)刻、火焰溫度及火焰面積影響較小。

柴油機(jī) 內(nèi)窺鏡 火焰溫度 火焰面積

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)，是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作的核心，成為學(xué)者們?cè)絹?lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)。但是內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程十分復(fù)雜，測(cè)試相當(dāng)困難［1］。傳統(tǒng)的三維模擬計(jì)算也無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算缸內(nèi)過(guò)程，要想準(zhǔn)確描述還需要對(duì)缸內(nèi)過(guò)程的光學(xué)測(cè)試進(jìn)行修正［2］。這就對(duì)燃燒過(guò)程可視化提出了新的需求。

目前常用直觀(guān)燃燒可視化手段包括：底視高速攝像測(cè)試及內(nèi)窺鏡測(cè)試［3］。然而各種方法又都有其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于底視方法，需要對(duì)原有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行較大改動(dòng)，在原機(jī)基礎(chǔ)上要增加延長(zhǎng)缸體、延長(zhǎng)活塞以及石英燃燒室，并且需要反射鏡才能將燃燒室內(nèi)的圖像傳遞給高速相機(jī)，該方法的缺點(diǎn)是破壞了原有發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷測(cè)試。優(yōu)點(diǎn)是可以從燃燒室底部同時(shí)觀(guān)測(cè)多個(gè)油束著火過(guò)程，可視范圍廣。在研究中很多學(xué)者利用該手段結(jié)合雙色法計(jì)算火焰溫度及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?。另外一種方法是內(nèi)窺鏡方法，該方法不需要發(fā)動(dòng)機(jī)較大改動(dòng)，只需在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上打孔，布置內(nèi)窺鏡探頭，在必要的情況下可以布置光源探頭用于觀(guān)察噴霧過(guò)程。由于探頭要深入缸內(nèi)，所以要在活塞頂部加工躲避坑，這在一定程度上改變了燃燒室結(jié)構(gòu)，減小了壓縮比，破壞了缸內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)。并且可視化區(qū)域較小，只能觀(guān)測(cè)兩束油以及燃燒室凹坑位置。但是采用內(nèi)窺鏡方式的最大優(yōu)點(diǎn)在于，可以長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行大負(fù)荷測(cè)試，甚至是外特性工況點(diǎn)的測(cè)試，結(jié)合雙色法可以獲得缸內(nèi)火焰溫度分布［4-5］。采用內(nèi)窺鏡測(cè)試技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)在于缸蓋打孔，既要保證內(nèi)窺鏡適配套固定，又要保證密封，防止冷卻水進(jìn)入燃燒室。另一個(gè)難點(diǎn)在于相機(jī)的對(duì)焦，保證圖像清晰，便于后期分析和計(jì)算。本文基于單缸柴油機(jī)搭建的可視化平臺(tái)解決了內(nèi)窺鏡探頭的密封和相機(jī)對(duì)焦問(wèn)題，通過(guò)該可視化平臺(tái)清晰拍攝了火焰圖像，利用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)自有軟件得到火焰溫度分布，通過(guò)后處理技術(shù)提取圖像信息，獲得了火焰面積信息［6］。

1　試驗(yàn)設(shè)備

1.1試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)用的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)單缸柴油機(jī)，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)室通過(guò)一臺(tái)增壓模擬裝置和一臺(tái)進(jìn)氣恒溫、恒壓控制裝置來(lái)模擬實(shí)際的增壓中冷條件，采用獨(dú)立的外循環(huán)冷卻及潤(rùn)滑系統(tǒng)保證冷卻水溫度，機(jī)油溫度及機(jī)油壓力保持在正常范圍內(nèi)，使得各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的邊界條件保持一致。

表1　試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

為了滿(mǎn)足內(nèi)窺鏡適配套的安裝，需要在缸蓋進(jìn)行打孔，該過(guò)程在計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)的輔助下完成。為了防止內(nèi)窺鏡探針碰撞活塞，在活塞頂部加工一躲避坑，如圖1所示。

圖1　適配套在缸蓋上布置及活塞加工圖

1.2內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

采用AVL公司的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)拍攝缸內(nèi)圖像及進(jìn)行圖像分析，系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表2。燃燒數(shù)據(jù)采用AVL的燃燒分析儀實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè)缸壓。

表2　AVL內(nèi)窺鏡系統(tǒng)主要參數(shù)

內(nèi)窺鏡鏡頭有3種型式，分別為0°、30°和70°觀(guān)測(cè)角度，本研究結(jié)合實(shí)際缸內(nèi)噴霧情況選擇了30°鏡頭，此種設(shè)計(jì)可以觀(guān)察到兩束火焰。圖2為活塞躲避坑設(shè)計(jì)，可以看出采用30°鏡頭的可視范圍。圖3為內(nèi)窺鏡探針在缸蓋的安裝位置，結(jié)合計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，該布置方法可以滿(mǎn)足要求。

圖2　30°鏡頭探頭可視范圍示意圖

圖3　內(nèi)窺鏡在缸蓋上安裝

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

進(jìn)行了不同進(jìn)氣壓力、不同噴射壓力對(duì)著火時(shí)刻、火焰溫度、火焰面積的影響研究。詳細(xì)試驗(yàn)工況點(diǎn)如表3所示。為了選擇最佳特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，圖4給出了不同條件下的缸壓曲線(xiàn)。由圖4、圖5可知，最大缸內(nèi)壓力出現(xiàn)在5°CA附近，在進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)重點(diǎn)考察5°CA附近的圖像。

表3　試驗(yàn)工況點(diǎn)設(shè)置

圖4　不同進(jìn)氣壓力條件下缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)

2.1對(duì)著火時(shí)刻的影響

圖6為通過(guò)內(nèi)窺鏡拍攝的不同進(jìn)氣壓力條件下的火焰原始圖像，由圖可以看出進(jìn)氣壓力為200 kPa、175 kPa時(shí)首先觀(guān)測(cè)到火焰，出現(xiàn)在-1°CA，但對(duì)比此時(shí)兩幅圖像可知，200 kPa時(shí)出現(xiàn)兩束油同時(shí)著火，而175 kPa時(shí)只有一束油出現(xiàn)著火現(xiàn)象。進(jìn)氣壓力為150 kPa和125 kPa時(shí)，著火時(shí)刻為0°CA，雖然都出現(xiàn)了兩束油同時(shí)著火，但是兩束火焰的亮度差別較大。對(duì)比-1°CA曲軸轉(zhuǎn)角下的4幅圖像，進(jìn)氣壓力為200 kPa和175 kPa首先出現(xiàn)火焰，火焰亮度隨著進(jìn)氣壓力減小而降低；對(duì)比0°CA曲軸轉(zhuǎn)角下的圖像可以看出：在此時(shí)刻都出現(xiàn)著火現(xiàn)象，隨著進(jìn)氣壓力減小，火焰亮度降低，率先著火的油束火焰亮度較高。圖7為不同噴射壓力條件下的火焰圖像，此時(shí)的進(jìn)氣壓力為100 kPa。由圖可知，在2°CA均出現(xiàn)著火現(xiàn)象，著火時(shí)刻無(wú)明顯差別。由此可見(jiàn)噴射壓力對(duì)于著火時(shí)刻的影響較小。

圖5　不同噴射壓力下缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)

圖6　不同進(jìn)氣壓力條件下著火時(shí)刻對(duì)比

由于進(jìn)氣壓力提高，每循環(huán)進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮空氣量增加，壓縮終了工質(zhì)增多，導(dǎo)致最大爆發(fā)壓力升高。新鮮空氣增加，噴油量保持不變，使得空燃比增大，氧氣濃度增加。另外由于進(jìn)氣壓力增加，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，油束霧化加快，著火滯燃期縮短，因此對(duì)于進(jìn)氣壓力為200 kPa和175 kPa條件下，油束率先出現(xiàn)著火現(xiàn)象，但是彼此差別并不大。對(duì)于增大噴射壓力的情況，由缸壓曲線(xiàn)可以看出，在保持噴油量恒定的情況下，增加噴射壓力沒(méi)有改變空燃比，只是增加了油束的霧化效果，因此缸內(nèi)壓力變化并不明顯，對(duì)于著火時(shí)刻的影響也不突出，不同條件下都在相同位置出現(xiàn)著火，此時(shí)的進(jìn)氣壓力為100 kPa，即自然吸氣，因此缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈，燃燒緩慢，火焰的亮度較弱。

圖7　不同噴射壓力條件下著火時(shí)刻對(duì)比

2.2對(duì)火焰溫度的影響

利用AVL內(nèi)窺鏡系統(tǒng)雙色法溫度分析模塊，對(duì)采集的圖像進(jìn)行分析計(jì)算，獲得了溫度分布信息。圖8為不同進(jìn)氣壓力條件下的溫度分布。由圖可以看出，灰色區(qū)域代表高溫區(qū)域，在4種進(jìn)氣條件下，火焰高溫區(qū)域比例較大的圖像位于2～5°CA，接近缸內(nèi)壓力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置。由圖6可知，著火時(shí)刻為-1°CA，此時(shí)活塞在上行，缸內(nèi)壓力迅速升高，火焰溫度也迅速升高，活塞到達(dá)上止點(diǎn)后2～5° CA時(shí)，缸內(nèi)壓力和溫度達(dá)到最大值。此時(shí)燃燒凹坑里已經(jīng)充滿(mǎn)高溫火焰，燃燒室內(nèi)沒(méi)有低溫區(qū)域。隨著活塞下行和缸內(nèi)渦流作用，火焰溫度降低，高溫區(qū)域的比例減少，燃燒室凹坑內(nèi)出現(xiàn)了低溫火焰。上止點(diǎn)5°CA以后出現(xiàn)了火焰分離，說(shuō)明此時(shí)的噴油過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，沒(méi)有新油束參與著火過(guò)程，先期產(chǎn)生的火焰溫度逐漸降低。在同一曲軸轉(zhuǎn)角下，對(duì)比不同的進(jìn)氣壓力，可以看出，隨著進(jìn)氣壓力降低，火焰高溫區(qū)域比例減少。由于本研究的試驗(yàn)條件之一是保持噴油量不變的情況下增加進(jìn)氣壓力，因此隨著進(jìn)氣壓力提高，空燃比增大，氧氣濃度增加，燃料的燃燒更加充分。圖9給出的是自然吸氣條件下，保持噴油量不變，改變噴射壓力，缸內(nèi)氧氣濃度并未改變，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)也無(wú)明顯變化，因此噴射壓力提高對(duì)于火焰溫度影響較小。由于此工況屬于小負(fù)荷點(diǎn)，缸內(nèi)工質(zhì)較少?；鹧婷娣e比例較低，基本沒(méi)有過(guò)熱高溫區(qū)域。由圖看出上止點(diǎn)后4°CA即出現(xiàn)了火焰分離，說(shuō)明此時(shí)噴油已經(jīng)結(jié)束，而此時(shí)活塞在下行，因此火焰溫度逐漸降低。

圖8　不同進(jìn)氣壓力條件下溫度分布

圖9　不同噴射壓力條件下溫度分布

2.3對(duì)火焰面積的影響

為了表征火焰面積大小，選用著火區(qū)域的像素點(diǎn)總和與圖片像素點(diǎn)總和的比值來(lái)描述。如表2所示圖片分辨率為480×640。對(duì)圖片進(jìn)行處理，獲得著火區(qū)域像素點(diǎn)總和。結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10給了不同進(jìn)氣壓力下的火焰面積百分比曲線(xiàn)，由圖可以看出，面積百分比曲線(xiàn)呈現(xiàn)單峰分布，隨著進(jìn)氣壓力增大，火焰面積百分比增加，峰值位置無(wú)明顯變化，峰值位置出現(xiàn)在4～5°CA左右，即缸壓最大值左右。由曲線(xiàn)可以看出，在-1°CA基本都已經(jīng)出現(xiàn)著火，這與圖6得出的結(jié)論相吻合，在隨后的火焰發(fā)展過(guò)程中，進(jìn)氣壓力較大的的工況火焰面積百分比上升較快，進(jìn)氣壓力125 kPa時(shí)百分比曲線(xiàn)上升稍微滯后，并且峰值最低，進(jìn)氣壓力為200 kPa時(shí)峰值最大，上升最為迅速。就火焰持續(xù)期來(lái)看，到了10°CA時(shí)，進(jìn)氣壓力為200 kPa時(shí)，火焰面積百分比仍有10%左右，而進(jìn)氣壓力為125 kPa時(shí)，火焰面積百分比接近0。

與改變進(jìn)氣壓力不同，改變噴射壓力對(duì)火焰面積百分比影響不明顯。如圖11所示，在4種噴射壓力下火焰面積百分比曲線(xiàn)接近，并且隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化百分比緩慢降低，持續(xù)期較長(zhǎng)，從0°CA持續(xù)到接近30°CA。從1°CA左右百分比曲線(xiàn)開(kāi)始上升，說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)開(kāi)始著火，這與圖7得出的結(jié)構(gòu)吻合，在隨后的火焰發(fā)展過(guò)程中變化不明顯，面積百分比曲線(xiàn)并無(wú)明顯的單個(gè)峰值，而是呈現(xiàn)了多峰分布，除了在最大缸壓位置有明顯峰值，其他曲軸轉(zhuǎn)角下無(wú)突出峰值。對(duì)比圖10和圖11，面積百分比數(shù)值差異較大，這是由于圖10所示工況中，空氣流量較大，進(jìn)氣壓力為200 kPa時(shí)進(jìn)氣流量相當(dāng)于圖11工況的進(jìn)氣流量2倍，因此圖10所示工況中參與燃燒的工質(zhì)較多，并且進(jìn)氣壓力較高，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，油束霧化快，燃燒更為充分，燃燒迅速，持續(xù)期短。

圖11　不同噴射壓力下火焰面積百分比

3　結(jié)論

1）采用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)結(jié)合單缸柴油機(jī)搭建燃燒可視化平臺(tái)可以直觀(guān)獲得火焰圖像，通過(guò)圖像可以獲得著火時(shí)刻及火焰發(fā)展信息。

2）隨著進(jìn)氣壓力提高，著火時(shí)刻提前，火焰溫度升高，高溫火焰區(qū)域比例增大。噴射壓力對(duì)于火焰著火時(shí)刻、火焰溫度、火焰面積百分比的影響較小。

3）隨著進(jìn)氣壓力提高，火焰面積百分比增大，火焰持續(xù)期增加。火焰面積百分比曲線(xiàn)呈現(xiàn)單峰分布。隨著缸內(nèi)參與燃燒的工質(zhì)量增多，火焰面積比例增大，溫度升高，火焰燃燒迅速。

1Tetsuya Nagai，Ryoji Hiraoka，Nobuyuki Iwai.Development of highly durable optical probe for combustion measurement［C］. SAE Paper 2015-01-0759

2W.Hentschel，B.Block，T.Hovestadt，et al.Optical diagnostics and CFD-simulations to support the combustion process ［C］.SAE Paper 2001-01-3648

3Kan Zha，Xin Yu，Radu Florea，et al.Impact of biodiesel blends on In-cylinder soot temperature and concentrations in a Small-Bore optical diesel engine［C］.SAE paper 2012-01-1311

4Kenth I.Svensson，Andrew J.Mackrory，Michael J.Rich-ards. Calibration of an RGB，CCD camera and interpretation of its two-color images for KL and temperature［C］.SAE Paper 2005-01-0648

5王麗雯，王建昕，何旭.雙色法在內(nèi)燃機(jī)燃燒診斷中的應(yīng)用［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2007，36（3）：26-29

6王家文，李仰軍.MATLAB7.0圖形圖像處理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006

Visualization of Combustion Based on Endoscope in Diesel Engine

Du Hongfei，Liu Jiangwei，Yu Liu，Dou Huili
R&D Center，China FAW Co.，Ltd.（Changchun，Jilin，130011，China）

Based on a cylinder diesel engine and endoscope，a visualization platform of combustion was built.Flame development process and temperature distribution were studied under different intake pressures and injection pressures.The study illustrated that combustion flame process was shot directly through visualization platform.The flame temperature distribution was calculated.With the intake pressure increased，ignition timing advanced，flame area enlarged，proportion of high temperature flame rised. Injection pressure has little influence on the ignition timing，flame temperature and flame area.

Diesel engine，Endoscope，F(xiàn)lame temperature，F(xiàn)lame area

TK421+.2

A

2095-8234（2016）01-0016-06

杜宏飛（1984-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒與排放技術(shù)。

2015-12-04）