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

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081; 2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100081; 3.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱為發(fā)動(dòng)機(jī))廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)今世界用量最大、用途最廣的重要熱能動(dòng)力機(jī)械，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和人們生活中發(fā)揮著重要作用[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作過程如進(jìn)氣流動(dòng)、噴霧、混合氣形成和燃燒，是一個(gè)復(fù)雜多變的物理、化學(xué)過程，其完善程度直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、零部件的熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷、使用壽命與可靠性，是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的核心環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)是先進(jìn)技術(shù)的集合體，其研發(fā)不僅需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累，而且非常需要前沿基礎(chǔ)研究的引導(dǎo)。由于國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈，民族品牌必須依靠自己的力量，在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主創(chuàng)新，必須重視和大力開展基礎(chǔ)研究工作，用理論來指導(dǎo)實(shí)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(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。當(dāng)前，我國(guó)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究依然比較薄弱，理論研究與世界先進(jìn)水平有較大的差距，主要表現(xiàn)在缺乏具有引領(lǐng)性的先進(jìn)燃燒概念和模型，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究和基礎(chǔ)理論研究脫節(jié)較為明顯，相互支撐不足。

在發(fā)動(dòng)機(jī)研究工作中如要獲得有應(yīng)用前景的實(shí)用技術(shù)，就必須進(jìn)行深入基礎(chǔ)理論研究和創(chuàng)新性探索，加深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)現(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)，這一切都依賴于整個(gè)工作過程的實(shí)時(shí)觀測(cè)與診斷。光學(xué)診斷技術(shù)具有不干擾被測(cè)對(duì)象、測(cè)試精度高、時(shí)間響應(yīng)快、結(jié)果直觀形象等特點(diǎn)，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(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)診斷已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的重要手段。歐洲、美國(guó)、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(yīng)用以二維激光片光診斷為代表的激光測(cè)試，并進(jìn)一步探索三維、高速光學(xué)診斷技術(shù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬與仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程中愈顯重要，其中邊界條件的確立和數(shù)學(xué)模型的標(biāo)定，都離不開光學(xué)診斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。目前國(guó)際上知名高校和發(fā)動(dòng)機(jī)公司普遍采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、數(shù)值模擬和可視化診斷三者相結(jié)合的方法進(jìn)行相關(guān)研究?？梢娎霉鈱W(xué)診斷技術(shù)，既可以深化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作過程的認(rèn)識(shí)，又可以為數(shù)值模擬的結(jié)果提供試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際生產(chǎn)研發(fā)都具有重要價(jià)值。

近年來我國(guó)在發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)診斷技術(shù)上取得了很大進(jìn)展，但和國(guó)際先進(jìn)水平還有較大的差距，試驗(yàn)平臺(tái)和激光測(cè)試技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)和應(yīng)用水平有待進(jìn)一步提高。為此本文對(duì)開展發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)診斷所需要的主要試驗(yàn)平臺(tái)和常用光學(xué)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行綜述，詳細(xì)討論相關(guān)基本原理、技術(shù)細(xì)節(jié)和特點(diǎn)，介紹一些應(yīng)用實(shí)例，并進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃燒、傳熱、燃料蒸發(fā)與擴(kuò)散過程十分復(fù)雜，并伴隨循環(huán)之間的變動(dòng)，要獲取真實(shí)準(zhǔn)確的試驗(yàn)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(dòng)機(jī)工作過程的基礎(chǔ)研究需要一個(gè)良好、穩(wěn)定、可控的工作環(huán)境和可視化的測(cè)量條件。

模擬試驗(yàn)是揭示缸內(nèi)工作過程機(jī)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(jiǎn)化試驗(yàn)工作，同時(shí)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(dòng)機(jī)光學(xué)診斷主要在定容燃燒彈(以下或簡(jiǎn)稱為容彈)、快速壓縮機(jī)、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，它們對(duì)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的簡(jiǎn)化程度逐漸降低，越來越接近真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)。

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(diǎn)附近近似等容條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧和燃燒特性。定容燃燒彈一般為強(qiáng)度很大的開有光學(xué)視窗的高強(qiáng)度容器，通過點(diǎn)燃預(yù)混合氣或?qū)べ|(zhì)直接加熱，形成熱氛圍，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在上止點(diǎn)附近的高溫高壓狀態(tài)。定容燃燒彈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溫度壓力便于精確控制，且光學(xué)視窗上的油污、水蒸氣和碳煙易于清除，特別是在需要進(jìn)行變參數(shù)研究時(shí)，定容燃燒彈可以在較大的范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境溫度、壓力、氣體組分等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，流場(chǎng)對(duì)噴霧燃燒過程的影響較小，而且測(cè)試空間相對(duì)較大，適合于噴霧和燃燒特性的基礎(chǔ)研究。

1.1.1 點(diǎn)燃式定容燃燒彈

點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)如汽油機(jī)、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等的可燃混合氣燃燒大多數(shù)屬于預(yù)混燃燒[2]，其火焰?zhèn)鞑ニ俣仁前l(fā)展化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理、優(yōu)化燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和預(yù)測(cè)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(diǎn)燃式定容燃燒彈上進(jìn)行相關(guān)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(xué)楊青等[3]采用如圖1所示的球形點(diǎn)燃式定容燃燒彈系統(tǒng)開展試驗(yàn)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(diǎn)火系統(tǒng)、進(jìn)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(duì)稱布置了2個(gè)直徑為76 mm的光學(xué)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(jìn)行絕熱和保溫。通過熱電偶監(jiān)測(cè)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(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度。點(diǎn)火系統(tǒng)通過容彈中心對(duì)稱布置的2根電極來點(diǎn)燃混合氣，同時(shí)觸發(fā)高速紋影拍攝系統(tǒng)工作，獲取火焰圖像。進(jìn)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(jì)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(yàn)結(jié)束后，用真空泵徹底排出燃燒廢氣，防止對(duì)下次試驗(yàn)產(chǎn)生干擾，每次試驗(yàn)間隔約10 min。

圖1 球形點(diǎn)燃式定容燃燒彈系統(tǒng)示意圖[3]

在該裝置上，何旭等[4]測(cè)量了不同摻氫比、當(dāng)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(dāng)量比的增加，層流火焰速度先增加后減小。

利用這種球形點(diǎn)燃式定容燃燒彈，清華大學(xué)的蔣一州等[5]對(duì)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(shí)根特大學(xué)的Verhelst等[6]研究了氫氣在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下的火焰燃燒速度和馬克斯坦長(zhǎng)度的變化規(guī)律。沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的Mannaa等[7]研究了乙醇和EGR(Exhaust Gas Recirculation,廢氣再循環(huán))對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)燃式容彈也被廣泛應(yīng)用于燃料的層流燃燒特性研究。西安交通大學(xué)的黃佐華團(tuán)隊(duì)[8-10]在圓柱形容彈(內(nèi)徑180 mm，長(zhǎng)211 mm)上，研究了不同溫度、壓力、當(dāng)量比以及稀釋比下碳?xì)淙剂霞案鞣N醇類燃料的層流燃燒特性。清華大學(xué)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(xué)張尊華等[13]系統(tǒng)測(cè)量了ABE(丙酮(Acetone)-丁醇(Butanol)-乙醇(Ethanol))等燃料在不同溫度以及當(dāng)量比下的層流燃燒速度。普林斯頓大學(xué)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(guó)釜慶大學(xué)的Vu等[15-16]研究了烴類燃料(CH4、C3H8、C4H10)添加量對(duì)合成氣(H2、CO混合氣)球形膨脹預(yù)混火焰胞狀不穩(wěn)定性的影響。

隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，合理組織發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)、實(shí)現(xiàn)可控湍流燃燒，對(duì)提高發(fā)動(dòng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(xué)李國(guó)岫團(tuán)隊(duì)[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(gè)風(fēng)扇，每個(gè)風(fēng)扇前端固定孔徑為12 mm的孔板。風(fēng)扇由4臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過變頻器可以調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，變化范圍為0～5680 r/min。容彈內(nèi)配置好混合氣后，4個(gè)風(fēng)扇在相同轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)2～3 min，然后點(diǎn)火并記錄火焰發(fā)展圖像，來研究不同湍流強(qiáng)度下的火焰結(jié)構(gòu)和傳播特性。結(jié)果表明，隨著湍流強(qiáng)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(dòng)情況加劇，且波動(dòng)的幅值呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。西安交通大學(xué)趙浩然等[19]在類似的裝置上對(duì)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(dāng)火焰半徑R(對(duì)于湍流火焰，R為根據(jù)二維火焰面積折算的當(dāng)量半徑)相同時(shí)，層流火焰表面比較光滑，但由于點(diǎn)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(duì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，點(diǎn)火時(shí)刻預(yù)混氣的初始?jí)毫σ话悴怀^0.8 MPa。然而，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，壓縮比不斷增加以及增壓技術(shù)的應(yīng)用，點(diǎn)火時(shí)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(xué)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(gè)圓柱形腔體組成，內(nèi)腔直徑82.55 mm，長(zhǎng)127 mm，在試驗(yàn)中初始填充可燃預(yù)混氣；外腔直徑273.05 mm，長(zhǎng)304.8 mm，初始充滿惰性氣體。2個(gè)腔室最初由2個(gè)穿孔套管隔開，在點(diǎn)火之前，2個(gè)套管相互滑動(dòng)，使其穿孔對(duì)齊，2個(gè)腔室中的氣體接觸。可燃混合氣在內(nèi)腔中心被火花點(diǎn)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(rèn)為是在恒壓環(huán)境中進(jìn)行的。該裝置最大工作壓力可達(dá)9.5 MPa。

圖5 高壓雙腔定容燃燒彈結(jié)構(gòu)示意圖[21]

圖6 初始?jí)毫? MPa下正丁醇-空氣燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程[24]

點(diǎn)燃式定容燃燒彈多和紋影拍攝系統(tǒng)相結(jié)合，用來研究不同燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰不穩(wěn)定性、點(diǎn)火極限等，為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(yù)燃加熱式定容燃燒彈

點(diǎn)燃式容彈一般采用外壁布置加熱絲或者加熱棒來對(duì)容彈內(nèi)部氣體進(jìn)行加熱，溫度可達(dá)700 K。對(duì)于柴油機(jī)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(yù)燃加熱式定容燃燒彈，通過點(diǎn)燃容彈內(nèi)部預(yù)先充入的混合氣來模擬柴油機(jī)壓縮上止點(diǎn)附近的高溫高壓環(huán)境。

美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的預(yù)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(gè)方向各有一個(gè)窗口，在頂部布置了火花塞和混合風(fēng)扇，容彈右側(cè)窗口用于固定噴油器，其他4個(gè)窗口安裝藍(lán)寶石光學(xué)視窗，有效直徑102 mm。容彈8個(gè)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(jìn)排氣閥門。容彈壁面最高可加熱到525 K，來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)壁面溫度，并防止燃燒產(chǎn)生的水蒸氣在光學(xué)視窗上凝結(jié)。

圖7 預(yù)燃加熱式定容燃燒彈結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖[25-26]

試驗(yàn)開始時(shí)，先在容彈中充入可燃?xì)怏w如C2H2、H2等和空氣形成可燃預(yù)混氣，點(diǎn)燃后在容器內(nèi)形成高溫、高壓的環(huán)境，在0.12 s時(shí)刻形成如圖8所示的第一個(gè)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(dāng)達(dá)到所需的目標(biāo)壓力時(shí)，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(shí)刻產(chǎn)生第二個(gè)壓力峰值。通過調(diào)整預(yù)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(fēng)扇的運(yùn)行使容彈內(nèi)部點(diǎn)火時(shí)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(fēng)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(gè)數(shù)量級(jí)[27]，基本不會(huì)對(duì)噴射特性產(chǎn)生影響。

圖8 預(yù)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(cè)試結(jié)果，F(xiàn)lynn等[28]研究發(fā)現(xiàn)柴油自燃著火點(diǎn)在當(dāng)量比約為4的區(qū)域，而不是原來認(rèn)為的靠近油束邊緣當(dāng)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(rèn)為的在擴(kuò)散燃燒中產(chǎn)生。

在這種預(yù)燃加熱式定容燃燒彈上，天津大學(xué)的蘇萬華團(tuán)隊(duì)[29-33]基于復(fù)合激光誘導(dǎo)熒光(Laser Induced Exciplex Fluorescence，LIEF)技術(shù)，通過熒光強(qiáng)度和混合氣濃度標(biāo)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(duì)混合氣形成的影響。清華大學(xué)肖國(guó)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(duì)液體燃料跨/超臨界射流特性進(jìn)行研究，對(duì)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(xué)的鄧鵬等[35]為擴(kuò)展定容燃燒彈功能，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，研制出一種預(yù)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(jié)合高速紋影法，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料噴射、蒸發(fā)混合和著火燃燒過程的測(cè)試。北京理工大學(xué)的李峰等[36]采用紋影法研究了導(dǎo)管引導(dǎo)噴射(Ducted Fuel Injection，DFI)的噴霧特性，并與自由射流噴霧進(jìn)行對(duì)比，研究表明導(dǎo)管引導(dǎo)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(yù)燃加熱式定容燃燒彈上，荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的Meijer等[37]研究了不同配比的預(yù)混氣在不同的邊界條件下對(duì)噴霧和燃燒的影響，并建立了一維預(yù)測(cè)模型。法國(guó)石油研究院的Tagliante等[38]基于光學(xué)診斷技術(shù)，研究了單孔噴油器的柴油噴霧燃燒過程中甲醛的位置對(duì)火焰浮起長(zhǎng)度的影響。密歇根理工大學(xué)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(cè)試結(jié)果，建立三維仿真模型，對(duì)噴霧燃燒過程進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最終確定了以降低碳煙排放為目標(biāo)的多次噴射策略。

預(yù)燃加熱式容彈容積相對(duì)較小，通過控制預(yù)混氣的配比，可以對(duì)較大范圍的溫度、壓力和氧含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在全世界范圍得到了廣泛應(yīng)用。由于每次配氣點(diǎn)燃只能進(jìn)行一次噴霧燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)效率比較低。預(yù)混氣配置過程中要注意安全，對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)后續(xù)燃燒會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)于環(huán)境溫度≤900 K、壓力≤8 MPa的試驗(yàn)或者環(huán)境氣體組分控制要求較高的試驗(yàn)，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(jìn)行加熱。

北京理工大學(xué)何旭等設(shè)計(jì)的內(nèi)部加熱式定容燃燒彈試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 內(nèi)部加熱式定容燃燒彈結(jié)構(gòu)示意圖

該容彈本體為圓柱形結(jié)構(gòu)，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(duì)著火和燃燒過程的干擾。容彈最高設(shè)計(jì)壓力10 MPa、溫度900 K，溫度波動(dòng)≤±15 K。容彈上端蓋安裝噴油器適配器，可以固定柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)或者汽油機(jī)噴射系統(tǒng)。上端蓋下方沿周向布置4個(gè)光學(xué)視窗，安裝厚70 mm的石英玻璃，其有效直徑100 mm，為光學(xué)診斷提供必要的光學(xué)通道。視窗下方為功率12 kW的加熱瓦，功率可以根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。初次試驗(yàn)時(shí)，從室溫加熱到900 K需要大約45 min；待彈體溫度達(dá)到熱平衡，后續(xù)試驗(yàn)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(jìn)行多次噴射來提高試驗(yàn)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(jìn)排氣接口，氮?dú)饣蚩諝馔ㄟ^進(jìn)氣系統(tǒng)充入容彈進(jìn)行加熱，試驗(yàn)結(jié)束后高溫燃?xì)饨?jīng)冷卻裝置降溫后排出。容彈四周預(yù)留多組接口，用于安裝壓力、溫度傳感器，以對(duì)容彈內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，相關(guān)數(shù)據(jù)可以自動(dòng)存儲(chǔ)。

容彈內(nèi)高溫高壓的環(huán)境氣體會(huì)加熱噴油器，特別是噴嘴的壁面溫度會(huì)直接影響噴射時(shí)燃油的溫度，導(dǎo)致熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響霧化和蒸發(fā)特性。為精確控制燃油進(jìn)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(duì)噴油器主體進(jìn)行恒溫冷卻，同時(shí)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(duì)噴油器頭部的傳熱。

圖10 噴油器適配器結(jié)構(gòu)示意圖

為精確獲取燃油進(jìn)入容彈前的溫度，需要對(duì)容彈不同工況點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)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(cè)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(duì)不同摻混比例的生物柴油混合燃料進(jìn)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(jìn)行對(duì)比，圖片的拍攝時(shí)間用噴射開始后的時(shí)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(diǎn)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(xué)鄭亮等[41]用Mie散射法、OH基發(fā)光法、激光誘導(dǎo)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(zhǎng)度和碳煙濃度，以及汽柴油混合比例對(duì)這些參數(shù)的影響。研究結(jié)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(zhǎng)度增加，碳煙總體濃度和峰值濃度都有所降低。江蘇大學(xué)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(zhǎng)度和碳煙生成特性，并和普通柴油進(jìn)行了對(duì)比。上海交通大學(xué)夏津等[44]使用總?cè)莘e43 L的內(nèi)部加熱式容彈來模擬船用大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)，研究船用柴油機(jī)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(xué)的陳潤(rùn)和廣島大學(xué)的西田惠哉等[45]采用雙波長(zhǎng)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(duì)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(duì)安全可靠；溫度、壓力、氣體成分可以獨(dú)立精確控制；操作簡(jiǎn)單，加熱周期短，試驗(yàn)效率較高，在中國(guó)和日本得到了廣泛應(yīng)用。

1.1.4 流動(dòng)加熱式定容燃燒彈

流動(dòng)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(dòng)機(jī)上止點(diǎn)附近的缸內(nèi)熱力學(xué)環(huán)境，為發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)的流動(dòng)加熱式定容燃燒彈結(jié)構(gòu)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(jìn)氣口進(jìn)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(jìn)入容彈之前，由總功率30 kW的電加熱絲加熱，達(dá)到所需的目標(biāo)溫度。容彈周向布置4個(gè)直徑為128 mm的視窗，噴油器安裝在其中的1個(gè)視窗上，其他3個(gè)視窗安裝光學(xué)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(chǎng)的均勻性，該容彈采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)用來減少散熱損失，并且內(nèi)層結(jié)構(gòu)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(yuǎn)低于燃油噴射的速度，因此不會(huì)對(duì)燃油噴射造成影響。

圖12 流動(dòng)加熱式定容燃燒彈結(jié)構(gòu)示意圖[47]

如圖13所示，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣體壓縮裝置、加熱系統(tǒng)、流動(dòng)容彈本體和控制系統(tǒng)4部分組成。通過空氣壓縮機(jī)將氮?dú)夂脱鯕鈮喝敫邏汗蓿獨(dú)夂脱鯕獾谋壤烧{(diào)。將罐內(nèi)的高壓混合氣體導(dǎo)出，經(jīng)加熱系統(tǒng)加熱后進(jìn)入容彈內(nèi)部形成高溫高壓環(huán)境，然后再?gòu)娜輳椓鞒?。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(jī)拍攝等操作。

圖13 流動(dòng)加熱式定容燃燒彈試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖[47]

在流動(dòng)加熱式定容燃燒彈上，瓦倫西亞大學(xué)Benajes等[48]以正十二烷為燃料，采用紋影法和化學(xué)發(fā)光法來判斷自燃著火時(shí)刻并獲得滯燃期和火焰浮起長(zhǎng)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(zhǎng)度與氧氣濃度和噴射壓力呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。瑞典查爾默斯理工大學(xué)Du等[49]在類似的流動(dòng)加熱式容彈上研究了柴油中摻混乙醇對(duì)噴霧和燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同摻混比例對(duì)液相噴霧貫穿距和錐角沒有顯著影響。降低環(huán)境溫度會(huì)增加滯燃期，減小碳煙生成速率，并且這種趨勢(shì)隨著乙醇的摻混比例增加而更加明顯。德國(guó)紐倫堡-厄爾蘭根大學(xué)Vogel等[50]研究了噴油量對(duì)噴霧和著火過程的影響。利用2臺(tái)相機(jī)，分別拍攝火焰的紫外光部分和可見光部分，來評(píng)估預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒。結(jié)果表明影響滯燃期的關(guān)鍵參數(shù)是環(huán)境溫度和噴射壓力，因?yàn)檫@2個(gè)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(duì)滯燃期影響不大，但對(duì)著火位置和火焰亮度有顯著影響。此外，Vogel等[51]還通過化學(xué)發(fā)光和激光誘導(dǎo)熾光法研究不同種類柴油的碳煙生成特性。當(dāng)燃料分子內(nèi)部有氧原子時(shí)，即使總體空燃比保持不變，燃燒也會(huì)向預(yù)混火焰方向轉(zhuǎn)變，例如生物柴油會(huì)呈現(xiàn)更低的碳煙排放趨勢(shì)。北京理工大學(xué)劉波[52]在流動(dòng)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(zhǎng)，著火位置距離噴嘴越遠(yuǎn)；從如圖14所示準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)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(zhǎng)度和高溫反應(yīng)區(qū)域亮度值也越大，同時(shí)空氣卷吸率也有所提高。

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

與預(yù)燃加熱式和直接加熱式容彈相比，流動(dòng)容彈內(nèi)的熱力環(huán)境更為穩(wěn)定，試驗(yàn)重復(fù)性好，同時(shí)容彈內(nèi)部連續(xù)的氣體更換也能大幅度提高試驗(yàn)效率。但由于需要有配套的制氮系統(tǒng)和空氣壓縮機(jī)，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，成本較高，使其尚未得到廣泛應(yīng)用。

典型容彈特征參數(shù)總結(jié)如表1所示。定容燃燒彈忽略氣流運(yùn)動(dòng)的影響，更關(guān)注上止點(diǎn)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(chǔ)研究和仿真模型標(biāo)定，在發(fā)動(dòng)機(jī)先期研發(fā)中具有重要作用。

表1 典型容彈特征參數(shù)對(duì)比

1.2 快速壓縮機(jī)

和定容燃燒彈相比，為進(jìn)一步接近真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)，通常采用快速壓縮機(jī)(Rapid Compression Machine,RCM)作為模擬裝置?？焖賶嚎s機(jī)利用活塞對(duì)工質(zhì)進(jìn)行壓縮，使其達(dá)到高溫高壓狀態(tài)，然后在此高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)[55]。快速壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可以方便地布置光學(xué)窗口，開展多種光學(xué)診斷，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)、噴霧和燃燒過程的基礎(chǔ)研究。

快速壓縮機(jī)活塞通常使用氣壓或液壓驅(qū)動(dòng)[56-70]。當(dāng)活塞到達(dá)壓縮終點(diǎn)后，將其固定在終點(diǎn)位置，燃燒室容積不再發(fā)生變化。少數(shù)快速壓縮機(jī)也設(shè)計(jì)有膨脹功能[57, 69-71]，以使其工作過程更接近真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)?？焖賶嚎s機(jī)通過控制氣壓或液壓系統(tǒng)改變驅(qū)動(dòng)壓力，壓縮沖程時(shí)間一般可控制在數(shù)十毫秒以內(nèi)，最快可以達(dá)到5 ms[68]，能模擬較寬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍?；钊\(yùn)動(dòng)規(guī)律完全由驅(qū)動(dòng)氣體及燃燒室內(nèi)受壓縮氣體的壓力差決定，雖然這對(duì)于研究著火和滯燃期等基礎(chǔ)燃燒問題并無影響，但除上止點(diǎn)附近位置外，其余位置的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)還有一定的差別。

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

目前國(guó)際上正在使用的快速壓縮機(jī)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(duì)這幾種快速壓縮機(jī)進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹。

圖15為清華大學(xué)設(shè)計(jì)的一種氣壓驅(qū)動(dòng)活塞直連式快速壓縮機(jī)[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(jié)構(gòu)由氣罐、驅(qū)動(dòng)段、液壓段、壓縮段和燃燒室構(gòu)成。在驅(qū)動(dòng)段、液壓段、壓縮段內(nèi)各裝有1個(gè)活塞，3個(gè)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(diǎn)，然后通過向液壓段泵送高壓液壓油將活塞固定在下止點(diǎn)位置。當(dāng)連接驅(qū)動(dòng)段與氣罐的閥門打開后，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)段內(nèi)活塞在高壓氣體的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)整套活塞機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)并壓縮混合氣。液壓段內(nèi)活塞頭部設(shè)計(jì)有減速機(jī)構(gòu)，可以在接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)對(duì)整套活塞減速，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮過程啟停控制。由于驅(qū)動(dòng)段活塞的面積遠(yuǎn)大于壓縮段，當(dāng)壓縮完成后，在驅(qū)動(dòng)段內(nèi)高壓氣體的作用下，活塞將固定在壓縮終點(diǎn)位置，燃燒室內(nèi)的過程為定容過程。

圖15 清華大學(xué)的氣壓驅(qū)動(dòng)-活塞直連式快速壓縮機(jī)[84]

美國(guó)密歇根大學(xué)[85]設(shè)計(jì)了另外一種由氣壓驅(qū)動(dòng)的快速壓縮機(jī)，如圖16所示，圖中同時(shí)給出了其結(jié)構(gòu)參數(shù)。該快速壓縮機(jī)同樣利用驅(qū)動(dòng)段和壓縮段的較大面積比實(shí)現(xiàn)活塞驅(qū)動(dòng)，但其使用了單個(gè)飛行活塞(Sabot)代替了多個(gè)活塞直連，降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度。在接近壓縮終點(diǎn)時(shí)，飛行活塞頭部將卡入燃燒室內(nèi)，在驅(qū)動(dòng)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(diǎn)位置。

圖16 密歇根大學(xué)的氣壓驅(qū)動(dòng)-飛行活塞式快速壓縮機(jī)[85]

圖17為德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的一種氣壓驅(qū)動(dòng)-活塞嵌套式快速壓縮機(jī)[69]。該快速壓縮機(jī)的燃燒室直徑為84 mm，壓縮比可調(diào)，并可實(shí)現(xiàn)膨脹功能，主要用于模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程。當(dāng)工作活塞位于下止點(diǎn)位置時(shí)，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(qū)動(dòng)段分割為內(nèi)外2個(gè)空間。開始工作時(shí)，先從進(jìn)氣口通入高壓空氣，此時(shí)由于電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)且驅(qū)動(dòng)段外腔內(nèi)充滿液壓油，驅(qū)動(dòng)活塞將不會(huì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電磁閥打開后，驅(qū)動(dòng)段內(nèi)的液壓油從驅(qū)動(dòng)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(dòng)其向上止點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)。隨著驅(qū)動(dòng)活塞向下止點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)、擠壓驅(qū)動(dòng)段空間，工作活塞將進(jìn)一步加速向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。行程調(diào)整活塞的端部設(shè)置有卡槽，當(dāng)壓縮過程接近終了，驅(qū)動(dòng)活塞將卡入卡槽內(nèi)。由于卡槽具有特殊設(shè)計(jì)的形狀，在驅(qū)動(dòng)活塞的卡入過程中，可使其平緩減速。此時(shí)燃燒室內(nèi)的壓力較高，而驅(qū)動(dòng)段內(nèi)壓力較低。在氣壓作用下，工作活塞將向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在上止點(diǎn)前后±40° CA(Crank Angle,曲軸轉(zhuǎn)角)的范圍內(nèi)，快速壓縮機(jī)與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律吻合度較高，特別是在上止點(diǎn)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(xué)的氣壓驅(qū)動(dòng)-活塞嵌套式快速壓縮膨脹機(jī)[69]

為使快速壓縮機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律更為接近真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)，少數(shù)快速壓縮機(jī)使用氣壓或液壓系統(tǒng)控制具有特殊型線的凸輪驅(qū)動(dòng)活塞[87-89]，以實(shí)現(xiàn)特定的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖18為日本大分大學(xué)的快速壓縮機(jī)[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(shí)現(xiàn)不同的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖19為法國(guó)Pprime研究所的凸輪驅(qū)動(dòng)式快速壓縮機(jī)，即使用了壓縮-定容凸輪。另外，還有極少數(shù)快速壓縮機(jī)使用電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)[71]，可以實(shí)現(xiàn)與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)相同的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圖20所示為日本同志社大學(xué)的壓縮-膨脹式快速壓縮機(jī)，采用了以電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)。由于電機(jī)為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而快速壓縮機(jī)則只需要工作一個(gè)壓縮-膨脹循環(huán)，因此為實(shí)現(xiàn)壓縮沖程啟動(dòng)與膨脹沖程制動(dòng)控制，需要通過特殊的離合器機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行耦合。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院則使用了氣壓驅(qū)動(dòng)-曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速壓縮膨脹功能，如圖21所示[63]。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的中心位置還可以放入一個(gè)擋塊，此時(shí)氣壓驅(qū)動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)受擋塊位置限制，即可使快速壓縮機(jī)的活塞停止在相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)壓縮比調(diào)節(jié)。

圖18 大分大學(xué)的凸輪控制活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的快速壓縮膨脹機(jī)[87]

圖19 Pprime研究所的凸輪控制活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的快速壓縮機(jī)[86]

圖20 同志社大學(xué)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)控制活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的快速壓縮膨脹機(jī)[71]

圖21 卡爾斯魯厄理工學(xué)院的氣壓驅(qū)動(dòng)-曲柄連桿機(jī)構(gòu)控制活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的快速壓縮膨脹機(jī)[63]

由于快速壓縮機(jī)沒有復(fù)雜的配氣機(jī)構(gòu)，因此其燃燒室機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)可視化視窗時(shí)的可利用空間非常大，布置也較為靈活。尤其是對(duì)于缸蓋(即燃燒室蓋板)，如果不需要在缸蓋上布置設(shè)備或接口，則可以實(shí)現(xiàn)與燃燒室相同尺寸的視窗設(shè)計(jì)[59, 68, 84-85]，對(duì)全燃燒室進(jìn)行可視化，圖15給出了這種燃燒室的典型設(shè)計(jì)，這對(duì)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(jī)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(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)備，則可以像光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的問題，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)用紋影方法對(duì)燃燒室內(nèi)的燃燒情況進(jìn)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(xué)材料制成的燃燒室，還可以對(duì)活塞軸向方向上的燃燒過程進(jìn)行觀察。由于光學(xué)材料制成的圓形燃燒室存在較為嚴(yán)重的折射，會(huì)造成圖像畸變，為此法國(guó)Pprime研究所在快速壓縮機(jī)上使用了具有方形截面的燃燒室，使用紋影、激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)以及粒子圖像測(cè)速(PIV)等方法對(duì)快速壓縮機(jī)內(nèi)的流動(dòng)燃燒過程進(jìn)行了觀察[86]。圖23為試驗(yàn)光路布置，圖24為所獲得的不同時(shí)刻的激光誘導(dǎo)熒光和紋影測(cè)試結(jié)果，顯示了快速壓縮機(jī)內(nèi)的溫度不均勻分布情況。

圖24 快速壓縮機(jī)缸內(nèi)溫度場(chǎng)和氣體流動(dòng)[86]

圖23 通過側(cè)面視窗觀察快速壓縮機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒[86]

與定容燃燒彈相比，快速壓縮機(jī)實(shí)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(yù)混氣點(diǎn)燃研究；且快速壓縮機(jī)中存在活塞運(yùn)動(dòng)，在使用特殊的活塞設(shè)計(jì)[92]、燃燒室隔離孔板[68]或進(jìn)氣導(dǎo)流[69]的情況下，還可以實(shí)現(xiàn)燃燒室內(nèi)不同程度的湍流運(yùn)動(dòng)，更接近發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過程。由于快速壓縮機(jī)可提供高溫高壓的可視環(huán)境，結(jié)構(gòu)相對(duì)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單，工作狀態(tài)穩(wěn)定、重復(fù)性好，是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)狀態(tài)的重要手段，一般結(jié)合光學(xué)測(cè)試手段即可進(jìn)行燃燒機(jī)理研究，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理論研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)診斷需要在開有光學(xué)視窗的模擬裝置上進(jìn)行。定容燃燒彈用來模擬上止點(diǎn)附近定容空間的噴霧和燃燒過程，不考慮氣流運(yùn)動(dòng)的影響；快速壓縮機(jī)雖然可以模擬氣流運(yùn)動(dòng)，但不能象發(fā)動(dòng)機(jī)那樣采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)工作。而光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)通過在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸或活塞上改造出光學(xué)通道，使得光學(xué)信號(hào)可以通過采集裝置進(jìn)行采集處理，比容彈和快速壓縮機(jī)更接近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程。

早期的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)一般是單點(diǎn)測(cè)量，需要在缸蓋上打出安放光學(xué)傳感器的通道，通過傳感器和放大器將收集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)處理和分析。因?yàn)闊o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(duì)二維測(cè)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(cè)置3種不同形式。

頂置視窗光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)將氣缸蓋一部分改造成光學(xué)視窗，例如拆除一個(gè)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(gè)氣缸內(nèi)的噴霧燃燒狀況[93]。

圖25 頂置視窗光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)[93]

為進(jìn)一步加大觀察視野，美國(guó)通用公司的Bowditch開發(fā)了一種底置視窗光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)[94]。其在原機(jī)活塞上連接一個(gè)如圖26所示的加長(zhǎng)活塞，頂部完全換成石英玻璃，中下部開槽，插入一個(gè)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(jié)構(gòu)可以在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)做最少改動(dòng)的情況下得到最大的光學(xué)視野，至今還被廣泛使用。但由于采用加長(zhǎng)活塞，其運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅度增加；石英玻璃隨著活塞高速運(yùn)行，危險(xiǎn)性也隨之增加。

圖26 Bowditch式光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

這種結(jié)構(gòu)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(dāng)活塞位于上止點(diǎn)附近時(shí)會(huì)存在視覺盲區(qū)，無法觀測(cè)氣缸邊緣的近壁區(qū)域，如圖27(a)所示。清華大學(xué)梁帥等[95]創(chuàng)新性地采用了如圖27(b)所示的光學(xué)視窗，其上表面為平面，下表面為球面，側(cè)面設(shè)計(jì)有錐面，結(jié)合圖像畸變修正，實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)無盲區(qū)的全場(chǎng)觀測(cè)。

由于石英視窗加工困難，一般光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(diǎn)附近的擠流運(yùn)動(dòng)，其光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖29所示[97]。真實(shí)的燃燒室壁面形狀不但增加了石英加工難度，還會(huì)造成較大的圖像失真，需要進(jìn)行后期校正，這給定量測(cè)試帶來很大的挑戰(zhàn)。

圖27 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞光路圖[95]

圖28 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)石英活塞[96-97]

圖29 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)示意圖[97]

如圖30所示，視窗側(cè)置式光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)在氣缸壁面加工出光學(xué)通道[97]，或者采用全透明氣缸[98]，從側(cè)面對(duì)缸內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)。第一種方式由于視窗尺寸相對(duì)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(fù)荷。全透明氣缸視野開闊，但受材料強(qiáng)度限制，多用于非燃燒情況，如氣流運(yùn)動(dòng)和噴霧混合等方面的研究，或者用于汽油機(jī)這種燃燒方式不太劇烈的情況。側(cè)置式視窗可以和頂置或底置視窗相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)布局，以獲取更為豐富的信息。

圖30 側(cè)置視窗光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)[97-98]

目前光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)基本上都采用大直徑的石英視窗，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部清晰圖像，但由于受光學(xué)部件和加長(zhǎng)活塞的限制，光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在低轉(zhuǎn)速和中小負(fù)荷，在研究高功率密度的發(fā)動(dòng)機(jī)方面具有一定局限性。如何進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，是光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨的挑戰(zhàn)。

在提高光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方面，蓮花公司[98]在曲軸箱中同時(shí)使用一級(jí)平衡軸和二級(jí)平衡軸來平衡慣性力，使其最高轉(zhuǎn)速達(dá)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(duì)置活塞進(jìn)行平衡，并進(jìn)一步降低了曲軸的扭曲變形，使光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)0到5000 r/min。

圖31 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)垂直對(duì)置平衡系統(tǒng)[99]

在提高光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷方面，主要采用以下2個(gè)措施：由于藍(lán)寶石硬度極高，具有很好的力學(xué)性能和耐高溫能力，可以代替石英作為光學(xué)視窗材料，來提高光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)荷，但這樣會(huì)大幅度增加成本；此外還可以采用跳火功能，讓光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)在2個(gè)著火的循環(huán)之間增加若干個(gè)不著火的循環(huán)，來降低光學(xué)視窗的熱負(fù)荷。

近年來發(fā)展的內(nèi)窺鏡技術(shù)，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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，再通過內(nèi)窺鏡成像技術(shù)進(jìn)行拍攝，獲取真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的缸內(nèi)信息[100]。安裝內(nèi)窺鏡對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)影響很小，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，不受轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的影響，更加真實(shí)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(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)小，而且圖像傳輸過程中產(chǎn)生的光學(xué)畸變影響了測(cè)試精度，定量分析需要做復(fù)雜的圖像校正。內(nèi)窺鏡系統(tǒng)價(jià)格相對(duì)較高，容易損壞，在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作狀態(tài)下視窗容易污染，一定程度上限制了它的應(yīng)用。

燃燒產(chǎn)生的污染物沉積在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的視窗上，需要及時(shí)進(jìn)行清洗。特別是某些需要先拆除缸蓋才能對(duì)視窗進(jìn)行清洗的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，工作量很大，每清洗一次都要花費(fèi)3～4 h左右的時(shí)間，嚴(yán)重影響試驗(yàn)效率。

北京理工大學(xué)何旭[96]設(shè)計(jì)的氣動(dòng)快速拆卸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖32所示，在雙向氣動(dòng)活塞內(nèi)嵌入原機(jī)缸套，原機(jī)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(dòng)活塞在氣壓作用下托舉石英缸套向上運(yùn)動(dòng)，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(gè)O型圈，用來實(shí)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(yàn)結(jié)束后，切換氣路，氣動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，即可快速拆卸石英缸套，對(duì)活塞上的石英視窗進(jìn)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(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)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(dòng)支撐，既保證密封的實(shí)現(xiàn)，又不會(huì)造成石英碎裂。

圖32 氣動(dòng)快速拆卸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)[96]

在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上，可以采用多種光學(xué)測(cè)試方法，對(duì)流動(dòng)、噴霧、混合、燃燒和污染物生成過程進(jìn)行研究。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的Van Overbrüggen等[101]采用4臺(tái)相機(jī)搭建的層析粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)，在一臺(tái)缸內(nèi)直噴汽油光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上獲取如圖33所示的缸內(nèi)三維流動(dòng)信息全場(chǎng)，為如何組織油氣混合過程提供參考。

圖33 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)三維流場(chǎng)[101]

清華大學(xué)的郭恒杰等[102]將高速攝影和相位多普勒相結(jié)合，在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上研究閃沸對(duì)GDI噴霧的宏觀和微觀特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)閃沸會(huì)引起霧束坍塌，導(dǎo)致貫穿距離增加，使?jié)癖诘目赡苄源蠓忍岣?，但同時(shí)也會(huì)促進(jìn)燃油霧化，加速混合氣形成。

德國(guó)紐倫堡-厄爾蘭根大學(xué)的Trost等[103]以α-甲基萘為柴油示蹤劑，在一臺(tái)柴油光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上開展激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試，獲取如圖34所示不同位置不同時(shí)刻的缸內(nèi)混合氣定量分布，用于研究不同噴射策略對(duì)混合氣形成的影響。英國(guó)布魯奈爾大學(xué)的Attar等[104]以3-戊酮為汽油示蹤劑，在一臺(tái)缸內(nèi)直噴光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上采用激光誘導(dǎo)熒光法獲取如圖35所示的燃料濃度分布，用于評(píng)估混合氣生成質(zhì)量。清華大學(xué)馬驍?shù)萚105]開發(fā)出一種用于激光誘導(dǎo)熒光測(cè)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(duì)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(shí)刻的混合氣濃度分布[103]

圖35 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)混合氣生成特性[104]

北京理工大學(xué)的劉福水、何旭等[96, 106-110]在一臺(tái)氣動(dòng)快速拆卸的柴油光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用直接高速攝影和雙色法相結(jié)合，對(duì)缸內(nèi)火焰形態(tài)和燃燒溫度場(chǎng)進(jìn)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(shí)條件下的CA50(累積放熱率達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)時(shí)刻火焰形態(tài)如圖36所示。

清華大學(xué)馬驍?shù)萚111]為研究缸內(nèi)直噴汽油機(jī)爆震機(jī)理，將直接高速攝影和化學(xué)發(fā)光法高速攝影相結(jié)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(shí)火焰速度會(huì)提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，低溫氧化反應(yīng)和高溫氧化反應(yīng)具有不同的時(shí)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(xué)的劉海峰等[112]在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)比研究了部分預(yù)混燃燒(Partially Premixed Combustion,PCC)和反應(yīng)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(duì)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?duì)模糊，以多點(diǎn)自燃著火為主，火焰充滿整個(gè)窗口的時(shí)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(duì)比[112]

天津大學(xué)的唐青龍等[113]在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用激光誘導(dǎo)熒光法，同時(shí)獲取甲醛和OH基二維分布，結(jié)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(gè)燃燒室。同步測(cè)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(huì)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(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Miles等[114]將多種激光測(cè)試手段聯(lián)合，在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上同時(shí)獲得流場(chǎng)、混合氣濃度場(chǎng)和碳煙濃度場(chǎng)分布，如圖40所示，系統(tǒng)研究多參量場(chǎng)協(xié)同作用對(duì)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(chǎng)(下)的發(fā)展歷程[114]

典型光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)特征參數(shù)總結(jié)如表3所示。和定容燃燒彈、快速壓縮機(jī)相比，光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)使人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)、噴霧和燃燒過程有了更加直觀、深刻的認(rèn)識(shí)。隨著燃燒室形狀、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷都越來越接近真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)，研究者直接通過缸內(nèi)圖像就可以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)證提供參考依據(jù)。目前光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程中的重要試驗(yàn)裝置，對(duì)新一代清潔高效的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)具有重要意義。

表3 典型光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)特征參數(shù)對(duì)比

2 測(cè)試方法

2.1 紋影法

紋影法利用光束通過密度變化的流場(chǎng)時(shí)會(huì)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(dāng)遮擋，即可在光束發(fā)散后形成明暗變化的實(shí)像。圖像的明暗區(qū)域代表了流場(chǎng)的密度變化。平行光紋影法形成的圖像中，明暗程度是測(cè)試區(qū)域流場(chǎng)中折射率(與密度相關(guān))的一階導(dǎo)數(shù)。紋影常用于研究氣體或液體的流動(dòng)。

紋影原理如圖41所示。光源S為點(diǎn)光源，置于凸透鏡L1的焦點(diǎn)處，則光源發(fā)出的光通過透鏡轉(zhuǎn)換為平行光束并通過測(cè)試段的介質(zhì)。如測(cè)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(cè)試段內(nèi)的A點(diǎn)成像在視屏上為A′點(diǎn)。L2后方焦點(diǎn)處設(shè)置遮光刀，刀口的邊緣垂直于示意圖平面，并與匯聚點(diǎn)適當(dāng)相切。由于刀口的存在，部分光線會(huì)被遮擋，因此隨刀口上移視屏上的圓形光斑會(huì)均勻變暗。而當(dāng)測(cè)試段介質(zhì)A處存在密度梯度變化時(shí)，折射率會(huì)有所改變，則通過A點(diǎn)的入射光線在測(cè)試段內(nèi)將發(fā)生偏折(如虛線所示)。這將導(dǎo)致部分原本應(yīng)被光刀遮擋的光線因偏折而變得可以抵達(dá)視屏，或原本不被遮擋的光線因偏折被光刀遮擋，則會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)成像位置照度上升或下降，視屏上就會(huì)形成隨密度變化亮暗不均的圖像，這就是紋影效應(yīng)[115]。圖像的明暗區(qū)域代表了流場(chǎng)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(fēng)洞、射流等研究最常用的光路，其特點(diǎn)是使用一對(duì)凹面鏡形成平行光束測(cè)試區(qū)。用凹面鏡代替凸透鏡形成平行光的優(yōu)勢(shì)是避免了不同波長(zhǎng)的光出現(xiàn)色差導(dǎo)致成像清晰度差等問題。T型光路多用于只能使用一個(gè)光學(xué)視窗的情況，入射光線穿過測(cè)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(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，容易被燃油或碳煙污染，影響試驗(yàn)效果[116]。

圖42 典型紋影光路

在紋影試驗(yàn)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(duì)應(yīng)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(jì)算機(jī)圖像處理時(shí)采用顏色分辨的方式進(jìn)行定量或半定量分析。

隨著光源技術(shù)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(shí)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(shí)際有效曝光時(shí)間，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高時(shí)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(jié)合[118]，以實(shí)現(xiàn)氣液兩相的同時(shí)測(cè)量。采用激光照明紋影并同時(shí)引入?yún)⒖脊?，利用激光的相干性可以?shí)現(xiàn)全息紋影成像的記錄，但是該類方法對(duì)光學(xué)系統(tǒng)要求較高且無法顯著增強(qiáng)測(cè)試能力，在發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域應(yīng)用較為困難。

近年來，紋影法研究的新進(jìn)展中較受矚目的方法是背景導(dǎo)向紋影法(Background-oriented Schlieren, BOS)。該方法的基本原理如圖43所示，在當(dāng)參考物(即“背景”)與相機(jī)之間存在具有密度梯度變化的流場(chǎng)時(shí)，參考物的像會(huì)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(xué)聯(lián)系，并在圖像上表現(xiàn)為明暗分布對(duì)應(yīng)折射率梯度的分布，其基本數(shù)學(xué)表達(dá)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(yīng)卻被歸類為紋影法。

圖43 BOS法光路原理[119]

BOS通過對(duì)有無待測(cè)流體的兩幅圖像中的“背景”進(jìn)行相關(guān)性計(jì)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(shí)別流場(chǎng)的密度梯度，因此近年來也被用于對(duì)噴霧的研究。BOS的優(yōu)點(diǎn)在于無需大型和昂貴的光學(xué)設(shè)備即可開展大尺度的流場(chǎng)可視化研究，甚至可以利用自然界的背景作為參考圖像，實(shí)現(xiàn)無法在實(shí)驗(yàn)室中開展的觀測(cè)試驗(yàn)。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(duì)時(shí)間的需求也較高，因此，在實(shí)時(shí)測(cè)試方面有較大的限制，只有在一些特定的場(chǎng)景其分辨率才可達(dá)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(gòu)三維場(chǎng)的方向發(fā)展[118]。

有研究者對(duì)連續(xù)紋影圖像采取類似于PIV的互相關(guān)算法的處理方式分析流場(chǎng)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(hào)的結(jié)果，相比PIV片光測(cè)量的確定性，紋影測(cè)速的缺點(diǎn)明顯，因此該方法的應(yīng)用范圍相對(duì)有限。

紋影法在發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間較久，在噴霧等流動(dòng)特性解析和火焰研究中最為常見。如何旭等[121]對(duì)壓燃類燃料的研究、郭恒杰等[122]對(duì)點(diǎn)燃類燃料噴霧的研究等，利用紋影法能夠識(shí)別透明氣相流動(dòng)和氣相邊界的特點(diǎn)可以全面研究?jī)上嗔鞯暮暧^特性。在代用燃料研究方面，紋影法被廣泛應(yīng)用于燃料的基礎(chǔ)特性研究，如黃佐華團(tuán)隊(duì)[123]對(duì)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(jī)中火焰的傳播，通過捕捉火焰前鋒面細(xì)節(jié)結(jié)合放熱率數(shù)據(jù)進(jìn)行燃燒過程解析。

采用紋影法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行形貌觀測(cè)時(shí)，其精度主要取決于光學(xué)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(guān)，但對(duì)密度分布的定量面臨標(biāo)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(jìn)行溫度分布測(cè)量的研究，其原理是根據(jù)溫度對(duì)密度的影響進(jìn)行計(jì)算，但該方法不適用于無規(guī)律的非定常流場(chǎng)，因此難以在發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用[124]。

與紋影法相似的還有陰影法，實(shí)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(dǎo)數(shù)成正比，因此敏感性較差。

2.2 雙色法

發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)雜，至今仍然未被很好地理解和認(rèn)識(shí)，這需要對(duì)缸內(nèi)燃燒過程中產(chǎn)生的碳煙進(jìn)行精確的時(shí)間、空間解析。雙色法(Two Color Method)基于熱輻射理論，可以同時(shí)獲取火焰二維碳煙濃度和溫度場(chǎng)分布，并具有較高的時(shí)間分辨率，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程研究中得到廣泛應(yīng)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(hào)。通過選擇寬頻輻射光譜中2個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)，利用碳煙顆粒的單色黑度(Monochromatic emissivity)與輻射光波長(zhǎng)、碳煙吸收系數(shù)及碳煙溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，聯(lián)立2個(gè)不同波長(zhǎng)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(jì)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(shí)間內(nèi)即達(dá)到熱平衡(～10-9s)。因此碳煙溫度可以代表火焰溫度。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中，產(chǎn)生的碳煙粒子會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的熱輻射，對(duì)于黑體而言，輻射光能量密度與波長(zhǎng)和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)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(zhǎng)為λ(單位m)的光所對(duì)應(yīng)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(shí)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(chǔ)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(yàn)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(tuán)對(duì)透射光的吸收能力；L為碳煙云團(tuán)沿光學(xué)采集系統(tǒng)(如相機(jī)、鏡頭)光軸方向的長(zhǎng)度，KL常作為整體進(jìn)行計(jì)算；λ為輻射光波長(zhǎng)；α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對(duì)不同輻射光波長(zhǎng)取值不同，具體取值可參照文獻(xiàn)[126]，Zhao[127]對(duì)α的取值進(jìn)行了總結(jié)，如表4所示。對(duì)于柴油機(jī)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(yàn)常數(shù)α取值[127]

聯(lián)立式(1)、(2)和(3)得到：

(4)

由于KL因子對(duì)于所有波長(zhǎng)的輻射光均為定值，故對(duì)2個(gè)不同的波長(zhǎng)λ1、λ2，可得到：

(5)

式(5)中，亮度溫度Ta1、Ta2對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ1、λ2的輻射光，可通過系統(tǒng)標(biāo)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(cè)得的溫度是碳粒的溫度，而不是直接的空間溫度場(chǎng)，但是碳粒與環(huán)境在極短的時(shí)間內(nèi)即達(dá)到熱平衡，可以認(rèn)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(dòng)機(jī)燃燒過程中的碳煙和溫度測(cè)試，誤差主要來自3個(gè)方面：(1)碳煙的透光率。Matsui等[128]在柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，碳煙透光率(KL因子)降低14%，則溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性降低1%。(2)壁面反射。測(cè)量系統(tǒng)得到的光信號(hào)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(jié)構(gòu)的反射。試驗(yàn)中，壁面溫度遠(yuǎn)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(jìn)行測(cè)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(cè)量時(shí)，壁面反射將引起50～150 K的溫度誤差和高達(dá)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(cè)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(dāng)碳煙顆粒溫度和濃度分布不均勻時(shí)，這種平均結(jié)果將引起試驗(yàn)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(yàn)裝置相對(duì)簡(jiǎn)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(cè)器記錄下在2個(gè)波長(zhǎng)下的輻射強(qiáng)度。其典型試驗(yàn)設(shè)置如圖44所示[130]：發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的碳煙團(tuán)發(fā)出的輻射光信號(hào)經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)窗口，被光纖引導(dǎo)至分光器(Beam-splitter)并拆分成2支，再通過相應(yīng)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(hào)。該信號(hào)進(jìn)入光電倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)和采集。通過該試驗(yàn)設(shè)置可以測(cè)得碳煙在2個(gè)不同波長(zhǎng)上的單色光信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算得到火焰溫度。

圖44 雙色法典型試驗(yàn)設(shè)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(jì)算機(jī)分解為分別代表紅、綠、藍(lán)3個(gè)通道輻射強(qiáng)度的灰度圖像，任取其中2張即可進(jìn)行分析處理。

雙色法測(cè)試技術(shù)作為傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)，半世紀(jì)以來有了長(zhǎng)足的發(fā)展。1979年，Matsui等[131]第一次將雙色法應(yīng)用于柴油機(jī)測(cè)試，并分析了影響測(cè)量精度的因素；1994年，Quay等[132]改進(jìn)了雙色法，將其溫度試驗(yàn)結(jié)果用于測(cè)量碳煙顆粒體積百分比；2003年，Nakashima等[133]將雙色法應(yīng)用于汽油機(jī)火焰溫度的測(cè)量中，實(shí)現(xiàn)了碳煙顆粒分布稀疏條件下的測(cè)量；2011年，Khatami等[134]對(duì)雙色法中的光譜發(fā)射率進(jìn)行了重新測(cè)量，提高了測(cè)試精度。2012年，Lee等[135]在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行了JP-8發(fā)動(dòng)機(jī)和普通柴油機(jī)在全負(fù)荷下的缸內(nèi)溫度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)相比普通柴油機(jī)，JP-8發(fā)動(dòng)機(jī)的著火延遲更長(zhǎng)，火焰溫度更低。2014年，Magno等[136]使用雙色法測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣溫度，并定量研究了受到污染的噴油器對(duì)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(cè)溫儀，可用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁溫度。2018年，Vo等[138]使用雙色法，在快速壓縮機(jī)中對(duì)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(jìn)行了研究，試驗(yàn)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(jié)合雙色法和LIF技術(shù)，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(xué)田辛等[140]采用高速相機(jī)在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)雙色法的測(cè)試精度進(jìn)行了探討，并對(duì)進(jìn)氣道噴射乙醇柴油引燃時(shí)的燃燒進(jìn)行分析，所獲得試驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)，可見火焰面積減小，火焰平均溫度下降，高溫強(qiáng)輻射區(qū)域的比例也減?。淮硖紵煗舛鹊钠骄鵎L因子有明顯的下降，乙醇對(duì)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(xué)王麗雯等[141]使用雙色法研究了汽油機(jī)燃燒火焰的溫度分布，并同時(shí)采用熱電偶進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了不同雙色組合對(duì)雙色法測(cè)試精度的影響。北京理工大學(xué)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(jié)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?jǐn)?shù)與燃燒溫度關(guān)系大體一致。華中科技大學(xué)陳亮等[142]發(fā)展了一種改進(jìn)的詳細(xì)碳煙模型，較為準(zhǔn)確地描述柴油機(jī)碳煙生成和氧化過程，并采用雙色法對(duì)該方法的準(zhǔn)確性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。浙江大學(xué)邵立成等[143]基于傳統(tǒng)雙色測(cè)溫法和CCD相機(jī)各顏色通道可各自設(shè)定的值，提出了分色曝光雙色測(cè)溫法，該方法可有效拓寬測(cè)溫范圍達(dá)140%，在黑體爐上的驗(yàn)證試驗(yàn)誤差在1%以內(nèi)。

在過去的20年中，雙色法以其原理簡(jiǎn)單、成本較低、試驗(yàn)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)、可以同時(shí)獲取碳煙和溫度場(chǎng)信息等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的研究，是目前應(yīng)用最為成熟的測(cè)試手段，但同時(shí)也需要認(rèn)識(shí)到雙色法的先天不足。首先，雙色法中反映被測(cè)物體單色黑度的公式(2)來源于文獻(xiàn)[125]中基于二維、均勻溫度、圓形輪廓火焰的推導(dǎo)，用于測(cè)量實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)公式對(duì)火焰厚度和溫度進(jìn)行等效近似，不具有空間分辨率。測(cè)量得到的溫度為等效火焰溫度，與真實(shí)溫度相比產(chǎn)生較大誤差。其次，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)火焰由于結(jié)構(gòu)形狀的各向異性，使得火焰的等效厚度在不同的測(cè)量角度計(jì)算結(jié)果不同，引起溫度測(cè)量誤差。最后，單色黑度公式(2)中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)α的數(shù)值來源于試驗(yàn)歸納，受選取的波長(zhǎng)大小、燃料種類、測(cè)量環(huán)境影響很大，選取時(shí)可能引入誤差。盡管如此，由于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部火焰測(cè)量難度較開放空間火焰更大，雙色法以其試驗(yàn)光路簡(jiǎn)單、后期數(shù)據(jù)處理較快等特點(diǎn)，仍可作為常用非介入測(cè)量手段測(cè)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(cè)試技術(shù)之一，具有原理簡(jiǎn)單、精度較高且結(jié)果穩(wěn)定、系統(tǒng)易于搭建、成本相對(duì)經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，并且對(duì)于軸對(duì)稱測(cè)試對(duì)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(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

消光法的基本原理如圖46所示，入射光通過火焰時(shí)，由于火焰中碳煙顆粒的吸收與散射，出射光的光強(qiáng)會(huì)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(qiáng)和入射光強(qiáng)的關(guān)系式：

(6)

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

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

(7)

式中，E(m)為碳煙顆粒的吸收方程，由碳煙顆粒的復(fù)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(shí)值，但結(jié)果最多會(huì)相差數(shù)倍。確定E(m)的值一直是個(gè)難題，研究仍在繼續(xù)。

自1977年起，消光法就開始應(yīng)用于火焰中碳煙濃度的測(cè)量[146-147]，試驗(yàn)裝置比較簡(jiǎn)單，所要求的只是一個(gè)激光器和光電二極管，因此在燃燒碳煙測(cè)試中應(yīng)用比較廣泛。

Wiartalla等[148]使用單點(diǎn)消光法技術(shù)在容彈上研究噴油壓力、噴油率、噴孔直徑和噴油角度對(duì)碳煙生成的影響，其光路布置如圖47所示。結(jié)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(duì)噴嘴處碳煙濃度有顯著影響，這是由于噴油夾角不同，會(huì)導(dǎo)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(diǎn)LEM技術(shù)光路布置圖[148]

大眾汽車公司的Hentschel和 Richter 等[149]采用單點(diǎn)消光法技術(shù)，研究EGR率對(duì)四缸直列式直噴柴油機(jī)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著EGR率的增加，碳煙生成量?jī)H略有增加，但碳煙氧化量顯著減少，碳煙總量會(huì)增加；EGR率升高會(huì)導(dǎo)致著火滯燃期變長(zhǎng)，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(zhuǎn)角內(nèi)即達(dá)到最大值。

圖48 發(fā)動(dòng)機(jī)上單點(diǎn)LEM技術(shù)光路布置圖[149]

法國(guó)石油研究院的De Francqueville等[150]在一臺(tái)缸內(nèi)直噴光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用激光誘導(dǎo)熾光法(Laser Induced Incandescence,LII)和單點(diǎn)消光技術(shù)相結(jié)合，研究缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)用消光法沿著與LII平面共面的視線對(duì)LII圖像進(jìn)行標(biāo)定，從而得到定量的碳煙濃度場(chǎng)，其光路布置如圖49所示。

圖49 用消光法標(biāo)定LII測(cè)試結(jié)果的光學(xué)系統(tǒng)示意圖[150]

消光法測(cè)得的碳煙體積分?jǐn)?shù)是燃燒室內(nèi)粒子云沿光程方向的平均濃度，屬于單點(diǎn)測(cè)量；若要得到二維的碳煙濃度分布，需要多次測(cè)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(kuò)束成光柱，采用相機(jī)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(gè)單點(diǎn)測(cè)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(guó)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(duì)稱層流乙烯擴(kuò)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(cè)量Gülder燃燒器上軸對(duì)稱層流乙烯擴(kuò)散火焰中的碳煙濃度分布，其光路布置如圖51所示。結(jié)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(cè)試精度相似，但非平行光消光法對(duì)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(cè)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(xué)視窗的個(gè)數(shù)，可以把應(yīng)用在容彈和發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Manin等[154]應(yīng)用BILE在不同波長(zhǎng)下研究了容彈中正十二烷噴霧擴(kuò)散火焰的碳煙濃度分布，其光路布置如圖52所示。結(jié)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(cè)量碳煙體積分?jǐn)?shù)的靈敏度能達(dá)到1×10-6以下，其中在波長(zhǎng)為519 nm時(shí)的KL因子分布隨時(shí)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(zhǎng)更適合測(cè)量碳煙濃度，這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)較短時(shí)，消光系數(shù)更大，碳煙的消光率更高，導(dǎo)致信噪比更高，從而減少測(cè)量誤差。

圖52 光源后置消光法(BILE)光路布置圖[154]

圖53 BLIE法測(cè)量容彈中正十二烷噴霧擴(kuò)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(tái)二沖程柴油機(jī)渦流室中的碳煙濃度分布，結(jié)果表明：碳煙生成區(qū)域面積遠(yuǎn)小于火焰燃燒區(qū)域，尤其是在碳煙生成初期；點(diǎn)火幾毫秒后，碳煙開始在點(diǎn)火位置的下方即預(yù)混合燃燒區(qū)生成，相對(duì)于燃料濃度，溫度對(duì)碳煙生成的影響更明顯。

BILE需要使用2個(gè)平行的光學(xué)視窗分別通過入射光和出射光，因此很難應(yīng)用在空間有限的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上。相比之下，F(xiàn)ILE只需要1個(gè)光學(xué)視窗，有更好的應(yīng)用前景。伊利諾伊大學(xué)的Xu等[155]采用FILE測(cè)試了定容燃燒彈中柴油噴霧燃燒的碳煙生成特性，驗(yàn)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(shí)間的變化情況如圖55所示。利用FILE技術(shù)確定了柴油燃燒過程中碳煙生成的3個(gè)階段：在預(yù)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(cè)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(dòng)機(jī)可以明顯改善燃油經(jīng)濟(jì)性，然而燃油在缸內(nèi)直接噴射會(huì)導(dǎo)致燃油撞擊活塞表面形成附壁油膜，特別是在當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化并不斷提高噴射壓力的發(fā)展趨勢(shì)下，燃油碰壁趨勢(shì)更加明顯。附壁油膜燃燒產(chǎn)生的池火(Pool fire)效應(yīng)會(huì)造成碳煙排放惡化，同時(shí)導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性降低、未燃碳?xì)湓黾?，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(huì)產(chǎn)生碳煙[157]。因此對(duì)附壁油膜厚度分布進(jìn)行瞬態(tài)高速定量測(cè)試，獲取其隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)控制附壁油膜生成具有重要意義。

目前油膜厚度的測(cè)量方法主要有全反射法、干涉法和激光誘導(dǎo)熒光法。當(dāng)光線從較高折射率的介質(zhì)進(jìn)入到較低折射率的介質(zhì)時(shí)，如果入射角大于某一臨界角時(shí)，折射光線將會(huì)消失，僅剩下反射光線，這一現(xiàn)象被稱為全反射。基于全反射原理，Hurlburt等[158]建立了一套油膜厚度測(cè)試系統(tǒng)，使用點(diǎn)光源從透明玻璃底部照射沉積在玻璃表面的油膜，當(dāng)入射油膜的光線大于臨界角時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，在壁面呈現(xiàn)出一個(gè)明亮的光圈，通過測(cè)量光圈半徑即可獲得油膜的厚度。此方法對(duì)油膜自身特性無影響，實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)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(yàn)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(shí)，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(jì)算得到油膜厚度。干涉法精度較高，但只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，無法獲取油膜二維分布，應(yīng)用存在一定的局限性。激光誘導(dǎo)熒光法[161]可進(jìn)行二維測(cè)量，測(cè)量精度高，目前被廣泛使用。激光誘導(dǎo)熒光法需在被測(cè)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(hào)，根據(jù)熒光信號(hào)強(qiáng)弱來獲取油膜厚度信息。激光誘導(dǎo)熒光法要求示蹤劑的霧化和蒸發(fā)特性和被測(cè)液體一致，但實(shí)際上還是會(huì)存在一定的差異；通常在測(cè)試中采用單組分表征燃料，而實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)致該方法的時(shí)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(dòng)機(jī)碳煙排放量相關(guān)聯(lián)。北京理工大學(xué)的何旭等[162]在采用晚噴策略的分層稀燃火花點(diǎn)火光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了冷卻水溫度對(duì)附壁油膜厚度和碳煙生成的影響探究，并對(duì)折射率匹配法的原理和標(biāo)定進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。如圖56(a)和(b)所示，當(dāng)石英玻璃上表面干燥時(shí)，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(jī)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(jī)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(gè)函數(shù)f是由石英表面粗糙度和整套光學(xué)系統(tǒng)共同決定的，因此需要進(jìn)行標(biāo)定，建立起透射率和油膜厚度的關(guān)系。標(biāo)定在室溫下進(jìn)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(jī)記錄燃油附著、擴(kuò)展和蒸發(fā)過程，如圖57所示。

圖57 油膜厚度標(biāo)定過程[162]

從圖57可以看出，當(dāng)表面干燥時(shí)，平均亮度為一個(gè)穩(wěn)定值。注射器針尖的反光導(dǎo)致亮度曲線輕微上升。當(dāng)燃油液滴和視窗表面一接觸，在表面張力的作用下迅速擴(kuò)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(gè)不同蒸發(fā)階段的交界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圖像為標(biāo)定點(diǎn)圖像，所對(duì)應(yīng)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(guān)系。對(duì)不同濃度的標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，得到式(10)，擬合曲線如圖58所示。

圖58 標(biāo)定擬合曲線[162]

h=5.9538ΔT2-0.1793ΔT

(10)

不同冷卻水溫度下，點(diǎn)火時(shí)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(duì)壁面油膜厚度和面積分布有著明顯的影響。當(dāng)水溫為45 ℃的時(shí)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(dāng)水溫達(dá)到90 ℃時(shí)，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(diǎn)火時(shí)刻(-22° CA)壁面油膜厚度分布[162]

法國(guó)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(duì)汽油機(jī)噴霧附壁油膜進(jìn)行測(cè)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(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的Ding等[164]在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上，研究了不同進(jìn)氣壓力和冷卻水溫度下附壁油膜生成特性和碳煙排放，驗(yàn)證了Drake等得到的碳煙排放與油膜厚度呈正相關(guān)的結(jié)論。美國(guó)威斯康辛大學(xué)Yang等[165]進(jìn)行柴油附壁油膜的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在以撞擊點(diǎn)為圓心的一定范圍內(nèi)會(huì)形成一個(gè)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(xué)駱洪亮等[166-167]將Mie散射和RIM兩種測(cè)試方法結(jié)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(shí)結(jié)合噴霧形態(tài)變化，揭示噴霧碰壁液滴破碎飛濺機(jī)理。美國(guó)韋恩州立大學(xué)的Zheng等[168]使用CFD軟件對(duì)壁面油膜厚度進(jìn)行仿真計(jì)算，并將仿真結(jié)果與折射率匹配法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者具有良好的一致性。燕山大學(xué)孔祥東等[169]在不同環(huán)境壓力下進(jìn)行了Mie散射和RIM的結(jié)合測(cè)試，對(duì)油膜質(zhì)量、面積和厚度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)不同環(huán)境壓力的油束運(yùn)動(dòng)變化過程進(jìn)行分析。受折射率匹配法啟發(fā)，帝國(guó)理工大學(xué)Henkel[170]等利用光的漫反射原理，提出了一種類似的油膜測(cè)試方法——光漫反射法，采用金屬壁面替代透明石英玻璃進(jìn)行油膜厚度測(cè)量。通過改變壁面溫度以模擬活塞上表面溫度，測(cè)定不同燃油附壁油膜厚度隨溫度的變化曲線，并對(duì)比了相同粗糙度的玻璃壁面與金屬壁面的蒸發(fā)速率，結(jié)果表明在金屬壁面燃油的蒸發(fā)速率更快。

主要的油膜測(cè)試方法特點(diǎn)總結(jié)如表5所示。折射率匹配法測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于實(shí)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(shí)間分辨率和測(cè)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(shí)燃料的附壁情況，引起了人們的廣泛關(guān)注，在油膜測(cè)試方面顯示出很大的應(yīng)用潛力。

表5 油膜測(cè)試方法特點(diǎn)對(duì)比

2.5 粒子圖像測(cè)速

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)顯著影響了缸內(nèi)燃料和空氣的混合過程，并影響發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)燃燒和排放質(zhì)量。理解這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)有助于更好地組織燃燒過程，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率、改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放具有重要意義。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)受燃油噴霧、進(jìn)氣流動(dòng)、活塞運(yùn)動(dòng)等多個(gè)因素共同影響，在空間上具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且隨時(shí)間快速變化。若使用傳統(tǒng)流場(chǎng)測(cè)量方法(如風(fēng)速計(jì))，會(huì)對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾；而使用激光單點(diǎn)測(cè)量(如激光多普勒測(cè)速法)則無足夠的空間分辨率。以上方法均無法滿足測(cè)量要求，因此需要發(fā)展一種對(duì)流場(chǎng)無干擾且具有較高空間和時(shí)間分辨率的新型測(cè)量技術(shù)。粒子圖像測(cè)速法(Particle Image Velocimetry,PIV)是一種瞬時(shí)速度空間分布的流場(chǎng)激光測(cè)試技術(shù)，可以進(jìn)行二維和三維測(cè)試[171]。從20世紀(jì)90年代開始，PIV技術(shù)得到不斷發(fā)展和完善，并逐漸應(yīng)用于各類流動(dòng)和燃燒系統(tǒng)的速度場(chǎng)測(cè)量。

PIV技術(shù)的基本原理是利用極短時(shí)間內(nèi)連續(xù)拍攝的2張粒子空間分布圖像，計(jì)算粒子在此時(shí)間間隔內(nèi)的移動(dòng)位移大小和方向。然而，PIV技術(shù)并不追蹤單一粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，而是將相機(jī)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(guān)(Cross-correlation)算法，計(jì)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(guān)算法作為PIV技術(shù)的核心算法，可通過以下計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)：

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)PIV系統(tǒng)的典型架構(gòu)如圖60所示[172]。英國(guó)拉夫堡大學(xué)的Stansfield等[172]采用光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)，將Nd:YAG激光脈沖通過透鏡組延展成激光平面，通過光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)。在垂直于激光平面方向安裝高速相機(jī)，與激光器同步后，對(duì)激光平面內(nèi)各顆粒的散射信號(hào)進(jìn)行拍攝，獲得顆粒位置的瞬時(shí)空間分布。在此基礎(chǔ)上，使用激光雙脈沖模式并設(shè)置5 μs時(shí)間間隔，利用高速相機(jī)進(jìn)行2次曝光，分別拍攝前后兩時(shí)刻顆粒分布圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行互相關(guān)分析，計(jì)算各個(gè)查詢窗口的粒子位移。最后按照物像比進(jìn)行縮放，除以采樣間隔時(shí)間，獲得粒子在流場(chǎng)中的速度。當(dāng)粒子的流體跟隨性較好時(shí)，可以認(rèn)為和流體速度一樣。典型試驗(yàn)結(jié)果如圖61所示，其中(a)～(c)展示了發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速3500 r/min時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角128.4° CA時(shí)不同工作循環(huán)的燃燒室中心平面的速度場(chǎng)瞬態(tài)分布。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)大體相似，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的存在，流動(dòng)細(xì)節(jié)存在差異。圖61(d)展示了46組循環(huán)的平均結(jié)果，可以清晰看出該中心平面左上方有一處旋流結(jié)構(gòu)，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(dòng)機(jī)缸內(nèi)速度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖[172]

圖61 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)速度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果[172]

由于PIV技術(shù)首先采用粒子示蹤流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，再對(duì)拍攝粒子的瞬時(shí)位置圖像進(jìn)行處理，其測(cè)量誤差也分為試驗(yàn)誤差與后期圖像處理誤差兩方面。首先，測(cè)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(chǎng)真實(shí)速度。在選取顆粒時(shí)需要滿足兩方面要求：一方面，顆粒的密度應(yīng)與流體密度接近，且尺寸必須足夠小，使顆粒可以沿流線方向運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(hào)足夠強(qiáng)，提高相機(jī)圖像的信噪比。因此，選取顆粒時(shí)，需要權(quán)衡流體、顆粒和激光強(qiáng)度等因素。在工程應(yīng)用中，對(duì)于液體介質(zhì)中的PIV測(cè)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(cè)量則選用尺寸較小的顆粒和較強(qiáng)的激光。除顆粒選擇外，激光平面位置和厚度、流場(chǎng)速度梯度也會(huì)影響測(cè)量誤差。例如流體沿垂直激光平面方向的速度分量過大時(shí)，將引起平面外粒子丟失現(xiàn)象(即前一時(shí)刻被激光平面照亮的粒子，后一時(shí)刻離開激光平面)；流場(chǎng)速度梯度過大將降低互相關(guān)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(dāng)則互相關(guān)函數(shù)計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大誤差。例如查詢窗口內(nèi)顆粒數(shù)量過少會(huì)降低圖像信噪比，過多則可能引入錯(cuò)誤的互相關(guān)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(shí)刻位于查詢窗口的粒子，后一時(shí)刻移動(dòng)至查詢窗口外)，過大則會(huì)降低空間分辨率，難以獲得流場(chǎng)細(xì)節(jié)。工程上常使用以下原則指導(dǎo)PIV測(cè)量[171]：(1)顆粒個(gè)數(shù)≈10個(gè)/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(biāo)準(zhǔn)并非嚴(yán)格規(guī)定，實(shí)際過程中應(yīng)以互相關(guān)函數(shù)分布的信噪比決定測(cè)量參數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)測(cè)量的高溫高壓環(huán)境下，由于PIV技術(shù)主要使用示蹤粒子的Mie散射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，而在高壓環(huán)境散射信號(hào)的衰減較小，故對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大。在強(qiáng)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(hào)，保留入射光散射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，理論上對(duì)速度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果影響不大。

PIV技術(shù)迄今已經(jīng)歷百余年的發(fā)展。該技術(shù)的雛形可追溯到1905年普朗特實(shí)現(xiàn)的水翼繞流流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)和數(shù)字化相機(jī)的發(fā)展，PIV技術(shù)得以成型并廣泛應(yīng)用于工程試驗(yàn)。Grant[174]于1997年發(fā)表的論文涵蓋了從20世紀(jì)30～90年代利用PIV技術(shù)開展的主要研究工作，對(duì)PIV技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了記錄和總結(jié)。2000年前后，許多國(guó)家和機(jī)構(gòu)的研究人員均發(fā)表過PIV技術(shù)相關(guān)的綜述文章[175-177]。當(dāng)時(shí)，PIV技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)的二維(Two-dimensional)、雙速度分量(Two-component)測(cè)量(2D2C)。北京理工大學(xué)孫柏剛等[178]針對(duì)某六噴孔高壓容彈內(nèi)部噴霧流場(chǎng)進(jìn)行了PIV測(cè)量，結(jié)果顯示高壓噴霧引起的缸內(nèi)流動(dòng)具有明顯的旋渦運(yùn)動(dòng)特征，同時(shí)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(xué)董明哲等[179]對(duì)不同壓力下燃油噴霧速度場(chǎng)進(jìn)行了瞬態(tài)PIV測(cè)量，并進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果顯示噴霧過程后期，噴束內(nèi)部開始出現(xiàn)渦流結(jié)構(gòu)，且隨著噴射壓力的增加，渦流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)刻提前。

近年來，PIV技術(shù)開始向高維度、高時(shí)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(yàn)相同的激光光路，將垂直激光平面的單一相機(jī)更換為與激光平面成不同夾角的雙相機(jī)組，可計(jì)算獲得垂直于激光平面方向的速度分量，實(shí)現(xiàn)2D3C(二維、三速度分量)測(cè)量[180]。立體PIV典型測(cè)量結(jié)果如圖62所示。

圖62 立體PIV典型速度場(chǎng)[180]

該速度場(chǎng)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(lán)圖數(shù)值分布表示垂直激光平面上速度大小，構(gòu)成2D3C測(cè)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(chǔ)上，發(fā)展了雙平面立體PIV技術(shù)(Dual-plane stereo PIV)。該技術(shù)使用2個(gè)平行的激光平面和2組共4個(gè)相機(jī)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)平面的2D3C同步測(cè)量，獲得了垂直激光平面方向的速度梯度和渦量場(chǎng)信息。雙平面立體PIV技術(shù)的原理與普通立體PIV技術(shù)相似，但試驗(yàn)設(shè)置較為復(fù)雜，如圖63所示。

圖63 典型雙平面立體PIV試驗(yàn)設(shè)置(1、2、3、4為相機(jī)，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(shè)置采用了2組相機(jī)(1、2為第一組，3、4為第二組)，2組相機(jī)的光軸夾角均為α。該系統(tǒng)采用較為復(fù)雜的激光器腔內(nèi)設(shè)計(jì)，產(chǎn)生2束偏振方向不同的激光平面，分別入射流場(chǎng)，產(chǎn)生的散射光信號(hào)被偏振分光鏡分離，再由2組相機(jī)分別接收，達(dá)到信號(hào)分離的效果。對(duì)每組相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行立體PIV計(jì)算，可獲得每個(gè)平面的3個(gè)方向的速度信息。

2006年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Elsinga等[182]開發(fā)了層析PIV技術(shù)(Tomographic PIV)，突破了平面限制，實(shí)現(xiàn)了空間全場(chǎng)范圍的速度測(cè)量(3D3C)。該技術(shù)使用多個(gè)相機(jī)，在空間中各不同方位對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行同步拍照，獲得顆粒光學(xué)信號(hào)的二維投影，再利用層析算法[183-184]重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)，確定各顆粒的空間位置。確定前后時(shí)刻的顆?？臻g分布后，再劃分三維查詢窗口，采用三維互相關(guān)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(shù)被廣泛用于湍流流動(dòng)和燃燒系統(tǒng)的測(cè)試。達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的Baum等[185]利用層析PIV技術(shù)實(shí)現(xiàn)了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的湍流速度場(chǎng)測(cè)量。試驗(yàn)使用4臺(tái)CCD相機(jī)，測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室滾流平面附近的瞬時(shí)三維速度場(chǎng)。首先將激光以滾流平面為中心平面擴(kuò)展成47 mm×35 mm×4 mm的測(cè)量體積，相機(jī)拍攝測(cè)量體積內(nèi)的粒子信號(hào)后，使用乘法代數(shù)重建算法對(duì)每一時(shí)刻的粒子信號(hào)空間分布進(jìn)行層析重構(gòu)，再進(jìn)行三維互相關(guān)處理，獲得了不同曲軸轉(zhuǎn)角下的瞬時(shí)速度場(chǎng)分布，最后對(duì)不同循環(huán)相同曲軸轉(zhuǎn)角下的速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值平均，得到如圖64所示的平均速度場(chǎng)，空間分辨率達(dá)到0.4 mm。在此基礎(chǔ)上，Tokarev等[186]分析了層析PIV測(cè)量誤差的影響因素，如激光強(qiáng)度不均勻、噪聲信號(hào)等，并用層流軸對(duì)稱預(yù)混火焰進(jìn)行了驗(yàn)證；Ziskin和Novara等[187-188]進(jìn)一步改進(jìn)了層析算法，提高了速度場(chǎng)的計(jì)算精度。浙江大學(xué)高琪團(tuán)隊(duì)[189-191]以傳統(tǒng)層析PIV為基礎(chǔ)，拓展了包括壓力場(chǎng)測(cè)量、加速度場(chǎng)測(cè)量、PIV誤差降低、流體機(jī)理分析等多項(xiàng)應(yīng)用。

圖64 層析PIV發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室平均速度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果[185]

除層析PIV外，其他技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)3D3C測(cè)量，如光場(chǎng)成像技術(shù)[192]利用相機(jī)內(nèi)的微透鏡重新聚焦光路，獲得景深方向的光學(xué)信息，但空間分辨率較低；再如全息PIV技術(shù)(Holographic PIV)[193]將入射光與相機(jī)光軸方向重合，入射光經(jīng)流場(chǎng)顆粒產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，進(jìn)而在相機(jī)成像平面上產(chǎn)生干涉條紋。利用不同空間位置的顆粒對(duì)應(yīng)干涉條紋不同的原理，可計(jì)算顆粒的空間位置信息，進(jìn)而計(jì)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(shù)，已在試驗(yàn)測(cè)試中進(jìn)行了成功的應(yīng)用。彩虹PIV的試驗(yàn)設(shè)置如圖65所示。該技術(shù)首先將白光光源進(jìn)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(gòu)成體激光照射流場(chǎng)三維區(qū)域，示蹤粒子產(chǎn)生的Mie散射信號(hào)通過干涉光學(xué)元件DOE后，可同時(shí)聚焦在彩色相機(jī)的成像平面。后期處理時(shí)，對(duì)不同顏色粒子的信號(hào)進(jìn)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(chǎng)速度信息。

圖65 彩虹PIV試驗(yàn)設(shè)置圖[194]

各種PIV測(cè)試技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和缺陷總結(jié)如表6所示。未來的PIV技術(shù)將進(jìn)一步提高時(shí)間和空間分辨率及計(jì)算精度，適用于復(fù)雜流動(dòng)和燃燒系統(tǒng)的速度場(chǎng)解析，更加廣泛地應(yīng)用于各類發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量。

表6 各種PIV測(cè)試技術(shù)對(duì)比

2.6 激光誘導(dǎo)熒光法

2.6.1 激光誘導(dǎo)熒光法基本原理

激光誘導(dǎo)熒光法(Laser Induced Fluorescence,LIF)的原理是當(dāng)激光光子的能量(表征為波長(zhǎng))符合分子或基團(tuán)特定2個(gè)能級(jí)之間的能級(jí)間隔時(shí)，分子或基團(tuán)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(tuán)不穩(wěn)定，經(jīng)過一定時(shí)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(jí)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(huì)低于激發(fā)光光子，導(dǎo)致熒光的波長(zhǎng)長(zhǎng)于激發(fā)光，可以較為容易地用濾鏡分離。由于激光波長(zhǎng)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(cè)。

圖66 激光誘導(dǎo)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(zhuǎn)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(cè)量，在測(cè)溫方面有一定的優(yōu)點(diǎn)，但在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用范圍相對(duì)較窄，此處不再贅述。

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

熒光強(qiáng)度Sf的簡(jiǎn)化表達(dá)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(tuán)數(shù)量；σabs為熒光物質(zhì)分子/基團(tuán)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(zhǎng)和溫度的函數(shù)；φ是熒光分子/基團(tuán)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(zhǎng)、溫度和壓力相關(guān)。值得注意的是，激發(fā)態(tài)的分子/基團(tuán)并不都會(huì)發(fā)出熒光，其中分子/基團(tuán)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(dāng)壓力較大時(shí)，分子碰撞頻率上升，因此淬息效應(yīng)增強(qiáng)。淬息效應(yīng)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(guān)的主要原因。在常見的流動(dòng)燃燒測(cè)量中，O2分子的碰撞淬息作用最為明顯。因此在LIF測(cè)量中如何評(píng)估淬息的影響、如何減少淬息帶來的誤差至關(guān)重要，在選擇示蹤劑和匹配激發(fā)光波長(zhǎng)時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的評(píng)估。

由式(11)可知，適當(dāng)選擇試驗(yàn)參數(shù)時(shí)LIF可以對(duì)組分濃度和溫度進(jìn)行測(cè)量。例如固定激光能量、激光波長(zhǎng)、溫度和壓力，則熒光信號(hào)與熒光物質(zhì)的數(shù)量可以建立直接關(guān)系。在消除濃度等因素的影響后，也可以用LIF信號(hào)來測(cè)量溫度。

由式(11)還可推知熒光強(qiáng)度與激發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)為線性關(guān)系。但是具有熒光特性的分子數(shù)量是有限的，當(dāng)激發(fā)光能量足夠強(qiáng)時(shí)，所有能被激發(fā)的分子都被激發(fā)，此時(shí)再增加激發(fā)光強(qiáng)度也難以提高熒光發(fā)射強(qiáng)度，這種現(xiàn)象被稱為“熒光的飽和”[197]。熒光的飽和可能會(huì)影響標(biāo)定和結(jié)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(yàn)中也具有一定優(yōu)勢(shì)。

2.6.2 復(fù)合誘導(dǎo)熒光原理

復(fù)合激光誘導(dǎo)熒光(Laser Induced Exciplex Fluorescence,LIEF)主要用于氣液相的分離測(cè)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(shí)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(zhǎng)相比于M*的熒光會(huì)發(fā)生紅移，故2種熒光能夠得以區(qū)分。上述過程表達(dá)式如下：

M→M*

(12)

M*+G?(MG)*

(13)

式(13)所示反應(yīng)為可逆反應(yīng)，當(dāng)G的量遠(yuǎn)大于M時(shí)，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(yīng)向右進(jìn)行的趨勢(shì)和頻次會(huì)明顯高于在氣相中。即液相中(MG)*的熒光會(huì)明顯強(qiáng)于M*的熒光，則2種不同波長(zhǎng)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?dú)庖合酂晒夤庾V重疊是LIEF的固有問題，特別是液相的分子密度遠(yuǎn)大于氣相，這對(duì)氣相的定量測(cè)量干擾較大，導(dǎo)致氣液相信號(hào)無法使用濾鏡徹底分離，從而對(duì)定量測(cè)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(biāo)定和考慮多因素的校正。但是當(dāng)前在對(duì)復(fù)雜兩相流進(jìn)行截面測(cè)試的技術(shù)中，尚無在各方面都優(yōu)于LIEF的方法，因此LIEF技術(shù)仍被廣泛地應(yīng)用于對(duì)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(guān)技術(shù)

某些物質(zhì)(如CO)在被激發(fā)時(shí)，可以吸收2個(gè)光子，實(shí)現(xiàn)較大能級(jí)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(dāng)誘導(dǎo)熒光所需激發(fā)的能級(jí)差已高過深紫外光的光子能量時(shí)，常規(guī)的激光器難以提供足夠的能量，此時(shí)雙光子LIF可以用較低頻率的激光實(shí)現(xiàn)大能級(jí)差的激發(fā)。

除吸收多個(gè)光子外，激發(fā)態(tài)的分子/基團(tuán)還可能因?yàn)槠渌颢@得更高的能量而躍遷至更高的能級(jí)。此時(shí)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(zhǎng)小于激發(fā)光)。但此類現(xiàn)象在常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中作為有效信號(hào)觀測(cè)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(zhǎng)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(jié)了一些典型的LIF測(cè)試中激光波長(zhǎng)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(dǎo)熒光法的典型應(yīng)用

激光誘導(dǎo)熒光法廣泛應(yīng)用于工程熱物理領(lǐng)域各方面的研究。針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)流動(dòng)燃燒領(lǐng)域的研究中，以平面激光誘導(dǎo)熒光法為最主要的測(cè)試手段。PLIF被應(yīng)用于相關(guān)的混合氣研究、燃燒產(chǎn)物研究和溫度測(cè)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(xì)綜述[196]，也有對(duì)部分測(cè)試對(duì)象進(jìn)行針對(duì)性的總結(jié)[229]。本文將重點(diǎn)介紹近年來國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)領(lǐng)域幾個(gè)主要研究方向的新進(jìn)展，并側(cè)重于具有一定代表性的研究。

典型的發(fā)動(dòng)機(jī)PLIF試驗(yàn)系統(tǒng)主要組成包括對(duì)象測(cè)試平臺(tái)(如光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī))、激光光源、片光系統(tǒng)、圖像采集裝置、適應(yīng)LIF信號(hào)的鏡頭、選取LIF信號(hào)的濾鏡、精密時(shí)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(duì)片光形成的影響。PLIF測(cè)試中，片光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需充分考慮有效測(cè)試區(qū)在光程方向的長(zhǎng)度，保證片光在有效測(cè)試區(qū)的厚度較小。在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中，常見較為理想的測(cè)試區(qū)片光厚度為0.1～1.0 mm。由于熒光生存時(shí)間常見在納秒級(jí)別，多數(shù)LIF試驗(yàn)屬于弱光探測(cè)，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(jí)響應(yīng)速度、門寬短、具有放大光信號(hào)能力的增強(qiáng)型相機(jī)。在采集紫外光波段的熒光信號(hào)時(shí)，需使用能夠透過紫外光的專用鏡頭。精密時(shí)序控制需能在皮秒或納秒級(jí)別的時(shí)間尺度上精確控制圖像采集裝置曝光時(shí)間與激光脈沖的配合，在優(yōu)化時(shí)序控制時(shí)，可能還需要光電倍增管等輔助裝置來精確探測(cè)熒光出現(xiàn)的時(shí)間。

圖68 典型缸內(nèi)PLIF混合氣測(cè)量裝置圖[230]

2.6.5.1 混合氣測(cè)量

使用PLIF開展燃燒室內(nèi)混合氣的研究已有較長(zhǎng)的歷史，過去主要是針對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是直噴汽油機(jī)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(diǎn)方向是多組分燃料的混合氣研究、壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)Williams等[211]在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中研究了多組分燃料的混合氣，使用Lin等[232]經(jīng)過VLE計(jì)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(chǔ)上區(qū)分了輕中重組分。馬驍?shù)萚233]在Lin等[232]方案的基礎(chǔ)上提出了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算交叉進(jìn)行的設(shè)計(jì)方法，實(shí)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(shí)汽油蒸發(fā)特性相似的問題，并在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行了不同噴射策略下多組分燃料混合氣分布的研究，結(jié)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(huì)持續(xù)到燃燒過程中，也體現(xiàn)了汽油的復(fù)雜成分對(duì)精確定量測(cè)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(fù)雜，對(duì)激光的要求也很高，也有研究者使用相對(duì)簡(jiǎn)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(biāo)識(shí)輕重2種組分。該示蹤劑方案主要采用沸點(diǎn)相近的參數(shù)選擇，在同步揮發(fā)方面使用了簡(jiǎn)化的計(jì)算校驗(yàn)，大大降低了對(duì)匹配設(shè)計(jì)的要求，適用于對(duì)精度要求相對(duì)不高的研究。

對(duì)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(yù)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(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的PLIF研究也在不斷推進(jìn)。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(xué)活性的燃料在缸內(nèi)的混合與分布對(duì)著火和燃燒過程的影響，以支撐深入的RCCI化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。

缸內(nèi)混合氣測(cè)量的精度受溫度壓力以及示蹤劑特性的影響，除采用待測(cè)燃料原有成分作為示蹤劑的情況外，一般盡量降低單獨(dú)加入示蹤劑的摻入比例，以減少對(duì)測(cè)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(cè)量工況、試驗(yàn)配置和修正方法的差別，LIF混合氣濃度測(cè)量的誤差范圍較大，過去的報(bào)道在2%～30%的范圍內(nèi)波動(dòng)[196, 239]。

2.6.5.2 燃燒產(chǎn)物測(cè)量

由于PLIF測(cè)量OH自由基和甲醛具有顯著優(yōu)勢(shì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)的進(jìn)程。近年來，相關(guān)的研究多見于對(duì)缸內(nèi)燃燒過程細(xì)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(cè)OH的分布并結(jié)合PIV試驗(yàn)結(jié)果分析了火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)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(hào)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(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)火焰發(fā)展過程中的OH分布狀況，總結(jié)了OH、火焰面積與放熱率之間的關(guān)系。壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)研究方面，García-Oliver等[242]使用PLIF探測(cè)OH結(jié)合PIV的方法，研究了柴油噴霧的流動(dòng)與火焰結(jié)構(gòu)，分析了噴霧燃燒過程中反應(yīng)流動(dòng)的徑向膨脹和密度降低效應(yīng)。Zhong等[243]使用PLIF測(cè)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(duì)滯燃期的影響，并與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照分析。

由于甲醛標(biāo)志低溫反應(yīng)，在壓燃的研究中一直受到重視，PLIF觀測(cè)甲醛的瞬態(tài)分布是解析燃燒化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的重要試驗(yàn)方法。近年來，發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)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(xué)發(fā)光分析了OH*的分布，研究結(jié)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(xué)發(fā)光研究了激光等離子誘導(dǎo)下的柴油噴霧火焰，分析了在下游火焰中低溫反應(yīng)的作用以及噴霧燃燒中火焰穩(wěn)定的機(jī)理。

圖71 噴霧燃燒中的甲醛PLIF試驗(yàn)結(jié)果[244]

PLIF用于NO的測(cè)試近年來主要的趨勢(shì)是與其他研究手段相結(jié)合分析污染物生成的化學(xué)反應(yīng)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(diǎn)研究了燃燒中的混合情況對(duì)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(shí)不同。

多數(shù)中間產(chǎn)物的LIF測(cè)量以半定量為主，對(duì)甲醛、NO等產(chǎn)物的定量測(cè)量主要依賴于標(biāo)定和修正的精度，標(biāo)定往往需要模擬對(duì)應(yīng)的溫度壓力條件或者進(jìn)行模型外推，同時(shí)還需保證和目標(biāo)系統(tǒng)相似的光學(xué)特性，因此缸內(nèi)實(shí)時(shí)高精度定量測(cè)量的難度較高。

2.6.5.3 溫度測(cè)量

PLIF進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)量的典型方法主要分為3類：(1)雙激光譜線測(cè)溫，即采用2種波長(zhǎng)的激光以極短間隔在同一位置激發(fā)流場(chǎng)中的1種示蹤劑以觀測(cè)熒光；(2)雙示蹤劑測(cè)溫，即使用2種示蹤劑，共用1個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)或各自被激光激發(fā)形成熒光；(3)單示蹤劑雙色測(cè)溫，即利用熒光譜會(huì)隨溫度變化的特性，從1種示蹤劑的熒光譜帶中選出2個(gè)熒光波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。這些方法均遵循同一原理，即使用2個(gè)通道的熒光信號(hào)強(qiáng)度建立方程并聯(lián)立，可以消去非均勻場(chǎng)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(jié)合標(biāo)定后即可通過2種熒光強(qiáng)度的比值實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的定量測(cè)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(cè)溫[139,247]。

單示蹤劑雙色測(cè)溫因試驗(yàn)系統(tǒng)搭建難度相對(duì)較低，近年來在發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)溫，其中Scott等[250]的研究還使用了激光誘導(dǎo)光柵光譜與PLIF聯(lián)用的標(biāo)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(duì)二甲苯作為示蹤劑在定容彈內(nèi)實(shí)施噴霧混合氣溫度測(cè)量。

圖72 甲苯LIF測(cè)溫與PIV聯(lián)用的缸內(nèi)測(cè)試[249]

雙示蹤劑測(cè)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(huì)導(dǎo)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(duì)二甲苯和1-甲基萘作為示蹤劑驗(yàn)證了在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度壓力條件下可以使用這對(duì)示蹤劑進(jìn)行測(cè)溫。

雙譜線測(cè)溫需要2種激光波長(zhǎng)，系統(tǒng)布置相對(duì)復(fù)雜，但由于雙譜線測(cè)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(chǎng)測(cè)試。在混合氣溫度場(chǎng)的研究中，采用加入示蹤劑的方法也較為常見。如Zigan等[254]測(cè)量GDI噴霧場(chǎng)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(zhǎng)激發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)。

PLIF和LIF進(jìn)行溫度測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)較高的精度，Murray等[255]就曾報(bào)道測(cè)量精度達(dá)到1 K的噴霧場(chǎng)溫度測(cè)試結(jié)果，Escobar等[256]使用皮秒級(jí)別的激光器進(jìn)行熒光測(cè)溫,其精度達(dá)到0.2 K。但是過去的研究中，測(cè)溫精度較高的案例多數(shù)出現(xiàn)在溫度較低的液相測(cè)量且溫度梯度不大的場(chǎng)合。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)條件下的復(fù)雜燃燒場(chǎng)的氣相測(cè)溫，測(cè)溫誤差在1%或10 K級(jí)別已屬于較好的結(jié)果[257]。

2.6.5.4 復(fù)合誘導(dǎo)熒光法噴霧測(cè)量

LIEF技術(shù)在測(cè)量噴霧兩相流時(shí)常見片光截面測(cè)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(shù)研究了柴油噴霧的氣液相分離。通過模型假設(shè)和計(jì)算修正，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧中氣液相濃度的定量測(cè)量[31, 214]。近年來，Tang等[261]和Andersson等[262]針對(duì)汽油類噴霧開展PLIEF研究，Zhang等[263-264]的PLIEF試驗(yàn)研究解析了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)閃沸噴霧的內(nèi)部氣液相結(jié)構(gòu)以及壓電噴油器的閃沸噴霧特性。LIEF技術(shù)目前的發(fā)展趨勢(shì)是拓展測(cè)溫[265]以及與其他測(cè)試方法聯(lián)用[215]以進(jìn)一步增強(qiáng)解析能力。

2.6.5.5 油膜測(cè)量

除了前述PLIF相關(guān)的各類流場(chǎng)中的片光測(cè)量，在發(fā)動(dòng)機(jī)研究中LIF因信號(hào)靈敏還常被用于測(cè)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(dòng)機(jī)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(rùn)滑油的油膜測(cè)量也是LIF測(cè)試中的一個(gè)重要分支，如Ito等[267]、Ayranci等[268]和Obert等[269]使用LIF方法測(cè)量了潤(rùn)滑油在氣缸表面形成油膜的情況。油膜測(cè)試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是標(biāo)定熒光強(qiáng)度與油膜厚度之間的關(guān)系，其誤差評(píng)估主要由擬合的R2表征，研究表明LIF油膜測(cè)試中標(biāo)定的R2可以達(dá)到0.96以上。

圖73 LIF測(cè)量撞壁油膜厚度[266]

2.7 激光誘導(dǎo)熾光法

雙色法和消光法都是對(duì)碳煙進(jìn)行光程方向的測(cè)試，得到的是光程方向的累計(jì)結(jié)果，只有軸對(duì)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(dòng)機(jī)實(shí)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(jìn)行進(jìn)一步的空間解析。激光誘導(dǎo)熾光法(Laser Induced Incandescence,LII)可以很好地滿足碳煙缸內(nèi)測(cè)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(shí)碳煙二維空間分布，引起研究者的廣泛關(guān)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(tuán)，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(duì)應(yīng)的黑體輻射，其大小與激光光束內(nèi)的碳煙體積分?jǐn)?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(hào)隨之衰減，其衰減速度與粒子尺寸大小相關(guān)。因此通過檢測(cè)碳煙粒子在激光加熱后發(fā)出的LII信號(hào)，即可得到碳煙濃度和尺寸信息[272]。LII測(cè)試過程中，碳煙顆粒經(jīng)過激光加熱后產(chǎn)生的輻射遠(yuǎn)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(duì)燃燒過程中的碳煙顆粒進(jìn)行研究，探尋燃燒和污染物的生成機(jī)理[273]。

典型的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)碳煙LII測(cè)試系統(tǒng)如圖74所示[274]，一臺(tái)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(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的透明氣缸內(nèi)。一面反射鏡置于加長(zhǎng)活塞內(nèi)，反射出燃燒室內(nèi)被激光加熱的碳粒熾光信號(hào)和火焰自然發(fā)光輻射圖像，并由增強(qiáng)型CCD相機(jī)接收。在相機(jī)前放置濾光片，抑制火焰輻射對(duì)LII信號(hào)的干擾，同時(shí)減小粒子所產(chǎn)生的彈性散射的影響。所獲得的熾光信號(hào)通過標(biāo)定校準(zhǔn)即可得到片光照射區(qū)域內(nèi)定量碳煙體積分?jǐn)?shù)。

圖74 LII試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖[274]

獲取高質(zhì)量的LII信號(hào)是碳煙定量測(cè)試的關(guān)鍵，合理選擇激發(fā)波長(zhǎng)和探測(cè)波長(zhǎng)，可以優(yōu)化信噪比。當(dāng)使用可見光時(shí)，柴油機(jī)中大多數(shù)碳煙粒子會(huì)發(fā)生瑞利散射，粒子的吸收效率近似與波長(zhǎng)的折射率和尺寸呈反比變化。因此較短的波長(zhǎng)可能會(huì)更有效地加熱碳粒。然而紫外波長(zhǎng)會(huì)引發(fā)PAH的熒光。例如使用266 nm的激光時(shí)，會(huì)觀測(cè)到400 nm附近產(chǎn)生大量熒光，與LII信號(hào)相干擾。采用532 nm波長(zhǎng)對(duì)于激發(fā)效率和信噪比是個(gè)比較好的折中選擇。當(dāng)采用532 nm的激光時(shí)，任何PAH或其他分子產(chǎn)生的熒光屬于長(zhǎng)波段或者紅外，可以用濾鏡去掉。1064 nm波長(zhǎng)的激光由于不會(huì)產(chǎn)生熒光信號(hào)，也可以作為激發(fā)波長(zhǎng)，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(yàn)。研究表明LII信號(hào)在400 nm左右獲得較好的信噪比，但考慮到探測(cè)器件特性，為增強(qiáng)LII信號(hào)強(qiáng)度，也有選擇700 nm附近的波長(zhǎng)[275]。但無論選擇哪種波長(zhǎng)，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(huì)和LII信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重干涉，帶阻濾光片可以用來阻擋激光并允許其他波長(zhǎng)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(qiáng)型CCD相機(jī)的開始采集時(shí)間，也可以優(yōu)化信噪比。這主要因?yàn)橐旱魏捅诿鎸?duì)激光的散射主要發(fā)生在幾個(gè)納秒的激光脈沖內(nèi)，被誘導(dǎo)出來的熒光衰減很快，生存周期僅為20 ns，而熾光信號(hào)可以持續(xù)數(shù)百納秒，因此可以將增強(qiáng)型CCD的采集時(shí)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(hào)的關(guān)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(hào)衰減。因此對(duì)于LII測(cè)試系統(tǒng)存在一個(gè)最佳激光能量范圍，在此范圍內(nèi)，熾光信號(hào)不依賴于激光能量，僅與當(dāng)?shù)靥紵煗舛扔嘘P(guān)。通常選擇激光能量大約為1×107～1×108W/cm2[276]。典型LII測(cè)試系統(tǒng)的激發(fā)和探測(cè)波長(zhǎng)如表9所示。

表9 LII測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)總結(jié)

最早對(duì)LII 進(jìn)行詳細(xì)研究的是Eckbreth。他在1977年研究Raman 散射測(cè)量時(shí)提出了激光加熱粒子的概念[281]。1984年Melton[282]發(fā)表了運(yùn)用LII 原理進(jìn)行粒子測(cè)量的第一篇論文。Melton的工作表明，由于LII 信號(hào)幾乎與碳煙體積濃度成正比，因此這一技術(shù)在碳煙的體積濃度測(cè)量上具有重要的潛力。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Dec等于1991年在一臺(tái)可視化重型直噴柴油機(jī)上進(jìn)行LII測(cè)試，最早將激光誘導(dǎo)熾光法應(yīng)用于直噴柴油機(jī)燃燒室內(nèi)碳煙分布觀測(cè)。此后Dec將LII與激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)相結(jié)合，做了大量基礎(chǔ)研究工作，并于1997年提出了著名的直噴式柴油機(jī)新概念燃燒模型，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)碳煙生成的2個(gè)重要因素是燃油中多環(huán)芳香烴的化學(xué)作用和擴(kuò)散火焰中空氣卷吸量的多少[283]。

在LII測(cè)試中，碳煙粒子發(fā)出的熾光信號(hào)由探測(cè)系統(tǒng)獲得，采用適當(dāng)?shù)男?zhǔn)方法分析熾光信號(hào)，即可獲得碳煙體積分?jǐn)?shù)。很多研究小組通過校準(zhǔn)系數(shù)C來定量獲取濃度，即：

fv=C×Ip

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其中,fv為碳煙體積分?jǐn)?shù),Ip為探測(cè)到的LII信號(hào)強(qiáng)度。在這些研究中，校準(zhǔn)參數(shù)可采用快速采樣或者消光法通過關(guān)聯(lián)已知碳煙體積分?jǐn)?shù)和LII信號(hào)強(qiáng)度來獲得。

Greis等[274]在一臺(tái)高壓共軌柴油機(jī)上對(duì)碳煙的生成和氧化過程進(jìn)行研究，使用采樣閥進(jìn)行濃度校準(zhǔn)，獲得不同時(shí)刻的碳煙濃度二維分布，并結(jié)合火焰直拍圖像進(jìn)行分析。所獲得的不同曲軸轉(zhuǎn)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(qiáng)了3倍。下行為片光薄層內(nèi)碳煙濃度分布。試驗(yàn)結(jié)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?yàn)橹行膮^(qū)域流動(dòng)較弱，產(chǎn)生相對(duì)低溫區(qū)域，減弱了碳煙的氧化效果，應(yīng)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(zhuǎn)角火焰圖像和碳煙濃度分布對(duì)比[274]

清華大學(xué)鄭亮等[284]在GDI汽油機(jī)上開展缸內(nèi)碳煙濃度分布測(cè)試，并采用消光法進(jìn)行標(biāo)定。研究結(jié)果表明，當(dāng)噴油碰到活塞頂形成油膜時(shí)，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(jìn)氣行程中和壓縮行程中各1次)并優(yōu)化第二次噴射的時(shí)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(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，如果校準(zhǔn)條件和測(cè)試條件相比沒有明顯變動(dòng)，測(cè)量結(jié)果還是比較精確的。但實(shí)際測(cè)量中校準(zhǔn)環(huán)境和測(cè)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(huì)導(dǎo)致很大的誤差。

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

(15)

(16)

這里λ1和λ2代表2個(gè)探測(cè)波長(zhǎng)，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(gè)波長(zhǎng)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(dāng)探測(cè)系統(tǒng)在增益GEXP下，獲得LII信號(hào)強(qiáng)度為VEXP。fv為測(cè)試區(qū)域內(nèi)碳煙粒子云的碳煙體積分?jǐn)?shù)。η為該系統(tǒng)的校準(zhǔn)因子，需要事先對(duì)一個(gè)已知光譜輻射強(qiáng)度的發(fā)射源，如標(biāo)準(zhǔn)鎢帶燈或者黑體爐來進(jìn)行校準(zhǔn)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(duì)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(jìn)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(chǔ)上，何旭等[288]在ICCD相機(jī)上安裝雙像器，同時(shí)在2個(gè)波長(zhǎng)下獲取火焰中的二維LII圖像，直接計(jì)算出二維碳煙濃度分布。由于利用雙色法標(biāo)定LII圖像的過程簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高、系統(tǒng)容易搭建、可以在線進(jìn)行標(biāo)定，得到迅速推廣和應(yīng)用，成為目前最熱門的標(biāo)定方法。

從這種二維自補(bǔ)償雙色LII測(cè)試系統(tǒng)可以看出[279, 288-289]，試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的誤差主要來源于2個(gè)方面：(1)標(biāo)定過程中的誤差。在使用ICCD相機(jī)進(jìn)行已知輻射特性的標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)光源自身具有不確定性，其制造廠家通常會(huì)給出相關(guān)參數(shù)，一般來說對(duì)于一個(gè)已知的窄帶濾鏡，其光譜輻射的不確定度為一個(gè)定值。試驗(yàn)光路中各光學(xué)元器件如分束器、濾鏡、相機(jī)鏡頭等也會(huì)造成信號(hào)采集誤差，但這部分影響極小，可忽略不計(jì)。由于ICCD相機(jī)門寬很小，曝光時(shí)間在20 ns左右，會(huì)產(chǎn)生光子噪聲，可以考慮用平場(chǎng)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(cè)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(diǎn)響應(yīng)的非均勻性也會(huì)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(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的信號(hào)，會(huì)帶來不超過5%的誤差。碳煙產(chǎn)生的熾光信號(hào)在到達(dá)ICCD相機(jī)之前，會(huì)被當(dāng)?shù)靥紵熢茍F(tuán)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(cè)試區(qū)域和ICCD之間的碳煙濃度，而對(duì)于不穩(wěn)定火焰的瞬態(tài)測(cè)試，這是不可能的，所以只能以誤差來對(duì)待，而這部分誤差最高可以達(dá)到17%。關(guān)于LII測(cè)試誤差的詳細(xì)討論可以參考文獻(xiàn)[290-291]。

綜上所述，LII是一項(xiàng)相對(duì)新穎的技術(shù)，在一定的激光能量范圍內(nèi)，熾光信號(hào)和碳煙體積分?jǐn)?shù)成正比，特別適合于測(cè)量碳煙集中區(qū)域某一平面的瞬時(shí)空間二維濃度分布。熾光信號(hào)可以采用合適的相機(jī)延時(shí)、曝光時(shí)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(dǎo)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(shù)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(jià)格下降、操作使用更為方便以及信息處理算法的不斷改進(jìn)，LII在發(fā)動(dòng)機(jī)研究以及相關(guān)領(lǐng)域中有著更加廣闊的應(yīng)用前景。

2.8 相位多普勒粒子測(cè)試

相位多普勒粒子測(cè)試(Phase Doppler Particle Analyzer, PDPA)技術(shù)可以同時(shí)測(cè)量液滴速度和粒徑，具有較高的時(shí)空分辨率，在發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧研究中得到了廣泛應(yīng)用。

PDPA測(cè)量液滴速度的原理為激光的多普勒效應(yīng)，如圖76所示，2束具有相同波長(zhǎng)的相干激光匯聚于一點(diǎn)，形成測(cè)量體，測(cè)量體處產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)2束激光的波長(zhǎng)和夾角已知時(shí)，即可得到干涉條紋的間距。當(dāng)液滴以一定的速度經(jīng)過測(cè)量體時(shí)，由于干涉條紋的存在，其散射光的光強(qiáng)也以一定的頻率發(fā)生周期性變化。通過測(cè)量光強(qiáng)變化的頻率，結(jié)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(zhǎng)不同且方向不同的入射激光，則可以實(shí)現(xiàn)液滴三維速度的測(cè)量。

圖76 PDPA測(cè)速原理

PDPA測(cè)量液滴粒徑的原理為洛倫茲-米氏散射理論。如圖77所示，當(dāng)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(jìn)入球形液滴后的散射[292]

根據(jù)洛倫茲-米氏散射方程，當(dāng)采用2個(gè)位于不同空間位置的接收器同時(shí)接收散射光信號(hào)時(shí)，2個(gè)接收器接收到的光強(qiáng)信號(hào)的相位差滿足以下公式。

對(duì)于反射光：

(17)

對(duì)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(zhǎng)，nrel為相對(duì)折射率，θ、ψ和φ為與接收器空間位置有關(guān)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(cè)量相位差即可得到液滴直徑，并且無需對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。

為了獲得可靠的結(jié)果，需要對(duì)反射光或一階折射光的光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量。然而在實(shí)際測(cè)量過程中，接收到的散射光信號(hào)往往同時(shí)包含著反射光和各階折射光。為了盡可能地排除多余信號(hào)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(qiáng)分布。對(duì)平行極性而言，當(dāng)入射光與接收器的夾角為68.8°時(shí)，反射光的光強(qiáng)為零。此時(shí)一階折射光與反射光光強(qiáng)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(qiáng)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(biāo)架等部分組成。Dantec公司的測(cè)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(shí)物圖

通過不同波長(zhǎng)的組合，PDPA可以實(shí)現(xiàn)三維速度的測(cè)量。以波長(zhǎng)為514.5 nm的激光測(cè)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(dāng)?shù)募す?，并在透鏡的作用下相交于一點(diǎn)，形成測(cè)量體。油滴經(jīng)過測(cè)量體時(shí)散射的光信號(hào)由接收探頭內(nèi)的光電倍增管接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)處理器從中篩選出有效信號(hào)，由此計(jì)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(dòng)坐標(biāo)架上，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速自動(dòng)采集。

雖然PDPA能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量流體的運(yùn)動(dòng)，但是它仍然會(huì)如其他光學(xué)測(cè)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(hào)校準(zhǔn)(Burst validation)、粒子平均誤差、粒子軌跡模糊和狹縫等效應(yīng)。高速粒子在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)由于空氣阻力或黏性應(yīng)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(cè)試是根據(jù)進(jìn)入測(cè)量體的液滴曲率來計(jì)算直徑，所以粒子的形狀和運(yùn)動(dòng)方向?qū)y(cè)試結(jié)果有較大影響。光信號(hào)校準(zhǔn)效應(yīng)指的是信號(hào)接收器收到的光信號(hào)強(qiáng)度對(duì)測(cè)試的影響。信號(hào)過強(qiáng)或過弱都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)處理器不能有效處理數(shù)據(jù)，所以在測(cè)試過程中，需要注意激光能量的選擇。粒子平均誤差效應(yīng)指的是在高速噴射條件下，多個(gè)粒子在給定的時(shí)間段內(nèi)同時(shí)經(jīng)過測(cè)量體時(shí)，所獲取的粒子速度會(huì)偏高或不準(zhǔn)確，這也是PDPA在測(cè)量較濃噴霧區(qū)液滴特性時(shí)具有局限性的原因之一。粒子軌跡模糊效應(yīng)是因?yàn)榧す夤馐鴱?qiáng)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(hào)混合在一起，由信號(hào)接收器采集。由于PDPA的信號(hào)分析只取決于某一信號(hào)的強(qiáng)度，因此，PDPA在測(cè)量大粒徑粒子時(shí)將會(huì)出現(xiàn)較大偏差。狹縫效應(yīng)在原理上有點(diǎn)類似于粒子軌跡模糊效應(yīng)。PDPA中的狹縫效應(yīng)指的是在某些情況下狹縫會(huì)抑制用于計(jì)算粒子直徑的散射光強(qiáng)度。

車用發(fā)動(dòng)機(jī)采用脈沖式噴霧方式，噴射脈寬多在0.5～5.0 ms之間。其強(qiáng)瞬態(tài)特性導(dǎo)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(dāng)利用PDPA測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器噴霧特性時(shí)，PDPA的測(cè)量結(jié)果是基于幾十到幾百次噴射的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以獲取足夠多的樣本數(shù)來計(jì)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(cè)量點(diǎn)的油滴的軸向速度和直徑隨時(shí)間的變化圖[293]。圖中黑點(diǎn)表示原始測(cè)量數(shù)據(jù)，每一個(gè)黑點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)油滴速度或直徑數(shù)據(jù)，白點(diǎn)表示計(jì)算得到的平均值。計(jì)算方法為將采集持續(xù)期等分為若干個(gè)區(qū)間，對(duì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均。計(jì)算公式為：

圖80 PDPA原始測(cè)量數(shù)據(jù)及平均值[293]

(19)

(20)

式中Ni為第i個(gè)時(shí)間段內(nèi)測(cè)得的樣本數(shù)，vij和Dij分別指第i個(gè)時(shí)間段內(nèi)測(cè)得的第j個(gè)樣本的速度和粒徑。

有不同的特征參數(shù)可以用于評(píng)價(jià)燃油破碎特性，如索特平均直徑、DV90、DV50等。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)所測(cè)量的液體直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，計(jì)算出相應(yīng)的特征參數(shù)。其計(jì)算方法在本文中不再贅述。

PDPA測(cè)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(jìn)行，會(huì)導(dǎo)致噴霧殘留在容彈中，影響測(cè)量精度。因此，PDPA對(duì)油滴的測(cè)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(cè)試技術(shù)的開放式噴霧試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)旋流式汽油缸內(nèi)直噴(GDI)噴油器的噴霧開展了研究，對(duì)不同時(shí)刻橫、縱2個(gè)截面上噴霧的流動(dòng)狀態(tài)和粒徑分布進(jìn)行了耦合分析，如圖81和82所示。結(jié)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(shí)對(duì)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(shí)刻縱截面上油滴直徑和速度分布圖[293]

圖82 不同時(shí)刻橫截面上油滴直徑和速度分布圖[293]

為了更真實(shí)地反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作狀態(tài)，利用PDPA測(cè)量非常壓下的噴霧油滴也有所報(bào)道[295-300]。郭恒杰等[295]在一連續(xù)流動(dòng)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(jìn)一步通過對(duì)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(duì)液滴速度和直徑的影響。閃沸是汽油直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)工作中頻繁出現(xiàn)的現(xiàn)象[301]，引起了大量的關(guān)注[296-297, 299-300]。Li和Guo等[296-297]利用PDPA研究了寬背壓范圍(從負(fù)壓到高背壓)的油滴破碎質(zhì)量，并進(jìn)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(jìn)一步理解發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)噴霧特性，一些研究人員利用光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)展開了相關(guān)工作。Guo等[102]在一光學(xué)直噴汽油機(jī)內(nèi)研究了不同工況下閃沸對(duì)噴霧特性的影響，其結(jié)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(shí)油溫的進(jìn)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(jī)研究了PDPA系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并進(jìn)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(jié)與展望

發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)診斷技術(shù)以發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)、噴霧、混合與燃燒為研究背景，在定容燃燒彈、快速壓縮機(jī)、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)等試驗(yàn)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(xué)測(cè)試手段，獲取速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、噴霧液滴的粒徑、形態(tài)信息與速度、燃燒場(chǎng)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(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作過程關(guān)鍵信息，系統(tǒng)地研究發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流運(yùn)動(dòng)、噴霧、混合氣形成、燃燒過程和污染物生成與排放等，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工業(yè)設(shè)計(jì)、性能評(píng)估和自主研發(fā)具有不可替代的重要意義。各項(xiàng)常用光學(xué)診斷方法的空間、時(shí)間分辨能力和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量中的應(yīng)用范圍總結(jié)見表10。同時(shí)，對(duì)光學(xué)診斷技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)這種狹小封閉空間內(nèi)高溫高壓高湍流情況的應(yīng)用進(jìn)行有益探索，對(duì)豐富流動(dòng)和燃燒理論的研究也具有重要意義。

表10 發(fā)動(dòng)機(jī)常用光學(xué)診斷時(shí)空分辨能力和適用范圍

為更加清楚地認(rèn)識(shí)流動(dòng)/燃燒機(jī)理并滿足工程應(yīng)用的需求，未來的光學(xué)測(cè)試技術(shù)將面向高速、多維度、同步測(cè)量、多組分測(cè)量等方向發(fā)展，研究?jī)?nèi)容日趨豐富：

(1)當(dāng)前，科研人員對(duì)于實(shí)驗(yàn)室尺度的試驗(yàn)裝置已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，流動(dòng)、燃燒特性較容易測(cè)量。但是，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如多孔噴射的汽油/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等。由于觀察窗口受限或不存在，這些系統(tǒng)中的光學(xué)測(cè)試難度較大，因此需要發(fā)展更加先進(jìn)的試驗(yàn)裝置和測(cè)試技術(shù)以滿足測(cè)試需求。

(2)常見發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)的基礎(chǔ)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(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理及液滴與氣相燃燒的相互作用機(jī)制，以豐富和完善燃燒機(jī)理。同時(shí)，隨著試驗(yàn)裝置的壓力和溫度逐漸提高，有可能導(dǎo)致燃料進(jìn)入超臨界狀態(tài)，產(chǎn)生新的現(xiàn)象。

(3)光學(xué)測(cè)試中，為同時(shí)測(cè)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(dòng)/燃燒系統(tǒng)中同時(shí)使用多種測(cè)量技術(shù)。同時(shí)，試驗(yàn)設(shè)置也將變得十分復(fù)雜，對(duì)光學(xué)元件、信號(hào)采集系統(tǒng)、信號(hào)同步系統(tǒng)等設(shè)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(xué)診斷技術(shù)作為隨現(xiàn)代科學(xué)進(jìn)步而快速發(fā)展的一類測(cè)試技術(shù)，可與傳統(tǒng)的物理采樣方法結(jié)合使用，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部過程的測(cè)量，揭示發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)估和故障檢測(cè)提供依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒提供強(qiáng)有力的支持。