孔祥鑫，劉峰春，冀樹德，馬東元，魏鵬程，黃旭

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

近年來，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)正朝著高速化、高功率密度、緊湊化等方向快速發(fā)展，軍用柴油機(jī)也在向著升功率逐步提高的方向不斷強(qiáng)化[1-5]。柴油機(jī)的燃燒過程是整個(gè)工作循環(huán)的核心，直接影響其動(dòng)力性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，而氣缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)的燃燒溫度更是衡量其性能的重要參數(shù)，對(duì)深入了解燃燒機(jī)理、放熱規(guī)律以及缸內(nèi)溫度場(chǎng)、熱負(fù)荷、起動(dòng)性能、排放問題的研究都具有重要作用[6-8]。

目前，柴油機(jī)缸內(nèi)溫度的研究主要以仿真模擬為主，但由于柴油機(jī)燃燒過程特有的復(fù)雜性，仿真計(jì)算中存在著熱交換邊界條件不易確定等問題，需要實(shí)際測(cè)量缸內(nèi)溫度對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[9-10]。同時(shí)，直接測(cè)量缸內(nèi)溫度能夠更為直觀地了解缸內(nèi)燃燒發(fā)生發(fā)展的特征，更為實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)燃燒室部件和整機(jī)的工作狀態(tài)。因此，對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)溫度的測(cè)量是十分必要的。然而，柴油機(jī)缸內(nèi)介質(zhì)的燃燒過程具有很高的溫度和壓力，且缸蓋結(jié)構(gòu)十分緊湊，這使得缸內(nèi)溫度的直接測(cè)量變得較為困難。

基于以上背景，結(jié)合某高功率密度柴油機(jī)的實(shí)際測(cè)試需求與工作狀態(tài)，研究了一種具有通用性的柴油機(jī)缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)燃燒溫度測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了缸內(nèi)溫度測(cè)試系統(tǒng)，并結(jié)合實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試效果驗(yàn)證。

1 柴油機(jī)缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測(cè)試要求

某軍用高功率密度單缸柴油機(jī)在研制過程中，為更深入研究其燃燒放熱特征，存在缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)燃燒溫度測(cè)試需求，該發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 單缸柴油機(jī)主要參數(shù)

該單缸柴油機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜，缸內(nèi)空間十分有限，實(shí)測(cè)缸內(nèi)介質(zhì)燃燒壓力最高在20 MPa左右，理論分析介質(zhì)燃燒溫度最高超過1 600 ℃，燃燒室部件的強(qiáng)度要求也較高?；诟咨w結(jié)構(gòu)及缸內(nèi)高溫高壓工作狀態(tài)，常見的以熱電偶法、電磁感應(yīng)法等為代表的溫度電測(cè)法和以硬度塞法、易熔合金法等為代表的溫度非電測(cè)法[11-12]在環(huán)境適用性、實(shí)施可行性、測(cè)試效果等方面均受到了不同程度的限制[13-21]，無法應(yīng)用于該單缸柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度的測(cè)量。

進(jìn)一步研究適用于該高功率密度柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度的測(cè)試方法，該方法應(yīng)具備以下能力：

a) 適用于燃燒壓力達(dá)到20 MPa，燃燒溫度達(dá)到1 600 ℃的缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)；

b) 對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)與可靠性不造成破壞，對(duì)部件無改動(dòng)或改動(dòng)盡可能??；

c) 測(cè)試系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單，拆卸方便；

d) 良好的通信能力；

e) 較高的響應(yīng)速度及測(cè)量精度。

2 缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測(cè)試方法

自然界任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度，都在不停向周圍空間輻射包括紅外輻射波段的電磁波，紅外輻射能量的大小及其波長(zhǎng)分布特征與物體表面溫度息息相關(guān)，所以通過對(duì)物體自身紅外輻射的測(cè)量，便能準(zhǔn)確測(cè)定它的表面溫度。因此，基于該紅外測(cè)溫原理，柴油機(jī)缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)的燃燒溫度可采用雙色紅外測(cè)溫方法。

對(duì)于柴油機(jī)，雙色法是通過對(duì)其氣缸內(nèi)燃燒火焰中炭煙顆粒的光譜輻射能量進(jìn)行強(qiáng)度識(shí)別，并基于熱平衡原理認(rèn)為炭煙顆粒的溫度能夠代表周圍氣體火焰的溫度，進(jìn)而得到所需溫度值。根據(jù)普朗克定律的簡(jiǎn)化形式——Wien方程[7]，火焰輻射的單色光強(qiáng)度I在可見光范圍內(nèi)可表示為

(1)

式中：ελ為波長(zhǎng)λ時(shí)火焰的單色輻射系數(shù)；T為火焰溫度；Ta為對(duì)應(yīng)的亮度溫度，是將一般物體等同于黑體進(jìn)行輻射強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的名義溫度；c1，c2分別為第一、第二普朗克常數(shù)。

根據(jù)小粒子散射理論，引入Hottel-Broughton方程[8]，即

(2)

式中：K為衰減系數(shù)；L為火焰觀測(cè)光軸的幾何厚度；α為常數(shù)，對(duì)于柴油機(jī)，在可見光區(qū)間取1.38。

對(duì)所選定的兩個(gè)波長(zhǎng)分別為λ1和λ2的單色光，將式(1)與式(2)聯(lián)立，消去KL得到溫度的計(jì)算公式[22]：

(3)

式中：Ta1，Ta2分別為特定波長(zhǎng)λ1和λ2所對(duì)應(yīng)的亮度溫度。通過式(3)即可求解火焰的實(shí)際溫度。

3 溫度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 關(guān)鍵測(cè)試單元設(shè)計(jì)

基于雙色法測(cè)溫原理，研究適用于目標(biāo)高功率密度柴油機(jī)的雙色紅外測(cè)溫系統(tǒng)，首先設(shè)計(jì)了關(guān)鍵溫度測(cè)試單元，該測(cè)試單元的核心工作部件為光學(xué)鏡頭組、光電探測(cè)器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理器，其基本工作原理見圖1。

圖1 關(guān)鍵溫度測(cè)試單元工作原理

通過關(guān)鍵測(cè)試單元對(duì)柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃燒火焰中兩個(gè)相關(guān)且接近的特定紅外響應(yīng)波段輻射能量進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而通過輻射比確定柴油機(jī)氣缸內(nèi)介質(zhì)的燃燒溫度。具體測(cè)量過程如下：柴油機(jī)缸內(nèi)介質(zhì)開始燃燒后，光學(xué)鏡頭組首先獲取氣缸內(nèi)燃燒火焰特定紅外輻射波段的電磁波，而后光電探測(cè)器接收紅外能量并轉(zhuǎn)換為光電流，測(cè)試單元對(duì)電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字線性化處理，最后實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)外數(shù)字通信以及模擬信號(hào)輸出。所采用的光學(xué)鏡頭組由特殊材質(zhì)的玻璃組成，與目標(biāo)紅外波段相匹配，能夠消除兩個(gè)波段的色差補(bǔ)償，確保兩個(gè)波長(zhǎng)的光路一致，且不受燃燒火焰中炭煙顆粒發(fā)射率波動(dòng)的影響。所采用的光電探測(cè)器為雙銦鎵砷探測(cè)器，能夠確保兩個(gè)相關(guān)波段盡量接近，同時(shí)保證能獲取足夠強(qiáng)的信號(hào)。在常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)合，基于單色原理、采用單光電探測(cè)器也可以較為準(zhǔn)確地進(jìn)行溫度測(cè)量，但柴油機(jī)缸內(nèi)工作的環(huán)境及介質(zhì)狀態(tài)較為特殊，存在光學(xué)窗口易受炭煙污染、目標(biāo)介質(zhì)無法充滿測(cè)量視場(chǎng)、介質(zhì)發(fā)射率動(dòng)態(tài)變化無法準(zhǔn)確得知等單色法無法克服的實(shí)際問題，因此，基于雙色法原理設(shè)計(jì)了溫度關(guān)鍵測(cè)試單元，可以盡可能減少測(cè)量誤差。

3.2 測(cè)溫系統(tǒng)集成應(yīng)用設(shè)計(jì)

在關(guān)鍵測(cè)試單元設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于目標(biāo)柴油機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)適用于目標(biāo)單缸柴油機(jī)的雙色紅外缸內(nèi)溫度測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 測(cè)溫系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)以目標(biāo)柴油機(jī)缸蓋為載體，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，利用缸蓋上的既有結(jié)構(gòu)——缸內(nèi)壓力測(cè)試通道，通過非標(biāo)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)連接缸蓋與光纖測(cè)量鏡頭，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)與溫度測(cè)試單元的快速連接。在保證必需的有效光學(xué)通路的前提下，通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)內(nèi)置的人造藍(lán)寶石窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)缸內(nèi)高熱壓縮介質(zhì)的密封隔絕，保護(hù)光纖測(cè)量鏡頭正常工作不受損壞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)溫度的測(cè)試。設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)示意

選用人造藍(lán)寶石作為光路窗口是基于其良好的材料性能，能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)缸內(nèi)的高熱壓縮介質(zhì)起到穩(wěn)定的密封隔絕作用，其相關(guān)材料特性見表2。

表2 人造藍(lán)寶石材料性能

轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與光纖鏡頭的實(shí)際連接狀態(tài)見圖4，測(cè)溫系統(tǒng)主體部分見圖5。

圖4 轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與光纖鏡頭連接示意

圖5 測(cè)溫系統(tǒng)主體部分實(shí)物圖

以上設(shè)計(jì)的雙色紅外測(cè)溫系統(tǒng)，具備對(duì)燃燒壓力達(dá)到20 MPa，燃燒溫度達(dá)到1 600 ℃的柴油機(jī)缸內(nèi)介質(zhì)的測(cè)量能力。系統(tǒng)集成及拆卸便利，對(duì)缸蓋和活塞無結(jié)構(gòu)破壞系統(tǒng)同時(shí)具備RS485數(shù)字通信能力及0/4～20 mA模擬輸出能力，利用燃燒分析儀能夠同時(shí)輸出時(shí)域、角域的溫度測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間最短可達(dá)到100 μs，測(cè)量精度最高可達(dá)到(0.5%+1) K，適用于缸內(nèi)燃燒過程的跟蹤。

4 缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測(cè)試驗(yàn)證

4.1 測(cè)試方法

將目標(biāo)單缸柴油機(jī)與所設(shè)計(jì)的雙色紅外測(cè)溫系統(tǒng)完成臺(tái)架集成，并進(jìn)行缸內(nèi)溫度測(cè)試，測(cè)試工況為30 kW@2 000 r/min工況點(diǎn)及44 kW@2 000 r/min工況點(diǎn)。柴油機(jī)缸蓋通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與光纖鏡頭的實(shí)際連接狀態(tài)見圖6，溫度測(cè)試實(shí)際數(shù)據(jù)采集界面見圖7和圖8。試驗(yàn)中測(cè)試單元設(shè)計(jì)的光譜響應(yīng)波段為1.4/1.64 μm，對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)量范圍是1 300～3 000 ℃。

圖6 實(shí)際系統(tǒng)連接圖

圖7 時(shí)域溫度測(cè)量界面

圖8 角域溫度測(cè)量界面

4.2 測(cè)試結(jié)果

目標(biāo)柴油機(jī)在30 kW@2 000 r/min及44 kW@2 000 r/min工況下110個(gè)工作循環(huán)的單循環(huán)缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度及每30個(gè)循環(huán)的平均瞬態(tài)最高溫度對(duì)比見圖9和圖10。

圖9 單循環(huán)缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度對(duì)比

圖10 循環(huán)平均缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度對(duì)比

從圖中可以看出，目標(biāo)柴油機(jī)在44 kW功率狀態(tài)下的單循環(huán)缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度整體趨勢(shì)高于30 kW功率狀態(tài)，44 kW功率狀態(tài)下的循環(huán)平均瞬態(tài)最高溫度明顯高于30 kW功率狀態(tài)。具體測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果為：30 kW循環(huán)平均瞬態(tài)最高溫度處于1 657～1 672 ℃區(qū)間，44 kW的循環(huán)平均瞬態(tài)最高溫度處于1 694～1 715 ℃區(qū)間。隨著目標(biāo)柴油機(jī)功率的升高，缸內(nèi)燃燒強(qiáng)度也隨之增大，因此缸內(nèi)瞬態(tài)最高溫度也會(huì)升高，測(cè)量結(jié)果符合實(shí)際預(yù)期。

盡管本研究中基于雙色紅外測(cè)溫原理設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)能夠在一定程度克服缸內(nèi)介質(zhì)發(fā)射率動(dòng)態(tài)變化、炭煙污染光學(xué)窗口等因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差，但測(cè)試結(jié)果仍然存在兩個(gè)方面的實(shí)際誤差：a)透過人造藍(lán)寶石視窗進(jìn)行測(cè)量時(shí)介質(zhì)輻射能量會(huì)有一部分的損失，未結(jié)合視窗材料的光學(xué)性能對(duì)該能量損失進(jìn)行補(bǔ)償；b)目標(biāo)高功率密度柴油機(jī)產(chǎn)生的窗口污染較預(yù)期嚴(yán)重，會(huì)造成兩個(gè)相關(guān)波段透過率變化不一致，在不同的測(cè)量溫度點(diǎn)也會(huì)造成不同程度的測(cè)量誤差。

4.3 測(cè)試分析

將目標(biāo)柴油機(jī)在30 kW功率狀態(tài)下測(cè)取的缸內(nèi)壓力及缸內(nèi)溫度進(jìn)行時(shí)域比對(duì)，結(jié)果見圖11。從圖11可以看出，缸內(nèi)溫度與缸內(nèi)壓力在時(shí)域上具有周期一致性。

圖11 缸內(nèi)溫度及壓力狀態(tài)

進(jìn)一步提取目標(biāo)柴油機(jī)分別在30 kW，44 kW功率狀態(tài)下典型單個(gè)工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力與缸內(nèi)溫度，結(jié)果見圖12和圖13。從圖中可以看出，隨著試驗(yàn)柴油機(jī)功率的升高，單個(gè)工作循環(huán)內(nèi)缸內(nèi)最高溫度與缸內(nèi)最高壓力的出現(xiàn)時(shí)刻同步延后，進(jìn)一步驗(yàn)證了缸內(nèi)溫度與缸內(nèi)壓力的周期一致性。

圖12 缸內(nèi)壓力對(duì)比

圖13 缸內(nèi)溫度對(duì)比

在此基礎(chǔ)上，通過目標(biāo)柴油機(jī)在30 kW功率狀態(tài)下典型單個(gè)工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力與缸內(nèi)溫度對(duì)缸內(nèi)工作過程及狀態(tài)進(jìn)行分析。如圖14所示，缸壓曲線AB段對(duì)應(yīng)滯燃期，是從柴油噴入氣缸內(nèi)到壓力線脫離壓縮壓力線開始急劇升高的燃燒前準(zhǔn)備階段；BC段對(duì)應(yīng)速燃期，即預(yù)混燃燒期，在上止點(diǎn)附近快速進(jìn)行，燃燒極快，壓力陡升，壓力升高率大；CD段對(duì)應(yīng)緩燃期，即擴(kuò)散燃燒期，放熱量較大，缸內(nèi)溫度和壓力較高，缸壓變化放緩；DE段對(duì)應(yīng)后燃期，燃燒速率下降直至燃燒結(jié)束。

圖14 缸內(nèi)工作過程

當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉后，氣缸內(nèi)形成了密閉空間，缸內(nèi)氣體在壓縮行程近似為絕熱過程，缸內(nèi)溫度逐漸升高，但此時(shí)的溫度仍然較低；當(dāng)活塞繼續(xù)向上快到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)開始噴油，缸內(nèi)混合氣在容積變化很小的狀態(tài)下開始燃燒，近似為定容加熱過程，氣缸內(nèi)壓力陡然升高，但燃燒時(shí)間較短，溫度仍未達(dá)到較高水平；在缸內(nèi)壓力達(dá)到峰值狀態(tài)后，隨著缸內(nèi)介質(zhì)燃燒逐漸充分，在擴(kuò)散燃燒期內(nèi)，溫度逐漸達(dá)到最高；而后缸內(nèi)氣體不斷膨脹對(duì)外做功，進(jìn)入后燃期，缸內(nèi)溫度逐漸下降，直到燃燒結(jié)束。以上過程中，缸內(nèi)最高溫度的出現(xiàn)時(shí)刻在缸內(nèi)最高壓力出現(xiàn)時(shí)刻之后，且處于燃燒過程的緩燃期末段，這一現(xiàn)象符合理論預(yù)期，因?yàn)榫徣计诘姆艧崃空既紵^程總放熱量的70%～80%。

5 結(jié)束語

以柴油機(jī)缸蓋上缸內(nèi)壓力測(cè)試通道為載體，設(shè)計(jì)了雙色紅外測(cè)溫系統(tǒng)，具備高功率密度柴油機(jī)缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測(cè)試的能力，測(cè)試單元中光學(xué)鏡頭組及光電探測(cè)器起到燃燒溫度信息獲取的關(guān)鍵作用，測(cè)溫系統(tǒng)中人造藍(lán)寶石窗口起到缸內(nèi)高溫高壓工質(zhì)密封隔絕的關(guān)鍵作用。最終，實(shí)際測(cè)試結(jié)果及分析驗(yàn)證了該測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性，表明了基于紅外測(cè)溫原理的雙色法能夠滿足柴油機(jī)缸內(nèi)介質(zhì)燃燒溫度測(cè)試的需求。在實(shí)際工程領(lǐng)域，本研究中缸內(nèi)溫度測(cè)量方法及測(cè)試系統(tǒng)，可以向多缸高功率密度柴油機(jī)拓展更為廣泛的應(yīng)用，其測(cè)溫范圍也可以通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效延展，用于缸內(nèi)全工作過程更為精細(xì)的研究。