R esearch Progress of Cooling System for Modern V ehicle EngineCH EN G Xiao 2bei ,Pan Li ,J V Hong 2ling(School of Energy &Power Engineering ,Huazhong University of Science &Technology ,Wuhan 430074,China )Abstract :The development status ,influencing factors and existing problems of cooling system were briefly analyzed ,and thef ront design concept and research method like the intelligent electronic 2controlled cooling ,precise cooling ,split cooling ,air 2side flow and vehicle thermal management for engine cooling system were also introduced.The high efficiency and low consumption realized with modern engine cooling system were discussed ,it was pointed out that the integration of precise cooling and split cooling with electronic 2controlled elements was the feasible method ,and the vehicle thermal management would be the main method to improve the cooling performance entirely.K ey w ords :automobile engine ;cooling system ;intelligent control ;thermal management ;prediction of development trend[编辑:潘丽丽] 收稿日期:2007210218;修回日期:2008201211作者简介:马　骁(1983—),男,四川省荥经市人,在读博士,主要研究方向为内燃机燃烧的激光诊断;max @ 。

激光诱导荧光法用于内燃机燃烧可视化的研究进展马　骁,何　旭,王建昕(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京　100084) 摘要:阐述了激光诱导荧光法用于内燃机可视化的基本原理。

结合研究实例中典型的试验装置重点介绍了激光诱导荧光法在内燃机可视化研究中的应用情况,包括燃烧组分和温度场的激光诱导荧光测量、高度挥发性燃料的喷雾与混合气形成的平面激光诱导荧光法测量以及内燃机喷雾中气液两相的复合激光诱导荧光测量。

关键词:内燃机;激光诱导荧光;可视化;混合气形成;喷雾中图分类号:T K464 文献标志码:A 文章编号:100122222(2008)0120007207 近年来控制汽车尾气排放和燃油经济性的法规日益严格,对内燃机的研发,尤其是在缸内混合气组织、燃烧控制方面提出了更高的要求。

可视化技术能够直观地提供缸内混合气形成和燃烧状态的信息,,因而可视化研究作为内燃机基础研究的重要一环一直受到国内外内燃机界的重视。

以激光诱导荧光(L IF )法为代表的现代光学诊断方法用于内燃机可视化技术是近年来的研究热点。

L IF 法可以以非侵入的形式定量测量主要污染物及中间产物浓度分布、流场温度、混合气浓度分布等参数,采用不同的试验装置可以进行单点、一维、二维及准三维的测量[1],是一种灵活而有效的测试手段。

随着激光器、增强型电荷耦合器件(ICCD )及光电倍增管等技术的不断发展,L IF 法正被更多的研究者用于内燃机可视化研究。

1　L IF 法的基本原理当激光光子的能量(表征为波长λ)符合分子特定两个能级之间能量间隔时,受照射分子可以吸收光子从基态跃迁至高能态。

由于处于高能态的分子不稳定,故在一定时间内受激分子将通过辐射和非辐射的方式释放能量返回基态,在此过程中分子的自发辐射发光称为荧光。

荧光的特性随荧光物质的种类、环境温度、压力以及周围物质氛围的不同而呈现出较大的差异[2]。

在满足一定条件时,通过荧光的强度可以得到包括浓度、温度、组分在内的多种物理参数。

在用L IF 法进行内燃机可视化研究中,作为观察对象的受激分子通常是以NO 为代表的燃烧产物第1期(总第173期)2008年2月车　用　发　动　机V EHICL E EN GIN E No.1(Serial No.173)Feb.2008中的小分子,或是羟基(O H )、氰基(CN )等有较好荧光特性并能表征流场内某些物化参数的活性基,或是人为添加的、以丙酮(C H 3COCH 3)和甲苯等为代表的有机小分子。

荧光的淬息效应和示踪物质荧光特性随温度与压力的变化是L IF 技术面临的主要问题,上述因素带来的影响主要在标定和校正的过程中解决。

因此,不同环境下的标定方法是L IF 定量测量中的主要技术难点。

2　L IF 法在组分和温度场测量中的应用近年来NO 的激光诱导荧光(NO 2L IF )测量、羟基的激光诱导荧光(O H 2L IF )测量及温度场测量是缸内L IF 研究的热点。

NO 和O H 基荧光特性较好并可分别体现污染物生成和燃烧进行的状态。

NO 2L IF 常用于反映未反应低温区域的信息,但不适合反映燃料浓度,OH 2LIF 也不能反映未燃区的空燃比[223]。

大众公司研发部(G.Suck 等人)于2004年在一台缸内直喷火花点火式发动机上采用L IF 法研究了NO 的生成和分布情况[4]。

该研究用的光学发动机是由一台FSI 直列4缸发动机改造而成的单缸可视化发动机(见图1a ),该发动机燃烧室顶形状和活塞顶形状与原机基本一致,燃烧系统为喷雾引导模式,其视窗材料为高6mm 、壁厚4mm 的蓝宝石环。

试验所用激光为KrF 激光器产生的247.94nm 紫外激光,能量为30mJ ,光束横截面为3mm ×4mm ,实测结果区域为18mm ×3mm 。

为了实现准确的标定,试验中使用了一个可探入气缸内的燃烧器,采用将确定量的NO 混入甲烷的喷射火焰中的方法进行荧光强度的标定,用L IFSim 软件对与温度压力相关的参数进行校正。

为了验证试验结果的可靠性,研究中还使用了缸内快速气体采样阀采集被测区域的气体样本进行分析对比。

图1b 所示为实测瞬时NO 分布,试验结果表明,L IF测试结果图1　NO 2L IF 试验装置及结果在数量级和随时间变化的趋势上与快速采样的结果吻合较好。

基于这一结论,研究中用NO 2L IF 对不同EGR 率下测试区域的NO 分布进行了定量的对比分析,探讨了喷雾引导模式下EGR 率的参数优化问题。

K.Verbiezen 和R.J.H.Klein 2Do uwel 等人在2007年公布的一项研究中[5],采用L IF 法测量了一台由6缸重型柴油机改装成的可视化发动机(见图2a )一个缸内NO 的生成情况。

试验中所用激光为226.03nm ,荧光信号对应NO 的A —X (0,1)～(0,4)状态分布于237nm ,248nm ,259nm ,270nm ,为了分别采下这4组信号,试验光路中在ICCD 之前加装了光谱仪,通过光谱仪后4个不同波长的荧光信号会在空间上分离形成并列的4个像(见图2b )。

该研究在缸内L IF 信号衰减、L IF 信号的校正和标定方面进行了一系列试验,将两个激光探针放入燃烧室以检测激光衰减并讨论了O 2和CO 2带来的衰减效应。

研究中通过测排气门开启时排气中的NO 浓度对应该时刻的荧光图像来进行标定。

相关结果为研究预混合燃烧和混合控制燃烧中NO 生成的过程提供了直接证据。

隆德技术学院的Robert Collin 等人在HCCI 燃烧模式下进行了O H 2L IF 方面的研究。

于2003年用可视化发动机同时测量了O H 和甲醛荧光图像[6]。

研究中使用异辛烷和正戊烷各50%作为燃料,采用30mJ 的283nm 激光和75mJ 的355nm 激光分别激发O H 和甲醛,两束激光重合,通过镜组形成40mm 的片光,于燃烧室顶部下方3mm 处穿过石英环进入燃烧室。

荧光图像从下置活塞视窗和反射镜得到,由一个308nm 附近高反射率、355nm 附近75%透过率的半透半反镜片分别将源于O H 和甲醛的荧光信号采入两个ICCD 相机。

从图3中可看到O H 和甲醛的分布范围。

该研究讨论・8・ 车　用　发　动　机 2008年第1期了O H 和甲醛的分布及随曲轴转角的变化情况,并结合HCCI 的燃烧放热率进行了分析。

但研究仅采用无量纲的信号强度和荧光信号面积作为主要研究参数,未能实现定量测量。

2004年,Leif Hildings 2son 等人使用正庚烷作为燃料进行了柴油机低温燃烧和HCCI 燃烧研究[7],就O H 和甲醛的分布和变化情况,对比分析了HCCI 燃烧模式和普通柴油机燃烧模式的区别。

图2　缸内NO 2L IF试验装置和结果图像图3　O H 和甲醛基的分布 在L IF 诊断中,利用不同温度、特定激发波长下示踪物质荧光特性的不同,通过标定和计算将温度与所得荧光强度建立数值关系,这种方法被称为“单谱线法”。

选取两个不同的激光波长进行激发采集荧光信号联立的方法被称为“双谱线法”,双谱线法的优点是不需要确定被测位置的示踪剂浓度。

1998年海登堡大学的Svenja Einecke 和Christof Schulz 等人在一台火花点火发动机上进行了双谱线测温的研究[8],研究中使用的示踪剂为32戊酮,试验结果表明,双谱线测温可以有效地简化标定中必须考虑的系统状态与荧光强度之间的复杂关系。

与单谱线测温相比,优势在于适用于混合气中示踪剂分布不均匀的状态。

该研究还指出,温度场的结果亦能用于辅助校准混合气浓度的测量结果。

丰田中心研发实验室(Taketo shi Fujikawa 等人)于2006年用类似方法定量测量了活塞凹坑内局部未燃混合气的温度场[9](见图4,图中L1与L2表示测试时用于数据分析的采样位置)。

2005年海登堡大学(H.Kronemayer 等人)在开放空间火焰中成功实现了荧光的多谱线测温,即在荧光的光谱中采取多个波长的信号进行联立分析。