光谱学在发动机燃烧温度测定中的应用

内燃机的排放与空气污染、全球变暖效应有关，并有潜在的危害。为了减少CO, CO等排放₂啊，不_x对于颗粒物(如煤烟)，更好地了解燃烧过程是必要的。因此，燃烧温度是一个需要知道的重要因素，因为它对煤烟和氮氧化物的量有影响。介绍了一种基于光谱分辨发射光谱的柴油机温度传感器系统。该传感器系统是为串联发动机开发的，无需对发动机进行任何修改即可使用。烟灰温度可以通过轮廓拟合程序来实现(参见例[1,2])。通过相干反斯托克斯拉曼散射温度测量，证明了该传感器系统在燃灰层流预混火焰中的温度。在两个不同的生产柴油发动机的应用测试显示。

光谱学应用程序设置和数据评估

基于发射光谱的传感器(ESS)采用模块化设计。它包含一个内部设计的探头，一个定制的制造光纤束，一个光谱仪(三叶草SR-193i-A, 200线/毫米光栅)和一个背光CCD探测器(牛顿DU920P-BU2,1024 x 255 x 26 μ m像素)。用于生产柴油机的测量，探头被应用于辉光塞孔。只有传感器的这一部分需要针对特定的引擎进行定制。主要设置如图1所示。探头头的缸内尺寸与辉光塞尺寸相似，以保持压缩比不变。通过使用直径为2.8毫米的小蓝宝石玻璃窗，与其他使用大光学通道的光学测量技术相比，热损失微不足道。

图1:ESS传感器的布置

检测到的火焰发光通过由520根石英玻璃纤维组成的光纤束传输到光谱仪系统，每根光纤的芯径为90微米。这使得光谱检测范围从200 nm到850 nm的带宽约为650 nm。更多详细信息见[2]。在第一步中，必须测量ESS传感器系统的传输特性，因为每个光学组件都有特定的透射率。这是通过使用已知强度分布的积分球(LOT QuantumDesign, K-150WH)来完成的，该积分球提供了必要的校正功能。图2中显示了在燃灰乙烯/空气火焰中获得的标准化ESS原始信号和相应的校正信号的示例。

图2:ESS检测到的煤烟火焰发射

利用修正后的ESS信号，根据普朗克定律建立了修正后的谱密度方程，对燃烧温度进行了计算。一般来说，黑体的温度可以通过其独特的光谱密度分布来分析，这种分布可以用普朗克定律来描述。在这种方法中，测量到的烟尘排放的绝对强度无关紧要，因为仅使用强度曲线的形状来确定温度。因此信号强度归一化。使用这些归一化ESS信号的一个优点是初级煤烟颗粒大小和煤烟体积分数的独立性。

众所周知，煤烟不是一个完全的黑体，它的发射率取决于波长。因此，在修正普朗克定律的基础上，可以用谱密度分布来描述煤烟排放。文献[3,4]描述了这种修改，并考虑了波长依赖的发射率。在此基础上，通过计算不同烟灰温度下的光谱密度分布，建立了一个库[2]。轮廓拟合程序将测量和校正的光谱解析ESS信号与这些计算库光谱进行比较，以获得测量的烟尘温度。

对ESS系统进行了测试，并将其与在McKenna燃烧器上建立的层流预混乙烯/空气火焰(空气-燃料比φ = 2.3)下的CARS温度测量进行了比较。T的平均温度_{汽车,意味着}= 1709 K。同时进行ESS烟灰温度测量。对于ESS测量，平均温度为T_{ESS,意思是}= 1751 K，与CARS结果吻合较好。关于实验设置的详细信息可以在[2]中找到。

内燃机燃烧温度的测量

作为第一次测试，ESS传感器系统应用于一台80千瓦系列四缸1.6升直流电柴油机(DV6TED4，由PSA制造)。新研制的ESS传感器安装在四缸辉光塞孔内。由于传感器头的尺寸与辉光塞尺寸相同，压缩比(CR_PSA= 18.3)与测试的量产发动机相同。

这些测量是在发动机转速为2000rpm的恒定情况下，在不同的发动机工作点进行的。ESS系统的曝光时间设置为3.69 ms，每光谱的时间分辨率为45°曲柄角(CA)。烟灰信号在两个时间间隔内被检测到。测量区间1 (MI-1)为上止点后40°CA至85°CA之间，用于监测燃烧过程的早期阶段。第二个区间(MI-2)位于85°CA和130°CA ATDC之间。

MI-1和MI-2的ESS传感器测得的烟尘温度分别为1780 K和1630 K。由于MI-2监测的是燃烧过程的后期阶段，因此这些温差是预料之中的，并且可以用燃烧开始后不同的测量时间来解释。上述试验的补充细节和附加试验在[2]中全面公布。

在另一系列柴油机上进行了进一步的燃烧火焰温度测量。在试验中，将ESS传感器系统应用于排量为1.6 l的系列四缸柴油机(欧5型)的1缸，以保证CR的压缩比_EU5= 17.3不变时，传感器探头头的几何形状与辉光塞形状相同。

这些测试是在发动机转速为2000转/分的几个操作点进行的。在这些测试中，时间分辨率可以降低到每频谱5°CA。这是通过使用CCD相机的特殊读出模式来实现的。在这种读出模式下，只有CCD芯片底部的32行被用来记录光谱。因此，可以实现10µs的曝光时间，并且每一行都以77.52 kHz的垂直移位率移动到读出寄存器。为了将确定的温度与发动机循环的某个时间段联系起来，ESS传感器系统与曲轴位置变送器同步。每次ESS测量包括500个单光谱，以预定的曲柄角度记录(每个发动机循环一个光谱)，从中确定平均烟灰温度。图3显示了在2000转/分和150牛米发动机负载下的温度概率密度函数，其中平均温度为T_{ESS,意思是}= 1502 K。相应的标准偏差为64k。

图3 ESS温度评估的概率密度分布(2000 rpm, 150 Nm, 0°CA)

标准偏差主要是由典型的柴油火焰波动引起的，其中扩散火焰出现在燃烧室的各个位置，而ESS测量是随时间和恒定观测体积的平均。

由于测量时间短，采集的温度是在不同的共同工作点。在测试过程中，测试工作点的发动机负载在10 Nm - 150 Nm之间变化，如表1所示。在这种情况下，每个ESS传感器系统测量的起点固定在0°CA(燃烧上死点)。存档的温度结果列在表1中。

在这些测试中，与发动机负荷增加相反，温度会下降。尽管如此，这种行为是意料之中的，并且可以用CA位置的位移来解释，该位置实现了50%的热释放(CA50)，这是由发动机控制单元产生的。较高的负载导致CA50移至较早的阶段，而ESS测量的起始值保持在0°CA不变。因此，ESS系统在较高负荷下检测到燃烧过程的后期阶段，其中火焰温度相应较低。

关于ESS传感器的性能，应该注意的是，传感器运行长达12小时，没有明显的颗粒沉积。

结论

本文介绍了一种基于发射光谱的完全光谱分辨传感器的研制。该传感器系统可以在不需要任何发动机头或曲轴箱修改的情况下测量生产柴油机的缸内温度。所研制的传感器探头头取代了某系列柴油机的辉光塞，尺寸相同。该传感器系统与CARS系统进行了测试，并在层状预混火焰下进行了对比。

该ESS传感器系统已在一台1.6升直流电喷四缸柴油机上成功进行了首次测试。在不同系列发动机(1.6升欧5柴油发动机)上的进一步测试证实了发射光谱传感器系统的潜力。实现了更短的测量间隔(5°CA/光谱)。在不同的发动机工作点进行了烟灰温度测量，结果表明ESS传感器系统是表征量产柴油机缸内燃烧过程的有价值的工具。

参考文献

1. Schlüter, S.， Krischke, F.和Popovska-Leipertz, N.等人，“在低压范围内用于麻醉监测的多物种气体分析的信号增强快速拉曼传感器的演示”，拉曼光谱学。《中国科学》，2015年第8期，第46卷，708-715期。
2. Feldhaus, F.， Schmitz, I.和Seeger, T.，“基于发射光谱的传感器开发用于发动机测试”，科技,混乱。《中国科学》2017年第1期，第13-22页。
3. Goulay, F.， Schrader, P. E.和Michelsen, H. A.，“发射率的波长依赖性对通过光谱分辨激光诱导白炽测量推断的烟尘温度的影响”，达成。理论物理。B:激光选择。Vol. 100 No. 3, 655-663, 2010。
4. Michelsen, H. A.，“理解和预测碳质粒子激光诱导白炽的时间响应”，j .化学。理论物理。卷118期，第15期，7012-7045,2003。

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