覃　文　畢小杰　劉海峰（-天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室天津00072 2-廣西玉柴機器股份有限公司-國網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司）

燃燒發(fā)光成像和光譜法在內(nèi)燃機新型燃燒方式中的應(yīng)用*

覃文1,2畢小杰3劉海峰1
（1-天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室天津300072 2-廣西玉柴機器股份有限公司3-國網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司）

光學診斷方法廣泛應(yīng)用在內(nèi)燃機燃燒過程的研究中。為了更好地理解內(nèi)燃機新型燃燒方式的燃燒火焰特征，同時也為了給廣大讀者提供該領(lǐng)域合適的技術(shù)參考，簡要介紹了開展燃燒發(fā)光成像和光譜研究的實驗原理以及必要的實驗裝置；重點介紹了應(yīng)用燃燒發(fā)光成像法和光譜法，對HCCI、分層燃燒和低溫燃燒（LTC）等內(nèi)燃機高效清潔燃燒模式的研究發(fā)展現(xiàn)狀。從光學診斷研究中可以看出：燃燒發(fā)光成像法和光譜法可以直觀地揭示燃燒發(fā)展歷程和燃燒中間產(chǎn)物的發(fā)展歷程，加深對新型燃燒模式燃燒過程的理解。眾多的研究也表明，先進的混合氣控制策略比簡單的"均質(zhì)混合氣"更為重要；合理的組織分層可以有效地拓寬高效清潔燃燒過程的運行工況范圍。最后提出了未來內(nèi)燃機新型燃燒方式研究發(fā)展的方向。

均質(zhì)壓燃低溫燃燒光學診斷燃燒成像光譜法

引言

傳統(tǒng)發(fā)動機燃燒方式主要有汽油機點燃和柴油機壓燃兩種方式。上世紀90年代以來，以均質(zhì)壓燃（HCCI）和低溫燃燒（LTC）為代表的新型燃燒方式，由于其高效、低NOx和碳煙排放得到廣泛研究，其基本特征是均質(zhì)、壓燃和低溫火焰燃燒[1-5]。然而，由于一些技術(shù)障礙還未解決，HCCI未被廣泛地應(yīng)用到產(chǎn)品發(fā)動機上。在諸多的技術(shù)問題中，對自燃著火過程的控制和運轉(zhuǎn)工況范圍的拓展仍是主要待解決問題。為了解決這2個問題，國際上HCCI產(chǎn)業(yè)化研究主要集中在HCCI燃燒控制方面。其中對汽油機HCCI產(chǎn)業(yè)化需解決可實現(xiàn)快速運轉(zhuǎn)模式切換（SIHCCI-SI）的性價比優(yōu)良的可變配氣機構(gòu)和缸內(nèi)霧化良好的多次噴射技術(shù)；對柴油機則主張應(yīng)用靈活的缸內(nèi)多次噴射，結(jié)合EGR率的控制，從而降低缸內(nèi)溫度，避開NOx和碳煙的生成區(qū)，并由此提出了預(yù)混充量壓縮著火（PCCI）和低溫燃燒（LTC）等燃燒概念。盡管HCCI的概念被賦予了更廣泛的含義，但最終目的都是在更寬廣的工況范圍內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)燃機可控預(yù)混低溫燃燒，從而實現(xiàn)高熱效率、超低NOx和碳煙排放。

HCCI的歷史可以追溯到20世紀初，當時研究的出發(fā)點是簡化發(fā)動機結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種不需要噴油器或火花塞的發(fā)動機。從現(xiàn)代內(nèi)燃機研究角度出發(fā)，1979年日本的Onishi等人[6]在一臺2沖程單缸汽油機上首先發(fā)現(xiàn)此種燃燒方式并進行了研究，他們稱之為活化熱氛圍燃燒(Active Thermo-Atmosphere Combustion,ATAC)。這被廣泛認為是最早提出的具有HCCI特征的燃燒概念。同年Noguchi等人[7]便開展了相關(guān)的HCCI光譜實驗研究，發(fā)現(xiàn)在HCCI燃燒過程中CHO，HO2和O自由基首先被檢測到，然后是CH，C2和H，最后是OH基。而傳統(tǒng)的SI發(fā)動機燃燒反應(yīng)過程的自由基是同時生成的。之后，隨著對HCCI燃燒模式研究的不斷深入，更多的光學診斷手段在HCCI燃燒過程上得到應(yīng)用。

在對發(fā)動機的研究過程中，隨著現(xiàn)代光學測試手段飛速發(fā)展，直接對燃燒室內(nèi)部進行觀察與測量的可視化技術(shù)已經(jīng)成為一種不可或缺的重要手段，它可以更直觀清晰地了解燃燒發(fā)生和發(fā)展的特征規(guī)律，加深對燃燒過程的理解；也可以為燃燒系統(tǒng)的評價和改進以及為指導發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。此外，因為發(fā)動機工作過程的復雜性以及對它缺乏基本的了解，大多數(shù)發(fā)動機模型都不盡完整且需要改進。要想更好地獲得零維，一維和三維CFD模擬所需的輸入?yún)?shù)，采用可視化發(fā)動機進行試驗是頗有價值的方法。利用燃燒火焰發(fā)光記錄缸內(nèi)燃燒過程是最直接簡單的方法，它可以從宏觀上觀測到不同曲軸轉(zhuǎn)角下燃燒火焰及自由基的發(fā)展歷程。因此，直到今天仍然廣泛地應(yīng)用在內(nèi)燃機缸內(nèi)光學診斷研究中。近20年來，隨著激光技術(shù)的方展，為內(nèi)燃機缸內(nèi)光學研究提供了更多的手段，通過把激光的點光源轉(zhuǎn)換為2維片狀光源，可以詳細地研究燃燒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如HCHO、OH、NO、碳煙等物質(zhì)的空間、時間和濃度分布狀況，同時還可以提供各種不同物質(zhì)濃度的定量或半定量信息。但是，激光診斷對內(nèi)燃機燃燒歷程宏觀發(fā)展的研究上存在一定局限，同時其實驗裝置相對復雜。此外，燃燒自發(fā)光研究是激光診斷的基礎(chǔ)，二者差距只是在于自發(fā)光收集的是燃燒發(fā)光的光信號，而激光診斷收集的是受激光激發(fā)之后的光信號（如熒光，散射光，熾光等）。因此本文重點介紹燃燒自發(fā)光的研究現(xiàn)狀，內(nèi)燃機缸內(nèi)激光診斷研究將另做總結(jié)。

盡管國內(nèi)開展了相應(yīng)的內(nèi)燃機燃燒自發(fā)光研究，但針對的都是傳統(tǒng)柴油機[8-10]或汽油機[11-13]燃燒模式。上述HCCI、PCCI和LTC等新型燃燒方式的缸內(nèi)光學診斷研究報道較少。本文重點介紹了應(yīng)用燃燒發(fā)光成像法和光譜法，對內(nèi)燃機高效清潔新型燃燒模式的研究發(fā)展現(xiàn)狀。簡單介紹了應(yīng)用燃燒自發(fā)光對這些燃燒模式進行可視化研究的實驗原理以及必要的實驗裝置。文章主要目的是給廣大讀者提供該領(lǐng)域研究合適的技術(shù)參考。

1　研究原理及試驗裝置

內(nèi)燃機燃燒成像研究表明[14-15]，燃燒發(fā)光包含2部分：化學發(fā)光（chemiluminescence）和碳煙發(fā)光（soot luminosity）?；瘜W發(fā)光是指某些化學反應(yīng)中發(fā)出可見光的現(xiàn)象，其發(fā)光機理是：反應(yīng)體系中的某些物質(zhì)分子，如反應(yīng)物，中間體或熒光物質(zhì)吸收了反應(yīng)釋放的能量而由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，然后再由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)，同時將能量以光輻射的形式釋放出來。對于柴油機燃燒，化學發(fā)光在燃料噴射后就發(fā)生，但信號相當弱。因此經(jīng)常使用ICCD（Intensified Charge Coupled Device）照相機對這種非發(fā)光火焰（non-luminous）進行捕捉。所謂的ICCD照相機就是在CCD相機的前面增加一個像增強器，來捕捉較弱的成像信號，同時它還具有較高的時間分辨率，其最小門寬可以達到5ns左右?；瘜W發(fā)光主要來源于OH，CH，CH2O和C2自由基，它們覆蓋紫外和可見波段?；瘜W發(fā)光存在于整個燃燒過程，但當燃燒生成碳煙后，受熱碳煙釋放很強黃色發(fā)光火焰，掩蓋了相對較弱的化學發(fā)光。此時，燃燒火焰中形成熾熱碳粒的輻射光譜為連續(xù)光譜，與黑體十分相似。相對于化學發(fā)光輻射和氣體輻射來說，燃燒中碳粒輻射占絕對優(yōu)勢。

利用內(nèi)燃機燃燒所發(fā)出的光，并通過高速攝影記錄下來，是研究發(fā)動機燃燒過程最有效，最簡單（不受激光使用的限制）的方法。HCCI燃燒產(chǎn)生的某一種化學物質(zhì)所釋放的光都對應(yīng)一個具體的波長，通過分析化學發(fā)光的光譜就可以檢測到反應(yīng)物。而這種檢測手段可以通過光譜儀來完成。光譜研究作為發(fā)動機缸內(nèi)診斷手段已經(jīng)有許多年了。由于碳煙顆粒具有很強的黑體輻射，掩蓋了CH2O、OH等自由基的譜線特征，因而不能檢測到具體的中間產(chǎn)物[16-18]。大多的光譜研究只是應(yīng)用在傳統(tǒng)SI發(fā)動機上，或是燃用低碳煙燃料的柴油機研究中。對于新的燃燒模式，如HCCI，PCCI，LTC，他們的碳煙排放可以達到很低水平，因此適合進行光譜分析。

一般來說，化學發(fā)光成像光譜法的實驗裝置如圖1所示。燃燒發(fā)光通過加長活塞上面的石英窗口，經(jīng)過反射鏡后進入光譜儀，經(jīng)分光后，光強顯著減弱，因此通常需要使用ICCD探測器進行接收，之后所得的譜線再被電腦記錄。此外，光譜儀還可以采集缸內(nèi)自由基激光誘導熒光（LIF）信號，判斷受到激光激發(fā)的自由基是否為待測物質(zhì)[19]。圖1中的DG535為延遲脈沖觸發(fā)器，它可以調(diào)節(jié)觸發(fā)ICCD進行光譜信號采集的時刻，從而實現(xiàn)在所需不同曲軸轉(zhuǎn)角下對光譜信號進行記錄。當需要對缸內(nèi)燃燒直接成像的時候，可以把ICCD探測器從光譜儀上取下，并在ICCD探測器前加裝一個紫外成像鏡頭，使燃燒發(fā)光圖像（紫外-可見波段）直接被ICCD探測器接收后記錄到電腦上。目前，也有把CCD或ICCD探測器與成像光譜儀集成在一起，如文獻中使用的成像光譜儀，這樣將更加方便光譜采集[20]。但儀器靈活性受到限制，探測器不能拆下作為相機使用，無形中增加了儀器投入資金。

圖1　化學發(fā)光成像光譜法的實驗裝置

此外，前文介紹的ICCD相機盡管有高分辨率和捕捉弱光的優(yōu)勢，但其成像速度很慢（每秒幾幀～十幾幀），通常對應(yīng)發(fā)動機一個循環(huán)只能采集到1幅燃燒圖像，記錄的燃燒過程一般是不同循環(huán)內(nèi)不同燃燒時刻的圖像。因此為了研究發(fā)動機單一循環(huán)內(nèi)燃燒發(fā)展歷程，眾多研究使用了高速CCD或CMOS相機記錄燃燒過程（相機速度可以達到每秒幾萬至上百萬幀），當燃燒發(fā)光較弱時，如HCCI燃燒過程，則在相機前端耦合像增強器進行成像。但是，由于采集速度較高，圖像的增強效果降低，在對更弱信號捕捉時（如LIF信號等）存在局限。因此，在高速LIF研究中，又廣泛使用了“streak camera”或稱為“framing camera”，這種相機標準狀況下集成8個獨立的ICCD探測器，從而可以在一個循環(huán)內(nèi)獲得8幅不同時刻的燃燒圖像[21-23]，或是與激光組匹配獲得8幅LIF圖像[24-25]。但這種相機的價格也相當于單一ICCD相機的8倍，約在40幾萬美元。

2　 HCCI化學發(fā)光成像和光譜研究

瑞典Lund大學Hultqvist等人[26]對基礎(chǔ)燃料（PRF）的HCCI燃燒化學發(fā)光成像研究表明：當冷焰發(fā)生時，其光信號很微弱，而且在整個燃燒室均勻分布。在冷焰結(jié)束和熱焰開始之間沒有光信號。熱焰開始后，充量多點同時燃燒。日本Okayama大學Kawahara等人[27]對DME的HCCI燃燒光譜分析表明：低溫反應(yīng)階段可以采集到甲醛（HCHO）譜線。高溫反應(yīng)階段，CO連續(xù)譜光強信號較強。高溫反應(yīng)放熱率曲線與CO譜線具有很好的重合性。美國Wisconsin-Madison大學和GM[20]燃用異辛烷燃料，通過改變發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)，對HCCI燃燒過程光譜特性進行的研究表明：盡管改變進氣溫度，燃料供給方式，空燃比以及部分燃料重整等參數(shù)顯著影響著火時刻，但燃燒開始后的反應(yīng)路徑并未改變。相應(yīng)地在CO連續(xù)光譜譜線基礎(chǔ)上出現(xiàn)的CHO，HCHO，CH和OH等自由基的譜峰并未顯出區(qū)別。意大利Mancaruso等人[28]應(yīng)用共軌燃油噴射系統(tǒng)對柴油HCCI燃燒進行光譜分析表明：自燃著火發(fā)生時缸內(nèi)采集到均勻分布的OH化學發(fā)光成像和光譜，OH的廣泛均勻分布有效降低了缸內(nèi)顆粒物，此外OH可以作為判定高溫燃燒反應(yīng)開始的方法。

盡管HCCI著火前燃料和空氣已經(jīng)充分預(yù)混，但美國Sandia國家實驗室Dec等人[29]對HCCI燃燒化學發(fā)光研究表明，其燃燒過程有很強的湍流結(jié)構(gòu)，并非均勻。這種燃燒的不均勻主要由壓縮過程中傳熱和湍流變化引起。缸內(nèi)自然存在的熱分層使自燃著火從熱區(qū)向冷區(qū)逐漸發(fā)展，降低了壓力升高率，有利于負荷上限的拓展。但這種傳播速度較傳統(tǒng)的碳氫湍流火焰?zhèn)鞑ヒ斓枚?，類似結(jié)果在Lund大學Hultqvist等人[30]的研究中也有報道。此外，Aleiferis等人[31]利用氣道內(nèi)不同的噴射時刻和缸內(nèi)EGR形成溫度分層，同樣觀測到HCCI的自燃著火傳播速度高于傳統(tǒng)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?；溫度梯度越大，自燃著火傳播速度越慢。可見HCCI的燃燒過程并不是通過火焰?zhèn)鞑グl(fā)生的。同時為了調(diào)查熱分層的空間分布，Dec等人又從缸套側(cè)面拍照，對上止點附近區(qū)域進行化學發(fā)光研究。結(jié)果表明：從著火開始到壓力升高率達到最大值之間，大部分的燃燒都是發(fā)生在充量的中心地帶，遠離燃燒邊界層區(qū)域。因此增大中心氣團內(nèi)部溫度分層對降低壓力升高率更有效；而增大中心氣團與邊界層之間溫度分層對壓力升高率的影響較小。日本Keio大學Ozaki和Iida[22]在研究中也發(fā)現(xiàn)溫度分層與濃度分層一樣，可以降低壓力升高率。

美國Sandia實驗室Hwang等人[32]針對單階段（異辛烷）和雙階段（PRF80）點火燃料的HCCI燃燒過程。研究表明單階段點火燃料HCCI燃燒過程分為3個階段：中間溫度放熱(intermediate-temperature heat release,ITHR)，高溫放熱(high-temperature heat release,HTHR)，和“燃盡”(“burnout”)。而雙階段點火燃料的燃燒過程在此基礎(chǔ)上增加一個低溫放熱(low-temperature heat-release,LTHR)，整個化學發(fā)光光譜過程如圖2所示。LTHR階段發(fā)生溫度范圍是760~880K，化學發(fā)光光譜主要是很弱的甲醛光譜；ITHR階段發(fā)生在950~1170K，該階段溫度緩慢上升，化學發(fā)光主要是較強的甲醛光譜；在HTHR階段，溫度上升率迅速增加，在燃燒室中心熱著火區(qū)域可以觀測到明亮的化學發(fā)光。釋放的光譜是CO連續(xù)譜，同時在特定波段也釋放出HCO，HCHO，CH和OH譜線?；瘜W動力學模型表明CO+O→CO2+hv反應(yīng)是CO發(fā)光的原因，化學發(fā)光光強和該階段放熱率達到很好吻合。在近紅外區(qū)，可以采集到H2O和O2的光譜，它們可能是燃燒生成之后受熱激發(fā)產(chǎn)生，而不是燃燒過程中產(chǎn)生的釋放譜線。在"燃盡"階段，盡管放熱完成，但還可采集到非常弱的化學發(fā)光。光譜研究表明，光是由H2O和O2釋放的，它們是受熱激發(fā)后產(chǎn)生的。

圖2　化學發(fā)光光譜異辛烷（a~e）和PRF80（f~k），不同放熱階段對應(yīng)光譜：低溫放熱（f），中間溫度放熱（a,g），中間向高溫放熱轉(zhuǎn)換（b,h），高溫放熱峰值（c,i），高溫放熱后期（d, j），燃盡階段（e,k）[32]

可見，通過HCCI化學發(fā)光成像與光譜研究表明，HCCI低溫反應(yīng)主要是甲醛發(fā)光，分布均勻，光強較低。而在低溫與高溫反應(yīng)之間沒有發(fā)光記錄。OH是高溫反應(yīng)開始的標記，高溫反應(yīng)過程主要是CO連續(xù)光譜。放熱完成后，采集到的很弱的發(fā)光是由H2O和O2釋放的。發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)顯著影響HCCI著火時刻，但燃燒開始后的自由基生長歷程并未改變。在實際的HCCI燃燒過程中存在自然發(fā)生的熱分層。增大燃燒室中心氣團內(nèi)部的溫度分層對降低壓力升高率更有效。因此，如何合理地組織實現(xiàn)溫度分層將是拓展HCCI運轉(zhuǎn)范圍研究的一個熱點。

3　分層對HCCI燃燒過程的影響

美國Sandia國家實驗室Sjoberg等人[33]和ExxonMobile公司的Grenda[34]的模擬計算均表明，完全均質(zhì)的混合氣燃燒化學反應(yīng)很快，燃燒持續(xù)期（10~90%）僅為1°CA。而實驗得到較緩慢的燃燒持續(xù)期和反應(yīng)速率是由于自然發(fā)生的分層引起的。所以，通過組織缸內(nèi)混合氣的溫度和濃度分層，可以拓展HCCI發(fā)動機運轉(zhuǎn)負荷上限，有效控制燃燒著火時刻。

Lund大學Vressner等人[23]對不同燃燒室結(jié)構(gòu)的HCCI燃燒過程進行高速化學發(fā)光成像研究。設(shè)計了兩種不同的燃燒室結(jié)構(gòu)，一個為平頂燃燒室，一個為帶有方形凹坑燃燒室，兩個燃燒室壓縮比均為11.2。研究發(fā)現(xiàn)帶有方形凹坑的燃燒室其著火始點總是從凹坑內(nèi)一角開始，然后在凹坑內(nèi)傳播，最后傳播到燃燒室上方擠氣區(qū)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是方形燃燒室溫度不均勻，由此導致方形燃燒室更低的放熱率和更長的燃燒持續(xù)期。而平頂燃燒室溫度梯度較小，充量更多的是同時點火。

天津大學Liu等人[35]設(shè)計了三種不同燃燒室形狀，敞口（V-type），直口（H-type）和縮口（A-type）研究對HCCI燃燒過程的影響發(fā)現(xiàn)：縮口燃燒室湍動能大，壁面附近傳熱損失大，自燃著火時刻從溫度較高的燃燒室中心開始；而敞口和直口燃燒室內(nèi)湍動能小，燃燒室內(nèi)溫度分布相對均勻，自燃著火過程幾乎在整個燃燒室內(nèi)同時發(fā)生，如圖3所示?？梢娙紵医Y(jié)構(gòu)影響缸內(nèi)湍流運動，進而影響HCCI燃燒過程。這就表明盡管早期研究認為HCCI燃燒過程受控于化學動力學，湍流對化學反應(yīng)和放熱過程的影響很小。但實際上湍流通過對溫度分層的調(diào)控會影響HCCI自燃著火和后續(xù)燃燒發(fā)展過程，因此有必要進一步開展湍流對HCCI燃燒過程的影響機理研究，這將有助于對HCCI燃燒過程更好的控制。

進一步研究中，天津大學Liu等人[36]通過改變氣道噴射時刻形成濃度分層、并結(jié)合不同進氣溫度和冷卻水溫度形成的溫度分層開展HCCI化學發(fā)光診斷，發(fā)現(xiàn)進氣溫度較混合時間對燃燒過程影響更大，不同氣道噴射策略在冷啟動和小負荷工況對自燃著火和火焰發(fā)展影響更顯著；冷卻水溫度差異20 K條件下對燃燒過程缸內(nèi)溫度分層產(chǎn)生很大影響。

圖3　不同燃燒室結(jié)構(gòu)下化學發(fā)光成像，括號內(nèi)為對應(yīng)發(fā)光光強值

瑞典Chalmers大學Berntsson和Denbratt[37]，通過氣道噴射構(gòu)建均質(zhì)環(huán)境，通過缸內(nèi)直噴構(gòu)建燃料分層（濃度分層），應(yīng)用高速攝影機對燃燒過程進行研究表明：從發(fā)現(xiàn)著火點到燃燒火焰充滿整個燃燒室，HCCI需要4°CA，分層燃燒需要8°CA。成像和放熱率分析研究均表明，分層引起局部當量比變化使燃燒持續(xù)期增加；分層可以降低燃燒速率，增大HCCI運轉(zhuǎn)工況范圍。韓國KAIST大學Kook等人[38]在一臺共軌柴油機上，通過兩次噴射實現(xiàn)PCCI。第1次噴射在-200°ATDC處，供應(yīng)大部分燃料（10mm3），實現(xiàn)燃料與空氣的預(yù)混；第2次噴射在-15°ATDC，供應(yīng)較少燃料（1.5mm3），作為點火促進劑，并且把燃燒控制在上止點附近。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)柴油機噴射模式（噴射時刻-15°ATDC；單次噴射；噴油量11.5mm3）下，由于碳煙的熱輻射，可以看到明亮的燃燒火焰。而PCCI下，明亮的火焰只存在于第2次噴射混合不均勻區(qū)域，且火焰亮度較傳統(tǒng)燃燒顯著降低。進一步研究表明，主噴時刻只有在-100°ATDC之前才能保持這種不發(fā)光的燃燒?？梢奝CCI可以顯著降低缸內(nèi)碳煙生成量。同時NOx排放降低90%，但燃油經(jīng)濟性，HC和CO排放惡化。試驗進一步優(yōu)化噴油器噴射角度，從150°變?yōu)?00°，碳煙和燃料經(jīng)濟性進一步改善，可見優(yōu)化噴嘴角度可以成功實現(xiàn)早噴。類似研究豐田Hasegawa等人也有報道[39]，通過兩次噴射（第一次噴射形成預(yù)混和氣，第二次噴射控制著火），同樣沒有觀測到明亮燃燒火焰，燃燒室中呈現(xiàn)多點同時著火的現(xiàn)象，NOx和碳煙排放顯著降低，作者把這種燃燒模式命名為UNIBUS(Uniform Bulky Combustion System)。

法國IFP研究所Thirouard等人[40]在一臺汽油機上研究混合物的形成質(zhì)量對HCCI燃燒的影響。結(jié)果表明：通過改變兩個進氣道不同的充量混合過程以及內(nèi)部EGR都無法形成有效的混合氣濃度分層，只是改變了燃燒著火位置，對燃燒相位沒有影響。而通過廢氣再吸入的方式只能在沿氣缸軸線方向形成很弱的已燃氣體和新鮮充量的分層。最終通過缸內(nèi)直接多次噴射實現(xiàn)對HCCI自燃著火相位的控制。

本田公司的Kanda等人[41]在一臺共軌柴油機上研究噴射時刻和EGR比例對PCCI燃燒過程影響，利用內(nèi)窺鏡直接觀測缸內(nèi)燃燒過程，內(nèi)窺鏡安裝采集位置如圖4所示。內(nèi)窺鏡的好處是在缸蓋上只開設(shè)很小的觀測孔，類似缸壓傳感器開孔直徑，因此發(fā)動機可以在真實的高溫高壓下持續(xù)運轉(zhuǎn)，采集燃燒火焰發(fā)展過程；其不足之處是可視化范圍只是缸內(nèi)局部，較經(jīng)過較大改裝的可視化發(fā)動機可視范圍要小。

圖4　內(nèi)窺鏡試驗裝置

圖5是不同噴油時刻下缸內(nèi)燃燒火焰發(fā)展歷程，在-12°ATDC時，可以看到明亮燃燒火焰，這是由于缸內(nèi)溫度較高，點火延遲期較短，燃燒室內(nèi)主要發(fā)生擴散火焰燃燒，產(chǎn)生大量碳煙。當噴油時刻提前到-35或-45°ATDC時，擴散燃燒火焰亮度明顯降低。此時缸內(nèi)溫度較低，滯燃期較長，大部分燃料可以實現(xiàn)很好的預(yù)混，燃燒不產(chǎn)生碳煙。但由于噴射時刻較早，部分燃料噴到燃燒室外的壁面上，形成濃混合氣區(qū)，產(chǎn)生碳煙。此外，作者保持噴射時刻不變（-56°ATDC），改變EGR比例：0、25、43、54%發(fā)現(xiàn)，隨EGR比例增大，燃燒發(fā)出的明亮火焰減弱，直至不能被觀測到；大比例EGR降低了燃燒室濕壁造成的濃混合氣區(qū)域的燃燒溫度，抑制了碳煙生成。內(nèi)窺鏡觀測到的成像表明缸內(nèi)已經(jīng)發(fā)生低溫燃燒現(xiàn)象，NOx和碳煙排放同時降低。最終作者認為，應(yīng)用早期噴射PCCI可以形成部分預(yù)混燃燒，但會造成燃燒室濕壁問題，導致碳煙排放增大。而使用大比例EGR可以降低缸內(nèi)燃燒溫度，抑制碳煙生成。

圖5　噴射時刻對燃燒火焰的影響，第一行-45°ATDC；第二行-35°ATDC；第三行-12°ATDC

可見，通過缸內(nèi)直噴，多次噴射，改變?nèi)紵倚螤畹仁侄涡纬傻幕旌蠚鉂舛群蜔岱謱涌梢越档腿紵艧崴俾?，控制著火相位。從而有效拓展HCCI運轉(zhuǎn)工況范圍。而無論是對汽油機還是柴油機，缸內(nèi)靈活的多次噴射策略都是實現(xiàn)高效清潔燃燒的關(guān)鍵技術(shù)。

4　低溫燃燒光學診斷

低溫燃燒（LTC）由于可以在大負荷甚至全負荷下實現(xiàn)柴油機高效清潔燃燒而得到廣泛關(guān)注[42-48]。LTC不同于柴油機HCCI或PCCI燃燒模式在于從噴射到開始燃燒經(jīng)歷的時間較短，在開始燃燒時存在明顯的>1的區(qū)域。盡管存在類似傳統(tǒng)柴油機濃混合氣區(qū)域，但是由于大比例EGR的使用，使缸內(nèi)溫度低于碳煙生成溫度，有效地抑制碳煙生成。這是為何在大負荷運轉(zhuǎn)條件下不改變?nèi)剂蠂娚湎到y(tǒng)，燃燒室結(jié)構(gòu)而獲得無煙燃燒的重要原因。而且EGR率改變的不僅是火焰溫度，同時也改變了著火滯燃期。此外，包括噴射壓力，噴油時刻，多次噴射等噴射特性也影響滯燃期內(nèi)的缸內(nèi)溫度、峰值火焰溫度以及預(yù)混和量。最后，為了保持高EGR率下發(fā)動機較高的功率密度和燃燒效率，需要較高的增壓壓力?？梢姡刂坪蛢?yōu)化EGR率，噴射特性和高增壓是實現(xiàn)柴油機高效清潔低溫燃燒的關(guān)鍵。

LTC之所以成為目前柴油機高效清潔燃燒的熱點，是因為柴油機HCCI或PCCI存在著一些難以解決的問題。對于氣道噴射HCCI，由于柴油揮發(fā)性差，并不適合。缸內(nèi)早噴可以形成均質(zhì)混合氣，但由于缸內(nèi)充量密度，壓力，溫度較低，液體燃料撞擊到缸套或活塞表面不可避免。因此一些具有較低燃料貫穿度或窄角的新型噴嘴得到了發(fā)展來解決濕壁現(xiàn)象。但是在高速高負荷下，這種噴嘴會造成大量燃料撞擊到燃燒室內(nèi)，引起碳煙排放增大。而早噴HCCI帶來的另外一個問題是點火仍由化學反應(yīng)動力學控制。由于噴射時刻較早，著火時刻也較早，需要采用EGR，可變壓縮比或改變?nèi)剂咸匦詠硗七t著火時刻。盡管日產(chǎn)的MK和豐田的UNIBUS成功應(yīng)用到產(chǎn)品發(fā)動機，但是只是在部分負荷區(qū)域得到應(yīng)用。因此，可以說在高速高負荷下，NOx和碳煙排放仍舊是柴油機的主要問題。與HCCI對比，LTC除了低NOx和碳煙排放外，還可以在寬廣的工況下實現(xiàn)較高的熱效率，點火時刻控制簡單，壓力升高率的降低使高負荷運轉(zhuǎn)得到拓展，因此在柴油機上比HCCI更具前景。

Kook等人[42]在一臺應(yīng)用于乘用車的高速直噴柴油機上，通過在進氣中添加N2和CO2模擬0~65%的EGR率。燃燒發(fā)光成像表明隨EGR率增大，碳煙發(fā)光減弱，并且變得更加均勻。即使在高EGR率運轉(zhuǎn)條件下，混合控制的燃燒相位仍舊相當重要。盡管LTC可以避開NOx和碳煙生成區(qū)，改善油氣混合仍舊是提高燃燒效率，降低CO排放的關(guān)鍵。因此，Kook等人[43]進一步研究在固定噴射時刻下，調(diào)節(jié)不同渦流比（1.44~7.12），發(fā)現(xiàn)可以找到一個最優(yōu)渦流比，來獲得最佳的燃燒效率和CO排放。而在固定渦流比下，CO排放隨著噴射時刻提前，預(yù)混量的增大而減小。增大噴射壓力同樣可以降低CO排放，在燃燒室縮口處（bowl lip）上形成的燃料油膜對CO排放影響不明顯?？梢姡槍TC進行預(yù)混階段的優(yōu)化是降低CO排放，改善燃燒效率的關(guān)鍵，仍有許多研究需進一步深入。

美國Wayne州立大學Lu等人[44]在一臺快速壓縮機上應(yīng)用高速攝影和光譜法進行晚噴LTC研究?；瘜W發(fā)光成像表明，在高EGR率下，晚噴低溫燃燒有效抑制碳煙，整個燃燒過程發(fā)光很弱。少量添加H2（10%）可以進一步降低碳煙排放。而且由于EGR率高達50%，H2的添加也沒有增大峰值壓力和燃燒速率。當H2達到15%時，OH光譜很容易被觀測到。Sandia國家實驗室的Upatnieks和Mueller[45-46]在一臺重型柴油機上，使用二甘醇二甲醚（DGE）作為燃料，通過改變N2添加量來調(diào)節(jié)氧濃度（9%~21%），研究充量溫度對缸內(nèi)燃燒過程影響。利用缸內(nèi)燃燒發(fā)光成像測量了火焰舉升長度（lift-off）并且估算了火焰舉升長度內(nèi)的燃空當量比，燃燒發(fā)光成像如圖6所示[47]。由于火焰溫度較低，LTC的火焰呈現(xiàn)藍色。柴油機傳統(tǒng)燃燒模式和低溫燃燒火焰舉升長度分別是12和23mm，局部當量比接近，分別是2.7和2.9，但是LTC卻不出現(xiàn)碳煙的白熾光。最終結(jié)果表明，使用傳統(tǒng)的直噴策略結(jié)合充量稀釋，LTC可以實現(xiàn)接近零的碳煙和NOx排放。LTC具有HCCI的排放優(yōu)勢，同時著火時刻又可以通過燃料噴射時刻進行控制。

圖6　傳統(tǒng)柴油機和低溫燃燒成像[47]

Fang和Lee[48]在一臺可視化發(fā)動機上，應(yīng)用先進的多次噴射技術(shù)，研究了歐洲低硫柴油和生物柴油的燃燒過程。實驗用一臺高速直噴柴油機改裝設(shè)計出光學通路，構(gòu)造如圖7所示。其最大的特點是可視化發(fā)動機石英玻璃燃燒室做成了與金屬發(fā)動機基本一致的型，如圖8所示。因此缸內(nèi)噴射、霧化和燃燒過程將更接近實際金屬發(fā)動機，較傳統(tǒng)平頂石英玻璃燃燒室更好。與之類似的可視化發(fā)動機燃燒室改造同樣在文獻[42-43]對燃燒自發(fā)光的光學診斷，以及文獻[49-50]對碳煙和未燃碳氫的激光診斷研究中可以找到。

實驗通過改變兩次噴射（預(yù)噴+主噴）時刻得到柴油機傳統(tǒng)燃燒模式和低溫燃燒模式，用高速攝影機記錄燃燒自發(fā)光。結(jié)果表明所有工況下，生物柴油的自發(fā)光光強都低于低硫柴油，表明生物柴油碳煙生成量較低。作者在該可視化發(fā)動機上，應(yīng)用高速攝影機進一步對摻混不同比例生物柴油（0、20、50、100%體積比）的噴霧和燃燒過程進行研究[51]，結(jié)果表明：當燃用純生物柴油時，其液體燃料貫穿距更大，導致更多的燃料在燃燒室內(nèi)撞壁。早噴（-25°CA ATDC）和晚噴（3°CA ATDC）的碳煙發(fā)光較傳統(tǒng)噴射時刻（-10°CA ATDC）都要弱。晚噴策略火焰類似HCCI燃燒火焰。對于晚噴策略，NOx和碳煙發(fā)光都降低，發(fā)動機經(jīng)濟性也很好。此外，作者還對不同噴射角度下，燃油噴射的發(fā)展和燃燒過程進行了研究[52]。

圖7　可視化發(fā)動機示意圖[48]

圖8　可視化發(fā)動機活塞（左）和金屬活塞（右）[48]

天津大學Liu等人[53-54]在定容燃燒彈上，模擬低溫燃燒的低溫低氧濃度邊界條件，研究了純正丁醇和純生物柴油的燃燒火焰特征和碳煙生成氧化歷程。研究發(fā)現(xiàn)在700 K環(huán)境溫度下，生物柴油和正丁醇均不生成碳煙；溫度在800 K時，生物柴油生成碳煙，而正丁醇生成碳煙的溫度則需要達到900 K。在800 K下，隨著氧濃度的降低，生物柴油燃燒火焰分布更廣，火焰發(fā)光強度降低，碳煙生成被抑制；但1000 K環(huán)境溫度下，隨著氧濃度的降低，盡管生物柴油燃燒火焰分布區(qū)域仍然增大、發(fā)光強度也降低，但碳煙生成沒有被抑制，碳煙生成量增大，可見大比例EGR稀釋抑制碳煙的一個核心因素是降低了燃燒火焰溫度，抑制了碳煙的生成。

盡管低溫燃燒表現(xiàn)出了許多優(yōu)勢，但仍存在許多問題有待深入研究，如不同工況下EGR率的控制，顯然過大的EGR率會降低熱效率，同時更多的預(yù)混放熱也會使著火始點控制問題凸顯。結(jié)合多次噴射后，每次噴射時刻，噴油量都會影響最終預(yù)混和過程。而在大比例EGR下，為了保持動力性，需要對增壓壓力進行優(yōu)化，相應(yīng)的復合增壓，兩級增壓技術(shù)同樣有待深入研究。對LTC燃燒過程及各種缸內(nèi)排放生成物，如HC、CO、碳煙等的生成機理，發(fā)展歷程的光學診斷研究還有待深入。

5　展望

隨著現(xiàn)代光學測試手段和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，直接對燃燒室內(nèi)部進行觀察與測量的可視化技術(shù)已經(jīng)成為一種不可或缺的重要手段。但是，目前我國內(nèi)燃機缸內(nèi)光學診斷研究還相對薄弱。因此加強該領(lǐng)域的軟硬件研究工作的投入、尤其是對研發(fā)人員的培育更加重要。

從對新型燃燒模式缸內(nèi)診斷研究的總結(jié)可以看到，通過燃燒發(fā)光成像和光譜測量，對新型燃燒模式的不同燃燒的宏觀特征已經(jīng)有了較好的認識，未來研究的重點一方面是進一步加強溫度分層、濃度分層等缸內(nèi)不均勻性對燃燒和污染物的影響機理，即指導如何通過組織缸內(nèi)濃度和溫度的合理分層拓展高效清潔新型燃燒模式的運行工況范圍；另一方面是開展微觀尺度下局部湍流與燃燒耦合作用機理的研究，因為當分層出現(xiàn)后，湍流對局部混合和燃燒的影響作用增大。HCCI燃燒反應(yīng)速率控制主要取決于燃燒室中心的高溫氣團溫度分層，而過度的局部濃度分層是導致NOx和碳煙排放增大的主要原因之一，因此需要揭示微觀局部湍流對混合燃燒的影響規(guī)律。

在可視化發(fā)動機改造中，應(yīng)當力求其結(jié)構(gòu)參數(shù)，熱狀態(tài)參數(shù)更加接近金屬發(fā)動機實際運行狀況，從而提供更精確的診斷。在相機的選取方面，獨立的ICCD相機可廣泛地應(yīng)用到獨立成像、光譜、激光散射信號、LIF信號和激光誘導碳煙熾光（LII）等信號采集中，因此是發(fā)動機缸內(nèi)光學診斷應(yīng)用最廣泛的探測器，而高速攝影機結(jié)合高速像增強器則可以更好地研究單一循環(huán)內(nèi)噴霧和燃燒的發(fā)展歷程。所以這兩種相機是缸內(nèi)光學診斷必要的研究設(shè)備，而“framing camera”由于其價格昂貴，多數(shù)時候需要配合復雜的激光組構(gòu)成高速LIF研究系統(tǒng)，因此在內(nèi)燃機缸內(nèi)光學診斷研究中具有一定的局限性。

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Application of Combustion Imaging and Spectrograph for the Advanced Com bustion M odes in Engines

Qin W en1,2,BiXiaojie3,Liu Haifeng1
1-State Key Laboratory ofEngines,Tianjin University(Tianjin,300072,China) 2-GuangxiYuchaiMachine Co.,Ltd.3-State Grid Energy Conservation Service Limited Company

The optical diagnostics has been used widely in the research of engine combustion.To understand the combustion process of advanced combustion modes and provide readers with appropriate

to the optical diagnostics technical literatures,simple theoretical descriptions are used to introduce the principle and experimental apparatus of the combustion imaging and spectra analysis for engine combustion processes.The experimental research states are given for the application of these techniques in these new combustion modes,such as homogeneous charge compression ignition(HCCI), stratification combustion,and low temperature combustion(LTC).The optical diagnostics researches show that the combustion process and intermediate species can be revealed using the combustion imaging and spectrograph diagnostics.It has been realized that advanced control strategies of fuel/airmixture ismore important than simple homogeneous charge in the process of control of HCCI combustion process.A stratification strategy has the potential to extend the operation range to higher loads in advanced combustion modes.Finally,authorsgive the future developmentdirection in advanced combustionmodes.

Homogeneous charge compression ignition(HCCI),Low temperature combustion(LTC),Optical diagnostics,Combustion imaging,Spectrograph

TK411+.2

A

2095-8234（2016）02-0087-10

2016-01-17）

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃（14JCQNJC07300）。

覃文（1965-），男，博士，高級工程師，主要研究方向為發(fā)動機設(shè)計。

劉海峰（1981-），男，博士，副教授，主要研究方向為發(fā)動機燃燒過程。