何 旭, 伍 岳, 馬 驍, 李雁飛, 齊運亮, 劉澤昌, 徐一凡, 周 揚, 李熊偉, 劉 聰, 馮海濤, 劉福水,*

(1.北京理工大學 機械與車輛學院, 北京 100081; 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100081; 3.清華大學 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室, 北京 100084)

0 引 言

經(jīng)過100多年的發(fā)展，活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(以下簡稱為發(fā)動機)廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、國防等各個領域，是當今世界用量最大、用途最廣的重要熱能動力機械，在國民經(jīng)濟、國防建設和人們生活中發(fā)揮著重要作用[1]。發(fā)動機缸內(nèi)工作過程如進氣流動、噴霧、混合氣形成和燃燒，是一個復雜多變的物理、化學過程，其完善程度直接決定了發(fā)動機的動力與經(jīng)濟指標、零部件的熱負荷與機械負荷、使用壽命與可靠性，是發(fā)動機研發(fā)的核心環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代發(fā)動機是先進技術的集合體，其研發(fā)不僅需要大量的經(jīng)驗積累，而且非常需要前沿基礎研究的引導。由于國際競爭激烈，民族品牌必須依靠自己的力量，在發(fā)動機研發(fā)領域實現(xiàn)自主創(chuàng)新，必須重視和大力開展基礎研究工作，用理論來指導實際研發(fā)工作，以優(yōu)化組織燃燒過程為正向研發(fā)的主體框架，全面提高我國發(fā)動機的性能。當前，我國在發(fā)動機燃燒領域的基礎研究依然比較薄弱，理論研究與世界先進水平有較大的差距，主要表現(xiàn)在缺乏具有引領性的先進燃燒概念和模型，發(fā)動機臺架試驗研究和基礎理論研究脫節(jié)較為明顯，相互支撐不足。

在發(fā)動機研究工作中如要獲得有應用前景的實用技術，就必須進行深入基礎理論研究和創(chuàng)新性探索，加深對發(fā)動機缸內(nèi)現(xiàn)象的理解和認識，這一切都依賴于整個工作過程的實時觀測與診斷。光學診斷技術具有不干擾被測對象、測試精度高、時間響應快、結果直觀形象等特點，尤其近年來隨著以激光和CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合器件)為代表的現(xiàn)代光學技術的發(fā)展，光學診斷已經(jīng)成為發(fā)動機測試中的重要手段。歐洲、美國、日本等都已經(jīng)全面系統(tǒng)地開展缸內(nèi)可視化研究，大量應用以二維激光片光診斷為代表的激光測試，并進一步探索三維、高速光學診斷技術。

隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬與仿真技術在發(fā)動機研發(fā)過程中愈顯重要，其中邊界條件的確立和數(shù)學模型的標定，都離不開光學診斷試驗數(shù)據(jù)的支持。目前國際上知名高校和發(fā)動機公司普遍采用發(fā)動機臺架試驗、數(shù)值模擬和可視化診斷三者相結合的方法進行相關研究。可見利用光學診斷技術，既可以深化對發(fā)動機缸內(nèi)工作過程的認識，又可以為數(shù)值模擬的結果提供試驗驗證，對基礎理論研究和實際生產(chǎn)研發(fā)都具有重要價值。

近年來我國在發(fā)動機光學診斷技術上取得了很大進展，但和國際先進水平還有較大的差距，試驗平臺和激光測試技術的創(chuàng)新研發(fā)和應用水平有待進一步提高。為此本文對開展發(fā)動機光學診斷所需要的主要試驗平臺和常用光學測試技術進行綜述，詳細討論相關基本原理、技術細節(jié)和特點，介紹一些應用實例，并進行總結與展望。

1 試驗平臺

發(fā)動機的實際燃燒、傳熱、燃料蒸發(fā)與擴散過程十分復雜，并伴隨循環(huán)之間的變動，要獲取真實準確的試驗過程參數(shù)或者保持每循環(huán)之間的工作條件不變非常困難。因此發(fā)動機工作過程的基礎研究需要一個良好、穩(wěn)定、可控的工作環(huán)境和可視化的測量條件。

模擬試驗是揭示缸內(nèi)工作過程機理的有效手段，它可以有選擇地控制該過程中的某些主要參數(shù)，忽略其他參數(shù)的影響，從而大大簡化試驗工作，同時也便于找出工作過程與某些參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。目前發(fā)動機光學診斷主要在定容燃燒彈(以下或簡稱為容彈)、快速壓縮機、光學發(fā)動機上進行，它們對真實發(fā)動機工作過程的簡化程度逐漸降低，越來越接近真實發(fā)動機。

1.1 定容燃燒彈

定容燃燒彈(Constant Volume Combustion Bomb,CVCB)通常用來研究上止點附近近似等容條件下的發(fā)動機噴霧和燃燒特性。定容燃燒彈一般為強度很大的開有光學視窗的高強度容器，通過點燃預混合氣或對工質(zhì)直接加熱，形成熱氛圍，模擬發(fā)動機在上止點附近的高溫高壓狀態(tài)。定容燃燒彈結構簡單，溫度壓力便于精確控制，且光學視窗上的油污、水蒸氣和碳煙易于清除，特別是在需要進行變參數(shù)研究時，定容燃燒彈可以在較大的范圍內(nèi)對環(huán)境溫度、壓力、氣體組分等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，流場對噴霧燃燒過程的影響較小，而且測試空間相對較大，適合于噴霧和燃燒特性的基礎研究。

1.1.1 點燃式定容燃燒彈

點燃式發(fā)動機如汽油機、氣體燃料發(fā)動機等的可燃混合氣燃燒大多數(shù)屬于預混燃燒[2]，其火焰?zhèn)鞑ニ俣仁前l(fā)展化學動力學機理、優(yōu)化燃燒系統(tǒng)結構和預測燃燒排放特性的基本參數(shù)。因此，研究不同燃料在不同條件下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦跃哂兄匾饬x，通常需要在點燃式定容燃燒彈上進行相關研究。

為研究無約束狀態(tài)下火焰自由傳播特性，北京理工大學楊青等[3]采用如圖1所示的球形點燃式定容燃燒彈系統(tǒng)開展試驗研究。該系統(tǒng)由球形定容燃燒彈、加熱和溫度控制系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)和高速紋影拍攝系統(tǒng)5部分組成。球形容彈由OCr18Ni9不銹鋼制成，內(nèi)部直徑為400 mm，最高工作壓力為4 MPa，溫度為650 K。容彈對稱布置了2個直徑為76 mm的光學視窗，用于觀察火焰發(fā)展傳播過程。加熱系統(tǒng)由均勻布置在腔體外表面的加熱電阻絲組成，功率為3.6 kW，外圍包裹石棉來進行絕熱和保溫。通過熱電偶監(jiān)測容彈內(nèi)部可燃混合氣的溫度，溫度控制系統(tǒng)根據(jù)熱電偶的反饋來調(diào)節(jié)加熱功率，達到設定目標溫度。點火系統(tǒng)通過容彈中心對稱布置的2根電極來點燃混合氣，同時觸發(fā)高速紋影拍攝系統(tǒng)工作，獲取火焰圖像。進排氣系統(tǒng)由管路、閥門、壓力表和真空泵組成，根據(jù)分壓法計算混合氣中各組分的壓力，按照壓力表示數(shù)，精確控制混合氣組分比例。試驗結束后，用真空泵徹底排出燃燒廢氣，防止對下次試驗產(chǎn)生干擾，每次試驗間隔約10 min。

圖1 球形點燃式定容燃燒彈系統(tǒng)示意圖[3]

在該裝置上，何旭等[4]測量了不同摻氫比、當量比下的汽油表征燃料TRF(Toluene Reference Fuel,甲苯參考燃料)與氫氣摻混后的層流火焰速度。如圖2所示，隨著摻氫比的增加，層流火焰速度增加；隨著當量比的增加，層流火焰速度先增加后減小。

利用這種球形點燃式定容燃燒彈，清華大學的蔣一州等[5]對比研究了2-甲基四氫呋喃與乙醇、異辛烷的層流燃燒特性。比利時根特大學的Verhelst等[6]研究了氫氣在發(fā)動機實際運行工況下的火焰燃燒速度和馬克斯坦長度的變化規(guī)律。沙特阿卜杜拉國王科技大學的Mannaa等[7]研究了乙醇和EGR(Exhaust Gas Recirculation,廢氣再循環(huán))對發(fā)動機內(nèi)不同燃料的層流燃燒特性的影響。

除球形定容燃燒彈外，圓柱形點燃式容彈也被廣泛應用于燃料的層流燃燒特性研究。西安交通大學的黃佐華團隊[8-10]在圓柱形容彈(內(nèi)徑180 mm，長211 mm)上，研究了不同溫度、壓力、當量比以及稀釋比下碳氫燃料及各種醇類燃料的層流燃燒特性。清華大學孫雯禹、鐘北京等[11-12]利用類似的裝置研究了聚甲醛二甲基醚(POMDME3)以及C7燃料等(正庚烷、甲苯、甲基環(huán)己烷)的層流燃燒特性。武漢理工大學張尊華等[13]系統(tǒng)測量了ABE(丙酮(Acetone)-丁醇(Butanol)-乙醇(Ethanol))等燃料在不同溫度以及當量比下的層流燃燒速度。普林斯頓大學的Law等[14]研究了丙烷/氫氣的火焰不穩(wěn)定性及燃燒速度。韓國釜慶大學的Vu等[15-16]研究了烴類燃料(CH4、C3H8、C4H10)添加量對合成氣(H2、CO混合氣)球形膨脹預混火焰胞狀不穩(wěn)定性的影響。

隨著對發(fā)動機性能要求的不斷提高，合理組織發(fā)動機缸內(nèi)流動、實現(xiàn)可控湍流燃燒，對提高發(fā)動動力性、經(jīng)濟性具有十分重要的意義[17]。為研究湍流火焰?zhèn)鞑ミ^程，北京交通大學李國岫團隊[18]研制了如圖3所示的湍流定容燃燒彈。

該定容燃燒彈為球形，內(nèi)徑380 mm，在彈體內(nèi)部等距離安裝4個風扇，每個風扇前端固定孔徑為12 mm的孔板。風扇由4臺電動機分別進行驅動，通過變頻器可以調(diào)節(jié)風扇的轉速，變化范圍為0～5680 r/min。容彈內(nèi)配置好混合氣后，4個風扇在相同轉速下運轉2～3 min，然后點火并記錄火焰發(fā)展圖像，來研究不同湍流強度下的火焰結構和傳播特性。結果表明，隨著湍流強度的增加，火焰表面的褶皺因子增加，火焰鋒面距火焰中心距離的波動情況加劇，且波動的幅值呈現(xiàn)出增加的趨勢。西安交通大學趙浩然等[19]在類似的裝置上對比研究了CO/H2混合燃料的層流與湍流燃燒特性。如圖4所示，當火焰半徑R(對于湍流火焰，R為根據(jù)二維火焰面積折算的當量半徑)相同時，層流火焰表面比較光滑，但由于點火能量和火焰不穩(wěn)定性的作用，火焰表面出現(xiàn)了一些裂紋。而對于湍流火焰，由于渦的拉伸作用，火焰表面出現(xiàn)很多不規(guī)則褶皺，因此，即使在相同半徑下，湍流火焰的總表面積比層流火焰大，導致更大的湍流燃燒速度。

圖4 CO/H2/空氣混合物的層流和湍流火焰[19]

受容彈結構強度的限制，點火時刻預混氣的初始壓力一般不超過0.8 MPa。然而，隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，壓縮比不斷增加以及增壓技術的應用，點火時刻的壓力也不斷提高，因此需要研究高壓條件下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴?/p>

普林斯頓大學開發(fā)的高壓雙腔定容燃燒彈[20-21]如圖5所示。該容彈由2個圓柱形腔體組成，內(nèi)腔直徑82.55 mm，長127 mm，在試驗中初始填充可燃預混氣；外腔直徑273.05 mm，長304.8 mm，初始充滿惰性氣體。2個腔室最初由2個穿孔套管隔開，在點火之前，2個套管相互滑動，使其穿孔對齊，2個腔室中的氣體接觸。可燃混合氣在內(nèi)腔中心被火花點燃，隨著火焰的傳播，內(nèi)腔的壓力不斷增加，但與外腔相比，內(nèi)腔體積較小，僅引起3%的壓力增加，因此火焰的傳播過程可認為是在恒壓環(huán)境中進行的。該裝置最大工作壓力可達9.5 MPa。

圖5 高壓雙腔定容燃燒彈結構示意圖[21]

圖6 初始壓力2 MPa下正丁醇-空氣燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程[24]

點燃式定容燃燒彈多和紋影拍攝系統(tǒng)相結合，用來研究不同燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰不穩(wěn)定性、點火極限等，為化學反應動力學模型開發(fā)和燃燒系統(tǒng)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1.1.2 預燃加熱式定容燃燒彈

點燃式容彈一般采用外壁布置加熱絲或者加熱棒來對容彈內(nèi)部氣體進行加熱，溫度可達700 K。對于柴油機這種缸內(nèi)壓縮自燃著火的噴霧燃燒研究，則需要更高的環(huán)境溫度，可以采用預燃加熱式定容燃燒彈，通過點燃容彈內(nèi)部預先充入的混合氣來模擬柴油機壓縮上止點附近的高溫高壓環(huán)境。

美國桑迪亞國家實驗室設計的預燃加熱式定容燃燒彈如圖7所示[25-26]。該容彈的容積為1.15 L，最高能夠承受1400 K、35 MPa的環(huán)境溫度和壓力。6個方向各有一個窗口，在頂部布置了火花塞和混合風扇，容彈右側窗口用于固定噴油器，其他4個窗口安裝藍寶石光學視窗，有效直徑102 mm。容彈8個頂角處開有直徑為19 mm的小窗口，用來布置熱電偶、壓力傳感器和進排氣閥門。容彈壁面最高可加熱到525 K，來模擬發(fā)動機壁面溫度，并防止燃燒產(chǎn)生的水蒸氣在光學視窗上凝結。

圖7 預燃加熱式定容燃燒彈結構示意圖和實物圖[25-26]

試驗開始時，先在容彈中充入可燃氣體如C2H2、H2等和空氣形成可燃預混氣，點燃后在容器內(nèi)形成高溫、高壓的環(huán)境，在0.12 s時刻形成如圖8所示的第一個壓力峰值。隨著燃燒產(chǎn)物和容彈壁面之間熱傳遞的發(fā)展，環(huán)境溫度和壓力不斷降低。當達到所需的目標壓力時，噴油器被觸發(fā)，燃料噴入容彈內(nèi)開始霧化、混合和燃燒，在1.65 s時刻產(chǎn)生第二個壓力峰值。通過調(diào)整預混氣的配比，可以獲取不同的環(huán)境狀態(tài)，如惰性氣體(0% O2)、空氣(21% O2)或者模擬EGR。風扇的運行使容彈內(nèi)部點火時刻環(huán)境氣體溫度的空間均勻性很好，最大溫度偏差僅±2%。風扇產(chǎn)生的氣體流速約1 m/s，比液體燃料射流的速度小2個數(shù)量級[27]，基本不會對噴射特性產(chǎn)生影響。

圖8 預燃加熱式定容燃燒彈壓力曲線[25]

基于此容彈的燃燒激光測試結果，F(xiàn)lynn等[28]研究發(fā)現(xiàn)柴油自燃著火點在當量比約為4的區(qū)域，而不是原來認為的靠近油束邊緣當量比為1的區(qū)域。碳煙在燃燒早期就已經(jīng)在油束的中心部位生成，而不是原來認為的在擴散燃燒中產(chǎn)生。

在這種預燃加熱式定容燃燒彈上，天津大學的蘇萬華團隊[29-33]基于復合激光誘導熒光(Laser Induced Exciplex Fluorescence，LIEF)技術，通過熒光強度和混合氣濃度標定，獲取柴油噴射過程中氣液兩相濃度分布，并研究了各種因素對混合氣形成的影響。清華大學肖國煒等[34]采用高速顯微攝影，在環(huán)境壓力2～10 MPa、環(huán)境溫度900～1300 K的范圍內(nèi)，對液體燃料跨/超臨界射流特性進行研究，對比傳統(tǒng)破碎和霧化現(xiàn)象與超臨界噴射的不同。華中科技大學的鄧鵬等[35]為擴展定容燃燒彈功能，采用模塊化設計思想，研制出一種預燃加熱式定容燃燒彈，可用其模擬壓力0.04～10.00 MPa、溫度300～1300 K、氧濃度0%～21%的缸內(nèi)環(huán)境，結合高速紋影法，實現(xiàn)對燃料噴射、蒸發(fā)混合和著火燃燒過程的測試。北京理工大學的李峰等[36]采用紋影法研究了導管引導噴射(Ducted Fuel Injection，DFI)的噴霧特性，并與自由射流噴霧進行對比，研究表明導管引導噴射產(chǎn)生的噴霧貫穿距離和錐角更大，能夠改善空氣和燃料的混合過程。

在這種預燃加熱式定容燃燒彈上，荷蘭埃因霍溫理工大學的Meijer等[37]研究了不同配比的預混氣在不同的邊界條件下對噴霧和燃燒的影響，并建立了一維預測模型。法國石油研究院的Tagliante等[38]基于光學診斷技術，研究了單孔噴油器的柴油噴霧燃燒過程中甲醛的位置對火焰浮起長度的影響。密歇根理工大學的Cung等[39]通過陰影法和高速直拍法分別獲得了氣相噴霧和火焰圖像，基于測試結果，建立三維仿真模型，對噴霧燃燒過程進行仿真和優(yōu)化，最終確定了以降低碳煙排放為目標的多次噴射策略。

預燃加熱式容彈容積相對較小，通過控制預混氣的配比，可以對較大范圍的溫度、壓力和氧含量進行調(diào)節(jié)，在全世界范圍得到了廣泛應用。由于每次配氣點燃只能進行一次噴霧燃燒試驗，試驗效率比較低。預混氣配置過程中要注意安全，對實驗室安全條件要求比較高。

1.1.3 內(nèi)部加熱式定容燃燒彈

利用容彈內(nèi)的可燃混合氣燃燒可以獲取較高的環(huán)境溫度和壓力，但燃燒產(chǎn)物如二氧化碳、水等對后續(xù)燃燒會產(chǎn)生影響。對于環(huán)境溫度≤900 K、壓力≤8 MPa的試驗或者環(huán)境氣體組分控制要求較高的試驗，可以采用內(nèi)置加熱模塊的內(nèi)部加熱式定容燃燒彈，將工作介質(zhì)充入容彈內(nèi)直接進行加熱。

北京理工大學何旭等設計的內(nèi)部加熱式定容燃燒彈試驗系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 內(nèi)部加熱式定容燃燒彈結構示意圖

該容彈本體為圓柱形結構，高810 mm，直徑530 mm，內(nèi)部容積15 L，較大的內(nèi)部空間避免了容彈壁面對著火和燃燒過程的干擾。容彈最高設計壓力10 MPa、溫度900 K，溫度波動≤±15 K。容彈上端蓋安裝噴油器適配器，可以固定柴油機高壓共軌噴射系統(tǒng)或者汽油機噴射系統(tǒng)。上端蓋下方沿周向布置4個光學視窗，安裝厚70 mm的石英玻璃，其有效直徑100 mm，為光學診斷提供必要的光學通道。視窗下方為功率12 kW的加熱瓦，功率可以根據(jù)試驗要求進行控制和調(diào)節(jié)。初次試驗時，從室溫加熱到900 K需要大約45 min；待彈體溫度達到熱平衡，后續(xù)試驗每次加熱大約需要5 min。由于內(nèi)部空間較大，可以通過增加噴射間隔來降低上一次的噴射產(chǎn)物帶來的干擾，在一次加熱過程中，進行多次噴射來提高試驗效率。加熱瓦與容彈壁面之間和上端蓋底部布置絕熱層，以降低散熱損失。容彈下端蓋布置了進排氣接口，氮氣或空氣通過進氣系統(tǒng)充入容彈進行加熱，試驗結束后高溫燃氣經(jīng)冷卻裝置降溫后排出。容彈四周預留多組接口，用于安裝壓力、溫度傳感器，以對容彈內(nèi)部環(huán)境進行狀態(tài)監(jiān)測，相關數(shù)據(jù)可以自動存儲。

容彈內(nèi)高溫高壓的環(huán)境氣體會加熱噴油器，特別是噴嘴的壁面溫度會直接影響噴射時燃油的溫度，導致熱力學狀態(tài)發(fā)生變化，進而影響霧化和蒸發(fā)特性。為精確控制燃油進入容彈前的溫度，采用如圖10所示的噴油器適配器，通過冷卻水對噴油器主體進行恒溫冷卻，同時在適配器下方安裝絕熱陶瓷，來降低容彈內(nèi)高溫高壓氣體對噴油器頭部的傳熱。

圖10 噴油器適配器結構示意圖

為精確獲取燃油進入容彈前的溫度，需要對容彈不同工況點進行標定。標定時采用噴油器假體代替噴油器，噴油器頭部采用尚未打孔并去掉針閥的毛坯噴嘴。用注射器將燃油灌滿噴嘴內(nèi)部空間，熱電偶從上方插入，測量噴嘴內(nèi)部的燃油溫度。通過調(diào)節(jié)冷卻水溫度，即可獲得不同容彈加熱條件下的燃油溫度。

在這種內(nèi)部加熱式定容燃燒彈上，何旭等[40]采用高速攝影法，對不同摻混比例的生物柴油混合燃料進行著火特性研究。如圖11所示，每種燃料挑選著火后的第一、二張圖片進行對比，圖片的拍攝時間用噴射開始后的時間(Time After the Start of Injection，ASI)表示。研究表明，生物柴油和柴油相比，滯燃期縮短，著火點數(shù)量增多。

圖11 不同生物柴油混合燃料著火特性[40]

在這種內(nèi)部加熱式定容燃燒彈上，清華大學鄭亮等[41]用Mie散射法、OH基發(fā)光法、激光誘導熾光和激光消光法分別研究了汽柴油混合燃料的噴霧液相貫穿距、火焰浮起長度和碳煙濃度，以及汽柴油混合比例對這些參數(shù)的影響。研究結果表明，隨著汽油摻混比例的提高，噴霧的液相貫穿距縮短，火焰浮起長度增加，碳煙總體濃度和峰值濃度都有所降低。江蘇大學玄鐵民[42]、鐘汶君[43]等在內(nèi)部加熱式容彈上研究了加氫催化生物柴油氣液兩相貫穿距離、火焰浮起長度和碳煙生成特性，并和普通柴油進行了對比。上海交通大學夏津等[44]使用總容積43 L的內(nèi)部加熱式容彈來模擬船用大缸徑發(fā)動機，研究船用柴油機在亞臨界、跨臨界和超臨界條件下的噴霧特性。日本千葉大學的陳潤和廣島大學的西田惠哉等[45]采用雙波長激光吸收散射法，在1 MPa、500 K的環(huán)境條件下，系統(tǒng)考察不同噴射壓力和不同乙醇摻混比例對乙醇汽油混合燃料的混合氣形成特性影響。

內(nèi)部加熱式定容燃燒彈由于采用直接加熱方式，相對安全可靠；溫度、壓力、氣體成分可以獨立精確控制；操作簡單，加熱周期短，試驗效率較高，在中國和日本得到了廣泛應用。

1.1.4 流動加熱式定容燃燒彈

流動加熱式定容燃燒彈通過外部加熱模塊，不斷地將高溫高壓氣體連續(xù)輸入容彈內(nèi)部，來模擬發(fā)動機上止點附近的缸內(nèi)熱力學環(huán)境，為發(fā)動機噴霧和燃燒過程研究提供支持[46]。

圖12為西班牙瓦倫西亞大學的流動加熱式定容燃燒彈結構示意圖[47]。該容彈最高工作壓力15 MPa，溫度1000 K。高壓氣體從容彈的底部進氣口進入容彈，彈頂部排氣口流出，容彈內(nèi)的氣體大約4 s可以完成一次更新。氣體在進入容彈之前，由總功率30 kW的電加熱絲加熱，達到所需的目標溫度。容彈周向布置4個直徑為128 mm的視窗，噴油器安裝在其中的1個視窗上，其他3個視窗安裝光學石英玻璃，用于照明或者拍攝容彈內(nèi)的噴霧燃燒過程。為保證容彈內(nèi)部溫度場的均勻性，該容彈采用雙層結構設計，外層較厚的彈體用來承受容彈內(nèi)部氣體的高壓；內(nèi)層較薄的結構用來減少散熱損失，并且內(nèi)層結構的壁面也采用電加熱，減小溫度梯度。容彈內(nèi)部有效容積6 L，壁面最高溫度378 K，內(nèi)部氣體流速約為0.2～0.4 m/s，遠低于燃油噴射的速度，因此不會對燃油噴射造成影響。

圖12 流動加熱式定容燃燒彈結構示意圖[47]

如圖13所示，整個試驗系統(tǒng)主要由氣體壓縮裝置、加熱系統(tǒng)、流動容彈本體和控制系統(tǒng)4部分組成。通過空氣壓縮機將氮氣和氧氣壓入高壓罐，氮氣和氧氣的比例可調(diào)。將罐內(nèi)的高壓混合氣體導出，經(jīng)加熱系統(tǒng)加熱后進入容彈內(nèi)部形成高溫高壓環(huán)境，然后再從容彈流出。控制系統(tǒng)用來調(diào)節(jié)容彈內(nèi)部的溫度和壓力，并同步觸發(fā)燃油噴射、激光照明和相機拍攝等操作。

圖13 流動加熱式定容燃燒彈試驗系統(tǒng)示意圖[47]

在流動加熱式定容燃燒彈上，瓦倫西亞大學Benajes等[48]以正十二烷為燃料，采用紋影法和化學發(fā)光法來判斷自燃著火時刻并獲得滯燃期和火焰浮起長度，發(fā)現(xiàn)氧氣濃度越高、噴射壓力越高，滯燃期越短；而火焰浮起長度與氧氣濃度和噴射壓力呈負相關的關系。瑞典查爾默斯理工大學Du等[49]在類似的流動加熱式容彈上研究了柴油中摻混乙醇對噴霧和燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同摻混比例對液相噴霧貫穿距和錐角沒有顯著影響。降低環(huán)境溫度會增加滯燃期，減小碳煙生成速率，并且這種趨勢隨著乙醇的摻混比例增加而更加明顯。德國紐倫堡-厄爾蘭根大學Vogel等[50]研究了噴油量對噴霧和著火過程的影響。利用2臺相機，分別拍攝火焰的紫外光部分和可見光部分，來評估預混燃燒和擴散燃燒。結果表明影響滯燃期的關鍵參數(shù)是環(huán)境溫度和噴射壓力，因為這2個參數(shù)影響液滴的尺寸和分布情況。環(huán)境壓力影響著火位置，噴油量對滯燃期影響不大，但對著火位置和火焰亮度有顯著影響。此外，Vogel等[51]還通過化學發(fā)光和激光誘導熾光法研究不同種類柴油的碳煙生成特性。當燃料分子內(nèi)部有氧原子時，即使總體空燃比保持不變，燃燒也會向預混火焰方向轉變，例如生物柴油會呈現(xiàn)更低的碳煙排放趨勢。北京理工大學劉波[52]在流動容彈上研究汽柴油混合燃料的著火及燃燒特性，發(fā)現(xiàn)汽油摻混比越高，滯燃期越長，著火位置距離噴嘴越遠；從如圖14所示準穩(wěn)態(tài)時刻OH基分布圖上可以看出，隨汽油摻混比例的增加，火焰浮起長度和高溫反應區(qū)域亮度值也越大，同時空氣卷吸率也有所提高。

圖14 不同汽油摻混比例下的準穩(wěn)態(tài)噴射OH基分布圖[52]

與預燃加熱式和直接加熱式容彈相比，流動容彈內(nèi)的熱力環(huán)境更為穩(wěn)定，試驗重復性好，同時容彈內(nèi)部連續(xù)的氣體更換也能大幅度提高試驗效率。但由于需要有配套的制氮系統(tǒng)和空氣壓縮機，系統(tǒng)相對復雜，成本較高，使其尚未得到廣泛應用。

典型容彈特征參數(shù)總結如表1所示。定容燃燒彈忽略氣流運動的影響，更關注上止點附近定容環(huán)境下的噴霧和燃燒工作過程，可以研究不同燃料層流火焰燃燒特性及噴射、霧化、混合和燃燒特性，其邊界條件精確可控，適用于基礎研究和仿真模型標定，在發(fā)動機先期研發(fā)中具有重要作用。

表1 典型容彈特征參數(shù)對比

1.2 快速壓縮機

和定容燃燒彈相比，為進一步接近真實發(fā)動機，通常采用快速壓縮機(Rapid Compression Machine,RCM)作為模擬裝置?？焖賶嚎s機利用活塞對工質(zhì)進行壓縮，使其達到高溫高壓狀態(tài)，然后在此高溫高壓環(huán)境下進行試驗[55]?？焖賶嚎s機結構較為簡單，可以方便地布置光學窗口，開展多種光學診斷，進行發(fā)動機缸內(nèi)氣流運動、噴霧和燃燒過程的基礎研究。

快速壓縮機活塞通常使用氣壓或液壓驅動[56-70]。當活塞到達壓縮終點后，將其固定在終點位置，燃燒室容積不再發(fā)生變化。少數(shù)快速壓縮機也設計有膨脹功能[57, 69-71]，以使其工作過程更接近真實發(fā)動機。快速壓縮機通過控制氣壓或液壓系統(tǒng)改變驅動壓力，壓縮沖程時間一般可控制在數(shù)十毫秒以內(nèi)，最快可以達到5 ms[68]，能模擬較寬發(fā)動機轉速范圍?；钊\動規(guī)律完全由驅動氣體及燃燒室內(nèi)受壓縮氣體的壓力差決定，雖然這對于研究著火和滯燃期等基礎燃燒問題并無影響，但除上止點附近位置外，其余位置的活塞運動規(guī)律與真實發(fā)動機還有一定的差別。

經(jīng)過多年發(fā)展，快速壓縮機已在國際上眾多的研究機構得到了廣泛應用[55]。我國一些研究單位近年來也相繼建立了快速壓縮機，如清華大學[56, 72-73]、吉林大學[74-76]、上海交通大學[77-78]、北京工業(yè)大學[60,79-80]、天津大學[59, 81]、西安交通大學[82-83]等通過使用不同形式的快速壓縮機，進行了燃料滯燃期測量和發(fā)動機爆震機理研究，取得了較大進展。

目前國際上正在使用的快速壓縮機較多，但其工作原理基本上可以歸納為表2中的幾種典型代表形式。下文將對這幾種快速壓縮機進行較為詳細的介紹。

圖15為清華大學設計的一種氣壓驅動活塞直連式快速壓縮機[84]，燃燒室直徑50.8 mm，活塞行程500 mm，通過調(diào)整燃燒室余隙高度可以調(diào)整壓縮比，幾何壓縮比范圍為5～30。其主體結構由氣罐、驅動段、液壓段、壓縮段和燃燒室構成。在驅動段、液壓段、壓縮段內(nèi)各裝有1個活塞，3個活塞通過軸連接為一體，面積依次減少。在壓縮開始前，活塞置于下止點，然后通過向液壓段泵送高壓液壓油將活塞固定在下止點位置。當連接驅動段與氣罐的閥門打開后，驅動段將充入高壓氣體。將液壓段內(nèi)控制電磁閥打開后，液壓段泄壓，驅動段內(nèi)活塞在高壓氣體的驅動下帶動整套活塞機構運動并壓縮混合氣。液壓段內(nèi)活塞頭部設計有減速機構，可以在接近壓縮上止點時對整套活塞減速，實現(xiàn)對壓縮過程啟?？刂?。由于驅動段活塞的面積遠大于壓縮段，當壓縮完成后，在驅動段內(nèi)高壓氣體的作用下，活塞將固定在壓縮終點位置，燃燒室內(nèi)的過程為定容過程。

圖15 清華大學的氣壓驅動-活塞直連式快速壓縮機[84]

美國密歇根大學[85]設計了另外一種由氣壓驅動的快速壓縮機，如圖16所示，圖中同時給出了其結構參數(shù)。該快速壓縮機同樣利用驅動段和壓縮段的較大面積比實現(xiàn)活塞驅動，但其使用了單個飛行活塞(Sabot)代替了多個活塞直連，降低了系統(tǒng)復雜程度。在接近壓縮終點時，飛行活塞頭部將卡入燃燒室內(nèi)，在驅動段高壓氣體和卡入過程產(chǎn)生的摩擦力共同作用下，活塞將固定在壓縮終點位置。

圖16 密歇根大學的氣壓驅動-飛行活塞式快速壓縮機[85]

圖17為德國慕尼黑工業(yè)大學的一種氣壓驅動-活塞嵌套式快速壓縮機[69]。該快速壓縮機的燃燒室直徑為84 mm，壓縮比可調(diào)，并可實現(xiàn)膨脹功能，主要用于模擬實際發(fā)動機工作過程。當工作活塞位于下止點位置時，其尾部頂在行程調(diào)整活塞內(nèi)，且其外壁通過密封環(huán)密封。這樣就將驅動段分割為內(nèi)外2個空間。開始工作時，先從進氣口通入高壓空氣，此時由于電磁閥處于關閉狀態(tài)且驅動段外腔內(nèi)充滿液壓油，驅動活塞將不會運動。當電磁閥打開后，驅動段內(nèi)的液壓油從驅動段外腔經(jīng)過行程調(diào)整活塞內(nèi)的油腔流入工作活塞內(nèi)腔，推動其向上止點方向運動。隨著驅動活塞向下止點方向運動、擠壓驅動段空間，工作活塞將進一步加速向上止點運動。行程調(diào)整活塞的端部設置有卡槽，當壓縮過程接近終了，驅動活塞將卡入卡槽內(nèi)。由于卡槽具有特殊設計的形狀，在驅動活塞的卡入過程中，可使其平緩減速。此時燃燒室內(nèi)的壓力較高，而驅動段內(nèi)壓力較低。在氣壓作用下，工作活塞將向下止點運動，開始膨脹沖程。通過調(diào)整行程調(diào)整活塞位置，即可改變工作活塞的有效行程，獲得不同的壓縮比。與真實發(fā)動機相比，在上止點前后±40° CA(Crank Angle,曲軸轉角)的范圍內(nèi)，快速壓縮機與真實發(fā)動機的活塞運動規(guī)律吻合度較高，特別是在上止點前后±20° CA范圍內(nèi)，二者幾乎完全吻合。

圖17 慕尼黑工業(yè)大學的氣壓驅動-活塞嵌套式快速壓縮膨脹機[69]

為使快速壓縮機的活塞運動規(guī)律更為接近真實發(fā)動機，少數(shù)快速壓縮機使用氣壓或液壓系統(tǒng)控制具有特殊型線的凸輪驅動活塞[87-89]，以實現(xiàn)特定的活塞運動規(guī)律。圖18為日本大分大學的快速壓縮機[87]，使用了具有壓縮和膨脹功能的凸輪。通過更換具有不同型線的凸輪，即可實現(xiàn)不同的活塞運動規(guī)律。圖19為法國Pprime研究所的凸輪驅動式快速壓縮機，即使用了壓縮-定容凸輪。另外，還有極少數(shù)快速壓縮機使用電機帶動曲柄連桿機構驅動活塞運動[71]，可以實現(xiàn)與實際發(fā)動機相同的活塞運動規(guī)律，圖20所示為日本同志社大學的壓縮-膨脹式快速壓縮機，采用了以電機帶動曲柄連桿機構驅動活塞運動的設計。由于電機為連續(xù)運轉，而快速壓縮機則只需要工作一個壓縮-膨脹循環(huán)，因此為實現(xiàn)壓縮沖程啟動與膨脹沖程制動控制，需要通過特殊的離合器機構對電機和曲柄連桿機構進行耦合。德國卡爾斯魯厄理工學院則使用了氣壓驅動-曲柄連桿機構實現(xiàn)快速壓縮膨脹功能，如圖21所示[63]。曲柄連桿機構的中心位置還可以放入一個擋塊，此時氣壓驅動連桿的運動受擋塊位置限制，即可使快速壓縮機的活塞停止在相應位置，實現(xiàn)壓縮比調(diào)節(jié)。

圖18 大分大學的凸輪控制活塞運動規(guī)律的快速壓縮膨脹機[87]

圖19 Pprime研究所的凸輪控制活塞運動規(guī)律的快速壓縮機[86]

圖20 同志社大學的曲柄連桿機構控制活塞運動規(guī)律的快速壓縮膨脹機[71]

圖21 卡爾斯魯厄理工學院的氣壓驅動-曲柄連桿機構控制活塞運動規(guī)律的快速壓縮膨脹機[63]

由于快速壓縮機沒有復雜的配氣機構，因此其燃燒室機構較為簡單，在設計可視化視窗時的可利用空間非常大，布置也較為靈活。尤其是對于缸蓋(即燃燒室蓋板)，如果不需要在缸蓋上布置設備或接口，則可以實現(xiàn)與燃燒室相同尺寸的視窗設計[59, 68, 84-85]，對全燃燒室進行可視化，圖15給出了這種燃燒室的典型設計，這對研究末端混合氣的燃燒非常有利。圖22為使用該快速壓縮機所捕捉到的甲醇在近燃燒室壁面區(qū)域的自燃過程[90]，而這在定容燃燒彈和光學發(fā)動機上則不容易觀察到。在某些情況下，如需在缸蓋上布置某些設備，則可以像光學發(fā)動機一樣將視窗布置在活塞上[57]，如圖17所示。但這樣也帶來了與光學發(fā)動機相同的問題，無法實現(xiàn)對全燃燒室的可視化。在活塞上除可布置視窗外，還可以布置反射鏡[71, 91]，通過反射鏡配合缸蓋上的視窗可以應用紋影方法對燃燒室內(nèi)的燃燒情況進行觀察，如圖20所示。

圖22 甲醇的末端混合氣自燃[90]

除缸蓋和活塞外，通過使用由光學材料制成的燃燒室，還可以對活塞軸向方向上的燃燒過程進行觀察。由于光學材料制成的圓形燃燒室存在較為嚴重的折射，會造成圖像畸變，為此法國Pprime研究所在快速壓縮機上使用了具有方形截面的燃燒室，使用紋影、激光誘導熒光(PLIF)以及粒子圖像測速(PIV)等方法對快速壓縮機內(nèi)的流動燃燒過程進行了觀察[86]。圖23為試驗光路布置，圖24為所獲得的不同時刻的激光誘導熒光和紋影測試結果，顯示了快速壓縮機內(nèi)的溫度不均勻分布情況。

圖24 快速壓縮機缸內(nèi)溫度場和氣體流動[86]

圖23 通過側面視窗觀察快速壓縮機燃燒室內(nèi)燃燒[86]

與定容燃燒彈相比，快速壓縮機實現(xiàn)高溫高壓狀態(tài)的過程較為迅速，十分有利于高溫高壓狀態(tài)下的預混氣點燃研究；且快速壓縮機中存在活塞運動，在使用特殊的活塞設計[92]、燃燒室隔離孔板[68]或進氣導流[69]的情況下，還可以實現(xiàn)燃燒室內(nèi)不同程度的湍流運動，更接近發(fā)動機的實際工作過程。由于快速壓縮機可提供高溫高壓的可視環(huán)境，結構相對光學發(fā)動機簡單，工作狀態(tài)穩(wěn)定、重復性好，是模擬發(fā)動機缸內(nèi)狀態(tài)的重要手段，一般結合光學測試手段即可進行燃燒機理研究，在發(fā)動機燃燒理論研究領域得到了廣泛的應用。

1.3 光學發(fā)動機

發(fā)動機光學診斷需要在開有光學視窗的模擬裝置上進行。定容燃燒彈用來模擬上止點附近定容空間的噴霧和燃燒過程，不考慮氣流運動的影響；快速壓縮機雖然可以模擬氣流運動，但不能象發(fā)動機那樣采用曲柄連桿機構和配氣機構進行連續(xù)工作。而光學發(fā)動機通過在發(fā)動機氣缸或活塞上改造出光學通道，使得光學信號可以通過采集裝置進行采集處理，比容彈和快速壓縮機更接近發(fā)動機實際工作過程。

早期的光學發(fā)動機一般是單點測量，需要在缸蓋上打出安放光學傳感器的通道，通過傳感器和放大器將收集到的光信號轉化為電信號，進行相應處理和分析。因為無法直接得到缸內(nèi)噴霧和燃燒圖像，信息十分有限。隨著科技的發(fā)展和對二維測試需求的不斷提高，大尺寸石英視窗逐漸被廣泛使用，按照位置不同，出現(xiàn)了頂置、底置和側置3種不同形式。

頂置視窗光學發(fā)動機將氣缸蓋一部分改造成光學視窗，例如拆除一個排氣閥來觀察缸內(nèi)的工作過程。受缸蓋上零部件布置限制，視窗尺寸不能過大，視野受到限制。如圖25所示，只能看到半個氣缸內(nèi)的噴霧燃燒狀況[93]。

圖25 頂置視窗光學發(fā)動機[93]

為進一步加大觀察視野，美國通用公司的Bowditch開發(fā)了一種底置視窗光學發(fā)動機[94]。其在原機活塞上連接一個如圖26所示的加長活塞，頂部完全換成石英玻璃，中下部開槽，插入一個45°反射鏡，這樣從燃燒室底部即可觀察缸內(nèi)噴霧燃燒過程。這種結構可以在對發(fā)動機幾何結構做最少改動的情況下得到最大的光學視野，至今還被廣泛使用。但由于采用加長活塞，其運行時轉動慣量大幅度增加；石英玻璃隨著活塞高速運行，危險性也隨之增加。

圖26 Bowditch式光學發(fā)動機結構示意圖

這種結構出于安全性及固定方便的考慮，視窗往往小于安裝視窗的活塞頭部，因此當活塞位于上止點附近時會存在視覺盲區(qū)，無法觀測氣缸邊緣的近壁區(qū)域，如圖27(a)所示。清華大學梁帥等[95]創(chuàng)新性地采用了如圖27(b)所示的光學視窗，其上表面為平面，下表面為球面，側面設計有錐面，結合圖像畸變修正，實現(xiàn)了缸內(nèi)無盲區(qū)的全場觀測。

由于石英視窗加工困難，一般光學發(fā)動機都采用如圖27(a)所示的平頂石英活塞，或者如圖28(a)所示的淺盆型石英活塞[96]。為使活塞形狀更接近真實發(fā)動機，美國桑迪亞國家實驗室采用如圖28(b)所示的ω型石英活塞，可以很好地再現(xiàn)上止點附近的擠流運動，其光學發(fā)動機結構如圖29所示[97]。真實的燃燒室壁面形狀不但增加了石英加工難度，還會造成較大的圖像失真，需要進行后期校正，這給定量測試帶來很大的挑戰(zhàn)。

圖27 光學發(fā)動機活塞光路圖[95]

圖28 光學發(fā)動機石英活塞[96-97]

圖29 光學發(fā)動機系統(tǒng)示意圖[97]

如圖30所示，視窗側置式光學發(fā)動機在氣缸壁面加工出光學通道[97]，或者采用全透明氣缸[98]，從側面對缸內(nèi)進行觀測。第一種方式由于視窗尺寸相對較小，可以觀察的范圍受到限制，但可以承受較高的缸內(nèi)壓力和熱負荷。全透明氣缸視野開闊，但受材料強度限制，多用于非燃燒情況，如氣流運動和噴霧混合等方面的研究，或者用于汽油機這種燃燒方式不太劇烈的情況。側置式視窗可以和頂置或底置視窗相結合，實現(xiàn)多種光學布局，以獲取更為豐富的信息。

圖30 側置視窗光學發(fā)動機[97-98]

目前光學發(fā)動機基本上都采用大直徑的石英視窗，可以得到發(fā)動機內(nèi)部清晰圖像，但由于受光學部件和加長活塞的限制，光學發(fā)動機一般工作在低轉速和中小負荷，在研究高功率密度的發(fā)動機方面具有一定局限性。如何進一步提高轉速和負荷，是光學發(fā)動機所面臨的挑戰(zhàn)。

在提高光學發(fā)動機轉速方面，蓮花公司[98]在曲軸箱中同時使用一級平衡軸和二級平衡軸來平衡慣性力，使其最高轉速達到5000 r/min。豐田研究中心[99]創(chuàng)新性地舍棄了傳統(tǒng)的平衡措施，采用了如圖31所示的垂直對置活塞進行平衡，并進一步降低了曲軸的扭曲變形，使光學發(fā)動機最高轉速達0到5000 r/min。

圖31 光學發(fā)動機垂直對置平衡系統(tǒng)[99]

在提高光學發(fā)動機工作負荷方面，主要采用以下2個措施：由于藍寶石硬度極高，具有很好的力學性能和耐高溫能力，可以代替石英作為光學視窗材料，來提高光學發(fā)動機的工作負荷，但這樣會大幅度增加成本；此外還可以采用跳火功能，讓光學發(fā)動機在2個著火的循環(huán)之間增加若干個不著火的循環(huán)，來降低光學視窗的熱負荷。

近年來發(fā)展的內(nèi)窺鏡技術，通過燃燒室周圍的安裝孔，使用特殊的光纖將照明光源射入真實發(fā)動機內(nèi)，再通過內(nèi)窺鏡成像技術進行拍攝，獲取真實發(fā)動機運行時的缸內(nèi)信息[100]。安裝內(nèi)窺鏡對發(fā)動機的結構影響很小，可以長時間運行，不受轉速和負荷的影響，更加真實地再現(xiàn)缸內(nèi)情況。但受內(nèi)窺鏡安裝位置和角度的影響，觀察區(qū)域比光學發(fā)動機小，而且圖像傳輸過程中產(chǎn)生的光學畸變影響了測試精度，定量分析需要做復雜的圖像校正。內(nèi)窺鏡系統(tǒng)價格相對較高，容易損壞，在發(fā)動機真實工作狀態(tài)下視窗容易污染，一定程度上限制了它的應用。

燃燒產(chǎn)生的污染物沉積在光學發(fā)動機的視窗上，需要及時進行清洗。特別是某些需要先拆除缸蓋才能對視窗進行清洗的光學發(fā)動機，工作量很大，每清洗一次都要花費3～4 h左右的時間，嚴重影響試驗效率。

北京理工大學何旭[96]設計的氣動快速拆卸光學發(fā)動機，如圖32所示，在雙向氣動活塞內(nèi)嵌入原機缸套，原機缸套上方放置透明的石英缸套，高度為40 mm，壁厚為20 mm。氣動活塞在氣壓作用下托舉石英缸套向上運動，直到和缸蓋下蓋板相接觸。在石英缸套的上下表面各有一個O型圈，用來實現(xiàn)石英環(huán)和缸蓋下蓋板之間、石英環(huán)和金屬缸套之間的密封。試驗結束后，切換氣路，氣動活塞向下運動，即可快速拆卸石英缸套，對活塞上的石英視窗進行清洗，每次拆裝和清洗工作可以在10 min之內(nèi)完成，大大提高了光學發(fā)動機的工作效率。通過調(diào)節(jié)氣動密封元件的工作壓力，來控制石英氣缸和缸蓋、缸體之間的相互作用力，形成彈性浮動支撐，既保證密封的實現(xiàn)，又不會造成石英碎裂。

圖32 氣動快速拆卸光學發(fā)動機[96]

在光學發(fā)動機上，可以采用多種光學測試方法，對流動、噴霧、混合、燃燒和污染物生成過程進行研究。德國亞琛工業(yè)大學的Van Overbrüggen等[101]采用4臺相機搭建的層析粒子圖像測速系統(tǒng)，在一臺缸內(nèi)直噴汽油光學發(fā)動機上獲取如圖33所示的缸內(nèi)三維流動信息全場，為如何組織油氣混合過程提供參考。

圖33 光學發(fā)動機缸內(nèi)三維流場[101]

清華大學的郭恒杰等[102]將高速攝影和相位多普勒相結合，在一臺光學發(fā)動機上研究閃沸對GDI噴霧的宏觀和微觀特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)閃沸會引起霧束坍塌，導致貫穿距離增加，使?jié)癖诘目赡苄源蠓忍岣?，但同時也會促進燃油霧化，加速混合氣形成。

德國紐倫堡-厄爾蘭根大學的Trost等[103]以α-甲基萘為柴油示蹤劑，在一臺柴油光學發(fā)動機上開展激光誘導熒光測試，獲取如圖34所示不同位置不同時刻的缸內(nèi)混合氣定量分布，用于研究不同噴射策略對混合氣形成的影響。英國布魯奈爾大學的Attar等[104]以3-戊酮為汽油示蹤劑，在一臺缸內(nèi)直噴光學發(fā)動機上采用激光誘導熒光法獲取如圖35所示的燃料濃度分布，用于評估混合氣生成質(zhì)量。清華大學馬驍?shù)萚105]開發(fā)出一種用于激光誘導熒光測試的多組分汽油示蹤劑，可以很好地表征汽油中輕中重3種不同組分的蒸發(fā)特性，對精確描述缸內(nèi)混合氣形成具有重要意義。

圖34 燃燒室內(nèi)不同位置(P1、P2、P3)和時刻的混合氣濃度分布[103]

圖35 缸內(nèi)直噴汽油機混合氣生成特性[104]

北京理工大學的劉福水、何旭等[96, 106-110]在一臺氣動快速拆卸的柴油光學發(fā)動機上，采用直接高速攝影和雙色法相結合，對缸內(nèi)火焰形態(tài)和燃燒溫度場進行研究，探索不同燃料、不同噴射策略和不同燃燒模式下的缸內(nèi)燃燒新特征。其中柴油(G0)和汽柴油混合燃料(G60，汽柴油體積比為60∶40)在不同噴油定時條件下的CA50(累積放熱率達到50%時所對應的曲軸轉角)時刻火焰形態(tài)如圖36所示。

清華大學馬驍?shù)萚111]為研究缸內(nèi)直噴汽油機爆震機理，將直接高速攝影和化學發(fā)光法高速攝影相結合，獲取如圖37所示的缸內(nèi)火焰、甲醛和OH基的發(fā)展歷程。研究表明爆震發(fā)生時火焰速度會提升一個數(shù)量級，低溫氧化反應和高溫氧化反應具有不同的時間尺度。

圖37 缸內(nèi)火焰、甲醛和OH基的發(fā)展歷程[111]

天津大學的劉海峰等[112]在一臺光學發(fā)動機上對比研究了部分預混燃燒(Partially Premixed Combustion,PCC)和反應控制壓燃(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)2種燃燒模式，缸內(nèi)火焰發(fā)展歷程對比如圖38所示，在PPC燃燒模式下，缸內(nèi)火焰鋒面?zhèn)鞑ケ容^清晰；而RCCI燃燒模式下的火焰?zhèn)鞑ハ鄬δ：远帱c自燃著火為主，火焰充滿整個窗口的時間約為PPC模式的1/2。

圖38 PPC和RCCI兩種燃燒模式缸內(nèi)火焰發(fā)展對比[112]

天津大學的唐青龍等[113]在一臺光學發(fā)動機上使用激光誘導熒光法，同時獲取甲醛和OH基二維分布，結果如圖39所示。研究表明甲醛生成于低溫放熱階段，隨著高溫放熱開始，甲醛逐漸消耗，OH基開始出現(xiàn)，高溫放熱階段過后，甲醛基本消失，OH基逐漸充滿整個燃燒室。同步測試發(fā)現(xiàn)，甲醛消耗伴隨OH基的產(chǎn)生，二者分布空間總體是分開存在，但局部會發(fā)生并存。

圖39 缸內(nèi)燃燒過程中甲醛和OH基的發(fā)展歷程[113]

美國桑迪亞國家實驗室的Miles等[114]將多種激光測試手段聯(lián)合，在光學發(fā)動機上同時獲得流場、混合氣濃度場和碳煙濃度場分布，如圖40所示，系統(tǒng)研究多參量場協(xié)同作用對燃燒和污染物生成特性的影響。

圖40 缸內(nèi)碳煙(上)、燃料(中)和流場(下)的發(fā)展歷程[114]

典型光學發(fā)動機特征參數(shù)總結如表3所示。和定容燃燒彈、快速壓縮機相比，光學發(fā)動機使人們對發(fā)動機缸內(nèi)的氣流運動、噴霧和燃燒過程有了更加直觀、深刻的認識。隨著燃燒室形狀、轉速和負荷都越來越接近真實發(fā)動機，研究者直接通過缸內(nèi)圖像就可以判斷發(fā)動機工作狀態(tài)，為燃燒系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、噴射控制策略制定、缸內(nèi)工作過程驗證提供參考依據(jù)。目前光學發(fā)動機已經(jīng)成發(fā)動機研發(fā)過程中的重要試驗裝置，對新一代清潔高效的發(fā)動機設計具有重要意義。

表3 典型光學發(fā)動機特征參數(shù)對比

2 測試方法

2.1 紋影法

紋影法利用光束通過密度變化的流場時會因折射率的變化而發(fā)生光束偏折的原理，將偏折后的光匯聚并使用“刀口”裝置恰當遮擋，即可在光束發(fā)散后形成明暗變化的實像。圖像的明暗區(qū)域代表了流場的密度變化。平行光紋影法形成的圖像中，明暗程度是測試區(qū)域流場中折射率(與密度相關)的一階導數(shù)。紋影常用于研究氣體或液體的流動。

紋影原理如圖41所示。光源S為點光源，置于凸透鏡L1的焦點處，則光源發(fā)出的光通過透鏡轉換為平行光束并通過測試段的介質(zhì)。如測試段介質(zhì)完全均勻(無溫度和密度梯度)，則平行光束不發(fā)生方向變化。之后光束通過凸透鏡L2匯聚后發(fā)散，在后方視屏處形成圓形光斑，測試段內(nèi)的A點成像在視屏上為A′點。L2后方焦點處設置遮光刀，刀口的邊緣垂直于示意圖平面，并與匯聚點適當相切。由于刀口的存在，部分光線會被遮擋，因此隨刀口上移視屏上的圓形光斑會均勻變暗。而當測試段介質(zhì)A處存在密度梯度變化時，折射率會有所改變，則通過A點的入射光線在測試段內(nèi)將發(fā)生偏折(如虛線所示)。這將導致部分原本應被光刀遮擋的光線因偏折而變得可以抵達視屏，或原本不被遮擋的光線因偏折被光刀遮擋，則會導致對應成像位置照度上升或下降，視屏上就會形成隨密度變化亮暗不均的圖像，這就是紋影效應[115]。圖像的明暗區(qū)域代表了流場的密度變化。

圖41 紋影基本原理[115]

紋影法常用的典型光路還包括Z型光路和T型光路，如圖42所示。Z型光路是風洞、射流等研究最常用的光路，其特點是使用一對凹面鏡形成平行光束測試區(qū)。用凹面鏡代替凸透鏡形成平行光的優(yōu)勢是避免了不同波長的光出現(xiàn)色差導致成像清晰度差等問題。T型光路多用于只能使用一個光學視窗的情況，入射光線穿過測試段，被平面鏡反射后，再經(jīng)過半透半反鏡反射后成像。由于平面鏡通常布置在容彈或者光學發(fā)動機內(nèi)部，容易被燃油或碳煙污染，影響試驗效果[116]。

圖42 典型紋影光路

在紋影試驗中還可以將刀口換為多色漸變的濾光片，形成彩色紋影圖像，不同的密度梯度對應不同的顏色，即“彩虹紋影”方法。但彩虹紋影本身并不提供比普通黑白紋影圖像更多的信息，只是便于計算機圖像處理時采用顏色分辨的方式進行定量或半定量分析。

隨著光源技術的發(fā)展，目前紋影研究中越來越多使用高頻閃光燈或高頻激光器作為紋影光源以實現(xiàn)高亮度和短曝光的圖像研究[117]，借助高速閃光燈縮短實際有效曝光時間，以同時實現(xiàn)高時間分辨率和高亮度。還有研究者將高速脈沖照明紋影與直接高速攝影相結合[118]，以實現(xiàn)氣液兩相的同時測量。采用激光照明紋影并同時引入?yún)⒖脊?，利用激光的相干性可以實現(xiàn)全息紋影成像的記錄，但是該類方法對光學系統(tǒng)要求較高且無法顯著增強測試能力，在發(fā)動機研究領域應用較為困難。

近年來，紋影法研究的新進展中較受矚目的方法是背景導向紋影法(Background-oriented Schlieren, BOS)。該方法的基本原理如圖43所示，在當參考物(即“背景”)與相機之間存在具有密度梯度變化的流場時，參考物的像會發(fā)生偏移形成“偽像”，其偏移量與光程上的折射率變化能夠建立起明確的數(shù)學聯(lián)系，并在圖像上表現(xiàn)為明暗分布對應折射率梯度的分布，其基本數(shù)學表達形式與紋影相同，因此該方法雖然并非形成真正的紋影效應卻被歸類為紋影法。

圖43 BOS法光路原理[119]

BOS通過對有無待測流體的兩幅圖像中的“背景”進行相關性計算即可求解出z方向投影圖像上的密度變化分布情況，將該分布圖像化后即可得到類似紋影圖像的效果。該方法可以有效識別流場的密度梯度，因此近年來也被用于對噴霧的研究。BOS的優(yōu)點在于無需大型和昂貴的光學設備即可開展大尺度的流場可視化研究，甚至可以利用自然界的背景作為參考圖像，實現(xiàn)無法在實驗室中開展的觀測試驗。但是BOS方法的分辨率受限，尤其是分辨率與敏感度之間存在較為突出的矛盾，依賴于FFT等算法的圖像處理對時間的需求也較高，因此，在實時測試方面有較大的限制，只有在一些特定的場景其分辨率才可達到較高水平[119]。目前BOS方法研究仍在繼續(xù)并向多角度成像重構三維場的方向發(fā)展[118]。

有研究者對連續(xù)紋影圖像采取類似于PIV的互相關算法的處理方式分析流場的速度分布[120]，但由于紋影圖像顯示的是光程方向累積信號的結果，相比PIV片光測量的確定性，紋影測速的缺點明顯，因此該方法的應用范圍相對有限。

紋影法在發(fā)動機研究領域的應用時間較久，在噴霧等流動特性解析和火焰研究中最為常見。如何旭等[121]對壓燃類燃料的研究、郭恒杰等[122]對點燃類燃料噴霧的研究等，利用紋影法能夠識別透明氣相流動和氣相邊界的特點可以全面研究兩相流的宏觀特性。在代用燃料研究方面，紋影法被廣泛應用于燃料的基礎特性研究，如黃佐華團隊[123]對代用燃料的層流火焰研究。這類研究的光路多采用Z字型或雙透鏡平行光系統(tǒng)。安新亮等[116]使用T字型紋影光路研究了汽油機中火焰的傳播，通過捕捉火焰前鋒面細節(jié)結合放熱率數(shù)據(jù)進行燃燒過程解析。

采用紋影法對流場進行形貌觀測時，其精度主要取決于光學成像系統(tǒng)本身的精度。紋影圖像雖然與密度分布直接相關，但對密度分布的定量面臨標定困難的問題，因此一般不用于物理量二維分布的研究。近年來也有研究者開展了利用紋影法進行溫度分布測量的研究，其原理是根據(jù)溫度對密度的影響進行計算，但該方法不適用于無規(guī)律的非定常流場，因此難以在發(fā)動機相關領域應用[124]。

與紋影法相似的還有陰影法，實現(xiàn)方式為在紋影光路中取消刀口，直接利用平行光形成明暗相間的圖像。但陰影法的明暗程度與密度分布的二階導數(shù)成正比，因此敏感性較差。

2.2 雙色法

發(fā)動機不均勻混合氣燃燒是產(chǎn)生碳煙的根本原因，但由于碳煙生成和氧化的過程十分復雜，至今仍然未被很好地理解和認識，這需要對缸內(nèi)燃燒過程中產(chǎn)生的碳煙進行精確的時間、空間解析。雙色法(Two Color Method)基于熱輻射理論，可以同時獲取火焰二維碳煙濃度和溫度場分布，并具有較高的時間分辨率，在發(fā)動機燃燒過程研究中得到廣泛應用。

雙色法的基本原理如下：燃燒系統(tǒng)中，碳煙生成后被加熱至較高溫度，發(fā)出明亮的寬頻輻射光信號。通過選擇寬頻輻射光譜中2個不同波長的信號，利用碳煙顆粒的單色黑度(Monochromatic emissivity)與輻射光波長、碳煙吸收系數(shù)及碳煙溫度的對應關系，聯(lián)立2個不同波長輻射光的單色黑度，消除未知的碳煙吸收系數(shù)的影響，獲得碳煙溫度。根據(jù)碳粒本身的熱平衡方程計算可知碳煙溫度與周圍環(huán)境溫度相差很少，且碳煙與環(huán)境在極短的時間內(nèi)即達到熱平衡(～10-9s)。因此碳煙溫度可以代表火焰溫度。

發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程中，產(chǎn)生的碳煙粒子會發(fā)出強烈的熱輻射，對于黑體而言，輻射光能量密度與波長和溫度的對應關系可由普朗克公式表示：

(1)

式中，Eb,λ(T)為溫度為T(單位K)的黑體輻射出波長為λ(單位m)的光所對應的能量密度，單位W/m3，c1、c2為第一、第二普朗克常數(shù)，分別為3.7418×10-16W/m2和1.4388×10-2m·K。實際碳煙不是黑體，其輻射能量小于同溫度下的黑體，故存在溫度為Ta(定義為亮度溫度)的黑體，其輻射能量等于溫度為T的碳煙，即Eλ(T)=Eb,λ(Ta)。在此基礎上，碳煙的單色黑度定義為：

(2)

根據(jù)Hottel和Broughton于1932年提出的經(jīng)驗公式[125]，碳煙顆粒的單色黑度ελ還可以表述為：

ελ=1-e-(KL/λα)

(3)

式中，K為碳煙吸收系數(shù)，代表空間中的碳煙云團對透射光的吸收能力；L為碳煙云團沿光學采集系統(tǒng)(如相機、鏡頭)光軸方向的長度，KL常作為整體進行計算；λ為輻射光波長；α為經(jīng)驗常數(shù)，對不同輻射光波長取值不同，具體取值可參照文獻[126]，Zhao[127]對α的取值進行了總結，如表4所示。對于柴油機缸內(nèi)燃燒，α在可見光區(qū)間一般取1.38～1.39。

表4 經(jīng)驗常數(shù)α取值[127]

聯(lián)立式(1)、(2)和(3)得到：

(4)

由于KL因子對于所有波長的輻射光均為定值，故對2個不同的波長λ1、λ2，可得到：

(5)

式(5)中，亮度溫度Ta1、Ta2對應波長λ1、λ2的輻射光，可通過系統(tǒng)標定事先確定，這樣式中只有溫度T為未知量，可以直接求解，再帶入式(4)中可求得KL因子。所測得的溫度是碳粒的溫度，而不是直接的空間溫度場，但是碳粒與環(huán)境在極短的時間內(nèi)即達到熱平衡，可以認為碳粒的溫度就代表了周圍氣體火焰的溫度。

雙色法用于發(fā)動機燃燒過程中的碳煙和溫度測試，誤差主要來自3個方面：(1)碳煙的透光率。Matsui等[128]在柴油機缸內(nèi)燃燒測量中發(fā)現(xiàn)，碳煙透光率(KL因子)降低14%，則溫度測量的準確性降低1%。(2)壁面反射。測量系統(tǒng)得到的光信號不僅來自碳煙本身的輻射，也來自燃燒系統(tǒng)壁面或其他結構的反射。試驗中，壁面溫度遠低于碳煙溫度，因此在可見光波段，壁面反射的影響可以忽略，而在紅外波段，反射影響需要考慮。Matsui等的研究表明，使用可見光波段進行測量，壁面反射將引起2～3 K的溫度誤差和10%左右的KL因子誤差，而使用紅外光測量時，壁面反射將引起50～150 K的溫度誤差和高達50%的KL因子誤差。(3)不均勻的溫度分布和碳煙濃度分布。雙色法測量獲得的溫度信息和KL因子信息是沿采集光路方向上所有碳煙顆粒溫度和KL因子的平均值，因此當碳煙顆粒溫度和濃度分布不均勻時，這種平均結果將引起試驗誤差。具體的誤差分析可以參照Yan等[129]的工作。

雙色法的試驗裝置相對簡單，不需要額外光源。早期裝置通常將火焰發(fā)出的輻射分成2束，再分別經(jīng)過的濾光片，由探測器記錄下在2個波長下的輻射強度。其典型試驗設置如圖44所示[130]：發(fā)動機缸內(nèi)的碳煙團發(fā)出的輻射光信號經(jīng)過發(fā)動機光學窗口，被光纖引導至分光器(Beam-splitter)并拆分成2支，再通過相應的帶通濾鏡(Band-pass Filters，帶通寬度一般為5～20 nm)，獲得單色光信號。該信號進入光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)進行信號增強和采集。通過該試驗設置可以測得碳煙在2個不同波長上的單色光信號，進而計算得到火焰溫度。

圖44 雙色法典型試驗設置示意圖[130]

近年來隨著CCD的發(fā)展，可以使用CCD直接拍攝火焰圖像，然后通過計算機分解為分別代表紅、綠、藍3個通道輻射強度的灰度圖像，任取其中2張即可進行分析處理。

雙色法測試技術作為傳統(tǒng)光學技術，半世紀以來有了長足的發(fā)展。1979年，Matsui等[131]第一次將雙色法應用于柴油機測試，并分析了影響測量精度的因素；1994年，Quay等[132]改進了雙色法，將其溫度試驗結果用于測量碳煙顆粒體積百分比；2003年，Nakashima等[133]將雙色法應用于汽油機火焰溫度的測量中，實現(xiàn)了碳煙顆粒分布稀疏條件下的測量；2011年，Khatami等[134]對雙色法中的光譜發(fā)射率進行了重新測量，提高了測試精度。2012年，Lee等[135]在光學發(fā)動機中進行了JP-8發(fā)動機和普通柴油機在全負荷下的缸內(nèi)溫度測量，發(fā)現(xiàn)相比普通柴油機，JP-8發(fā)動機的著火延遲更長，火焰溫度更低。2014年，Magno等[136]使用雙色法測量了發(fā)動機尾氣溫度，并定量研究了受到污染的噴油器對尾氣排放的影響。2016年，Tapetado等[137]利用雙色法原理發(fā)展了高精度光纖測溫儀，可用于測量發(fā)動機缸壁溫度。2018年，Vo等[138]使用雙色法，在快速壓縮機中對B7柴油和含加氫植物油的柴油在直噴條件下的燃燒特性進行了研究，試驗表明燃燒持續(xù)期、放熱率、燃燒溫度、KL因子、污染物排放均反比于含加氫植物油含量。2019年，Kranz等[139]結合雙色法和LIF技術，分別研究了混合燃料中重組分和輕組分的燃燒溫度特性。

清華大學田辛等[140]采用高速相機在一臺光學發(fā)動機上對雙色法的測試精度進行了探討，并對進氣道噴射乙醇柴油引燃時的燃燒進行分析，所獲得試驗結果如圖45所示。研究表明，在循環(huán)供油量不變的情況下，隨著乙醇含量的增加，滯燃期變長，可見火焰面積減小，火焰平均溫度下降，高溫強輻射區(qū)域的比例也減??；代表碳煙濃度的平均KL因子有明顯的下降，乙醇對柴油燃燒中的碳煙生成有抑制作用，也可加速碳煙氧化。

圖45 火焰溫度及碳煙濃度分布圖[140]

清華大學王麗雯等[141]使用雙色法研究了汽油機燃燒火焰的溫度分布，并同時采用熱電偶進行了對比，驗證了不同雙色組合對雙色法測試精度的影響。北京理工大學曾威霖等[110]研究了生物柴油缸內(nèi)的燃燒溫度和碳煙特性，結果表明生物柴油燃燒火焰平均溫度和高溫輻射面積均較普通柴油更低，但2種燃料的碳煙體積分數(shù)與燃燒溫度關系大體一致。華中科技大學陳亮等[142]發(fā)展了一種改進的詳細碳煙模型，較為準確地描述柴油機碳煙生成和氧化過程，并采用雙色法對該方法的準確性和有效性進行了驗證。浙江大學邵立成等[143]基于傳統(tǒng)雙色測溫法和CCD相機各顏色通道可各自設定的值，提出了分色曝光雙色測溫法，該方法可有效拓寬測溫范圍達140%，在黑體爐上的驗證試驗誤差在1%以內(nèi)。

在過去的20年中，雙色法以其原理簡單、成本較低、試驗系統(tǒng)易于實現(xiàn)、可以同時獲取碳煙和溫度場信息等特點，廣泛應用于發(fā)動機燃燒過程的研究，是目前應用最為成熟的測試手段，但同時也需要認識到雙色法的先天不足。首先，雙色法中反映被測物體單色黑度的公式(2)來源于文獻[125]中基于二維、均勻溫度、圓形輪廓火焰的推導，用于測量實際發(fā)動機中可能出現(xiàn)的三維、不均勻溫度、不規(guī)則湍流火焰，則需要使用經(jīng)驗公式對火焰厚度和溫度進行等效近似，不具有空間分辨率。測量得到的溫度為等效火焰溫度，與真實溫度相比產(chǎn)生較大誤差。其次，實際發(fā)動機缸內(nèi)火焰由于結構形狀的各向異性，使得火焰的等效厚度在不同的測量角度計算結果不同，引起溫度測量誤差。最后，單色黑度公式(2)中經(jīng)驗常數(shù)α的數(shù)值來源于試驗歸納，受選取的波長大小、燃料種類、測量環(huán)境影響很大，選取時可能引入誤差。盡管如此，由于實際發(fā)動機內(nèi)部火焰測量難度較開放空間火焰更大，雙色法以其試驗光路簡單、后期數(shù)據(jù)處理較快等特點，仍可作為常用非介入測量手段測定缸內(nèi)火焰溫度和碳煙濃度。

2.3 消光法

消光法(Light Extinction Method，LEM)作為非接觸式碳煙測試技術之一，具有原理簡單、精度較高且結果穩(wěn)定、系統(tǒng)易于搭建、成本相對經(jīng)濟等特點，并且對于軸對稱測試對象可以采用反演算法獲取過軸線的二維平面碳煙濃度分布，在國內(nèi)外已經(jīng)得到了較為廣泛的應用。

消光法的基本原理如圖46所示，入射光通過火焰時，由于火焰中碳煙顆粒的吸收與散射，出射光的光強會出現(xiàn)不同程度的衰減。

圖46 消光法原理示意圖[127]

由Lambert-beer定律[144]和Mie散射理論[145]可以得到出射光強和入射光強的關系式：

(6)

式中，τλ為透射率，Iλ為出射光強，Iλ,0為入射光強，Kext為消光系數(shù)。

由Mie散射理論[145]可知，當πD/λ<0.3時(式中，D為球形碳煙顆粒直徑，λ為入射光的波長)，可以忽略散射作用，只需考慮吸收作用。此時徑向碳煙濃度fv與消光系數(shù)Kext存在如下關系：

(7)

式中，E(m)為碳煙顆粒的吸收方程，由碳煙顆粒的復折射率決定。目前有很多研究者在嘗試用各種方法求取碳煙顆粒E(m)的真實值，但結果最多會相差數(shù)倍。確定E(m)的值一直是個難題，研究仍在繼續(xù)。

自1977年起，消光法就開始應用于火焰中碳煙濃度的測量[146-147]，試驗裝置比較簡單，所要求的只是一個激光器和光電二極管，因此在燃燒碳煙測試中應用比較廣泛。

Wiartalla等[148]使用單點消光法技術在容彈上研究噴油壓力、噴油率、噴孔直徑和噴油角度對碳煙生成的影響，其光路布置如圖47所示。結果發(fā)現(xiàn)，碳煙分布主要集中在噴嘴軸線附近，且距離噴嘴越近，濃度越高；在噴射初期，噴油速率越高，碳煙生成量越高；噴油夾角對噴嘴處碳煙濃度有顯著影響，這是由于噴油夾角不同，會導致混合氣分布和著火過程不同，從而影響碳煙的生成和氧化過程。

圖47 定容燃燒彈單點LEM技術光路布置圖[148]

大眾汽車公司的Hentschel和 Richter 等[149]采用單點消光法技術，研究EGR率對四缸直列式直噴柴油機缸內(nèi)碳煙生成和氧化過程的影響，其光路布置如圖48所示。結果發(fā)現(xiàn)，隨著EGR率的增加，碳煙生成量僅略有增加，但碳煙氧化量顯著減少，碳煙總量會增加；EGR率升高會導致著火滯燃期變長，從而推遲碳煙生成和氧化過程，碳煙濃度在著火后幾度曲軸轉角內(nèi)即達到最大值。

圖48 發(fā)動機上單點LEM技術光路布置圖[149]

法國石油研究院的De Francqueville等[150]在一臺缸內(nèi)直噴光學發(fā)動機上，采用激光誘導熾光法(Laser Induced Incandescence,LII)和單點消光技術相結合，研究缸內(nèi)直噴發(fā)動機燃燒過程中碳煙的形成和氧化現(xiàn)象。先通過LII得到了碳煙濃度分布的二維圖像，然后運用消光法沿著與LII平面共面的視線對LII圖像進行標定，從而得到定量的碳煙濃度場，其光路布置如圖49所示。

圖49 用消光法標定LII測試結果的光學系統(tǒng)示意圖[150]

消光法測得的碳煙體積分數(shù)是燃燒室內(nèi)粒子云沿光程方向的平均濃度，屬于單點測量；若要得到二維的碳煙濃度分布，需要多次測量，效率較低。為獲取碳煙二維濃度分布，可將光束通過透鏡擴束成光柱，采用相機獲取光柱穿透粒子云的消光效果[151]。這種二維消光法可以看作是多個單點測試組成的陣列。根據(jù)光柱是否平行，可以把二維消光法分為平行光消光法和非平行光消光法。

加拿大國立研究院的Snelling等[152]以弧光燈作為發(fā)射光源，使用平行光消光法拍攝Gülder燃燒器上軸對稱層流乙烯擴散火焰圖像，光路布置如圖50所示，并用Abel 逆變換處理圖像，反演出火焰中碳煙濃度分布。

圖50 燃燒器上平行消光法光路布置圖[152]

Thomson等[153]以弧光燈作為發(fā)射光源,使用非平行光消光法測量Gülder燃燒器上軸對稱層流乙烯擴散火焰中的碳煙濃度分布，其光路布置如圖51所示。結果發(fā)現(xiàn)，相同條件下非平行光消光法與平行光消光法的測試精度相似，但非平行光消光法對波束偏移的影響有著較好的抵御力，更適用于高壓環(huán)境下的燃燒測試。

圖51 燃燒器上非平行消光法光路布置圖[153]

根據(jù)所需光學視窗的個數(shù)，可以把應用在容彈和發(fā)動機上的非平行光消光法分為光源后置消光法(Back Illumination Light Extinction,BILE)和光源前置消光法(Forward Illumination Light Extinction,FILE)。

美國桑迪亞國家實驗室的Manin等[154]應用BILE在不同波長下研究了容彈中正十二烷噴霧擴散火焰的碳煙濃度分布，其光路布置如圖52所示。結果發(fā)現(xiàn)，光源后置消光法能提供碳煙濃度分布的二維圖像，在光束偏移的影響下，系統(tǒng)測量碳煙體積分數(shù)的靈敏度能達到1×10-6以下，其中在波長為519 nm時的KL因子分布隨時間的變化情況如圖53所示。研究表明，碳煙在生成和氧化的過程中折射率和形態(tài)特性都發(fā)生了變化，較短的可見光波長更適合測量碳煙濃度，這是因為波長較短時，消光系數(shù)更大，碳煙的消光率更高，導致信噪比更高，從而減少測量誤差。

圖52 光源后置消光法(BILE)光路布置圖[154]

圖53 BLIE法測量容彈中正十二烷噴霧擴散火焰的碳煙分布[154]

日本豐田研究中心的Nakakita等[151]采用BILE研究了一臺二沖程柴油機渦流室中的碳煙濃度分布，結果表明：碳煙生成區(qū)域面積遠小于火焰燃燒區(qū)域，尤其是在碳煙生成初期；點火幾毫秒后，碳煙開始在點火位置的下方即預混合燃燒區(qū)生成，相對于燃料濃度，溫度對碳煙生成的影響更明顯。

BILE需要使用2個平行的光學視窗分別通過入射光和出射光，因此很難應用在空間有限的光學發(fā)動機上。相比之下，F(xiàn)ILE只需要1個光學視窗，有更好的應用前景。伊利諾伊大學的Xu等[155]采用FILE測試了定容燃燒彈中柴油噴霧燃燒的碳煙生成特性，驗證了FILE的可行性，其光路布置如圖54所示，燃燒過程中碳煙分布隨時間的變化情況如圖55所示。利用FILE技術確定了柴油燃燒過程中碳煙生成的3個階段：在預混燃燒后期，碳煙快速生成，隨后是碳煙穩(wěn)定生成階段，最后是碳煙氧化階段。

圖54 光源前置消光法(FILE)光路布置圖[155]

圖55 FLIE法測量定容燃燒彈中柴油燃燒過程碳煙濃度[155]

2.4 折射率匹配法

缸內(nèi)直噴發(fā)動機可以明顯改善燃油經(jīng)濟性，然而燃油在缸內(nèi)直接噴射會導致燃油撞擊活塞表面形成附壁油膜，特別是在當前發(fā)動機輕量化并不斷提高噴射壓力的發(fā)展趨勢下，燃油碰壁趨勢更加明顯。附壁油膜燃燒產(chǎn)生的池火(Pool fire)效應會造成碳煙排放惡化，同時導致燃油經(jīng)濟性降低、未燃碳氫增加，并在活塞表面形成碳煙沉積物[156]。研究表明，油膜的厚度比油膜體積更加重要，即使是很小的油膜體積，如果很厚，也會產(chǎn)生碳煙[157]。因此對附壁油膜厚度分布進行瞬態(tài)高速定量測試，獲取其隨時間的變化規(guī)律，對控制附壁油膜生成具有重要意義。

目前油膜厚度的測量方法主要有全反射法、干涉法和激光誘導熒光法。當光線從較高折射率的介質(zhì)進入到較低折射率的介質(zhì)時，如果入射角大于某一臨界角時，折射光線將會消失，僅剩下反射光線，這一現(xiàn)象被稱為全反射?；谌瓷湓?，Hurlburt等[158]建立了一套油膜厚度測試系統(tǒng)，使用點光源從透明玻璃底部照射沉積在玻璃表面的油膜，當入射油膜的光線大于臨界角時，會發(fā)生全反射現(xiàn)象，在壁面呈現(xiàn)出一個明亮的光圈，通過測量光圈半徑即可獲得油膜的厚度。此方法對油膜自身特性無影響，實驗原理簡單，但由于光線的邊緣不易確定，液體與透明壁面折射率存在誤差，因此試驗的不確定性較高。干涉法[159-160]的原理為：相干光經(jīng)過不同厚度油膜時，由于光程不同而產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，根據(jù)條紋間距可以計算得到油膜厚度。干涉法精度較高，但只能進行單點測量，無法獲取油膜二維分布，應用存在一定的局限性。激光誘導熒光法[161]可進行二維測量，測量精度高，目前被廣泛使用。激光誘導熒光法需在被測液體中添加示蹤劑，利用激光激發(fā)示蹤劑并產(chǎn)生熒光信號，根據(jù)熒光信號強弱來獲取油膜厚度信息。激光誘導熒光法要求示蹤劑的霧化和蒸發(fā)特性和被測液體一致，但實際上還是會存在一定的差異；通常在測試中采用單組分表征燃料，而實際發(fā)動機工作過程中，常用的化石燃料均為多組分，附壁油膜中絕大部分是中組分和重組分；并且目前使用的激光工作頻率多為10 Hz，導致該方法的時間分辨率受到了限制。

2003年，Drake等[157]根據(jù)燃油與石英玻璃折射率相近的原理，創(chuàng)新性地提出了折射率匹配法(Refractive Index Matching, RIM)，并將活塞表面油膜厚度與發(fā)動機碳煙排放量相關聯(lián)。北京理工大學的何旭等[162]在采用晚噴策略的分層稀燃火花點火光學發(fā)動機上進行了冷卻水溫度對附壁油膜厚度和碳煙生成的影響探究，并對折射率匹配法的原理和標定進行了詳細的介紹。如圖56(a)和(b)所示，當石英玻璃上表面干燥時，由于石英玻璃的折射率(1.46)與空氣(1.00)相差較大，故光線在石英玻璃表面發(fā)生折射和漫反射而被相機記錄。如圖56(c)和(d)所示,燃油附著在石英玻璃表面形成油膜，由于燃油的折射率(1.40)與石英玻璃相近，光線穿過石英玻璃和燃油，而被相機記錄的光線減少，因此在燃油附壁位置變暗。壁面油膜厚度越大，透過的光線越多，油膜顯示亮度越低。

圖56 折射率匹配法原理示意圖[162]

干燥的石英表面亮度記為Iref(x,y)，燃油附壁后的石英表面亮度記為Iinj(x,y)。由附壁油膜引起的透射率的變化可以表示為：

(8)

附壁油膜引起的透射率的變化可以看成是油膜厚度的函數(shù)：

ΔT(x,y)=f[h(x,y)]

(9)

這個函數(shù)f是由石英表面粗糙度和整套光學系統(tǒng)共同決定的，因此需要進行標定，建立起透射率和油膜厚度的關系。標定在室溫下進行，將不同濃度的異辛烷(輕組分)和十二烷(重組分)混合液用微升注射器滴在石英視窗表面，用相機記錄燃油附著、擴展和蒸發(fā)過程，如圖57所示。

圖57 油膜厚度標定過程[162]

從圖57可以看出，當表面干燥時，平均亮度為一個穩(wěn)定值。注射器針尖的反光導致亮度曲線輕微上升。當燃油液滴和視窗表面一接觸，在表面張力的作用下迅速擴展形成油膜，平均亮度急劇下降。表征輕組分的異辛烷首先蒸發(fā)，平均亮度迅速回升;之后平均亮度上升速度降低，直到液滴完全蒸發(fā)，這代表重組分的十二烷的蒸發(fā)過程。取這2個不同蒸發(fā)階段的交界點所對應的圖像為標定點圖像，所對應的附壁油膜體積為十二烷的體積，建立透射率和油膜厚度的關系。對不同濃度的標定點數(shù)據(jù)進行二次多項式擬合，得到式(10)，擬合曲線如圖58所示。

圖58 標定擬合曲線[162]

h=5.9538ΔT2-0.1793ΔT

(10)

不同冷卻水溫度下，點火時刻的壁面油膜厚度分布如圖59所示。從圖中可以看出，冷卻水溫度對壁面油膜厚度和面積分布有著明顯的影響。當水溫為45 ℃的時候，最大油膜厚度為1.14 μm，油膜總面積為382 mm2。隨著溫度升高，油膜厚度和分布面積都開始降低，當水溫達到90 ℃時，最大油膜厚度為1.04 μm，油膜面積為224 mm2，油膜分布面積下降了41.3%。

圖59 點火時刻(-22° CA)壁面油膜厚度分布[162]

法國石油研究院的Maligne等[163]利用折射率匹配法在不同環(huán)境密度、環(huán)境溫度、噴射壓力和噴油脈寬下對汽油機噴霧附壁油膜進行測量，發(fā)現(xiàn)附壁油膜最大厚度在0.9～1.0 μm范圍內(nèi)。德國達姆施塔特工業(yè)大學的Ding等[164]在光學發(fā)動機上，研究了不同進氣壓力和冷卻水溫度下附壁油膜生成特性和碳煙排放，驗證了Drake等得到的碳煙排放與油膜厚度呈正相關的結論。美國威斯康辛大學Yang等[165]進行柴油附壁油膜的試驗研究，發(fā)現(xiàn)在以撞擊點為圓心的一定范圍內(nèi)會形成一個油膜厚度近似恒定的區(qū)域，且柴油附壁油膜較汽油更厚。廣島大學駱洪亮等[166-167]將Mie散射和RIM兩種測試方法結合，研究附壁油膜質(zhì)量、面積和厚度在不同噴射壓力、環(huán)境溫度和壁面粗糙度下的變化規(guī)律，同時結合噴霧形態(tài)變化，揭示噴霧碰壁液滴破碎飛濺機理。美國韋恩州立大學的Zheng等[168]使用CFD軟件對壁面油膜厚度進行仿真計算，并將仿真結果與折射率匹配法試驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)二者具有良好的一致性。燕山大學孔祥東等[169]在不同環(huán)境壓力下進行了Mie散射和RIM的結合測試，對油膜質(zhì)量、面積和厚度進行測量，并對不同環(huán)境壓力的油束運動變化過程進行分析。受折射率匹配法啟發(fā)，帝國理工大學Henkel[170]等利用光的漫反射原理，提出了一種類似的油膜測試方法——光漫反射法，采用金屬壁面替代透明石英玻璃進行油膜厚度測量。通過改變壁面溫度以模擬活塞上表面溫度，測定不同燃油附壁油膜厚度隨溫度的變化曲線，并對比了相同粗糙度的玻璃壁面與金屬壁面的蒸發(fā)速率，結果表明在金屬壁面燃油的蒸發(fā)速率更快。

主要的油膜測試方法特點總結如表5所示。折射率匹配法測試系統(tǒng)簡單，易于實現(xiàn)，可以定量獲取附壁油膜二維分布演化規(guī)律，具有較高的時間分辨率和測試精度，且不需要使用表征燃料和示蹤劑，可以更好地反映真實燃料的附壁情況，引起了人們的廣泛關注，在油膜測試方面顯示出很大的應用潛力。

表5 油膜測試方法特點對比

2.5 粒子圖像測速

發(fā)動機缸內(nèi)的流動結構顯著影響了缸內(nèi)燃料和空氣的混合過程，并影響發(fā)動機后續(xù)燃燒和排放質(zhì)量。理解這些流動結構有助于更好地組織燃燒過程，對提高發(fā)動機燃燒效率、改善燃油經(jīng)濟性和降低尾氣排放具有重要意義。發(fā)動機缸內(nèi)流動受燃油噴霧、進氣流動、活塞運動等多個因素共同影響，在空間上具有復雜的結構，且隨時間快速變化。若使用傳統(tǒng)流場測量方法(如風速計)，會對流動結構產(chǎn)生干擾；而使用激光單點測量(如激光多普勒測速法)則無足夠的空間分辨率。以上方法均無法滿足測量要求，因此需要發(fā)展一種對流場無干擾且具有較高空間和時間分辨率的新型測量技術。粒子圖像測速法(Particle Image Velocimetry,PIV)是一種瞬時速度空間分布的流場激光測試技術，可以進行二維和三維測試[171]。從20世紀90年代開始，PIV技術得到不斷發(fā)展和完善，并逐漸應用于各類流動和燃燒系統(tǒng)的速度場測量。

PIV技術的基本原理是利用極短時間內(nèi)連續(xù)拍攝的2張粒子空間分布圖像，計算粒子在此時間間隔內(nèi)的移動位移大小和方向。然而，PIV技術并不追蹤單一粒子運動軌跡，而是將相機拍攝的粒子圖像劃分為若干子區(qū)域，即“查詢窗口”，然后采用互相關(Cross-correlation)算法，計算各查詢窗口內(nèi)所有顆粒作為整體的位移大小和方向?；ハ嚓P算法作為PIV技術的核心算法，可通過以下計算方法實現(xiàn)：

發(fā)動機內(nèi)部流場PIV系統(tǒng)的典型架構如圖60所示[172]。英國拉夫堡大學的Stansfield等[172]采用光學發(fā)動機系統(tǒng)，在燃燒室中通入大量平均尺寸1 μm的硅油顆粒作為示蹤粒子，使其與介質(zhì)充分混合并跟隨缸內(nèi)氣流運動，同時，將Nd:YAG激光脈沖通過透鏡組延展成激光平面，通過光學發(fā)動機底部的全反射鏡后從活塞頂穿過燃燒室中心面，照亮示蹤粒子并產(chǎn)生Mie散射信號。在垂直于激光平面方向安裝高速相機，與激光器同步后，對激光平面內(nèi)各顆粒的散射信號進行拍攝，獲得顆粒位置的瞬時空間分布。在此基礎上，使用激光雙脈沖模式并設置5 μs時間間隔，利用高速相機進行2次曝光，分別拍攝前后兩時刻顆粒分布圖像，再對圖像進行互相關分析，計算各個查詢窗口的粒子位移。最后按照物像比進行縮放，除以采樣間隔時間，獲得粒子在流場中的速度。當粒子的流體跟隨性較好時，可以認為和流體速度一樣。典型試驗結果如圖61所示，其中(a)～(c)展示了發(fā)動機在轉速3500 r/min時，曲軸轉角128.4° CA時不同工作循環(huán)的燃燒室中心平面的速度場瞬態(tài)分布。對比可以發(fā)現(xiàn)流動結構大體相似，但由于發(fā)動機循環(huán)變動的存在，流動細節(jié)存在差異。圖61(d)展示了46組循環(huán)的平均結果，可以清晰看出該中心平面左上方有一處旋流結構，且各空間位置的速度方向和大小均得到定量確定。

圖60 二維PIV發(fā)動機缸內(nèi)速度場測量系統(tǒng)示意圖[172]

圖61 發(fā)動機缸內(nèi)速度場測量結果[172]

由于PIV技術首先采用粒子示蹤流場進行測量，再對拍攝粒子的瞬時位置圖像進行處理，其測量誤差也分為試驗誤差與后期圖像處理誤差兩方面。首先，測量誤差可能來源于選取的示蹤粒子跟隨性較差，無法反映流場真實速度。在選取顆粒時需要滿足兩方面要求：一方面，顆粒的密度應與流體密度接近，且尺寸必須足夠小，使顆?？梢匝亓骶€方向運動，即具有示蹤能力。示蹤能力可由斯托克斯數(shù)(Stokes Number,St)來衡量[173]。斯托克斯數(shù)與顆粒的密度、表面積成正比，而與流體介質(zhì)的運動黏性系數(shù)成反比，工程中常取St<0.1作為顆粒在流體介質(zhì)中擁有示蹤能力的判據(jù)；另一方面，顆粒的尺寸需要足夠大，使其散射光信號足夠強，提高相機圖像的信噪比。因此，選取顆粒時，需要權衡流體、顆粒和激光強度等因素。在工程應用中，對于液體介質(zhì)中的PIV測量，常選用尺寸較大的顆粒和能量較弱的激光，而在氣體介質(zhì)中的測量則選用尺寸較小的顆粒和較強的激光。除顆粒選擇外，激光平面位置和厚度、流場速度梯度也會影響測量誤差。例如流體沿垂直激光平面方向的速度分量過大時，將引起平面外粒子丟失現(xiàn)象(即前一時刻被激光平面照亮的粒子，后一時刻離開激光平面)；流場速度梯度過大將降低互相關函數(shù)二維分布的峰值，影響位移矢量的確定。后期圖像處理誤差主要受到查詢窗口內(nèi)顆粒數(shù)量和查詢窗口尺寸選擇的影響，如選取不當則互相關函數(shù)計算時會出現(xiàn)較大誤差。例如查詢窗口內(nèi)顆粒數(shù)量過少會降低圖像信噪比，過多則可能引入錯誤的互相關函數(shù)二維分布峰值；查詢窗口尺寸過小將引起平面內(nèi)粒子丟失現(xiàn)象(即前一時刻位于查詢窗口的粒子，后一時刻移動至查詢窗口外)，過大則會降低空間分辨率，難以獲得流場細節(jié)。工程上常使用以下原則指導PIV測量[171]：(1)顆粒個數(shù)≈10個/查詢窗口；(2)激光平面內(nèi)顆粒位移≈1/4查詢窗口尺寸；(3)垂直激光平面方向顆粒位移<1/4激光平面厚度；(4)查詢窗口內(nèi)各顆粒位移的最大差異<3%～5%窗口尺寸。這些標準并非嚴格規(guī)定，實際過程中應以互相關函數(shù)分布的信噪比決定測量參數(shù)。在發(fā)動機缸內(nèi)測量的高溫高壓環(huán)境下，由于PIV技術主要使用示蹤粒子的Mie散射信號進行測量，而在高壓環(huán)境散射信號的衰減較小，故對測量結果影響不大。在強背景光條件下，可以通過在鏡頭前加裝濾鏡的方式，濾除背景光波段信號，保留入射光散射信號進行測量，理論上對速度場測量結果影響不大。

PIV技術迄今已經(jīng)歷百余年的發(fā)展。該技術的雛形可追溯到1905年普朗特實現(xiàn)的水翼繞流流動顯示實驗。20世紀90年代，隨著計算機技術、激光技術和數(shù)字化相機的發(fā)展，PIV技術得以成型并廣泛應用于工程試驗。Grant[174]于1997年發(fā)表的論文涵蓋了從20世紀30～90年代利用PIV技術開展的主要研究工作，對PIV技術的發(fā)展進行了記錄和總結。2000年前后，許多國家和機構的研究人員均發(fā)表過PIV技術相關的綜述文章[175-177]。當時，PIV技術已能夠實現(xiàn)瞬時的二維(Two-dimensional)、雙速度分量(Two-component)測量(2D2C)。北京理工大學孫柏剛等[178]針對某六噴孔高壓容彈內(nèi)部噴霧流場進行了PIV測量，結果顯示高壓噴霧引起的缸內(nèi)流動具有明顯的旋渦運動特征，同時觀察到了液滴匯聚現(xiàn)象，可用于解釋噴霧液滴濃度不均現(xiàn)象。天津大學董明哲等[179]對不同壓力下燃油噴霧速度場進行了瞬態(tài)PIV測量，并進行了誤差分析。結果顯示噴霧過程后期，噴束內(nèi)部開始出現(xiàn)渦流結構，且隨著噴射壓力的增加，渦流結構出現(xiàn)時刻提前。

近年來，PIV技術開始向高維度、高時間分辨率發(fā)展。Wieneke發(fā)展的立體PIV(Stereo-PIV)使用與傳統(tǒng)PIV試驗相同的激光光路，將垂直激光平面的單一相機更換為與激光平面成不同夾角的雙相機組，可計算獲得垂直于激光平面方向的速度分量，實現(xiàn)2D3C(二維、三速度分量)測量[180]。立體PIV典型測量結果如圖62所示。

圖62 立體PIV典型速度場[180]

該速度場分布中，箭頭的大小和方向表征激光平面上各位置速度特性，而紅藍圖數(shù)值分布表示垂直激光平面上速度大小，構成2D3C測量。值得一提的是，垂直激光平面的速度不宜太大，否則示蹤粒子將在激光脈沖間隔期離開激光平面(平面厚度常取0.5 mm)。

K?hler等[181]在立體PIV的基礎上，發(fā)展了雙平面立體PIV技術(Dual-plane stereo PIV)。該技術使用2個平行的激光平面和2組共4個相機，實現(xiàn)2個平面的2D3C同步測量，獲得了垂直激光平面方向的速度梯度和渦量場信息。雙平面立體PIV技術的原理與普通立體PIV技術相似，但試驗設置較為復雜，如圖63所示。

圖63 典型雙平面立體PIV試驗設置(1、2、3、4為相機，5為鏡頭，6為全反射鏡，7為偏振分光鏡，8為遮擋物)[183]

該設置采用了2組相機(1、2為第一組，3、4為第二組)，2組相機的光軸夾角均為α。該系統(tǒng)采用較為復雜的激光器腔內(nèi)設計，產(chǎn)生2束偏振方向不同的激光平面，分別入射流場，產(chǎn)生的散射光信號被偏振分光鏡分離，再由2組相機分別接收，達到信號分離的效果。對每組相機拍攝的圖片進行立體PIV計算，可獲得每個平面的3個方向的速度信息。

2006年，荷蘭代爾夫特理工大學Elsinga等[182]開發(fā)了層析PIV技術(Tomographic PIV)，突破了平面限制，實現(xiàn)了空間全場范圍的速度測量(3D3C)。該技術使用多個相機，在空間中各不同方位對流場進行同步拍照，獲得顆粒光學信號的二維投影，再利用層析算法[183-184]重構三維結構，確定各顆粒的空間位置。確定前后時刻的顆粒空間分布后，再劃分三維查詢窗口，采用三維互相關算法(3D cross-correlation)獲得各窗口的速度大小和方向。由于可以獲得具有空間分辨率的速度信息，層析PIV技術被廣泛用于湍流流動和燃燒系統(tǒng)的測試。達姆施塔特工業(yè)大學的Baum等[185]利用層析PIV技術實現(xiàn)了活塞式發(fā)動機內(nèi)部的湍流速度場測量。試驗使用4臺CCD相機，測量了發(fā)動機燃燒室滾流平面附近的瞬時三維速度場。首先將激光以滾流平面為中心平面擴展成47 mm×35 mm×4 mm的測量體積，相機拍攝測量體積內(nèi)的粒子信號后，使用乘法代數(shù)重建算法對每一時刻的粒子信號空間分布進行層析重構，再進行三維互相關處理，獲得了不同曲軸轉角下的瞬時速度場分布，最后對不同循環(huán)相同曲軸轉角下的速度場進行數(shù)值平均，得到如圖64所示的平均速度場，空間分辨率達到0.4 mm。在此基礎上，Tokarev等[186]分析了層析PIV測量誤差的影響因素，如激光強度不均勻、噪聲信號等，并用層流軸對稱預混火焰進行了驗證；Ziskin和Novara等[187-188]進一步改進了層析算法，提高了速度場的計算精度。浙江大學高琪團隊[189-191]以傳統(tǒng)層析PIV為基礎，拓展了包括壓力場測量、加速度場測量、PIV誤差降低、流體機理分析等多項應用。

圖64 層析PIV發(fā)動機燃燒室平均速度場測量結果[185]

除層析PIV外，其他技術也可實現(xiàn)3D3C測量，如光場成像技術[192]利用相機內(nèi)的微透鏡重新聚焦光路，獲得景深方向的光學信息，但空間分辨率較低；再如全息PIV技術(Holographic PIV)[193]將入射光與相機光軸方向重合，入射光經(jīng)流場顆粒產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，進而在相機成像平面上產(chǎn)生干涉條紋。利用不同空間位置的顆粒對應干涉條紋不同的原理，可計算顆粒的空間位置信息，進而計算速度信息；除此之外，還有以彩虹PIV[194]為代表的新興PIV技術，已在試驗測試中進行了成功的應用。彩虹PIV的試驗設置如圖65所示。該技術首先將白光光源進行色散，并通過平行光濾鏡產(chǎn)生由紅到紫的多組連續(xù)激光平面，構成體激光照射流場三維區(qū)域，示蹤粒子產(chǎn)生的Mie散射信號通過干涉光學元件DOE后，可同時聚焦在彩色相機的成像平面。后期處理時，對不同顏色粒子的信號進行分離，做常規(guī)二維PIV處理即可獲得垂直入射光方向上不同位置的流場速度信息。

圖65 彩虹PIV試驗設置圖[194]

各種PIV測試技術的優(yōu)勢和缺陷總結如表6所示。未來的PIV技術將進一步提高時間和空間分辨率及計算精度，適用于復雜流動和燃燒系統(tǒng)的速度場解析，更加廣泛地應用于各類發(fā)動機測量。

表6 各種PIV測試技術對比

2.6 激光誘導熒光法

2.6.1 激光誘導熒光法基本原理

激光誘導熒光法(Laser Induced Fluorescence,LIF)的原理是當激光光子的能量(表征為波長)符合分子或基團特定2個能級之間的能級間隔時，分子或基團吸收光子能量從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)(指電子狀態(tài))，激發(fā)態(tài)的分子或基團不穩(wěn)定，經(jīng)過一定時間后將通過各種路徑釋放能量返回基態(tài)。在各種能量釋放路徑中，從單重態(tài)(受激能級躍遷后的一種狀態(tài))直接返回基態(tài)的自發(fā)輻射發(fā)光稱為熒光，如圖66所示[195]。由于能量損耗，熒光光子的能量通常會低于激發(fā)光光子，導致熒光的波長長于激發(fā)光，可以較為容易地用濾鏡分離。由于激光波長單一、能量高，使用激光激發(fā)熒光比其他類型的光源更為方便，因此LIF方法常用于成分、濃度和溫度的觀測。

圖66 激光誘導熒光的基本原理[195]

與熒光并列的還有一種輻射發(fā)光稱為磷光，由于磷光的產(chǎn)生涉及能態(tài)轉換，因此磷光發(fā)射明顯晚于熒光且光子能量更低。磷光也可以用于與熒光類似的測量，在測溫方面有一定的優(yōu)點，但在發(fā)動機上的應用范圍相對較窄，此處不再贅述。

在燃料濃度分布測試試驗中，通常需要在被測對象中添加特定的物質(zhì)來獲取熒光信號，該類方法通常被稱為“示蹤劑LIF”或“Tracer LIF”。LIF的應用以片光診斷獲得二維圖像最為常見，即平面激光誘導熒光(Planar Laser Induced Fluorescence,PLIF)方法。

熒光強度Sf的簡化表達式為：

Sf∝ILnFσabs(λ,T)φ(λ,T,p)

(11)

式中，IL為激光能量；nF為熒光物質(zhì)分子/基團數(shù)量；σabs為熒光物質(zhì)分子/基團的吸收截面系數(shù)，用于表征其吸收激發(fā)光子的固有能力，是激發(fā)光波長和溫度的函數(shù)；φ是熒光分子/基團的熒光量子函數(shù)，因物質(zhì)種類而不同，并與激發(fā)光波長、溫度和壓力相關。值得注意的是，激發(fā)態(tài)的分子/基團并不都會發(fā)出熒光，其中分子/基團等因碰撞失去能量或改變受激狀態(tài)而失去熒光發(fā)射能力的現(xiàn)象被稱為淬息(Quenching)。當壓力較大時，分子碰撞頻率上升，因此淬息效應增強。淬息效應定量地體現(xiàn)在熒光量子函數(shù)φ中[196]，這也是φ與環(huán)境壓力有關的主要原因。在常見的流動燃燒測量中，O2分子的碰撞淬息作用最為明顯。因此在LIF測量中如何評估淬息的影響、如何減少淬息帶來的誤差至關重要，在選擇示蹤劑和匹配激發(fā)光波長時需根據(jù)實際情況進行合理的評估。

由式(11)可知，適當選擇試驗參數(shù)時LIF可以對組分濃度和溫度進行測量。例如固定激光能量、激光波長、溫度和壓力，則熒光信號與熒光物質(zhì)的數(shù)量可以建立直接關系。在消除濃度等因素的影響后，也可以用LIF信號來測量溫度。

由式(11)還可推知熒光強度與激發(fā)光強度應為線性關系。但是具有熒光特性的分子數(shù)量是有限的，當激發(fā)光能量足夠強時，所有能被激發(fā)的分子都被激發(fā)，此時再增加激發(fā)光強度也難以提高熒光發(fā)射強度，這種現(xiàn)象被稱為“熒光的飽和”[197]。熒光的飽和可能會影響標定和結果的精度，但飽和狀態(tài)的 LIF 受激光能量吸收衰減的影響較小，因此在部分試驗中也具有一定優(yōu)勢。

2.6.2 復合誘導熒光原理

復合激光誘導熒光(Laser Induced Exciplex Fluorescence,LIEF)主要用于氣液相的分離測量，它采用二元示蹤劑，其中一種示蹤劑(記為M)吸收光子躍遷至激發(fā)態(tài)(記為M*)可以發(fā)出熒光，而M*同時能與另一種示蹤劑分子(記為G)碰撞形成新的受激分子(記為(MG)*)，(MG)*也可以發(fā)出熒光，但由于其能量較低，熒光的波長相比于M*的熒光會發(fā)生紅移，故2種熒光能夠得以區(qū)分。上述過程表達式如下：

M→M*

(12)

M*+G?(MG)*

(13)

式(13)所示反應為可逆反應，當G的量遠大于M時，由于液相中分子密度大、碰撞頻率高，因此在液相中式(13)所示反應向右進行的趨勢和頻次會明顯高于在氣相中。即液相中(MG)*的熒光會明顯強于M*的熒光，則2種不同波長的熒光即可分別代表燃油氣相和液相的分布[198]。

由上述原理可知氣液相熒光光譜重疊是LIEF的固有問題，特別是液相的分子密度遠大于氣相，這對氣相的定量測量干擾較大，導致氣液相信號無法使用濾鏡徹底分離，從而對定量測試帶來影響。圖67所示即為典型的氣液相光譜重疊[199]。此外，LIEF還面臨與LIF同樣的其他問題，因此總體而言 LIEF的定量較為困難，需要精密的標定和考慮多因素的校正。但是當前在對復雜兩相流進行截面測試的技術中，尚無在各方面都優(yōu)于LIEF的方法，因此LIEF技術仍被廣泛地應用于對噴霧等現(xiàn)象的研究。

圖67 LIEF中的氣液相熒光重疊[199]

2.6.3 部分特殊的LIF特性和相關技術

某些物質(zhì)(如CO)在被激發(fā)時，可以吸收2個光子，實現(xiàn)較大能級差的激發(fā)態(tài)，利用此現(xiàn)象可以形成雙光子LIF(TP-LIF)[202]。當誘導熒光所需激發(fā)的能級差已高過深紫外光的光子能量時，常規(guī)的激光器難以提供足夠的能量，此時雙光子LIF可以用較低頻率的激光實現(xiàn)大能級差的激發(fā)。

除吸收多個光子外，激發(fā)態(tài)的分子/基團還可能因為其他原因獲得更高的能量而躍遷至更高的能級。此時如具備熒光發(fā)射條件，則可能出現(xiàn)熒光光子能量高于激發(fā)光的現(xiàn)象(即熒光波長小于激發(fā)光)。但此類現(xiàn)象在常規(guī)的發(fā)動機試驗中作為有效信號觀測的情況較為罕見，本文不作討論。

2.6.4 常用熒光物質(zhì)和激光波長組合

每種熒光物質(zhì)都有特定的激發(fā)和熒光特性，表7總結了一些典型的LIF測試中激光波長和熒光物質(zhì)組合，表8給出了部分示蹤劑的特性。

表7 典型激光和熒光物質(zhì)的組合

表8 部分示蹤劑特性

2.6.5 激光誘導熒光法的典型應用

激光誘導熒光法廣泛應用于工程熱物理領域各方面的研究。針對動力系統(tǒng)流動燃燒領域的研究中，以平面激光誘導熒光法為最主要的測試手段。PLIF被應用于相關的混合氣研究、燃燒產(chǎn)物研究和溫度測量，而PLIEF則常用于噴霧兩相流研究。過去已有較為全面的LIF研究詳細綜述[196]，也有對部分測試對象進行針對性的總結[229]。本文將重點介紹近年來國內(nèi)外發(fā)動機相關領域幾個主要研究方向的新進展，并側重于具有一定代表性的研究。

典型的發(fā)動機PLIF試驗系統(tǒng)主要組成包括對象測試平臺(如光學發(fā)動機)、激光光源、片光系統(tǒng)、圖像采集裝置、適應LIF信號的鏡頭、選取LIF信號的濾鏡、精密時序控制系統(tǒng)和其他光路組件等，如圖68所示[230]。激光器的選擇除考慮示蹤劑的匹配和脈沖能量外，還需考慮光斑質(zhì)量對片光形成的影響。PLIF測試中，片光系統(tǒng)的設計需充分考慮有效測試區(qū)在光程方向的長度，保證片光在有效測試區(qū)的厚度較小。在發(fā)動機測試中，常見較為理想的測試區(qū)片光厚度為0.1～1.0 mm。由于熒光生存時間常見在納秒級別，多數(shù)LIF試驗屬于弱光探測，為減小背景噪聲等干擾，圖像采集裝置大部分情況下需采用具有皮秒或納秒級響應速度、門寬短、具有放大光信號能力的增強型相機。在采集紫外光波段的熒光信號時，需使用能夠透過紫外光的專用鏡頭。精密時序控制需能在皮秒或納秒級別的時間尺度上精確控制圖像采集裝置曝光時間與激光脈沖的配合，在優(yōu)化時序控制時，可能還需要光電倍增管等輔助裝置來精確探測熒光出現(xiàn)的時間。

圖68 典型缸內(nèi)PLIF混合氣測量裝置圖[230]

2.6.5.1 混合氣測量

使用PLIF開展燃燒室內(nèi)混合氣的研究已有較長的歷史，過去主要是針對汽油發(fā)動機尤其是直噴汽油機的缸內(nèi)混合氣組織[105]。近年來除了一些典型的空燃比研究[103,231]之外，使用PLIF方法的混合氣研究主要的重點方向是多組分燃料的混合氣研究、壓燃式發(fā)動機的缸內(nèi)混合氣研究和其他代用燃料的混合氣研究。

牛津大學Williams等[211]在GDI發(fā)動機中研究了多組分燃料的混合氣，使用Lin等[232]經(jīng)過VLE計算得出的6組分燃油+3組分示蹤劑方案，在優(yōu)化示蹤劑同步揮發(fā)率的基礎上區(qū)分了輕中重組分。馬驍?shù)萚233]在Lin等[232]方案的基礎上提出了實驗和計算交叉進行的設計方法，實現(xiàn)了多組分燃油和示蹤劑揮發(fā)基本同步、整體燃料蒸發(fā)特性與真實汽油蒸發(fā)特性相似的問題，并在GDI發(fā)動機中進行了不同噴射策略下多組分燃料混合氣分布的研究，結果如圖69所示。這類研究揭示了不同揮發(fā)特性的組分在分布上具有的差異會持續(xù)到燃燒過程中，也體現(xiàn)了汽油的復雜成分對精確定量測量和模擬研究帶來的挑戰(zhàn)。

由于前述同步揮發(fā)方案的燃料制備較為復雜，對激光的要求也很高，也有研究者使用相對簡化的方案。如Bardi等[234]研究E10燃料的表征燃料的蒸發(fā)和混合氣，采用了雙示蹤劑分別標識輕重2種組分。該示蹤劑方案主要采用沸點相近的參數(shù)選擇，在同步揮發(fā)方面使用了簡化的計算校驗，大大降低了對匹配設計的要求，適用于對精度要求相對不高的研究。

對于甲烷等氣體燃料的混合氣形成，也有研究者采用氣體燃料與已經(jīng)氣化的微量示蹤劑預混，如Baratta等[235]使用4×10-3的三甲胺配合紫外波段的KrF激光器開展天然氣直噴模式的缸內(nèi)混合研究。Kranz等[236]對CNG發(fā)動機的研究中使用了苯甲醚作為示蹤劑跟蹤甲烷與空氣的混合過程。

近年來，對壓燃發(fā)動機混合氣的PLIF研究也在不斷推進。Trost等[237]研究了4種適用于柴油類燃料的示蹤劑在266 nm激光激發(fā)下的熒光特性，分別為1-苯基辛烷(1-phenyloctane, PO)、1-苯基癸烷(1-phenyldecane, PD)、1-乙基萘(1-methylnaphthalene, 1MN)和2-乙基萘(2-methylnaphthalene, 2MN)，研究表明4種示蹤劑中1-乙基萘的特性最適用于柴油類燃料的研究。唐青龍等[238]的系列研究中，使用PLIF方法研究雙燃料壓燃的RCCI模式下不同化學活性的燃料在缸內(nèi)的混合與分布對著火和燃燒過程的影響，以支撐深入的RCCI化學反應動力學研究。

缸內(nèi)混合氣測量的精度受溫度壓力以及示蹤劑特性的影響，除采用待測燃料原有成分作為示蹤劑的情況外，一般盡量降低單獨加入示蹤劑的摻入比例，以減少對測量精度的影響，示蹤劑比例常見低于10%甚至5%[105, 196]。由于缸內(nèi)測量工況、試驗配置和修正方法的差別，LIF混合氣濃度測量的誤差范圍較大，過去的報道在2%～30%的范圍內(nèi)波動[196, 239]。

2.6.5.2 燃燒產(chǎn)物測量

由于PLIF測量OH自由基和甲醛具有顯著優(yōu)勢，在發(fā)動機研究中大量使用PLIF方法研究燃燒過程中的OH和甲醛的分布變化以分析高溫和低溫反應的進程。近年來，相關的研究多見于對缸內(nèi)燃燒過程細節(jié)和代用燃料方面的研究。

Peterson等[240-241]使用2組PLIF裝置，觀測OH的分布并結合PIV試驗結果分析了火花點火發(fā)動機點火初期火焰發(fā)展以及火焰?zhèn)鞑サ那闆r(圖70所示為距離1 mm的平行截面上的OH分布)，該系列研究的特色是使用PLIF信號層析的方式反演了火焰中的OH三維分布。Ma等[220]使用PLIF方法研究了呋喃類代用燃料在直噴點燃式發(fā)動機內(nèi)火焰發(fā)展過程中的OH分布狀況，總結了OH、火焰面積與放熱率之間的關系。壓燃發(fā)動機研究方面，García-Oliver等[242]使用PLIF探測OH結合PIV的方法，研究了柴油噴霧的流動與火焰結構，分析了噴霧燃燒過程中反應流動的徑向膨脹和密度降低效應。Zhong等[243]使用PLIF測量OH在生物柴油摻混燃料噴霧燃燒中的分布，研究了摻混燃料對滯燃期的影響，并與發(fā)動機試驗結果進行了對照分析。

由于甲醛標志低溫反應，在壓燃的研究中一直受到重視，PLIF觀測甲醛的瞬態(tài)分布是解析燃燒化學反應進程的重要試驗方法。近年來，發(fā)動機領域甲醛PLIF的研究主要集中于噴霧燃燒過程的解析。如Maes和Bakker等[244-245]在高壓定容彈中研究了正十二烷在150 MPa軌壓下短間隔2次噴射燃燒，利用PLIF分析甲醛分布情況(如圖71所示)，并使用化學發(fā)光分析了OH*的分布，研究結果表明2次噴射的甲醛分布狀態(tài)有很大差別。Tagliante等[38]使用甲醛PLIF和OH*化學發(fā)光研究了激光等離子誘導下的柴油噴霧火焰，分析了在下游火焰中低溫反應的作用以及噴霧燃燒中火焰穩(wěn)定的機理。

圖71 噴霧燃燒中的甲醛PLIF試驗結果[244]

PLIF用于NO的測試近年來主要的趨勢是與其他研究手段相結合分析污染物生成的化學反應過程。如Ottenw?lder等[246]研究了代用燃料噴霧燃燒中的NO分布，重點研究了燃燒中的混合情況對NO的影響，并發(fā)現(xiàn)部分條件下NO的分布與其他常規(guī)燃料時不同。

多數(shù)中間產(chǎn)物的LIF測量以半定量為主，對甲醛、NO等產(chǎn)物的定量測量主要依賴于標定和修正的精度，標定往往需要模擬對應的溫度壓力條件或者進行模型外推，同時還需保證和目標系統(tǒng)相似的光學特性，因此缸內(nèi)實時高精度定量測量的難度較高。

2.6.5.3 溫度測量

PLIF進行溫度場測量的典型方法主要分為3類：(1)雙激光譜線測溫，即采用2種波長的激光以極短間隔在同一位置激發(fā)流場中的1種示蹤劑以觀測熒光；(2)雙示蹤劑測溫，即使用2種示蹤劑，共用1個激發(fā)波長或各自被激光激發(fā)形成熒光；(3)單示蹤劑雙色測溫，即利用熒光譜會隨溫度變化的特性，從1種示蹤劑的熒光譜帶中選出2個熒光波長進行測量。這些方法均遵循同一原理，即使用2個通道的熒光信號強度建立方程并聯(lián)立，可以消去非均勻場中示蹤劑的局部濃度這一未知量，從而將溫度作為唯一的未知變量分離，結合標定后即可通過2種熒光強度的比值實現(xiàn)對溫度的定量測量。也有一些研究利用甲苯等示蹤劑的熒光隨溫度變化的特性直接測溫[139,247]。

單示蹤劑雙色測溫因試驗系統(tǒng)搭建難度相對較低，近年來在發(fā)動機研究中較為多見。如Gessenhardt等[248]、Peterson等[240,249]、Scott等[250]和Kaiser等[251]近年來的研究均使用甲苯作為燃料的示蹤劑開展雙色測溫，其中Scott等[250]的研究還使用了激光誘導光柵光譜與PLIF聯(lián)用的標定方式。圖72所示為Peterson等[249]的PLIF-PIV聯(lián)用系統(tǒng)。Wang等[252]使用對二甲苯作為示蹤劑在定容彈內(nèi)實施噴霧混合氣溫度測量。

圖72 甲苯LIF測溫與PIV聯(lián)用的缸內(nèi)測試[249]

雙示蹤劑測溫需要蒸發(fā)全過程中2種示蹤劑的蒸發(fā)比例保持一致，否則會導致無法求解溫度，這一問題在高溫下尤其突出，因此示蹤劑和燃料的匹配非常重要。Itani等[253]選用對二甲苯和1-甲基萘作為示蹤劑驗證了在發(fā)動機缸內(nèi)溫度壓力條件下可以使用這對示蹤劑進行測溫。

雙譜線測溫需要2種激光波長，系統(tǒng)布置相對復雜，但由于雙譜線測溫可以使用OH等自由基或產(chǎn)物作為熒光物質(zhì)，因此適合于燃燒場測試。在混合氣溫度場的研究中，采用加入示蹤劑的方法也較為常見。如Zigan等[254]測量GDI噴霧場中的混合氣溫度與濃度，采用3-戊酮示蹤劑、248和308 nm雙波長激發(fā)的方式實現(xiàn)。

PLIF和LIF進行溫度測量可以實現(xiàn)較高的精度，Murray等[255]就曾報道測量精度達到1 K的噴霧場溫度測試結果，Escobar等[256]使用皮秒級別的激光器進行熒光測溫,其精度達到0.2 K。但是過去的研究中，測溫精度較高的案例多數(shù)出現(xiàn)在溫度較低的液相測量且溫度梯度不大的場合。對于發(fā)動機條件下的復雜燃燒場的氣相測溫，測溫誤差在1%或10 K級別已屬于較好的結果[257]。

2.6.5.4 復合誘導熒光法噴霧測量

LIEF技術在測量噴霧兩相流時常見片光截面測量的形式，即PLIEF。孫田等[31, 214, 258]、郭紅松等[32-33]、謝騰飛等[259]和王卓卓等[260]使用PLIEF技術研究了柴油噴霧的氣液相分離。通過模型假設和計算修正，可以實現(xiàn)對噴霧中氣液相濃度的定量測量[31, 214]。近年來，Tang等[261]和Andersson等[262]針對汽油類噴霧開展PLIEF研究，Zhang等[263-264]的PLIEF試驗研究解析了GDI發(fā)動機閃沸噴霧的內(nèi)部氣液相結構以及壓電噴油器的閃沸噴霧特性。LIEF技術目前的發(fā)展趨勢是拓展測溫[265]以及與其他測試方法聯(lián)用[215]以進一步增強解析能力。

2.6.5.5 油膜測量

除了前述PLIF相關的各類流場中的片光測量，在發(fā)動機研究中LIF因信號靈敏還常被用于測量油膜的厚度，該類研究多使用激光光束(體積光)作為光源。如Liu等[266]使用LIF研究了GDI發(fā)動機活塞表面燃料撞壁形成油膜的厚度，研究解析了壁面溫度較高的情況下油膜的變化，見圖73。此外，潤滑油的油膜測量也是LIF測試中的一個重要分支，如Ito等[267]、Ayranci等[268]和Obert等[269]使用LIF方法測量了潤滑油在氣缸表面形成油膜的情況。油膜測試的關鍵環(huán)節(jié)是標定熒光強度與油膜厚度之間的關系，其誤差評估主要由擬合的R2表征，研究表明LIF油膜測試中標定的R2可以達到0.96以上。

圖73 LIF測量撞壁油膜厚度[266]

2.7 激光誘導熾光法

雙色法和消光法都是對碳煙進行光程方向的測試，得到的是光程方向的累計結果，只有軸對稱的火焰，才可以用反演算法得到過軸線平面的碳煙信息[270]。但發(fā)動機實際工作過程中碳煙的分布是不均勻的，因此需要激光片光法進行進一步的空間解析。激光誘導熾光法(Laser Induced Incandescence,LII)可以很好地滿足碳煙缸內(nèi)測試的要求，獲取激光片光照射薄層內(nèi)(通常0.5～1.0 mm)瞬時碳煙二維空間分布，引起研究者的廣泛關注。

LII的基本原理是將脈寬為幾納秒的激光射入碳煙粒子云團，在激光照射下碳煙顆粒的溫度迅速上升(4000 K左右)，發(fā)出與升高溫度相對應的黑體輻射，其大小與激光光束內(nèi)的碳煙體積分數(shù)成正比，因此可以反映碳煙的濃度分布[271]。激光脈沖過后，由于碳煙粒子的向外輻射、與周圍氣體之間的熱傳遞以及碳粒表面碎片的揮發(fā)，碳粒溫度逐漸降低，LII信號隨之衰減，其衰減速度與粒子尺寸大小相關。因此通過檢測碳煙粒子在激光加熱后發(fā)出的LII信號，即可得到碳煙濃度和尺寸信息[272]。LII測試過程中，碳煙顆粒經(jīng)過激光加熱后產(chǎn)生的輻射遠高于周圍火焰(2000 K左右)的輻射，這樣可以有效地剔除火焰自身的輻射干擾，有利于對燃燒過程中的碳煙顆粒進行研究，探尋燃燒和污染物的生成機理[273]。

典型的發(fā)動機缸內(nèi)碳煙LII測試系統(tǒng)如圖74所示[274]，一臺Nd:YAG脈沖激光器發(fā)出的532 nm光束通過透鏡組形成水平片光(40 mm×0.3 mm)，射入光學發(fā)動機的透明氣缸內(nèi)。一面反射鏡置于加長活塞內(nèi)，反射出燃燒室內(nèi)被激光加熱的碳粒熾光信號和火焰自然發(fā)光輻射圖像，并由增強型CCD相機接收。在相機前放置濾光片，抑制火焰輻射對LII信號的干擾，同時減小粒子所產(chǎn)生的彈性散射的影響。所獲得的熾光信號通過標定校準即可得到片光照射區(qū)域內(nèi)定量碳煙體積分數(shù)。

圖74 LII試驗系統(tǒng)示意圖[274]

獲取高質(zhì)量的LII信號是碳煙定量測試的關鍵，合理選擇激發(fā)波長和探測波長，可以優(yōu)化信噪比。當使用可見光時，柴油機中大多數(shù)碳煙粒子會發(fā)生瑞利散射，粒子的吸收效率近似與波長的折射率和尺寸呈反比變化。因此較短的波長可能會更有效地加熱碳粒。然而紫外波長會引發(fā)PAH的熒光。例如使用266 nm的激光時，會觀測到400 nm附近產(chǎn)生大量熒光，與LII信號相干擾。采用532 nm波長對于激發(fā)效率和信噪比是個比較好的折中選擇。當采用532 nm的激光時，任何PAH或其他分子產(chǎn)生的熒光屬于長波段或者紅外，可以用濾鏡去掉。1064 nm波長的激光由于不會產(chǎn)生熒光信號，也可以作為激發(fā)波長，但不可見的紅外激光調(diào)節(jié)難度較大，需要操作人員具有較豐富經(jīng)驗。研究表明LII信號在400 nm左右獲得較好的信噪比，但考慮到探測器件特性，為增強LII信號強度，也有選擇700 nm附近的波長[275]。但無論選擇哪種波長，一定要注意避開其他物質(zhì)的熒光區(qū)域。被碳煙粒子、灰塵或壁面散射的少量激光通過濾鏡會和LII信號發(fā)生嚴重干涉，帶阻濾光片可以用來阻擋激光并允許其他波長的光線通過，因此采用帶阻濾光片可以獲得更好的信噪比。此外，調(diào)節(jié)增強型CCD相機的開始采集時間，也可以優(yōu)化信噪比。這主要因為液滴和壁面對激光的散射主要發(fā)生在幾個納秒的激光脈沖內(nèi)，被誘導出來的熒光衰減很快，生存周期僅為20 ns，而熾光信號可以持續(xù)數(shù)百納秒，因此可以將增強型CCD的采集時間推遲，來減少散射光和熒光的干擾。激光能量也是影響LII信號的關鍵因素，太小不足以加熱粒子，太大造成碳粒汽化，碳煙體積濃度降低，熾光信號衰減。因此對于LII測試系統(tǒng)存在一個最佳激光能量范圍，在此范圍內(nèi)，熾光信號不依賴于激光能量，僅與當?shù)靥紵煗舛扔嘘P。通常選擇激光能量大約為1×107～1×108W/cm2[276]。典型LII測試系統(tǒng)的激發(fā)和探測波長如表9所示。

表9 LII測試系統(tǒng)參數(shù)總結

最早對LII 進行詳細研究的是Eckbreth。他在1977年研究Raman 散射測量時提出了激光加熱粒子的概念[281]。1984年Melton[282]發(fā)表了運用LII 原理進行粒子測量的第一篇論文。Melton的工作表明，由于LII 信號幾乎與碳煙體積濃度成正比，因此這一技術在碳煙的體積濃度測量上具有重要的潛力。美國桑迪亞國家實驗室的Dec等于1991年在一臺可視化重型直噴柴油機上進行LII測試，最早將激光誘導熾光法應用于直噴柴油機燃燒室內(nèi)碳煙分布觀測。此后Dec將LII與激光誘導熒光技術相結合，做了大量基礎研究工作，并于1997年提出了著名的直噴式柴油機新概念燃燒模型，發(fā)現(xiàn)柴油機碳煙生成的2個重要因素是燃油中多環(huán)芳香烴的化學作用和擴散火焰中空氣卷吸量的多少[283]。

在LII測試中，碳煙粒子發(fā)出的熾光信號由探測系統(tǒng)獲得，采用適當?shù)男史椒ǚ治鰺牍庑盘?，即可獲得碳煙體積分數(shù)。很多研究小組通過校準系數(shù)C來定量獲取濃度，即：

fv=C×Ip

(14)

其中,fv為碳煙體積分數(shù),Ip為探測到的LII信號強度。在這些研究中，校準參數(shù)可采用快速采樣或者消光法通過關聯(lián)已知碳煙體積分數(shù)和LII信號強度來獲得。

Greis等[274]在一臺高壓共軌柴油機上對碳煙的生成和氧化過程進行研究，使用采樣閥進行濃度校準，獲得不同時刻的碳煙濃度二維分布，并結合火焰直拍圖像進行分析。所獲得的不同曲軸轉角圖像如圖75所示，上行為直接拍攝的火焰圖像，由于燃燒后期火焰亮度有所下降，為了獲得較好的效果，最后2張圖片被增強了3倍。下行為片光薄層內(nèi)碳煙濃度分布。試驗結果表明，在燃燒后期，大部分碳煙集中在燃燒室凹坑的中央，沒有被氧化掉，這主要是因為中心區(qū)域流動較弱，產(chǎn)生相對低溫區(qū)域，減弱了碳煙的氧化效果，應通過燃燒室形狀優(yōu)化改善碳煙氧化狀況。

圖75 不同曲軸轉角火焰圖像和碳煙濃度分布對比[274]

清華大學鄭亮等[284]在GDI汽油機上開展缸內(nèi)碳煙濃度分布測試，并采用消光法進行標定。研究結果表明，當噴油碰到活塞頂形成油膜時，池火區(qū)域的峰值碳煙濃度可以數(shù)倍地高于燃燒室自由空間；通過采用2次噴射(進氣行程中和壓縮行程中各1次)并優(yōu)化第二次噴射的時刻，可以有效地減少池火碳煙的生成。

采用快速采樣或者消光法進行校準時，如果校準條件和測試條件相比沒有明顯變動，測量結果還是比較精確的。但實際測量中校準環(huán)境和測試環(huán)境很難保持一致，如氣體溫度、顆粒組分、環(huán)境壓力等變化會導致很大的誤差。

2002年Snelling和Smallwood等[285-286]提出了一種校準LII系統(tǒng)的新方法，采用不同的濾光片，獲得不同波長上的熾光信號，通過雙色法測出被激光片光加熱的碳煙粒子溫度，可以獲得絕對的碳煙體積分數(shù)，其基本原理總結如下：

(15)

(16)

這里λ1和λ2代表2個探測波長，E(mλ)是碳煙折射率的函數(shù)，稱之為“碳煙吸收函數(shù)”。很多研究表明，E(mλ)=0.30±0.06，并且在可見光和近紅外區(qū)域內(nèi)近似為常數(shù)，此處推薦E(mλ)在2個波長下都取0.3[275]。c為光速、h為普朗克常數(shù)、k為玻耳茲曼常數(shù)，Tp為碳煙粒子溫度。當探測系統(tǒng)在增益GEXP下，獲得LII信號強度為VEXP。fv為測試區(qū)域內(nèi)碳煙粒子云的碳煙體積分數(shù)。η為該系統(tǒng)的校準因子，需要事先對一個已知光譜輻射強度的發(fā)射源，如標準鎢帶燈或者黑體爐來進行校準獲得。wb為激光片光厚度。采用該方法，何旭等[287]在液體燃燒器上，對不同摻混比例的生物柴油-柴油混合燃料的碳煙生成特性進行研究，發(fā)現(xiàn)含氧燃料可以大幅度降低碳煙生成。在此基礎上，何旭等[288]在ICCD相機上安裝雙像器，同時在2個波長下獲取火焰中的二維LII圖像，直接計算出二維碳煙濃度分布。由于利用雙色法標定LII圖像的過程簡單、測試精度高、系統(tǒng)容易搭建、可以在線進行標定，得到迅速推廣和應用，成為目前最熱門的標定方法。

從這種二維自補償雙色LII測試系統(tǒng)可以看出[279, 288-289]，試驗過程中產(chǎn)生的誤差主要來源于2個方面：(1)標定過程中的誤差。在使用ICCD相機進行已知輻射特性的標準光源標定時，標準光源自身具有不確定性，其制造廠家通常會給出相關參數(shù)，一般來說對于一個已知的窄帶濾鏡，其光譜輻射的不確定度為一個定值。試驗光路中各光學元器件如分束器、濾鏡、相機鏡頭等也會造成信號采集誤差，但這部分影響極小，可忽略不計。由于ICCD相機門寬很小，曝光時間在20 ns左右，會產(chǎn)生光子噪聲，可以考慮用平場校正的方法來修正。(2)數(shù)據(jù)采集過程中的誤差。如激光片光厚度wb的測量存在一定的誤差，E(mλ)參數(shù)選擇存在一定的不確定性[275]。此外，CCD芯片上像素點響應的非均勻性也會產(chǎn)生誤差。不同火焰中，碳煙被激光加熱后的冷卻速度是不同的。以40 ns門寬為例，不同的冷卻速度會產(chǎn)生不同強度的信號，會帶來不超過5%的誤差。碳煙產(chǎn)生的熾光信號在到達ICCD相機之前，會被當?shù)靥紵熢茍F所吸收衰減，雖然可以采用Bouguer法則來修正，但這需要精確知道測試區(qū)域和ICCD之間的碳煙濃度，而對于不穩(wěn)定火焰的瞬態(tài)測試，這是不可能的，所以只能以誤差來對待，而這部分誤差最高可以達到17%。關于LII測試誤差的詳細討論可以參考文獻[290-291]。

綜上所述，LII是一項相對新穎的技術，在一定的激光能量范圍內(nèi)，熾光信號和碳煙體積分數(shù)成正比，特別適合于測量碳煙集中區(qū)域某一平面的瞬時空間二維濃度分布。熾光信號可以采用合適的相機延時、曝光時間和濾光片，來抑制背景火焰、消除液滴造成的散射光以及受激光誘導產(chǎn)生的熒光，獲取較高的信噪比，得到高質(zhì)量的圖片。LII和其他技術聯(lián)合使用還可以獲得粒徑分布、數(shù)量密度等碳煙信息。隨著激光器穩(wěn)定性提高、價格下降、操作使用更為方便以及信息處理算法的不斷改進，LII在發(fā)動機研究以及相關領域中有著更加廣闊的應用前景。

2.8 相位多普勒粒子測試

相位多普勒粒子測試(Phase Doppler Particle Analyzer, PDPA)技術可以同時測量液滴速度和粒徑，具有較高的時空分辨率，在發(fā)動機噴霧研究中得到了廣泛應用。

PDPA測量液滴速度的原理為激光的多普勒效應，如圖76所示，2束具有相同波長的相干激光匯聚于一點，形成測量體，測量體處產(chǎn)生干涉條紋。當2束激光的波長和夾角已知時，即可得到干涉條紋的間距。當液滴以一定的速度經(jīng)過測量體時，由于干涉條紋的存在，其散射光的光強也以一定的頻率發(fā)生周期性變化。通過測量光強變化的頻率，結合干涉條紋的間距，即可得到液滴在干涉條紋垂直方向上的速度分量。若有3組波長不同且方向不同的入射激光，則可以實現(xiàn)液滴三維速度的測量。

圖76 PDPA測速原理

PDPA測量液滴粒徑的原理為洛倫茲-米氏散射理論。如圖77所示，當光線射入球形液滴后，其散射光由反射光和若干階折射光組成。

圖77 光線進入球形液滴后的散射[292]

根據(jù)洛倫茲-米氏散射方程，當采用2個位于不同空間位置的接收器同時接收散射光信號時，2個接收器接收到的光強信號的相位差滿足以下公式。

對于反射光：

(17)

對于一階折射光：

(18)

式中,Φ為相位差，d為液滴直徑，λ為激光波長，nrel為相對折射率，θ、ψ和φ為與接收器空間位置有關的量。式中除了相位差和液滴直徑外，其余所有參數(shù)均為常量。因此通過測量相位差即可得到液滴直徑，并且無需對測量結果進行標定。

為了獲得可靠的結果，需要對反射光或一階折射光的光強進行測量。然而在實際測量過程中，接收到的散射光信號往往同時包含著反射光和各階折射光。為了盡可能地排除多余信號的干擾，需要選取合適的接收角度。圖78給出了不同接收角度下各階散射光在平行極性和垂直極性上的光強分布。對平行極性而言，當入射光與接收器的夾角為68.8°時，反射光的光強為零。此時一階折射光與反射光光強之比最大，即信噪比最高。

圖78 不同接收角度下各階散射光的光強分布[292]

PDPA系統(tǒng)由激光器、布拉格單元、發(fā)射探頭、接收探頭、數(shù)據(jù)處理器以及三維坐標架等部分組成。Dantec公司的測試系統(tǒng)如圖79所示，激光器為Coherent公司的Innova 70C型氬離子激光器。

圖79 PDPA系統(tǒng)實物圖

通過不同波長的組合，PDPA可以實現(xiàn)三維速度的測量。以波長為514.5 nm的激光測量一維速度為例，激光從激光器發(fā)出后經(jīng)布拉格單元，分解成2束激光能量相當?shù)募す?，并在透鏡的作用下相交于一點，形成測量體。油滴經(jīng)過測量體時散射的光信號由接收探頭內(nèi)的光電倍增管接收并轉換為電信號。信號處理器從中篩選出有效信號，由此計算出油滴的速度、粒徑等信息。發(fā)射探頭和接收探頭置于精度為0.1 mm的三維移動坐標架上，以實現(xiàn)信號的快速自動采集。

雖然PDPA能夠較為準確地測量流體的運動，但是它仍然會如其他光學測試手段一樣，存在一定的誤差。系統(tǒng)誤差主要來源于粒子球形度、光信號校準(Burst validation)、粒子平均誤差、粒子軌跡模糊和狹縫等效應。高速粒子在運動過程中會由于空氣阻力或黏性應力的影響發(fā)生形變，亦或在噴霧較濃區(qū)域發(fā)生液滴聚合等，形成不規(guī)則球體。而PDPA測試是根據(jù)進入測量體的液滴曲率來計算直徑，所以粒子的形狀和運動方向對測試結果有較大影響。光信號校準效應指的是信號接收器收到的光信號強度對測試的影響。信號過強或過弱都會導致信號處理器不能有效處理數(shù)據(jù)，所以在測試過程中，需要注意激光能量的選擇。粒子平均誤差效應指的是在高速噴射條件下，多個粒子在給定的時間段內(nèi)同時經(jīng)過測量體時，所獲取的粒子速度會偏高或不準確，這也是PDPA在測量較濃噴霧區(qū)液滴特性時具有局限性的原因之一。粒子軌跡模糊效應是因為激光光束強度的高斯分布特性所致。如果粒子直徑大于光束直徑，經(jīng)粒子反射和折射后的信號混合在一起，由信號接收器采集。由于PDPA的信號分析只取決于某一信號的強度，因此，PDPA在測量大粒徑粒子時將會出現(xiàn)較大偏差。狹縫效應在原理上有點類似于粒子軌跡模糊效應。PDPA中的狹縫效應指的是在某些情況下狹縫會抑制用于計算粒子直徑的散射光強度。

車用發(fā)動機采用脈沖式噴霧方式，噴射脈寬多在0.5～5.0 ms之間。其強瞬態(tài)特性導致噴霧過程中同一位置的液滴速度和粒徑均有著較大的變化范圍。因此，當利用PDPA測試發(fā)動機噴油器噴霧特性時，PDPA的測量結果是基于幾十到幾百次噴射的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以獲取足夠多的樣本數(shù)來計算噴霧過程中的液滴直徑和速度。

圖80給出了一旋流式噴油器中經(jīng)過某一測量點的油滴的軸向速度和直徑隨時間的變化圖[293]。圖中黑點表示原始測量數(shù)據(jù)，每一個黑點對應一個油滴速度或直徑數(shù)據(jù)，白點表示計算得到的平均值。計算方法為將采集持續(xù)期等分為若干個區(qū)間，對每個區(qū)間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)進行算術平均。計算公式為：

圖80 PDPA原始測量數(shù)據(jù)及平均值[293]

(19)

(20)

式中Ni為第i個時間段內(nèi)測得的樣本數(shù)，vij和Dij分別指第i個時間段內(nèi)測得的第j個樣本的速度和粒徑。

有不同的特征參數(shù)可以用于評價燃油破碎特性，如索特平均直徑、DV90、DV50等。因此，在實際應用中，需要對所測量的液體直徑數(shù)據(jù)進行二次處理，計算出相應的特征參數(shù)。其計算方法在本文中不再贅述。

PDPA測試需要采集幾十到幾百次的噴霧油滴數(shù)據(jù)。如在高壓容彈中進行，會導致噴霧殘留在容彈中，影響測量精度。因此，PDPA對油滴的測試多在常規(guī)大氣壓力下開展。郭恒杰等[293]搭建了一套基于三維相位多普勒測試技術的開放式噴霧試驗臺，對旋流式汽油缸內(nèi)直噴(GDI)噴油器的噴霧開展了研究，對不同時刻橫、縱2個截面上噴霧的流動狀態(tài)和粒徑分布進行了耦合分析，如圖81和82所示。結果表明利用三維PDPA系統(tǒng)能夠較好地反演噴霧破碎后的液滴速度和直徑的變化，并能夠同時對不同速度和直徑的液滴間相互作用展開分析。杜青等[294]利用三維PDPA分析了常壓下冪律流體旋流射流的液滴速度和粒徑分布特性。

圖81 不同時刻縱截面上油滴直徑和速度分布圖[293]

圖82 不同時刻橫截面上油滴直徑和速度分布圖[293]

為了更真實地反應發(fā)動機缸內(nèi)工作狀態(tài)，利用PDPA測量非常壓下的噴霧油滴也有所報道[295-300]。郭恒杰等[295]在一連續(xù)流動高壓定容彈內(nèi)比較研究了柴油和棕櫚油等的噴霧破碎特性，其背壓變化范圍為1.2～2.5 MPa。進一步通過對粒徑數(shù)據(jù)的二次梳理，分析了不同燃油間的索特平均直徑、DV10、DV50和DV90的差異。Li等[298]通過比較丁醇和汽油的噴霧特性(其背壓變化范圍為0.1～0.5 MPa)，系統(tǒng)地分析了燃油物性對液滴速度和直徑的影響。閃沸是汽油直噴(GDI)發(fā)動機工作中頻繁出現(xiàn)的現(xiàn)象[301]，引起了大量的關注[296-297, 299-300]。Li和Guo等[296-297]利用PDPA研究了寬背壓范圍(從負壓到高背壓)的油滴破碎質(zhì)量，并進一步解釋了油束間相互作用下的粒徑和速度特性。Wang等[299]利用PDPA解析了積碳GDI噴油器在閃沸條件下的噴霧特性。

為進一步理解發(fā)動機的缸內(nèi)噴霧特性，一些研究人員利用光學發(fā)動機展開了相關工作。Guo等[102]在一光學直噴汽油機內(nèi)研究了不同工況下閃沸對噴霧特性的影響，其結果表明油溫的增加(從20 ℃到60 ℃)有利于粒徑的降低，但油滴均勻性下降；同時油溫的進一步增加(90℃)只能略微降低直徑，但油滴的均勻性變好。Locoste等[302]基于一可連續(xù)工作的快速壓縮機研究了PDPA系統(tǒng)設置參數(shù)對測量結果的影響，并進一步研究了不同噴射壓力(60～160 MPa)和不同環(huán)境壓力(1.6～6.0 MPa)下的粒度特性。

3 總結與展望

發(fā)動機光學診斷技術以發(fā)動機缸內(nèi)流動、噴霧、混合與燃燒為研究背景，在定容燃燒彈、快速壓縮機、光學發(fā)動機等試驗裝置上，采用紋影法、雙色法、消光法、折射率匹配法、PIV、LIF、LII、PDPA等多種光學測試手段，獲取速度場、濃度場、溫度場、噴霧液滴的粒徑、形態(tài)信息與速度、燃燒場中各種中間組分濃度分布、火焰形態(tài)、碳煙生成特性等發(fā)動機缸內(nèi)工作過程關鍵信息，系統(tǒng)地研究發(fā)動機的氣流運動、噴霧、混合氣形成、燃燒過程和污染物生成與排放等，對發(fā)動機的工業(yè)設計、性能評估和自主研發(fā)具有不可替代的重要意義。各項常用光學診斷方法的空間、時間分辨能力和發(fā)動機測量中的應用范圍總結見表10。同時，對光學診斷技術在發(fā)動機這種狹小封閉空間內(nèi)高溫高壓高湍流情況的應用進行有益探索，對豐富流動和燃燒理論的研究也具有重要意義。

表10 發(fā)動機常用光學診斷時空分辨能力和適用范圍

為更加清楚地認識流動/燃燒機理并滿足工程應用的需求，未來的光學測試技術將面向高速、多維度、同步測量、多組分測量等方向發(fā)展，研究內(nèi)容日趨豐富：

(1)當前，科研人員對于實驗室尺度的試驗裝置已經(jīng)進行了廣泛的研究。這些系統(tǒng)結構較為簡單，流動、燃燒特性較容易測量。但是，實際發(fā)動機系統(tǒng)具有更加復雜的結構設計，如多孔噴射的汽油/柴油發(fā)動機等。由于觀察窗口受限或不存在，這些系統(tǒng)中的光學測試難度較大，因此需要發(fā)展更加先進的試驗裝置和測試技術以滿足測試需求。

(2)常見發(fā)動機的燃料多為液體燃料，如柴油、汽油等，然而大部分現(xiàn)有的燃燒理論是建立在氣體燃料和氧化劑反應的基礎上。因此需要解析液體燃料中的液滴破碎、液滴蒸發(fā)的化學動力學機理及液滴與氣相燃燒的相互作用機制，以豐富和完善燃燒機理。同時，隨著試驗裝置的壓力和溫度逐漸提高，有可能導致燃料進入超臨界狀態(tài)，產(chǎn)生新的現(xiàn)象。

(3)光學測試中，為同時測得多種特性參數(shù)(如溫度、濃度、速度、折射率等)，有可能在同一流動/燃燒系統(tǒng)中同時使用多種測量技術。同時，試驗設置也將變得十分復雜，對光學元件、信號采集系統(tǒng)、信號同步系統(tǒng)等設備的硬性要求和操作人員的專業(yè)能力要求也將大大提高。

光學診斷技術作為隨現(xiàn)代科學進步而快速發(fā)展的一類測試技術，可與傳統(tǒng)的物理采樣方法結合使用，應用于發(fā)動機內(nèi)部過程的測量，揭示發(fā)動機工作過程中復雜的物理化學現(xiàn)象，為發(fā)動機性能評估和故障檢測提供依據(jù)，為實現(xiàn)高效清潔燃燒提供強有力的支持。