劉福水，花 陽，吳 晗，高永利，吳 昊

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

基于激光誘導(dǎo)熾光法進(jìn)行碳煙測量的研究進(jìn)展

劉福水，花 陽＊，吳 晗，高永利，吳 昊

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

激光誘導(dǎo)熾光法（Laser Induced Incandesence，LII）是一種非接觸式的光學(xué)診斷方法，可獲得激光片光照射薄層內(nèi)瞬時(shí)碳煙的二維分布，具有較高的時(shí)間與空間分辨率，已經(jīng)成為一種重要的碳煙測量技術(shù)。本文首先介紹了LII技術(shù)的發(fā)展歷程和基本原理，然后從數(shù)值模擬、定性和定量測量3個(gè)方面詳細(xì)綜述了LII用于碳煙測量的技術(shù)方法以及國內(nèi)外的研究進(jìn)展，并對(duì)今后的發(fā)展提出了建議。實(shí)現(xiàn)定量測量的標(biāo)定方法主要有采樣法、LII結(jié)合消光法（Light Extinction Method，LEM）和雙色法LII（2-Color Laser Induced Incandesence，2C-LII），其中2C-LII因?qū)崿F(xiàn)相對(duì)簡單，可以在線實(shí)時(shí)標(biāo)定，因此在國內(nèi)外獲得了較大的發(fā)展。本文通過總結(jié)國內(nèi)外LII技術(shù)在測量碳煙方面的研究成果，希望讓國內(nèi)同行了解該方法的研究現(xiàn)狀以及該方法在揭示碳煙生成氧化機(jī)理方面的重要作用，為其今后的發(fā)展提供一些參考。

激光誘導(dǎo)熾光法（LII）；碳煙；定量測量；光學(xué)診斷；研究進(jìn)展

0 引 言

碳煙是碳?xì)淙剂先紵a(chǎn)生的主要污染物之一，對(duì)人體和環(huán)境有極大的危害。碳煙的形成是一個(gè)多層面的復(fù)雜過程，不僅包括十分復(fù)雜的氣相反應(yīng)，還包括從氣態(tài)到固態(tài)的相變過程以及后續(xù)顆粒的生長、聚集發(fā)展過程，其詳細(xì)的生成氧化機(jī)理至今仍未能很好地了解，而明白其生成氧化機(jī)理卻是降低碳煙排放的理論基礎(chǔ)。目前碳煙機(jī)理的研究主要建立在對(duì)火焰內(nèi)部碳煙的實(shí)時(shí)觀察和定量測量上。

光學(xué)診斷技術(shù)作為一種非接觸式的測量手段，可以提供碳煙濃度和粒徑方面的信息，而且不會(huì)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生干擾，因此這種測量技術(shù)在深入了解碳煙生成機(jī)理以及降低碳煙排放方面具有重要意義。目前常見的碳煙光學(xué)測量技術(shù)包括：消光法（LEM）、散射法（LS）、雙色法（TC）和激光誘導(dǎo)熾光法（LII）。其中前3種方法都是對(duì)光程方向上的碳煙進(jìn)行測試，得到的是一個(gè)光程方向累積碳煙的平均值，不能反映出碳煙的二維分布情況，所以采用片狀激光進(jìn)行進(jìn)一步的空間解析是必需的。而LII可以獲得片狀激光照射薄層內(nèi)瞬時(shí)碳煙的二維分布，信噪比高，還可以滿足缸內(nèi)高溫高壓等復(fù)雜環(huán)境下的測試需求，其已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的碳煙測量技術(shù)，必將在揭示內(nèi)燃機(jī)的碳煙生成氧化機(jī)理、燃燒優(yōu)化以及降低碳煙排放方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景［1］。

國外關(guān)于LII測試技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了很多成果，而國內(nèi)的相關(guān)研究雖起步較晚，但發(fā)展迅速，近10年來也取得了一些研究成果。本文介紹了LII技術(shù)的基本原理和發(fā)展歷程，并詳細(xì)綜述了國內(nèi)外LII技術(shù)在碳煙研究方面的進(jìn)展。

1 激光誘導(dǎo)熾光法的基本原理［2］

當(dāng)激光照射碳煙粒子云時(shí)，碳煙顆粒因吸收了激光能量會(huì)被迅速加熱，溫度迅速升高到4000K左右，并發(fā)出與升高溫度相對(duì)應(yīng)的黑體輻射，其輻射信號(hào)強(qiáng)度與激光照射區(qū)域的碳煙體積分?jǐn)?shù)成正比。因此測量碳煙受激后的LII光強(qiáng)信號(hào)，再結(jié)合相應(yīng)的標(biāo)定方法即可得到碳煙體積分?jǐn)?shù)的定量分布。

在激光照射之后，碳煙粒子因?yàn)橄蛑車椛洹鬟f熱量以及表面升華等，溫度會(huì)逐漸降低，LII信號(hào)也隨之衰減，而不同粒徑的碳煙粒子具有不同的比表面積（即表面積與體積之比），其溫度衰減的速度不同，粒子越小比表面積越大，溫度衰減的速度越快。因此通過采集碳煙粒子在激光照射之后LII信號(hào)的變化曲線或者利用不同時(shí)刻LII信號(hào)的比值，再結(jié)合相應(yīng)的LII數(shù)學(xué)模型通過計(jì)算即可得到粒徑信息。

2 LII用于碳煙測量的研究進(jìn)展

1974年Weeks等［3］利用二氧化碳激光器激光照射氣溶膠粒子時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)熾光現(xiàn)象，并認(rèn)識(shí)到其可能用于粒徑的測量。1977年Eckbreth［4］在研究拉曼散射時(shí)發(fā)現(xiàn)火焰中碳煙顆粒在激光照射下會(huì)發(fā)出熾光，至此正式提出了激光誘導(dǎo)熾光（LII）的概念。1991年Dec等［5］首次將LII方法應(yīng)用于柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙的測量實(shí)驗(yàn)中。此后，LII逐漸發(fā)展成為一種重要的碳煙測量技術(shù)。目前，LII用于碳煙的研究主要有數(shù)值模擬、定性和定量測量碳煙3個(gè)方面，定性測量是直接利用LII拍攝得到光強(qiáng)分布圖，定量測量是利用其他光學(xué)測量技術(shù)或測量原理對(duì)LII信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)定量測量。下面將從數(shù)值模擬、定性和定量測量3個(gè)方面詳細(xì)綜述LII在國內(nèi)外的發(fā)展情況。

2.1 數(shù)值模擬

在LII測量中，碳煙顆粒被激光脈沖加熱到4000K左右發(fā)出熱輻射。這一過程發(fā)生在很短的時(shí)間和長度尺度內(nèi)，包括一系列物理化學(xué)現(xiàn)象，如激光能量吸收、熱傳導(dǎo)、升華、輻射、退火等。早期的很多LII模型如Melton模型［6］、Dasch模型［7］以及Hofeldt模型［8］，都認(rèn)為顆粒內(nèi)能的增加是由激光加熱所導(dǎo)致的，而碳煙的熱量損失則是由升華、傳熱和輻射所導(dǎo)致的（如圖1所示）。這些模型的差異主要是在引發(fā)熱損失的子模型上。而后出現(xiàn)的Liu模型［9-10］和Bladh模型［11-13］與早期模型的差異主要是低激光能量密度下模型中碳煙的光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，如碳煙比熱、吸收函數(shù)和熱適應(yīng)系數(shù)，以及高激光能量密度下碳煙升華模型的改變。其中高激光能量密度下的激光加熱過程至今仍然沒能很好了解，由于缺少準(zhǔn)確的碳煙物性參數(shù)使得升華模型仍存在很大的不確定性。

圖1 碳煙粒子能量平衡示意圖Fig.1 Energy balance schematic of soot particle

Melton等［6］于1984年首次對(duì)激光誘導(dǎo)熾光現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)描述，建立了利用LII測量碳煙體積分?jǐn)?shù)和粒徑的理論基礎(chǔ)。該模型假定碳煙的光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，如密度、比熱、熱適應(yīng)系數(shù)、比熱容等與溫度無關(guān)，并提出在高激光能量和最高溫度下，吸收的激光能量等于升華的熱量，此時(shí)的熾光信號(hào)強(qiáng)度I與粒子數(shù)密度Np、粒徑dp和采集波長λ之間的關(guān)系是，當(dāng)采集波長λ足夠大時(shí)，，熾光信號(hào)強(qiáng)度正比于碳煙顆粒的體積濃度。

Michelsen等［14］于2003年提出了一種新的LII模型，該模型除了能量吸收、內(nèi)能改變、輻射、升華和傳熱項(xiàng)以外，還考慮了基于測量速率的氧化、基于石墨化速率的退火和融化機(jī)制，并引入了隨溫度改變的熱適應(yīng)系數(shù)和熱容量。研究發(fā)現(xiàn)，在激光能量密度為0～0.9J／cm2范圍內(nèi)，該模型相比Melton模型與試驗(yàn)結(jié)果的一致性更好，能量密度在0.1J／cm2以上時(shí)，顆粒溫度取決于能量吸收和升華之間的平衡，在低激光能量密度下，顆粒溫度不會(huì)達(dá)到升華溫度，此時(shí)溫度主要由能量吸收和傳熱決定。激光脈沖之后，碳煙溫度主要受控于傳熱冷卻速率。形成更多有序相碳的顆粒退火預(yù)計(jì)出現(xiàn)在激光能量密度低至0.02J／cm2時(shí)，該過程會(huì)嚴(yán)重影響升華速率，而且該過程中輻射系數(shù)的改變會(huì)增加信號(hào)衰減速率。

Smallwood等［15］利用一種詳細(xì)的LII數(shù)學(xué)模型，在大氣壓強(qiáng)下的層流擴(kuò)散火焰條件下研究了初始碳煙顆粒直徑的多分散性對(duì)碳煙體積分?jǐn)?shù)和LII信號(hào)之間關(guān)系的影響，并針對(duì)大而熱的粒子在傳導(dǎo)冷卻過程中的LII信號(hào)偏差以及升華對(duì)碳煙質(zhì)量損失的影響提出了2個(gè)量化指標(biāo)：粒子發(fā)射強(qiáng)度分布函數(shù)和碳煙體積分?jǐn)?shù)尺度。結(jié)果表明，單分散碳煙顆粒的碳煙體積分?jǐn)?shù)與LII信號(hào)嚴(yán)格成比例。粒子發(fā)射強(qiáng)度分布函數(shù)可以清楚地表明大顆粒對(duì)于LII信號(hào)有更多的貢獻(xiàn)而小顆粒在傳導(dǎo)冷卻過程中會(huì)從LII信號(hào)中消失，由此造成的信號(hào)偏差程度取決于不同尺寸顆粒溫度的不均勻性和探測波長。在低激光能量密度下，碳煙體積分?jǐn)?shù)在激光脈沖過后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)（約200ns）與LII信號(hào)成比例。在高的激光能量密度下，會(huì)產(chǎn)生升華，碳煙體積分?jǐn)?shù)僅在短暫的10～15ns內(nèi)與LII信號(hào)成比例，因此LII信號(hào)應(yīng)該盡早探測甚至在激光脈沖達(dá)到峰值之前。

Bejaoui等［16］對(duì)2種LII模型研究，一種是基礎(chǔ)模型，另一種是以Michelsen模型為基礎(chǔ)的擴(kuò)展模型。首先在大氣壓強(qiáng)下利用波長為1064nm的YAG激光對(duì)CH4預(yù)混層流火焰在不同激光能量密度下的相對(duì)LII信號(hào)強(qiáng)度的變化以及不同高度處的碳煙平均溫度進(jìn)行了測試，而后與2種LII數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低的激光能量密度下采用取決于火焰高度的碳煙吸收函數(shù)可以使實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果更加吻合。而在高的激光能量密度下2種模型都不能準(zhǔn)確反映LII信號(hào)的變化情況以及碳煙的平均溫度。

浙江大學(xué)王飛等［17］提出了一種激光誘導(dǎo)熾光法（LII）測量碳煙的數(shù)學(xué)模型，對(duì)激光脈沖照射過程中的碳煙溫度與粒徑的變化進(jìn)行了計(jì)算，并和Melton論文中的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了模型的有效性。而后計(jì)算了火焰溫度、初始粒徑、激光波長和功率對(duì)碳煙加熱過程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火焰溫度對(duì)測量的影響很小，粒徑初始值越大，激光波長越小則粒子在加熱中達(dá)到的溫度越高。激光的功率對(duì)測量的影響很大，因此實(shí)際測量時(shí)必須選擇合適的激光功率。在此研究基礎(chǔ)上，北京理工大學(xué)何旭等［16］基于該模型進(jìn)一步探究了入射激光波長和能量密度對(duì)碳煙粒子受激過程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入射激光波長為532nm時(shí)結(jié)果較為理想，激光能量密度對(duì)LII測試的影響很大，需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)具體選擇；還發(fā)現(xiàn)碳煙粒子的初始粒徑可以依據(jù)溫度衰減速率來計(jì)算。

這些數(shù)學(xué)模型的建立和研究可以用來預(yù)測LII信號(hào)的變化規(guī)律，為進(jìn)一步的實(shí)際測量奠定了基礎(chǔ)，也為實(shí)際利用LII測試粒徑奠定了基礎(chǔ)。

2.2 定性測量

Dec等人［5］在一臺(tái)可視化單缸直噴重型柴油機(jī)上，搭建了LII測試系統(tǒng)（如圖2所示），利用YAG激光器，激光波長為532nm，得到了距缸蓋底部11.1mm處，不同曲軸轉(zhuǎn)角下柴油和參考燃料2種燃油的碳煙分布，并進(jìn)行了定性的對(duì)比分析。通過信號(hào)的強(qiáng)弱來反應(yīng)碳煙濃度分布的相對(duì)強(qiáng)弱，結(jié)果表明，碳煙在油束中心和邊緣生成，且在整個(gè)碳煙區(qū)域內(nèi)是連續(xù)分布的。之后，Dec等［19-20］又結(jié)合LII與散射法（Light Scattering，LS）對(duì)缸內(nèi)直噴式柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙的生成和氧化過程進(jìn)行了定性研究，發(fā)現(xiàn)相比LII散射法測量的準(zhǔn)確性較差，并提出柴油機(jī)產(chǎn)生碳煙的根本原因是多環(huán)芳香烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）的化學(xué)作用以及擴(kuò)散火焰中的空氣卷吸量。2000年Dec等［21］又結(jié)合LII與激光誘導(dǎo)熒光法（測試系統(tǒng)如圖3所示）采用2個(gè)激光器，2個(gè)相機(jī)同時(shí)得到OH的二維熒光信號(hào)和soot的二維熾光信號(hào)。研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離壁面區(qū)域的不完全燃燒是導(dǎo)致碳煙排放增加的主要原因，尤其是隨著噴油定時(shí)的推遲和稀釋氣的增加（模擬EGR）。而造成不完全燃燒的原因主要是排氣門打開前的燃燒時(shí)間不夠充足以及剩余碳煙區(qū)域邊緣燃燒反應(yīng)的停止。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental set-up

圖3 LII-LIF測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of LII-LIF test system

上海交通大學(xué)田波等［22］在一個(gè)水冷式平面燃燒器上，結(jié)合激光誘導(dǎo)熾光法（LII）與激光誘導(dǎo)熒光法（LIF），定性研究了火焰溫度和當(dāng)量比對(duì)預(yù)混合乙烯火焰中碳煙及其前驅(qū)物生成特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳煙濃度變化與其前驅(qū)物的濃度變化相一致，隨火焰溫度和當(dāng)量比的增加，LII信號(hào)與LIF信號(hào)均增強(qiáng)，表明碳煙及其前驅(qū)物的相對(duì)濃度均升高。

華中科技大學(xué)陳亮、成曉北等［23-25］在一臺(tái)高溫高壓定容燃燒彈內(nèi)，結(jié)合激光誘導(dǎo)熾光法（LII）和高速攝影，對(duì)柴油噴霧燃燒火焰及碳煙生成的二維分布進(jìn)行了定性的測量分析。研究了在不同噴油壓力、環(huán)境壓力和環(huán)境溫度下燃燒火焰以及油氣混合特性對(duì)碳煙生成的影響。結(jié)果表明，柴油擴(kuò)散火焰浮起長度內(nèi)的空氣卷吸量是影響碳煙形成過程的一個(gè)重要因素，噴射壓力的升高以及環(huán)境壓力和溫度的降低會(huì)導(dǎo)致熾光信號(hào)的強(qiáng)度減弱，即碳煙體積分?jǐn)?shù)的減小，碳煙主要形成于相對(duì)濃混區(qū)的噴霧下游包圍在火焰面內(nèi)的噴霧團(tuán)內(nèi)。

2.3 定量測量

LII要實(shí)現(xiàn)定量測量，需要對(duì)LII圖像進(jìn)行標(biāo)定，這也是LII測試技術(shù)的難點(diǎn)之一。目前常見的標(biāo)定方法有3種：第一種是利用采樣技術(shù)，這種方法原理簡單但會(huì)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生干擾，并會(huì)混入雜質(zhì)，影響標(biāo)定結(jié)果。第二種是用激光消光法（LEM）來標(biāo)定LII，該方法是將LEM的激光衰減信息與LII的二維熾光分布相結(jié)合，擬合出LEM的KL因子與LII信號(hào)沿LEM激光方向上的積分值之間的線性關(guān)系，進(jìn)而得到標(biāo)定系數(shù)。但這種方法需要2套激光系統(tǒng)，測試系統(tǒng)復(fù)雜，且要求LII的片狀激光與LEM的點(diǎn)激光在同一平面內(nèi)，操作較難；第三種是Snelling等［26］提出的雙色法LII（2C-LII），該方法首先通過對(duì)已知輻射強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行校準(zhǔn)得到光強(qiáng)敏感系數(shù)，而后在測試中同時(shí)采集2個(gè)波長下的LII信號(hào)，再通過2個(gè)信號(hào)的比值計(jì)算出碳煙粒子溫度和體積分?jǐn)?shù)。該方法的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單、可在線實(shí)時(shí)標(biāo)定，且可以采用低的激光能量密度，避免了碳煙升華，從而更好地保持了碳煙形態(tài)。

2.3.1 采樣法

亞琛工業(yè)大學(xué)Greis等［27］在一臺(tái)高壓共軌柴油機(jī)上結(jié)合LII和高速攝影測量了碳煙的生成氧化過程以及火焰發(fā)展圖像，并采用采樣閥方法對(duì)LII信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了定量測量，得到了不同時(shí)刻下碳煙濃度的二維分布。研究表明，在燃燒過程后期，碳煙大部分集中在燃燒室凹坑的中心區(qū)，沒有被氧化，這主要是由于燃燒室中心區(qū)的氣流運(yùn)動(dòng)較弱，導(dǎo)致相對(duì)低溫區(qū)域的產(chǎn)生，使碳煙的氧化作用減弱，因此可以通過優(yōu)化燃燒室形狀來改善碳煙氧化狀況。

采樣法雖然可以直接對(duì)火焰中碳煙進(jìn)行采樣分析，但這種方法的測量速度很慢，在取樣和測量間無法保證實(shí)時(shí)在線，并且對(duì)燃燒過程造成很大的影響，同時(shí)還會(huì)混入雜質(zhì)，這些都會(huì)影響標(biāo)定結(jié)果。因此目前這種方法在LII的標(biāo)定中應(yīng)用較少，但采樣與透射電子顯微鏡法相結(jié)合經(jīng)常作為LII測量碳煙粒徑的一種校驗(yàn)方法。

2.3.2 激光誘導(dǎo)熾光法—消光法（LII-LEM）

消光法（LEM）的原理是光束在穿過碳煙粒子云時(shí)其光強(qiáng)信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減，利用探測光強(qiáng)I和入射光強(qiáng)I0二者的關(guān)系可以得到光程方向累積碳煙體積分?jǐn)?shù)的值。計(jì)算過程如公式（1）～（4）所示［28］。

式中：K為光程的平均吸收系數(shù)，L為激光束穿過碳煙的光程長度，k為光程上某點(diǎn)處的吸收系數(shù)，fV為光程某點(diǎn)處的碳煙體積分?jǐn)?shù)，αsa為碳煙粒子對(duì)入射光的散射與吸收光強(qiáng)之比（一般取0），m為碳煙的復(fù)折射率，λ為入射激光波長，ke為無量綱消光系數(shù)。

激光誘導(dǎo)熾光法—消光法（LII-LEM）是用LEM的測量值來標(biāo)定LII，測量時(shí)LEM激光光束所在的直線和LII激光片光位于同一平面上，這樣就可以利用LEM測量得到的光程方向的碳煙體積分?jǐn)?shù)值來標(biāo)定LII信號(hào)圖像上LEM光程所在區(qū)域?qū)?yīng)的碳煙體積分?jǐn)?shù)。首先將LEM光程所在區(qū)域的LII信號(hào)強(qiáng)度ILII進(jìn)行積分得到（KL）LII，如公式（5），而后將其代入

如前面所述激光誘導(dǎo)熾光法（LII）測量得到的激光片光照射區(qū)域中某處的LII信號(hào)強(qiáng)度（ILII）與碳煙體積分?jǐn)?shù)（fV）成正比。如令該比例系數(shù)為c，則二者關(guān)系可表達(dá)為：

將（3）式和（6）式代入（5）式中，可以得到：

因此比例系數(shù)可以表達(dá)為（8）式，再利用得到的比例系數(shù)，根據(jù)（6）式即可求得整個(gè)LII二維圖像的碳煙體積分?jǐn)?shù)的分布［28］。

LII-LEM法可用于多種環(huán)境下的碳煙測量，是一種較為常用的定量測試方法，在用于穩(wěn)態(tài)層流火焰的測量時(shí)，LEM和LII可以單獨(dú)進(jìn)行，而對(duì)于瞬態(tài)湍流火焰二者必須同時(shí)進(jìn)行。該方法中LEM的測量較為簡單，但碳煙復(fù)折射率的不確定性對(duì)該方法標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，而且該方法需要2套激光系統(tǒng)，且要求LII的片狀激光與LEM的點(diǎn)激光在同一平面內(nèi)，這一操作難度較大。

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的Pinson等［29］在一臺(tái)倒置結(jié)構(gòu)的可視化柴油機(jī)上，結(jié)合LII和散射法（LS）研究了碳煙的生成特性。首先利用消光法（LEM）對(duì)乙烯擴(kuò)散火焰的熾光信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。然后將標(biāo)定的結(jié)果應(yīng)用在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙測量中，實(shí)現(xiàn)了碳煙的定量測量。在距燃燒室底面3mm處開始取3個(gè)測量平面（相距3mm），對(duì)上止點(diǎn)后2°CA到50°CA內(nèi)的碳煙生成過程進(jìn)行測量，獲得了粒徑、粒子數(shù)密度和碳煙體積分?jǐn)?shù)。

De Francqueville等［30］在一臺(tái)光學(xué)直噴式汽油機(jī)上，結(jié)合LII和消光法（LEM），利用LEM對(duì)二維LII圖像進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)燃燒過程中缸內(nèi)的碳煙體積分?jǐn)?shù)場進(jìn)行了定量測試，研究了噴射策略和EGR率對(duì)碳煙生成的影響，并根據(jù)均質(zhì)富燃條件下的碳煙測量結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。結(jié)果表明，碳煙主要產(chǎn)生于高溫富燃區(qū)域，在燃燒上止點(diǎn)后90°CA內(nèi)，碳煙氧化過程對(duì)碳煙濃度的降低起主要作用，而碳煙氧化過程主要受控于碳煙與羥基間的混合。止點(diǎn)后90°CA以后，因?yàn)楦變?nèi)溫度降低，不會(huì)出現(xiàn)碳煙氧化反應(yīng)。

Pastor等［31］在一臺(tái)光學(xué)柴油機(jī)上，同時(shí)使用LII、LEM和雙色測溫法對(duì)柴油機(jī)火焰內(nèi)部的碳煙分布進(jìn)行測試，研究了4種不同燃料，正癸烷（n-Decane）、正十六烷（n-Hexadecane），及2種混合燃料，對(duì)碳煙生成的影響，并對(duì)3種測試技術(shù)的敏感性、性能以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)估。圖4為4種燃料碳煙體積分?jǐn)?shù)的二維分布的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)正癸烷和混合燃料（50Dec＼50Hex）的碳煙濃度較低，正十六烷的碳煙最高，說明隨分子量增加，碳煙的生成增多。

圖4 不同燃料碳煙體積分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Soot volume fraction distribution of different fuels

清華大學(xué)鄭亮等［28，32-33］設(shè)計(jì)了可滿足高溫高壓環(huán)境下碳煙測試要求的LII-LEM測試系統(tǒng)（如圖5所示），解決了LEM在高溫高壓下的光束偏轉(zhuǎn)和背景光強(qiáng)實(shí)時(shí)修正的問題，以及LII在發(fā)動(dòng)機(jī)測試中激光同步信號(hào)的頻率波動(dòng)問題，并在層流擴(kuò)散燃燒器和定容彈上驗(yàn)證了方法的有效性。而后應(yīng)用該測試方法在定容燃燒彈中研究了石腦油和寬餾分燃料的碳煙生成特性。此外，還實(shí)現(xiàn)了GDI汽油機(jī)缸內(nèi)碳煙濃度分布的定量測試，研究了空燃比和噴油策略對(duì)缸內(nèi)碳煙生成特性的影響。結(jié)果表明，石腦油的碳煙初始生成距離和生成啟動(dòng)時(shí)間均比柴油長，碳煙濃度峰值比柴油低。寬餾分燃料測試發(fā)現(xiàn)隨著汽油摻混比的增加，碳煙初始生成距離和生成啟動(dòng)時(shí)間均增加，碳煙濃度峰值降低。

圖5 高溫高壓環(huán)境下LII-LEM測試系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of LII-LEM measurement system in a high pressure and high temperature environment

浙江大學(xué)潘振艷等［34］利用激光誘導(dǎo)熾光法測量燃煤氫氣火焰中納米級(jí)含碳粒子的體積分?jǐn)?shù)和粒徑，并利用雙波長消光法對(duì)不同流量燃煤氫氣火焰中符合瑞利散射條件的納米級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了驗(yàn)證?；谠撗芯砍晒憬髮W(xué)陳玲紅、左磊等［35-36］結(jié)合激光誘導(dǎo)白熾光法（LII）和消光法（LEM）測量了丙烷火焰中納米碳粒以及燃煤丙烷火焰中納微米碳粒的粒徑和濃度。對(duì)燃煤丙烷火焰中LII信號(hào)衰減曲線進(jìn)行三段指數(shù)函數(shù)擬合，通過對(duì)信號(hào)衰減特征時(shí)間的分析確定其中存在3μm、2nm和21nm 3種粒徑。并采用消光法（LEM）對(duì)熾光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定得到對(duì)應(yīng)的平均體積分?jǐn)?shù)為0.18、0.16與0.19ppm。

2.3.3 雙色法—激光誘導(dǎo)熾光法（2C-LII）

雙色法-激光誘導(dǎo)熾光法（2C-LII）是由Smallwood、Snelling等［26，37-38］于2002年提出的一種最新的標(biāo)定方法，具體就是同時(shí)采集2個(gè)波長下的LII光強(qiáng)信號(hào)，根據(jù)2個(gè)光強(qiáng)信號(hào)的比值，利用公式（9）和（10）分別計(jì)算出碳煙受激后的溫度Tp和體積分?jǐn)?shù)fV。

式中：λ1，2為選用濾光片的中心波長，h為普朗克常數(shù)，c為光速，k為玻爾茲曼常數(shù)，E（mλ）為在波長λ下的碳煙吸收函數(shù)，VEXP為ICCD輸出的信號(hào)強(qiáng)度，GEXP為探測系統(tǒng)的增益，wb為激光片光厚度。η（λ）表示ICCD在λ波長下對(duì)于光強(qiáng)的敏感系數(shù)，即輸出信號(hào)與照射光強(qiáng)度的比值，可以通過使用標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定獲得。

2C-LII法利用LII信號(hào)自身就可以完成標(biāo)定，不需借助其他測量手段，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，而且在任何環(huán)境下測試時(shí)均可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)標(biāo)定。此外該方法不需像傳統(tǒng)LII方法那樣將碳煙加熱到升華溫度，因此可以更好地保持碳煙的形態(tài)和體積分?jǐn)?shù)信息。但該方法也存在不足之處，在高碳煙濃度環(huán)境下，探測裝置與激光片光面間的碳煙粒子云會(huì)造成探測裝置采集到的LII信號(hào)發(fā)生衰減，這會(huì)對(duì)標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生影響。鑒于該方法的眾多優(yōu)點(diǎn)，其已經(jīng)發(fā)展成為目前十分熱門的LII定量測試方法，廣泛應(yīng)用于燃燒器層流穩(wěn)態(tài)火焰及氣缸內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中的碳煙測量。

目前利用2C-LII定量測量碳煙體積分?jǐn)?shù)二維分布的方法從校準(zhǔn)系統(tǒng)上看主要有2種：一種是利用光電倍增管（PMT）系統(tǒng)的點(diǎn)校準(zhǔn)方法，用2個(gè)光電倍增管同時(shí)采集測試點(diǎn)處2個(gè)不同波長下的LII信號(hào)，計(jì)算出該測試點(diǎn)的碳煙體積分?jǐn)?shù)，再將若干測試點(diǎn)處的碳煙體積分?jǐn)?shù)映射到利用ICCD所拍攝的整幅LII圖像上，從而實(shí)現(xiàn)二維定量測量。這種方法較為適合燃燒器穩(wěn)態(tài)火焰的碳煙測量。另一種是二維面校準(zhǔn)方法。這可以利用雙像器（Image Double）來實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)中將雙像器裝在ICCD相機(jī)的鏡頭前，即可將同一視場信息變成2個(gè)圖形信號(hào)。通過在雙像器前裝上2種不同的濾光片，可一次拍攝同時(shí)得到2種波長下的二維LII圖像，再根據(jù)2波長下LII強(qiáng)度的比值通過計(jì)算即可得到二維碳煙體積分?jǐn)?shù)分布。這種方法不僅可用于燃燒器穩(wěn)態(tài)火焰的碳煙測量，而且還可用于缸內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境下的碳煙測量。

Boiarciuc等人［39］在一臺(tái)擴(kuò)散燃燒器上搭建了雙色法LII測試系統(tǒng)（如圖6所示），利用光電倍增管系統(tǒng)同時(shí)采集405和650nm 2個(gè)波長下的LII信號(hào)，然后對(duì)ICCD相機(jī)在不同燃燒器高度（Height About Burner，HAB）拍攝的二維圖像進(jìn)行標(biāo)定，獲得了異辛烷層流擴(kuò)散火焰中碳煙體積分?jǐn)?shù)的定量分布，如圖7所示。在此測試的基礎(chǔ)上，在一臺(tái)高壓直噴光學(xué)柴油機(jī)上研究了正庚烷（體積分?jǐn)?shù)95%）和α-甲基萘（體積分?jǐn)?shù)5%）混合燃料的碳煙生成特性，得到了不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的碳煙濃度分布。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of experimental set-up

圖7 火焰內(nèi)碳煙體積分?jǐn)?shù)分布Fig.7 Soot volume fraction distribution in flame

運(yùn)用同樣的方法，Aronsson等［40］在一臺(tái)重型柴油機(jī)上研究了EGR對(duì)一種混合燃料（正庚烷體積99%，潤滑油體積1%）初期碳煙（上止點(diǎn)前6°CA到上止點(diǎn)后9°CA）生成的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)從燃燒開始到預(yù)混燃燒結(jié)束的時(shí)間內(nèi)，碳煙首次出現(xiàn)的時(shí)間隨著O2摩爾分?jǐn)?shù)的變化而改變；預(yù)混燃燒階段沒有明顯的碳煙，但碳煙形成與預(yù)混燃燒相的結(jié)束有密切關(guān)系；O2摩爾分?jǐn)?shù)較低時(shí)，預(yù)混燃燒結(jié)束時(shí)刻和碳煙形成時(shí)刻均延遲。

為了更全面地理解2C-LII測量過程中所包含的物理化學(xué)過程，Maffi等［41］在一臺(tái)預(yù)混燃燒器上，利用2C-LII方法對(duì)不同燃燒器高度處以及不同激光能量密度下的2個(gè)波長（530nm和700nm）的LII信號(hào)變化曲線進(jìn)行了采集。再根據(jù)之前通過熱電偶測量得到的氣體和顆粒初始溫度以及事先利用透射電鏡（TEM）和消光／散射光測量得到的碳煙初始粒徑，并結(jié)合模型計(jì)算結(jié)果得到不同燃燒器高度處的碳煙吸收函數(shù)和熱適應(yīng)系數(shù)。結(jié)果表明，隨著火焰高度的變化出現(xiàn)的所謂初期碳煙和成熟區(qū)碳煙與其光學(xué)特性和換熱特性密切相關(guān)，因此針對(duì)不同高度，應(yīng)選擇不同的碳煙吸收函數(shù)和熱適應(yīng)系數(shù)。碳煙吸收函數(shù)的取值在0.3附近，但熱適應(yīng)系數(shù)取值卻有很大的不同，取值范圍為0.22～0.34，其中對(duì)于初期碳煙是0.22，對(duì)于成熟區(qū)碳煙是0.34。

Bladh等［42］同樣采用2C-LII并結(jié)合TEM法研究了乙烯預(yù)混火焰碳煙生長區(qū)域的碳煙光學(xué)特性，根據(jù)加熱顆粒的溫度與氣體溫度的差異估算出碳煙吸收函數(shù)E（m）。E（m）雖然不能準(zhǔn)確確定，但其趨勢是隨著燃燒器高度增加而增加。此外2C-LII與TEM得到的顆粒尺寸不同，這主要是因?yàn)?C-LII沒有考慮顆粒的聚合效應(yīng)，而且熱適應(yīng)系數(shù)隨著燃燒器高度降低而降低。

國內(nèi)LII技術(shù)的應(yīng)用雖然起步較晚，但鑒于雙色法LII具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此近幾年在國內(nèi)也獲得了較快的發(fā)展。清華大學(xué)王宇等［43］搭建了一套基于PMT的雙色法LII碳煙濃度測試系統(tǒng)（如圖8所示）。在Gülder燃燒器上，研究了外加電場對(duì)乙烯火焰內(nèi)部碳煙生成的影響。并且利用雙色法標(biāo)定法得到了在外加正反電壓下，碳煙濃度分布隨著電壓變化的二維分布圖像。標(biāo)定系統(tǒng)主要包括2個(gè)光電倍增管，利用分光鏡將標(biāo)定點(diǎn)處的LII信號(hào)分別投射到2個(gè)光電倍增管上，2個(gè)倍增管前分別裝有中心波長為425和590nm的濾波片，采集到2個(gè)波長下的LII信號(hào)，利用公式（9）和（10）求出標(biāo)定點(diǎn)處的碳煙體積分?jǐn)?shù)，再通過映射匹配，得到了整個(gè)二維圖像的碳煙濃度分布。

清華大學(xué)的何旭［44-45］在一臺(tái)可以產(chǎn)生層流擴(kuò)散火焰的液體燃燒器上，采用與王宇同樣的標(biāo)定方法，獲得了不同摻混比下的生物柴油擴(kuò)散火焰中碳煙的二維定量分布。此外，他還運(yùn)用激光誘導(dǎo)熒光法（LIF），對(duì)碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳香烴的二維分布進(jìn)行了定性測試。研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物柴油摻混比的增加，多環(huán)芳香烴（PAH）和碳煙的濃度最大值都減小，同時(shí)濃區(qū)的分布面積也減?。ㄈ鐖D9所示）。

圖8 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of experimental system

圖9 不同燃料碳煙體積分?jǐn)?shù)分布Fig.9 Soot volume fraction distribution of different fuels

鑒于光電倍增管只能單點(diǎn)標(biāo)定、成像效率低的不足，國內(nèi)天津大學(xué)的張鵬等［46］基于雙像器搭建了更加高效率的雙色法LII定量測試系統(tǒng)。在一臺(tái)自行開發(fā)的光學(xué)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)基于雙像器的雙色法LII用于缸內(nèi)碳煙的測試進(jìn)行了初步探索，發(fā)現(xiàn)受壓力、溫度以及自發(fā)光的影響，缸內(nèi)LII測試需要稍提前開始采集，并采用大門寬和寬帶寬。圖10為缸內(nèi)不同高度拍攝到的熾光光強(qiáng)信號(hào)累加后的平均結(jié)果。

圖10 不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)缸內(nèi)熾光分布Fig.10 Incandescence distribution in cylinder at different crank angles

在此基礎(chǔ)上，唐青龍等［47］研究了在1200r／min，預(yù)噴和主噴總油量為21mg工況下，60、100和140MPa 3種噴油壓力下，缸內(nèi)燃燒過程中碳煙的分布情況（如圖11所示）。經(jīng)過對(duì)像素點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，不同噴油壓力下，碳煙的平均體積分?jǐn)?shù)在生成初期為5×10-6～9×10-6，峰值時(shí)為1.5×10-5～2×10-5，后期氧化階段為1.4×10-5～1.6×10-5。隨著噴油壓力的升高，碳煙的分布區(qū)域面積增大，平均體積分?jǐn)?shù)減小，體積分?jǐn)?shù)的空間分布更加均勻。

圖11 不同噴油壓力下碳煙體積分?jǐn)?shù)的二維分布Fig.11 Soot volume fraction distribution under different injection pressure

除了定量測量碳煙濃度分布以外，雙色法LII還可以用于碳煙粒徑的測量，相比傳統(tǒng)LII測量粒徑的方法，該方法不依賴?yán)碚撃Ｐ?，表現(xiàn)出更好的先進(jìn)性。傳統(tǒng)方法包括3種：（1）Will等［48］于1995年提出的利用不同衰減時(shí)刻下的信號(hào)比得到粒徑信息；（2）Roth等［49］于1996年提出的利用PMT得到整個(gè)LII信號(hào)的衰減曲線，再和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行擬合得到粒徑信息；（3）Mews等［50］于1997年提出利用相同時(shí)刻下不同波長下的信號(hào)比得到，但這種方法存在爭議，應(yīng)用較少。3種傳統(tǒng)方法為了使碳煙粒子在激光脈沖內(nèi)的溫度不隨激光能量變化，均采用高能量的激光加熱碳煙粒子，使碳煙溫度到達(dá)升華極限，其形態(tài)會(huì)因發(fā)生升華而被破壞，導(dǎo)致測量誤差增大。而雙色法LII可以采用低的激光能量，粒子不會(huì)發(fā)生升華，可以避免不確定性很大的升華項(xiàng)，而且是在線實(shí)時(shí)標(biāo)定，不需要已知的碳煙標(biāo)定源，可以在很大程度上提高了測量精度。

目前雙色法LII用于碳煙粒徑的測量從采集系統(tǒng)上來看也可以分為2種。一種是利用光電倍增管的單點(diǎn)測量，利用PMT響應(yīng)時(shí)間短（約2ns）的特點(diǎn)，可以得到單個(gè)測試點(diǎn)處LII信號(hào)隨時(shí)間的變化過程，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算出該測試點(diǎn)處的碳煙粒徑值。另一種是利用ICCD的面測量方法，由于ICCD相機(jī)的響應(yīng)較慢，不能拍攝出LII信號(hào)的整個(gè)變化過程，因此利用延遲拍攝的方法，選擇在激光脈沖之后的2個(gè)不同時(shí)刻下拍攝LII信號(hào)，以這2個(gè)時(shí)刻獲得的二維LII信號(hào)之比表示其衰減速率，再結(jié)合相關(guān)數(shù)學(xué)模型即可得到碳煙粒徑二維的分布。

Menkiel等［51］在一臺(tái)單缸光學(xué)柴油機(jī)上，利用光電倍增管（PMT）系統(tǒng)同時(shí)采集415和655nm 2個(gè)波長下的LII信號(hào)，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和噴油定時(shí)對(duì)缸內(nèi)碳煙粒徑的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：碳煙粒徑隨負(fù)荷增大而增大，但噴油定時(shí)對(duì)粒徑的影響不大；隨著曲軸轉(zhuǎn)角增大，因?yàn)檠趸瘜?dǎo)致碳煙粒徑減?。惶紵燁w粒的平均尺寸在所有噴射條件下均隨曲軸轉(zhuǎn)角的增加先逐漸減小，到61.4°CA后開始趨于一致，在膨脹沖程即將結(jié)束時(shí)又稍微有所增加。Reimann等［52］提出了針對(duì)雙色法LII測量計(jì)算粒徑時(shí)，對(duì)其粒徑結(jié)果的修正方法，提高了測量精度。Goulay等［53］研究了在利用該方法測量粒徑時(shí)，如何有效避免雜光的干擾，一定程度上提高了測量的準(zhǔn)確性。

北京理工大學(xué)李紅梅等［54-55］探討了利用雙色法LII來測量碳煙粒徑的方法。首先基于單個(gè)碳煙粒子，建立了LII測試的數(shù)學(xué)模型，然后在Gülder燃燒器上，利用光電倍增管（PMT）探測系統(tǒng)同時(shí)對(duì)乙烯層流擴(kuò)散火焰軸線不同位置處，2個(gè)波長（400和780nm）下的LII信號(hào)隨時(shí)間的變化進(jìn)行單點(diǎn)測試，計(jì)算出溫度曲線再結(jié)合所建立的數(shù)學(xué)模型，得到了不同測試點(diǎn)處的碳煙粒徑，并通過熱泳探針采樣-透射電子顯微鏡（TEM）法，驗(yàn)證了該方法的有效性，實(shí)驗(yàn)和采樣的結(jié)果如圖12所示。

天津大學(xué)岳宗宇等［2，56］探討了利用ICCD并結(jié)合基于雙像器的雙色法LII測量粒徑的方法。在一臺(tái)自主開發(fā)設(shè)計(jì)的協(xié)流部分預(yù)混燃燒器上，燃用正庚烷和甲苯的混合燃料TRE（體積比為4∶1）。在0和150ns 2個(gè)延遲時(shí)刻，同時(shí)對(duì)2個(gè)波長（450和650nm）下的LII信號(hào)進(jìn)行采集，并結(jié)合建立的數(shù)學(xué)模型得出了碳煙粒徑的分布。利用這套系統(tǒng)，研究了CO2摻混比以及添加一定比例的乙醇和正丁醇（保證含氧量為4%）對(duì)于碳煙生成的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著CO2摻混比的增加，碳煙濃度逐漸減小（如圖13所示）；添加含氧燃料可以有效降低碳煙的生成，且丁醇降低碳煙的效果比乙醇好（如圖14所示）。

圖12 不同火焰軸線高度下的碳煙粒徑Fig.12 Soot particle diameter at different heights of flame axis

圖13 CO2不同摻混比下的碳煙體積分?jǐn)?shù)Fig.13 Soot volume fraction with different blending ratios of CO2

圖14 碳煙粒徑分布范圍Fig.14 Distribution range of soot particle diameter

天津大學(xué)張鵬等［46，57-58］采用與岳宗宇相同的LII測試系統(tǒng)并結(jié)合了激光誘導(dǎo)熒光法（LIF），在基礎(chǔ)燃料T20（正庚烷和甲苯體積比為4∶1）中分別摻混甲醇、乙醇、丁醇（包括：正丁醇、仲丁醇、異丁醇和叔丁醇）、2，5-二甲基呋喃（DMF）和丁酸甲酯，并結(jié)合稀釋甲苯的實(shí)驗(yàn)深入分析了不同醇類結(jié)構(gòu)、不同含氧官能團(tuán)以及丁醇不同的同分異構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)碳煙前驅(qū)物PAH和碳煙的影響。研究表明，甲苯含量降低是導(dǎo)致混合燃料中PAH和碳煙減少的主要原因（如圖15所示）；從含氧燃料結(jié)構(gòu)來講，摻混正丁醇對(duì)降低PAH和碳煙的作用最顯著（如圖16所示）；就丁醇結(jié)構(gòu)來看，直鏈結(jié)構(gòu)比支鏈結(jié)構(gòu)更有助于降低PAH和碳煙。

圖15 醇類結(jié)構(gòu)對(duì)碳煙濃度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.15 Accumulation of soot concentration with different alcohol structures

圖16 醇類結(jié)構(gòu)粒徑分布的影響Fig.16 Soot particle diameterdistribution with different alcohol structures

LII在用于測試碳煙粒徑時(shí)，激光能量密度的選擇對(duì)測試精度有很大的影響，高的能量密度可以提高信噪比，但過高的激光能量可能會(huì)導(dǎo)致碳煙升華，影響粒徑的測試。因此LII測試時(shí)激光能量的選擇應(yīng)該綜合考慮信噪比和碳煙升華。北京理工大學(xué)高永利等［59］結(jié)合理論模型分析和LII實(shí)驗(yàn)，研究了不同激光能量密度對(duì)LII測試碳煙粒徑的影響。發(fā)現(xiàn)激光能量密度在0.5～0.6mJ／mm2時(shí)，碳煙粒徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合較好。同時(shí)發(fā)現(xiàn)與熱泳探針采樣-透射電子顯微鏡（TEM）法得到的粒徑結(jié)果也基本相符。

3 研究展望

LII作為一項(xiàng)較為先進(jìn)的非接觸式光學(xué)診斷技術(shù)，能夠獲取激光片光照射薄層內(nèi)瞬時(shí)碳煙濃度的二維空間分布。通過結(jié)合LII數(shù)學(xué)模型還可以獲得碳煙粒徑的信息，而且與其他光學(xué)診斷技術(shù)（如LIF）相結(jié)合還可以獲得燃燒過程的中間產(chǎn)物、碳煙前驅(qū)物等信息，這對(duì)進(jìn)一步了解碳煙的生成和氧化機(jī)理來說具有重要意義。

國內(nèi)外對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)在定量測量碳煙體積分?jǐn)?shù)以及結(jié)合相關(guān)的LII模型推測粒徑方面開展了很多研究工作。利用采樣法、LEM-LII法和2C-LII均可以實(shí)現(xiàn)定量測量，這其中2C-LII因其操作簡單，可以在線實(shí)時(shí)標(biāo)定，因而獲得了快速的發(fā)展。但同國外相比，國內(nèi)LII用于碳煙的測量起步較晚，且在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用以及LII數(shù)學(xué)模型的研究仍處于起步探索階段。

目前LII技術(shù)已經(jīng)在燃燒器火焰、內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)、廢氣排放等多種環(huán)境下的碳煙測量以及生成氧化機(jī)理的研究中得到了應(yīng)用，LII已經(jīng)成為碳煙定量測量以及碳煙生成氧化機(jī)理研究的重要手段。但同時(shí)LII技術(shù)本身仍有很多有待發(fā)展完善的地方，比如入射激光波長和激光能量的優(yōu)化，激光片光均勻性的控制和評(píng)價(jià)，LII數(shù)學(xué)模型以及其中各個(gè)子模型的完善，缸內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，以及碳煙生成和燃燒全過程的精確測量等。從長遠(yuǎn)看，隨著激光器價(jià)格下降，穩(wěn)定性提高，信號(hào)處理方法改進(jìn)以及LII數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，LII必將在揭示內(nèi)燃機(jī)的碳煙生成和氧化機(jī)理、燃燒過程優(yōu)化以及降低碳煙排放方面有著更加廣闊的應(yīng)用前景。

［1］何旭，馬驍，王建昕.光學(xué)診斷在柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙測試中的應(yīng)用［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007（3）：8-13.He X，Ma X，Wang J X.Optical diagnostics for soot measurement in the cylinder of diesel engine［J］.Vehicle Engine，2007（3）：8-13.

［2］岳宗宇.基于激光誘導(dǎo)熾光法的碳煙測量方法研究［D］.天津：天津大學(xué)，2012.Yue Z Y.Investigation on measurement of soot by laser-induced incandescence（LII）［D］.Tianjin：Tianjin University，2012.

［3］Weeks R W，Duley W W.Aerosol-particle sizes from light emission during excitation by TEA CO2laser pulses［J］.Journal of Applied Physics，1974，45（10）：4661-4662.

［4］Eckbreth A C.Effects of laser-modulated particle incandescence on Raman scattering diagnostics［J］.Appl Phys，1977，48（11）：4473-4479.

［5］Dec J E，Loye A O，Siebers D L.Soot distribution in a D.I.diesel engine using 2-D laser-induced incandescence imaging［C］.SAE 910224，1991.

［6］Melton A L.Soot diagnostics based on laser heating［J］.Appl Optics，1984，23（13）：2201-2208.

［7］Dasch C J.New soot diagnostics in flames based on laser vaporization of soot［C］.Proceedings of the Twentieth Symposium（International）on Combustion，1984：1231-1237.

［8］Hofeldt D L.Real-time soot concentration measurement technique for engine exhaust streams［C］.SAE 930079，1993.

［9］Liu F，Stagg B J，Snelling D R，et al.Effects of primary soot particle size distribution on the temperature of soot particles heated by a nanosecond pulsed laser in an atmospheric laminar diffusion flame［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2006，46：777-788.

［10］Liu F，Yang M，Hill F A，et al.Influence of polydisperse distributions of both primary particle and aggregate size on soot temperature in low-fluence LII［J］.Applied Physics B Lasers and Optics，2006，83：383-395.

［11］Bladh H，Bengtsson P，Characteristics of laser-induced incandescence from soot in studies of a time-dependent heat-and mass-transfer model［J］.Applied Physics B，2004，78：241-248.

［12］Bladh H，Bengtsson P，J Delhay Y，et al.Experimental and theoretical comparison of spatially resolved laser-induced incandescence（LII）signals of soot in backward and right-angle configuration［J］.Applied Physics B，2006，83：423-433.

［13］Bladh H，Johnsson J，Bengtsson P.On the dependence of the laser-induced incandescence（LII）signal on soot volume fraction for variations in particle size［J］.Applied Physics B，2008，90：109-125.

［14］Michelsen H A.Understanding and predicting the temporal response of laser-induced incandescence from carbonaceous particles［J］.Journal of Chemical Physics，2003，118（15）：7012-7045.

［15］Fengshan L，Smallwood G J.Relationship between soot volume fraction and LII signal in AC-LII：effect of primary soot particle diameter polydispersity［J］.Applied Physics B，2013，112：307-319.

［16］Bejaoui S，Batut S，Therssen E，et al.Measurements and modeling of laser-induced incandescence of soot at different heights in a flat premixed flame［J］.Applied Physics B，2015，118：449-469.

［17］王飛，嚴(yán)建華，馬增益，等.運(yùn)用激光誘導(dǎo)發(fā)光法測量碳黑粒子濃度的模擬計(jì)算［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（7）：6-11.Wang F，Yan J H，Ma Z Y，et al.Simulation on soot concentration measurement with laser induced incandescence［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26（7）：6-11.

［18］何旭，李紅梅，鄭亮，等.激光誘導(dǎo)熾光技術(shù)測試過程的數(shù)值模擬［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（10）：1048-1053.He X，Li H M，Zheng L，et al.Numerical simulation of the process of laser induced incandescence［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2012，32（10）：1048-1053.

［19］Dec J E，Espey C.Ignition and early soot formation in a DI diesel engine using multiple 2-D imaging diagnostics［C］.SAE Paper 950456，1995.

［20］Dec J E.A conceptual model of DI diesel combustion based on laser-sheet imaging［C］.SAE Paper 970873，1997.

［21］Dec J E，Kelly-Zion P L.The Effects of injection timing and diluent addition on late-combustion soot burnout in a DI diesel engine based on simultaneous 2-D imaging of OH and soot［C］.SAE Paper 2000-01-0238，2000.

［22］田波，顧晨，田志松，等.預(yù)混合乙烯火焰生成物相對(duì)濃度的激光診斷［J］.現(xiàn)代車用動(dòng)力，2012（2）：20-24.Tian B，Gu C，Tian Z S，et al.Laser diagnosis on concentration of soot particles and their precursors in premixed ethylene flames［J］.Modern Vehicle Power，2012（2）：20-24.

［23］陳亮，成曉北，顏方沁，等.基于激光誘導(dǎo)熾光法的柴油噴霧燃燒碳煙生成特性［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30（5）：730-736.Chen L，Cheng X B，Yan F Q，et al.Characteristic of diesel spray combustion and soot formation using laser-induced incandescence［J］.Transaction of CSICE，2012，30（5）：730-736.

［24］陳亮.柴油燃料燃燒碳煙顆粒生成機(jī)理與演變規(guī)律的試驗(yàn)和數(shù)值研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2013.Chen L.Experimental and numerical study on the formation mechanism and evolution of soot particles in diesel fuel combusion process［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2013.

［25］Cheng X B，Chen L，Yan F Q，et al.Study of the characteristic of diesel spray combustion and soot formation using laser-induced incandescence（LII）［J］.Journal of the Energy Institute，2013，87（4）：383-392.

［26］Snelling D R，Thomson K A，Smallwood G J，et al.Spectrally resolved measurement of flame radiation to determine soot temperature and concentration［J］.AIAA Journal，2002，40（9）：1789-1795.

［27］Greis A E，Grünefeld G.Quantitative measurements of the soot distribution in a realistic common rail D.I.diesel engine［C］.11th Int Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics，Lisbon，2002.

［28］鄭亮.用激光誘導(dǎo)熾光法研究燃燒過程中的碳煙生成特性［D］.北京：清華大學(xué)，2014.Zheng L.Research on soot formation characteristics in combustion process［D］.Beijing：Tsinghua University，2014.

［29］Pinson J A，Mitchell D L，Santoro R J.Quantitative，planar soot measurements in a D.I.diesel engine using laser-induced incandescence and light scattering［C］.SAE 932650，1993.

［30］De Francqueville L，Bruneaux G，Thirouard B.Soot volume fraction measurements in a gasoline direct injection engine by combined laser induced incandescence and laser extinction method［J］.SAE International Journal of Engine，2010，3（1）：163-182.

［31］Pastor J V，García-Oliver J M，García A，et al.Application of optical diagnostics to the quantification of soot in n-alkane flames under diesel conditions［J］.Combustion and Flame，2016，164：212-223.

［32］鄭亮，肖國煒，王建昕，等.正庚烷噴霧擴(kuò)散火焰中碳煙體積分?jǐn)?shù)的定量測量［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014，32（1）：14-19.Zheng L，Xiao G W，Wang J X，et al.Quantitative measurement of soot concentration in n-heptane fuel jets［J］.Transaction of CSICE，2014，32（1）：14-19.

［33］Zheng L，Ma X，Wang Z，et al.An optical study on liquidphase penetration，flame lift-off location and soot volume fraction distribution of gasoline-diesel blends in a constant volume vessel［J］.Fuel，2015，139：365-373.

［34］潘振艷.復(fù)雜介質(zhì)中超細(xì)含碳微粒的激光測量實(shí)驗(yàn)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2013.Pan Z Y.Laser measurement experiment research of the ultrafine carbon particles in the complex medium［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2013.

［35］陳玲紅，吳法，王勇，等.基于時(shí)域激光誘導(dǎo)輻射確定湍流火焰煙黑粒徑［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，44（11）：2169-2172.Chen L H，Wu F，Wang Y，et al.The size determination of soot particle in turbulent flame based on time-resolved laser-induced emission［J］.Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2010，44（11）：2169-2172.

［36］左磊.復(fù)雜介質(zhì)中PM2.5的激光測量研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014.Zuo L.Laser measurement research of PM2.5in the complex medium［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2014.

［37］Smallwood G J，Clavel D，Gareau D，et al.Concurrent quantitative laser-induced incandescence and SM PS measurements of EGR effects on particulate emissions from a TDI diesel engine［C］.SAE Paper 2002-01-2715，2002.

［38］Snelling D R，Smallwood G J，Liu F，et al.A calibration-independent laser-induced incandescence technique for soot measurement by detecting absolute light intensity［J］.Applied Optics，2005，44（31）：6773-6785.

［39］Boiarciuc A，F(xiàn)oucher F，Rousselle C M.Soot volume fractions and primary particle size estimate by means of the simultaneous two-color-time-resolved and 2Dlaser-induced incandescence［J］.Applied Physics B，2006，83：413-421.

［40］Aronsson U，Chartier C，Andersson?，et al.Analysis of EGR effects on the soot distribution in a heavy duty diesel engine using time-resolved laser induced incandescence［J］.SAE International Journal of Engines，2010，3（2）：137-155.

［41］Maffi S，Iuliis S D，Cignoli F，et al.Investigation on thermal accommodation coefficient and soot absorption function with two-color Tire-LII technique in rich premixed flames［J］.Applied Physics B，2011，104：357-366.

［42］Bladh H，Johnsson J，Olofsson N E，et al.Optical soot characterization using two-color laser-induced incandescence（2C-LII）in the soot growth region of a premixed flat flame［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2011，33：641-648.

［43］王宇，姚強(qiáng)，何旭，等.用激光誘導(dǎo)可見光法測量電場影響下火焰碳煙顆粒濃度的分布變化［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（8）：34-39.Wang Y，Yao Q，He X，et al.Electric field control of soot distribution in flames using laser-induced incandescence［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28（8）：34-39.

［44］何旭，馬驍，王建昕.用激光誘導(dǎo)熾光法定量測量火焰中的碳煙濃度［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2009，15（4）：344-349.He X，Ma X，Wang J X.Quantitative soot concentration measurement of flame by laser induced incandescence［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2009，15（4）：344-349.

［45］何旭，馬驍，吳復(fù)甲，等.基于激光診斷的生物柴油碳煙生成特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30（1）：1-5.He X，Ma X，Wu F J，et al.Investigation on the soot formation of biodiesel fuel by laser diagnostics［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2009，30（1）：1-5.

［46］張鵬.生物質(zhì)含氧燃料對(duì)碳煙生成影響的光學(xué)診斷研究［D］.天津：天津大學(xué)，2014.Zhang P.Investigation of the effects of biomass oxygenated additives on soot emission with optical diagnosis［D］.Tianjin：Tianjin University，2014.

［47］唐青龍，張鵬，劉海峰，等.利用激光誘導(dǎo)熾光法定量測量柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程碳煙體積分?jǐn)?shù)［J］.物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31（5）：980-988.Tang Q L，Zhang P，Liu H F，et al.Quantitative measurements of soot volume fractions in diesel engine using laser-induced incandescence method［J］.Acta Physico-Chimica Sinica，2015，31（5）：980-988.

［48］Will S，Schraml S，Leipertz A.Two-dimensional soot-particle sizing by time-resolved laser induced incandescence［J］.Optics Letters，1995，20（22）：2342-2344.

［49］Roth P，F(xiàn)ilippov A V.In situ ultrafine particle sizing by a combination of pulsed laser heat up and particle thermal emission［J］.Journal of Aerosol Science，1996，27（1）：95-104.

［50］Mews B，Seitzman J M.Soot volume fraction and particle size measurements with laser-induced incandescence［J］.Applied Optics，1997，36（3）：709-717.

［51］Menkiel B，Donkerbroek A，Uitz R，et al.Measurement of incylinder soot particles and their distribution in an optical HSDI diesel engine using time resolved laser induced incandescence（TR-LII）［J］.Combustion and Flame，2012，159：2985-2998.

［52］Reimann J，Kuhlmann S A，Will S.Improvement in soot concentration measurements by laser-induced incandescence（LII）through a particle size correction［J］.Combustion and Flame，2008，153：650-654.

［53］Goulay F，Schrader P E，Nemes L，et al.Photochemical interferences for laser-induced incandescence of flame-generated soot［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2009，32（1）：963-970.

［54］李紅梅.激光誘導(dǎo)熾光技術(shù)用于碳煙粒徑測試的研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2013.Li H M.Study on the measurement of soot particle size by laser induced incandescence［D］.Beijing：Beijing Institute of Technology，2013.

［55］李紅梅，何旭，鄭亮，等.激光誘導(dǎo)熾光技術(shù)用于碳煙粒徑測試的研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2013，34（7）：1389-1392.Li H M，He X，Zheng L，et al.Study on the measurement of soot particle size by laser induced incandescence［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2013，34（7）：1389-1392.

［56］岳宗宇，張鵬，陳貝凌，等.激光誘導(dǎo)熾光法定量測量碳煙［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2013，19（5）：434-443.Yue Z Y，Zhang P，Chen B L，et al.Quantitative measurement of soot particle by laser-induced incandescence［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2013，19（5）：434-443.

［57］張鵬，劉海峰，陳貝凌，等.摻混含氧燃料的柴油替代物部分預(yù)混火焰中多環(huán)芳香烴的熒光光譜和碳煙濃度［J］.物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31（1）：32-40.Zhang P，Liu H F，Chen B L，et al.Concentration in partially premixed flames of diesel surrogate containing oxygenated additives［J］.Acta Physico-Chimica Sinica，2015，31（1）：32-40.

［58］張鵬，劉海峰，陳貝凌，等.協(xié)流部分預(yù)混燃燒器設(shè)計(jì)及激光診斷測量［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2015，21（2）：157-164.Zhang P，Liu H F，Chen B L，et al.Design of co-flow partially premixed burner and laser diagnostic measurements［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2015，21（2）：157-164.

［59］高永利，何旭，李紅梅，等.激光能量密度對(duì)激光誘導(dǎo)熾光技術(shù)測試碳煙粒徑的影響［J］.紅外與激光工程，2014，43（8）：2425-2430.Gao Y L，He X，Li H M，et al.Impact of laser fluence on test of soot particle size by laser induced incandescence［J］.Infrared and Lased Engineering，2014，43（8）：2425-2430.

Research progress on soot measurement by laser induced incandescence

Liu Fushui，Hua Yang＊，Wu Han，Gao Yongli，Wu Hao
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Laser induced incandescence is a non-contact optical diagnosis method.With this method，we can obtain the two-dimensional spatial distribution of instantaneous soot within the thin layer of incoming sheet laser.This method has become an important measurement technology of soot due to its high spatial and temporal resolution.This paper first introduces the development of LII technology and basic theory.Then the technical methods of LII and research progress at home and abroad are summarized detailedly from three aspects，that numerical simulation，qualitative and quantitative measurement.The LII mathematical model mainly includes Melton model，Liu model and Michelsen model.These models can be used to predict the change rule of LII signal and also lay a foundation for the test of soot particle size.To realize quantitative measurement，the calibration of LII signal is necessary.This is also one of the difficulties in LII measurement.There are mainly three methods for calibration，that are sampling technique，light extinction method（LEM）and 2-color laser induced incandescence（2C-LII）.The sampling technique is less used because it will disturb the combustion process and mix impurities.The LIILEM needs two laser systems and uses the measuring result of LEM to calibrate the LII signal，so its operation is complicated.Nevertheless，2C-LII does not need other measurement technology and can realize online real-time calibration.Since this method is relatively simple，it develops rapidly and has achieved many significant results.Naturally，LII technology still needs improvement，such as optimizing the incident laser wavelength and energy，controlling the uniformity of laser sheet，perfecting the LII mathematical model，and extending the application in complex environment.Through summarizing the research achievements of LII technology，this paper aims to emphasize the research status and the importance of this method in understanding the soot formation and oxidation mechanism，and providing some references for its future development.

laser induced incandescence；soot；quantitative measurement；optical diagnosis；research progress

TK421

A

（編輯：張巧蕓）

2016-06-27；

2016-08-05

＊通信作者E-mail：huayanghenan＠163.com

LiuFS，HuaY，WuH，etal.Researchprogressonsootmeasurementbylaserinducedincandescence.JournalofExperimentsinFluid Mechanics，2017，31（1）：1-12.劉福水，花 陽，吳 晗，等.基于激光誘導(dǎo)熾光法進(jìn)行碳煙測量的研究進(jìn)展.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2017，31（1）：1-12.

1672-9897（2017）01-0001-12

10.11729／syltlx20160104

劉福水（1964-），男，河北衡水人，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：內(nèi)燃機(jī)總體設(shè)計(jì)、燃燒與仿真、氫能源動(dòng)力等。通信地址：北京市海淀區(qū)北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院（100081）。E-mail：fushui＿liu＠bit.edu.cn