基于內窺鏡的柴油機燃燒可視化研究

杜宏飛　劉江唯　虞　瀏　竇慧莉（中國第一汽車股份有限公司技術中心　吉林 長春　130011）

基于內窺鏡的柴油機燃燒可視化研究

杜宏飛劉江唯虞瀏竇慧莉
（中國第一汽車股份有限公司技術中心吉林 長春130011）

基于單缸柴油機和內窺鏡系統，搭建柴油機燃燒可視化平臺，進行缸內燃燒可視化研究。在不同噴射壓力、不同進氣壓力條件下分析了柴油機缸內火焰發展過程和火焰溫度分布。結果表明：通過搭建的可視化平臺可以直接觀測缸內火焰發展過程，獲得火焰溫度分布；隨著進氣壓力提高，著火時刻提前，火焰面積增大，高溫區域比例增加，燃油噴射壓力對著火時刻、火焰溫度及火焰面積影響較小。

柴油機 內窺鏡 火焰溫度 火焰面積

引言

發動機燃燒過程直接影響發動機的動力性、經濟性和排放指標，是發動機研發工作的核心，成為學者們越來越關注的焦點。但是內燃機燃燒過程十分復雜，測試相當困難［1］。傳統的三維模擬計算也無法準確計算缸內過程，要想準確描述還需要對缸內過程的光學測試進行修正［2］。這就對燃燒過程可視化提出了新的需求。

目前常用直觀燃燒可視化手段包括：底視高速攝像測試及內窺鏡測試［3］。然而各種方法又都有其優缺點，對于底視方法，需要對原有發動機進行較大改動，在原機基礎上要增加延長缸體、延長活塞以及石英燃燒室，并且需要反射鏡才能將燃燒室內的圖像傳遞給高速相機，該方法的缺點是破壞了原有發動機結構，機構復雜，不能進行長時間大負荷測試。優點是可以從燃燒室底部同時觀測多個油束著火過程，可視范圍廣。在研究中很多學者利用該手段結合雙色法計算火焰溫度及火焰傳播速度等。另外一種方法是內窺鏡方法，該方法不需要發動機較大改動，只需在發動機缸蓋上打孔，布置內窺鏡探頭，在必要的情況下可以布置光源探頭用于觀察噴霧過程。由于探頭要深入缸內，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構，減小了壓縮比，破壞了缸內流動狀態。并且可視化區域較小，只能觀測兩束油以及燃燒室凹坑位置。但是采用內窺鏡方式的最大優點在于，可以長時間進行大負荷測試，甚至是外特性工況點的測試，結合雙色法可以獲得缸內火焰溫度分布［4-5］。采用內窺鏡測試技術的一個難點在于缸蓋打孔，既要保證內窺鏡適配套固定，又要保證密封，防止冷卻水進入燃燒室。另一個難點在于相機的對焦，保證圖像清晰，便于后期分析和計算。本文基于單缸柴油機搭建的可視化平臺解決了內窺鏡探頭的密封和相機對焦問題，通過該可視化平臺清晰拍攝了火焰圖像，利用內窺鏡系統自有軟件得到火焰溫度分布，通過后處理技術提取圖像信息，獲得了火焰面積信息［6］。

1　試驗設備

1.1試驗發動機

試驗用的基礎發動機為一臺單缸柴油機，詳細參數見表1。試驗室通過一臺增壓模擬裝置和一臺進氣恒溫、恒壓控制裝置來模擬實際的增壓中冷條件，采用獨立的外循環冷卻及潤滑系統保證冷卻水溫度，機油溫度及機油壓力保持在正常范圍內，使得各個試驗點的邊界條件保持一致。

表1　試驗發動機參數

為了滿足內窺鏡適配套的安裝，需要在缸蓋進行打孔，該過程在計算機三維設計的輔助下完成。為了防止內窺鏡探針碰撞活塞，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內窺鏡系統

采用AVL公司的內窺鏡系統拍攝缸內圖像及進行圖像分析，系統主要參數見表2。燃燒數據采用AVL的燃燒分析儀實時測量和監測缸壓。

表2　AVL內窺鏡系統主要參數

內窺鏡鏡頭有3種型式，分別為0°、30°和70°觀測角度，本研究結合實際缸內噴霧情況選擇了30°鏡頭，此種設計可以觀察到兩束火焰。圖2為活塞躲避坑設計，可以看出采用30°鏡頭的可視范圍。圖3為內窺鏡探針在缸蓋的安裝位置，結合計算機三維設計和試驗驗證，該布置方法可以滿足要求。

圖2　30°鏡頭探頭可視范圍示意圖

圖3　內窺鏡在缸蓋上安裝

2　試驗結果與分析

進行了不同進氣壓力、不同噴射壓力對著火時刻、火焰溫度、火焰面積的影響研究。詳細試驗工況點如表3所示。為了選擇最佳特征點進行對比分析，圖4給出了不同條件下的缸壓曲線。由圖4、圖5可知，最大缸內壓力出現在5°CA附近，在進行對比分析時重點考察5°CA附近的圖像。

表3　試驗工況點設置

圖4　不同進氣壓力條件下缸內壓力曲線

2.1對著火時刻的影響

圖6為通過內窺鏡拍攝的不同進氣壓力條件下的火焰原始圖像，由圖可以看出進氣壓力為200 kPa、175 kPa時首先觀測到火焰，出現在-1°CA，但對比此時兩幅圖像可知，200 kPa時出現兩束油同時著火，而175 kPa時只有一束油出現著火現象。進氣壓力為150 kPa和125 kPa時，著火時刻為0°CA，雖然都出現了兩束油同時著火，但是兩束火焰的亮度差別較大。對比-1°CA曲軸轉角下的4幅圖像，進氣壓力為200 kPa和175 kPa首先出現火焰，火焰亮度隨著進氣壓力減小而降低；對比0°CA曲軸轉角下的圖像可以看出：在此時刻都出現著火現象，隨著進氣壓力減小，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，此時的進氣壓力為100 kPa。由圖可知，在2°CA均出現著火現象，著火時刻無明顯差別。由此可見噴射壓力對于著火時刻的影響較小。

圖5　不同噴射壓力下缸內壓力曲線

圖6　不同進氣壓力條件下著火時刻對比

由于進氣壓力提高，每循環進入缸內的新鮮空氣量增加，壓縮終了工質增多，導致最大爆發壓力升高。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。另外由于進氣壓力增加，缸內氣流運動加強，油束霧化加快，著火滯燃期縮短，因此對于進氣壓力為200 kPa和175 kPa條件下，油束率先出現著火現象，但是彼此差別并不大。對于增大噴射壓力的情況，由缸壓曲線可以看出，在保持噴油量恒定的情況下，增加噴射壓力沒有改變空燃比，只是增加了油束的霧化效果，因此缸內壓力變化并不明顯，對于著火時刻的影響也不突出，不同條件下都在相同位置出現著火，此時的進氣壓力為100 kPa，即自然吸氣，因此缸內氣流運動不強烈，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刻對比

2.2對火焰溫度的影響

利用AVL內窺鏡系統雙色法溫度分析模塊，對采集的圖像進行分析計算，獲得了溫度分布信息。圖8為不同進氣壓力條件下的溫度分布。由圖可以看出，灰色區域代表高溫區域，在4種進氣條件下，火焰高溫區域比例較大的圖像位于2～5°CA，接近缸內壓力最大時對應的曲軸轉角位置。由圖6可知，著火時刻為-1°CA，此時活塞在上行，缸內壓力迅速升高，火焰溫度也迅速升高，活塞到達上止點后2～5° CA時，缸內壓力和溫度達到最大值。此時燃燒凹坑里已經充滿高溫火焰，燃燒室內沒有低溫區域。隨著活塞下行和缸內渦流作用，火焰溫度降低，高溫區域的比例減少，燃燒室凹坑內出現了低溫火焰。上止點5°CA以后出現了火焰分離，說明此時的噴油過程已經結束，沒有新油束參與著火過程，先期產生的火焰溫度逐漸降低。在同一曲軸轉角下，對比不同的進氣壓力，可以看出，隨著進氣壓力降低，火焰高溫區域比例減少。由于本研究的試驗條件之一是保持噴油量不變的情況下增加進氣壓力，因此隨著進氣壓力提高，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，缸內氧氣濃度并未改變，缸內氣流運動也無明顯變化，因此噴射壓力提高對于火焰溫度影響較小。由于此工況屬于小負荷點，缸內工質較少。火焰面積比例較低，基本沒有過熱高溫區域。由圖看出上止點后4°CA即出現了火焰分離，說明此時噴油已經結束，而此時活塞在下行，因此火焰溫度逐漸降低。

圖8　不同進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對火焰面積的影響

為了表征火焰面積大小，選用著火區域的像素點總和與圖片像素點總和的比值來描述。如表2所示圖片分辨率為480×640。對圖片進行處理，獲得著火區域像素點總和。結果如圖10、圖11所示。

圖10給了不同進氣壓力下的火焰面積百分比曲線，由圖可以看出，面積百分比曲線呈現單峰分布，隨著進氣壓力增大，火焰面積百分比增加，峰值位置無明顯變化，峰值位置出現在4～5°CA左右，即缸壓最大值左右。由曲線可以看出，在-1°CA基本都已經出現著火，這與圖6得出的結論相吻合，在隨后的火焰發展過程中，進氣壓力較大的的工況火焰面積百分比上升較快，進氣壓力125 kPa時百分比曲線上升稍微滯后，并且峰值最低，進氣壓力為200 kPa時峰值最大，上升最為迅速。就火焰持續期來看，到了10°CA時，進氣壓力為200 kPa時，火焰面積百分比仍有10%左右，而進氣壓力為125 kPa時，火焰面積百分比接近0。

與改變進氣壓力不同，改變噴射壓力對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接近，并且隨著曲軸轉角的變化百分比緩慢降低，持續期較長，從0°CA持續到接近30°CA。從1°CA左右百分比曲線開始上升，說明此時已經開始著火，這與圖7得出的結構吻合，在隨后的火焰發展過程中變化不明顯，面積百分比曲線并無明顯的單個峰值，而是呈現了多峰分布，除了在最大缸壓位置有明顯峰值，其他曲軸轉角下無突出峰值。對比圖10和圖11，面積百分比數值差異較大，這是由于圖10所示工況中，空氣流量較大，進氣壓力為200 kPa時進氣流量相當于圖11工況的進氣流量2倍，因此圖10所示工況中參與燃燒的工質較多，并且進氣壓力較高，缸內氣流運動增強，油束霧化快，燃燒更為充分，燃燒迅速，持續期短。

圖11　不同噴射壓力下火焰面積百分比

3　結論

1）采用內窺鏡系統結合單缸柴油機搭建燃燒可視化平臺可以直觀獲得火焰圖像，通過圖像可以獲得著火時刻及火焰發展信息。

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

3）隨著進氣壓力提高，火焰面積百分比增大，火焰持續期增加。火焰面積百分比曲線呈現單峰分布。隨著缸內參與燃燒的工質量增多，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.雙色法在內燃機燃燒診斷中的應用［J］.小型內燃機與摩托車，2007，36（3）：26-29

6王家文，李仰軍.MATLAB7.0圖形圖像處理［M］.北京：國防工業出版社，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，Flame temperature，Flame area

TK421+.2

A

2095-8234（2016）01-0016-06

杜宏飛（1984-），男，碩士研究生，主要研究方向為柴油機燃燒與排放技術。

2015-12-04）