內燃機燃燒的光學(xué)測試方法
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內燃機的燃燒過(guò)程是實(shí)際發(fā)動(dòng)機工作循環(huán)最重要、最復雜的過(guò)程，涉及到化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)以及傳熱傳質(zhì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是非常具有挑戰性的研究領(lǐng)域，因而內燃機節能和降低排放的關(guān)鍵在于對燃燒過(guò)程系統深入的了解。只有細致研究?jì)热紮C發(fā)生和發(fā)展的特征規律，弄清各因素的影響，在比較透徹地了解燃燒的整體過(guò)程和局部細節的基礎上，才能有針對性地改進(jìn)內燃機各部分的參數設計，更有效地提高內燃機效率，降低排放。
因此，運用先進(jìn)的實(shí)驗手段和方法來(lái)開(kāi)展內燃機缸內燃燒過(guò)程的研究，獲得缸內燃燒火焰的有關(guān)信息(例如溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng))，具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊的應用前景。內燃機缸內燃燒的光學(xué)測試方法是目前最有效的研究手段之一，在國內外得到越來(lái)越廣泛的運用。采用這種方法來(lái)研究?jì)热紮C的燃燒過(guò)程，能夠進(jìn)一步加深對燃燒過(guò)程的理解，為燃燒系統的評價(jià)和改進(jìn)提供依據，對于指導內燃機燃燒系統的設計，提高內燃機工業(yè)整體水平具有重要的現實(shí)意義。
1 內燃機燃燒研究的幾種光學(xué)測試方法
內燃機燃燒光學(xué)測試方法的最大優(yōu)越性在于對燃燒場(chǎng)無(wú)干擾，并可直觀(guān)地獲得燃燒過(guò)程的圖像。近年來(lái)，光學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展為更精確地研究燃燒過(guò)程提供了新的契機，因此受到了各國科研機構和發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)商的高度重視。近十幾年來(lái)，以光學(xué)原理為基礎的各種內燃機燃燒測試技術(shù)發(fā)展很快，其實(shí)際應用也日益廣泛，一些先進(jìn)的燃燒測試技術(shù)已逐步進(jìn)入實(shí)用階段。在內燃機燃燒的各種光學(xué)測試方法中，主要有雙色法(Two-Color Method)、全息法(Holograph Method)、吸收光譜法(Absorption Spectroscopy Method)、激光誘導熒光法(Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy,簡(jiǎn)稱(chēng)LIF法)、喇曼散射光譜法(Raman Scattering Spectroscopy)和相干反斯托克斯光譜法(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,簡(jiǎn)稱(chēng)CARS法)等。這些光學(xué)測試方法的應用，使內燃機缸內燃燒的研究向微觀(guān)化、定量化和可視化方向發(fā)展。
1.1 雙色法
雙色法是一種傳統的測高溫的方法。熱輻射是自然界中普遍存在的現象，一切物體，只要其溫度高于絕對零度，都要不同程度地產(chǎn)生輻射。由普朗克(Planck)黑體輻射定律可知，當黑體的溫度一定時(shí)，其光譜輻射出射度符合普朗克公式。雙色法的基本原理在于，通過(guò)測量?jì)蓚€(gè)波長(cháng)的發(fā)光強度擬合黑體輻射曲線(xiàn)，從而可以推斷物體的溫度。
在柴油機燃燒火焰中碳粒子存在于燃燒過(guò)程始終，碳粒子的光譜在可見(jiàn)光范圍內是連續的光譜，從滯燃期開(kāi)始，燃料發(fā)生裂變反應，便生成C、H原子，而燃料燃燒產(chǎn)物中仍存在少量的碳粒子。碳粒子能在極短時(shí)間內(約1 μs)就與周?chē)h(huán)境達到熱平衡，其輻射光譜能夠代表燃燒火焰瞬時(shí)溫度，碳粒子的單色波長(cháng)的輻射強度可作為火焰溫度測量依據。在實(shí)際測量時(shí)，通過(guò)選用波長(cháng)分別為λ1和λ2的碳粒子在可見(jiàn)光范圍內的兩個(gè)單色波長(cháng)輻射強度，避開(kāi)其他成分輻射波長(cháng)的干擾，實(shí)現測量火焰的瞬時(shí)溫度。
與其它測量方法相比較，雙色法有以下不足之處：
溫度測量值僅是統計平均值，而且得不到溫度的空間分布；
試驗裝置比較復雜，試驗結果還必須進(jìn)行標定；
雙色法是利用物質(zhì)的發(fā)射譜測量的，當波長(cháng)落在紅外和可見(jiàn)光波段時(shí)，由于與火焰高溫輻射譜重疊，使得測量精度受到影響。
1.2 全息法
全息照相術(shù)是根據物理化學(xué)原理，利用光波的干涉現象，在感光底片上同時(shí)記錄下物光波的振幅和位相，并通過(guò)衍射現象再現出物體的立體像，或者說(shuō)把物體光波重新顯示出來(lái)。
全息干涉測溫法是用一個(gè)激光全息系統經(jīng)過(guò)曝光后，把溫度場(chǎng)初始狀態(tài)的比較波記錄在全息干板上，經(jīng)過(guò)顯影和定影，將處理好的底片再精確地放回原來(lái)的位置上，同時(shí)保持全系統其它光學(xué)元件不變，這時(shí)用原來(lái)的參考波照射這個(gè)全息圖就可以再現比較波。若仍用原來(lái)的物光波照射溫度場(chǎng)則產(chǎn)生疊加有溫度場(chǎng)信息的物光波，物光波則會(huì )與原來(lái)的比較波產(chǎn)生干擾條紋，這樣就可以將連續變化的溫度場(chǎng)以干擾條紋的變化表現出來(lái)。
采用激光全息干涉法，同時(shí)與高速攝影機相結合，可以連續記錄燃燒室內溫度場(chǎng)的變化過(guò)程，獲得二維溫度圖像；但是，這種試驗裝置一般須在減震臺上進(jìn)行，抗震性極差，嚴重影響其實(shí)際使用。
1.3 吸收光譜法
吸收光譜法是利用光通過(guò)燃燒介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)對光的吸收效應來(lái)測量溫度和濃度的方法。根據Bouguer—Lamkert吸收定律，頻率為γ的光通過(guò)長(cháng)度為L(cháng)的介質(zhì)后，光強I的透過(guò)率為：
Tγ=Iγ(L)/Iγ(0)=exp(－∫dx.βγ.PI)， ……(1)
其中，PI是吸收粒子的分壓強；βγ是粒子對頻率為γ的光的吸收系數，它由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定。
β γ=Σδ j.g
j(γ－γ0)， ………(2)
其中，δj是吸收介質(zhì)中的譜線(xiàn)強度，由吸收介質(zhì)的分子能級、量子數、粒子數和溫度決定；gj（γ－γ0）是介質(zhì)的吸收光譜線(xiàn)型函數，一般為綜合加寬線(xiàn)型。為了得到粒子的濃度和溫度值等參數，就必須對已測得的吸收光譜進(jìn)行擬合。
吸收光譜法還被用來(lái)研究燃燒過(guò)程中的各種化學(xué)反應，如NOx和CO的生成。為了改進(jìn)空間分辨率，提高測量精度，在吸收法基礎上又發(fā)展了飽和吸收法(LISF)和光學(xué)層析法(Optical Tomography)，使得吸收法的精度提高到10－9以上。飽和吸收法是采用兩束交錯的不同強度的光束，一強光束通過(guò)對基態(tài)粒子的激發(fā)使得在吸收曲線(xiàn)上出現燒孔；而當另一同頻弱激光束通過(guò)時(shí)，吸收就會(huì )減弱。LISF也使結果表達式更加簡(jiǎn)單。光學(xué)層析法是在兩個(gè)有一定夾角方向上分別設置M束和N束平行光，使得形成M×N個(gè)吸收點(diǎn)，通過(guò)測量這些吸收點(diǎn)上的光譜來(lái)提高空間分辨率。這兩種方法都改進(jìn)為逐“點(diǎn)”測量，大大提高了空間分辨率和測量精度。
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