内燃机燃烧的光学测试方法

作者：清华大学 马凡华 许忠厚

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 摘要 介绍了用于内燃机燃烧研究的几种光学测试方法的原理和特点，这些方法包括双色法、全息法、吸收光谱法、激光诱导荧光法、喇曼散射光谱法和相干反斯托克斯光谱法。 关键词：内燃机　燃烧　光学测试 内燃机燃烧过程是其工作循环的核心，直接影响发动机的动力性、经济性和排放指标。由于内燃机燃烧过程十分复杂，测试相当困难，因此长期以来一直深受世界各国内燃机研究者及生产部门的重视。 内燃机的燃烧过程是实际发动机工作循环最重要、最复杂的过程，涉及到化学反应动力学、流体力学以及传热传质学等多个学科领域，是非常具有挑战性的研究领域，因而内燃机节能和降低排放的关键在于对燃烧过程系统深入的了解。只有细致研究内燃机发生和发展的特征规律，弄清各因素的影响，在比较透彻地了解燃烧的整体过程和局部细节的基础上，才能有针对性地改进内燃机各部分的参数设计，更有效地提高内燃机效率，降低排放。 因此，运用先进的实验手段和方法来开展内燃机缸内燃烧过程的研究，获得缸内燃烧火焰的有关信息(例如温度场、浓度场、速度场)，具有十分重要的学术价值和广阔的应用前景。内燃机缸内燃烧的光学测试方法是目前最有效的研究手段之一，在国内外得到越来越广泛的运用。采用这种方法来研究内燃机的燃烧过程，能够进一步加深对燃烧过程的理解，为燃烧系统的评价和改进提供依据，对于指导内燃机燃烧系统的设计，提高内燃机工业整体水平具有重要的现实意义。 1　内燃机燃烧研究的几种光学测试方法 内燃机燃烧光学测试方法的最大优越性在于对燃烧场无干扰，并可直观地获得燃烧过程的图像。近年来，光学技术和计算机技术的飞速发展为更精确地研究燃烧过程提供了新的契机，因此受到了各国科研机构和发动机厂商的高度重视。近十几年来，以光学原理为基础的各种内燃机燃烧测试技术发展很快，其实际应用也日益广泛，一些先进的燃烧测试技术已逐步进入实用阶段。在内燃机燃烧的各种光学测试方法中，主要有双色法(Two-Color Method)、全息法(Holograph Method)、吸收光谱法(Absorption Spectroscopy Method)、激光诱导荧光法(Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy,简称LIF法)、喇曼散射光谱法(Raman Scattering Spectroscopy)和相干反斯托克斯光谱法(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,简称CARS法)等。这些光学测试方法的应用，使内燃机缸内燃烧的研究向微观化、定量化和可视化方向发展。 1.1　双色法 双色法是一种传统的测高温的方法。热辐射是自然界中普遍存在的现象，一切物体，只要其温度高于绝对零度，都要不同程度地产生辐射。由普朗克(Planck)黑体辐射定律可知，当黑体的温度一定时，其光谱辐射出射度符合普朗克公式。双色法的基本原理在于，通过测量两个波长的发光强度拟合黑体辐射曲线，从而可以推断物体的温度。 在柴油机燃烧火焰中碳粒子存在于燃烧过程始终，碳粒子的光谱在可见光范围内是连续的光谱，从滞燃期开始，燃料发生裂变反应，便生成C、H原子，而燃料燃烧产物中仍存在少量的碳粒子。碳粒子能在极短时间内(约1 μs)就与周围环境达到热平衡，其辐射光谱能够代表燃烧火焰瞬时温度，碳粒子的单色波长的辐射强度可作为火焰温度测量依据。在实际测量时，通过选用波长分别为λ1和λ2的碳粒子在可见光范围内的两个单色波长辐射强度，避开其他成分辐射波长的干扰，实现测量火焰的瞬时温度。 与其它测量方法相比较，双色法有以下不足之处： 温度测量值仅是统计平均值，而且得不到温度的空间分布； 试验装置比较复杂，试验结果还必须进行标定； 双色法是利用物质的发射谱测量的，当波长落在红外和可见光波段时，由于与火焰高温辐射谱重叠，使得测量精度受到影响。 1.2　全息法 全息照相术是根据物理化学原理，利用光波的干涉现象，在感光底片上同时记录下物光波的振幅和位相，并通过衍射现象再现出物体的立体像，或者说把物体光波重新显示出来。 全息干涉测温法是用一个激光全息系统经过曝光后，把温度场初始状态的比较波记录在全息干板上，经过显影和定影，将处理好的底片再精确地放回原来的位置上，同时保持全系统其它光学元件不变，这时用原来的参考波照射这个全息图就可以再现比较波。若仍用原来的物光波照射温度场则产生叠加有温度场信息的物光波，物光波则会与原来的比较波产生干扰条纹，这样就可以将连续变化的温度场以干扰条纹的变化表现出来。 采用激光全息干涉法，同时与高速摄影机相结合，可以连续记录燃烧室内温度场的变化过程，获得二维温度图像；但是，这种试验装置一般须在减震台上进行，抗震性极差，严重影响其实际使用。 1.3　吸收光谱法 吸收光谱法是利用光通过燃烧介质时，介质对光的吸收效应来测量温度和浓度的方法。根据Bouguer—Lamkert吸收定律，频率为γ的光通过长度为L的介质后，光强I的透过率为： Tγ=Iγ(L)/Iγ(0)=exp(－∫dx.βγ.PI)，　……(1) 其中，PI是吸收粒子的分压强；βγ是粒子对频率为γ的光的吸收系数，它由介质本身的性质决定。 β γ=Σδ j.g j(γ－γ0)，　………(2) 其中，δj是吸收介质中的谱线强度，由吸收介质的分子能级、量子数、粒子数和温度决定；gj（γ－γ0）是介质的吸收光谱线型函数，一般为综合加宽线型。为了得到粒子的浓度和温度值等参数，就必须对已测得的吸收光谱进行拟合。 吸收光谱法还被用来研究燃烧过程中的各种化学反应，如NOx和CO的生成。为了改进空间分辨率，提高测量精度，在吸收法基础上又发展了饱和吸收法(LISF)和光学层析法(Optical Tomography)，使得吸收法的精度提高到10－9以上。饱和吸收法是采用两束交错的不同强度的光束，一强光束通过对基态粒子的激发使得在吸收曲线上出现烧孔；而当另一同频弱激光束通过时，吸收就会减弱。LISF也使结果表达式更加简单。光学层析法是在两个有一定夹角方向上分别设置M束和N束平行光，使得形成M×N个吸收点，通过测量这些吸收点上的光谱来提高空间分辨率。这两种方法都改进为逐“点”测量，大大提高了空间分辨率和测量精度。 激光吸收光谱法是一种比较简单而成熟的分析燃烧过程的方法，它有以下特点： 方法直接，所用试验设备简单； 测量所有结果是光程上的平均值，故空间分辨率比较低； 受激光光源不稳定的影响，测量精度较低。 1.4　激光诱导荧光法(LIF) 激光诱导荧光法是一种高灵敏度的检测浓度和温度的方法。其原理是当激光波长调谐到分子的某两个特定能级时，分子就发生共振并吸收光子能量而激发到高能态，在从高能态返回基态过程中，分子就会发出荧光；荧光用光电倍增管接收，其信号为： Pf=hγ.(A 21/4π).Ωc.Vc.N2，　………………(3) 其中，hγ为荧光光子能量，A 21为荧光上能级自发辐射系数，Ωc、Vc分别为光学收集系统的立体角和有效的荧光体积，N2为荧光上能级粒子数。 在利用LIF方法作定量分析时，为了得到浓度的绝对值，必须对荧光信号进行校正，也就是考虑荧光体积Vc、荧光收集立体角Ωc、光学系统的荧光传递效率以及荧光的吸收、俘获、极化和碰撞加宽因素对荧光信号的影响。并且，用LIF方法来研究内燃机这样的高温、高气压燃烧过程，还必须考虑荧光的淬灭效应。淬灭效应是指分子吸收了光子能量而跃迁到激发态时，能量不是以荧光而是通过碰撞弛豫到达其他能级。特别是在高温高气压下，粒子浓度大，平均自由程短，这种效应更加明显，严重时会收不到荧光光谱。 LIF方法最诱人的特点除了它的高灵敏度外，还有它可以用平面二维图形显示燃烧场的浓度分布，在一个激光脉冲内，就能得到一张二维的瞬态燃烧场分布图，实现了实时处理。因此，LIF方法以及改进后的LIF法(PLIF法)成为近年来国际上广泛采用的方法之一。 与其它光谱诊断技术相比，激光诱导荧光法有以下特点： 高灵敏度，因为荧光信号直接和被测分子的上、下能级联系起来； 具有高的空间和时间分辨率； 采用OH的荧光作为LIF谱，可以减少红外背景辐射和粒子散射，而且OH是许多化学反应的中间产物，对提高燃烧性能和降低污染物的研究都非常重要； 可以实现浓度场和温度场的二维分布显示。 1.5　喇曼散射光谱法 当光通过气体分子时，部分光会被分子散射，并且发生频移，其散射光强为 其中，I0为入射光强，σI(γ0)/Ω是频率为γ0的光的微分散射截面，δΩ、δS、η分别是光学系统收集立体角、由光学系统决定的散射强度和光学系统的传输系数，nI是分子下能级的粒子数。 喇曼频移是由于分子振动能级不均匀以及与转动能级间相互作用而造成的，所以每个振动能级的喇曼频移都不相同；又由于各能级粒子数随温度而变化，喇曼信号也随温度而变化。通过对喇曼谱两个强度峰值的测量比较，然后进行拟合，就可求得温度。 喇曼光谱有以下特点： 喇曼信号仅是入射光强和粒子数的线性函数，所以试验结果分析简单，没有必要考虑时间延迟效应、淬灭和碰撞等影响； 喇曼光谱可以用于实现二维燃烧场的显示； 通常，碰撞截面只有10－29 cm2～10－31 cm2，比分子吸收截面少10个数量级，比Rayleigh散射少3个数量级，因此喇曼信号很弱(入射104个光子才产生1个喇曼光子)，对探测仪器的灵敏度提出了更高的要求，而且只能测量高浓度的粒子，也只能用于低噪声环境，不能用于富氧燃烧，因为有强的噪声辐射背景； 喇曼光谱测温的精度一般为±100 K。 1.6　相干反斯托克斯光谱法(CARS) 相干反斯托克斯光谱法的原理为，当两束频率为ω1和ω2的高能激光束聚在一点入射到某一介质中时，如果ω3=2ω1－ω2正好是分子的某一共振谱线，且满足非线性光学中的相位匹配条件，那么ω3频率的光会极大地增强。用这一信号就可以对燃气成分和浓度进行鉴别，这就是CARS法。一般ω1固定，ω2可通过调谐激光器改变频率，所以ω3总可以与某一分子能级实现共振。另外，由于温度对光谱的影响完全可以确定，因此通过光谱线型拟合分析就可以确定燃气的温度。CARS法是一种利用非线性光学的方法，它的特点是： 具有高的信号强度，能产生比喇曼信号大105倍～1010倍信号。同时，CARS法信号是一束频率为ω3=2ω1－ω2的高于泵浦光频率的相干光，所以信噪比高，而且不受燃油和火焰中各种成分的荧光影响，可用于富氧燃烧的研究； 和LIF法相比，CARS法不需要考虑淬灭和能量转移等因素的影响，不需进行校正； CARS法的空间分辨率比较低，在紊流火焰中，其空间分辨率只有2 mm～4 mm。CARS法不能用于二维燃烧场的显示； CARS法的非线性条件比较难以实现，故试验装置复杂。 综上所述，双色法、全息法、吸收光谱法、激光诱导荧光法(LIF)、喇曼散射光谱法和相干反斯托克斯光谱法(CARS)等方法各有特点，在实际应用中，必须根据实际情况，合理选择。近年来，国外对激光诱导荧光法(LIF)的研究和运用格外活跃，这代表了一种发展趋势，其主要原因在于激光诱导荧光法灵敏度极高，且可获得高空间分辨率的二维图像。因此，在未来内燃机缸内燃烧测试的方法中，激光诱导荧光法将占据重要的一席，有着广阔的前途。同时，双色法作为一种传统的测高温的方法，在迅速发展的新技术的带动下，也勃发出新的生机。最新发展的光纤传像技术和高速图像采集及处理技术与双色法相结合，使得人们可以简便、迅速地获得内燃机燃烧过程的二维温度图像［6］，克服了以往传统的方法只能获得空间少数点的温度值，而不能获得二维温度分布的困难。因而，双色法以其简便易行和对燃烧室本身的影响极小等优越性，也得到广泛应用。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/7/2004)