內(nèi)燃機燃燒的光學(xué)測試方法
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內(nèi)燃機的燃燒過程是實際發(fā)動機工作循環(huán)最重要、最復(fù)雜的過程，涉及到化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、流體力學(xué)以及傳熱傳質(zhì)學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，是非常具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，因而內(nèi)燃機節(jié)能和降低排放的關(guān)鍵在于對燃燒過程系統(tǒng)深入的了解。只有細致研究內(nèi)燃機發(fā)生和發(fā)展的特征規(guī)律，弄清各因素的影響，在比較透徹地了解燃燒的整體過程和局部細節(jié)的基礎(chǔ)上，才能有針對性地改進內(nèi)燃機各部分的參數(shù)設(shè)計，更有效地提高內(nèi)燃機效率，降低排放。
因此，運用先進的實驗手段和方法來開展內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒過程的研究，獲得缸內(nèi)燃燒火焰的有關(guān)信息(例如溫度場、濃度場、速度場)，具有十分重要的學(xué)術(shù)價值和廣闊的應(yīng)用前景。內(nèi)燃機缸內(nèi)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(nèi)外得到越來越廣泛的運用。采用這種方法來研究內(nèi)燃機的燃燒過程，能夠進一步加深對燃燒過程的理解，為燃燒系統(tǒng)的評價和改進提供依據(jù)，對于指導(dǎo)內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)的設(shè)計，提高內(nèi)燃機工業(yè)整體水平具有重要的現(xiàn)實意義。
1 內(nèi)燃機燃燒研究的幾種光學(xué)測試方法
內(nèi)燃機燃燒光學(xué)測試方法的最大優(yōu)越性在于對燃燒場無干擾，并可直觀地獲得燃燒過程的圖像。近年來，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程提供了新的契機，因此受到了各國科研機構(gòu)和發(fā)動機廠商的高度重視。近十幾年來，以光學(xué)原理為基礎(chǔ)的各種內(nèi)燃機燃燒測試技術(shù)發(fā)展很快，其實際應(yīng)用也日益廣泛，一些先進的燃燒測試技術(shù)已逐步進入實用階段。在內(nèi)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(dǎo)熒光法(Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy,簡稱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,簡稱CARS法)等。這些光學(xué)測試方法的應(yīng)用，使內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒的研究向微觀化、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(tǒng)的測高溫的方法。熱輻射是自然界中普遍存在的現(xiàn)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(dāng)黑體的溫度一定時，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，通過測量兩個波長的發(fā)光強度擬合黑體輻射曲線，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程始終，碳粒子的光譜在可見光范圍內(nèi)是連續(xù)的光譜，從滯燃期開始，燃料發(fā)生裂變反應(yīng)，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。碳粒子能在極短時間內(nèi)(約1 μs)就與周圍環(huán)境達到熱平衡，其輻射光譜能夠代表燃燒火焰瞬時溫度，碳粒子的單色波長的輻射強度可作為火焰溫度測量依據(jù)。在實際測量時，通過選用波長分別為λ1和λ2的碳粒子在可見光范圍內(nèi)的兩個單色波長輻射強度，避開其他成分輻射波長的干擾，實現(xiàn)測量火焰的瞬時溫度。
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(tǒng)計平均值，而且得不到溫度的空間分布；
試驗裝置比較復(fù)雜，試驗結(jié)果還必須進行標(biāo)定；
雙色法是利用物質(zhì)的發(fā)射譜測量的，當(dāng)波長落在紅外和可見光波段時，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(jù)物理化學(xué)原理，利用光波的干涉現(xiàn)象，在感光底片上同時記錄下物光波的振幅和位相，并通過衍射現(xiàn)象再現(xiàn)出物體的立體像，或者說把物體光波重新顯示出來。
全息干涉測溫法是用一個激光全息系統(tǒng)經(jīng)過曝光后，把溫度場初始狀態(tài)的比較波記錄在全息干板上，經(jīng)過顯影和定影，將處理好的底片再精確地放回原來的位置上，同時保持全系統(tǒng)其它光學(xué)元件不變，這時用原來的參考波照射這個全息圖就可以再現(xiàn)比較波。若仍用原來的物光波照射溫度場則產(chǎn)生疊加有溫度場信息的物光波，物光波則會與原來的比較波產(chǎn)生干擾條紋，這樣就可以將連續(xù)變化的溫度場以干擾條紋的變化表現(xiàn)出來。
采用激光全息干涉法，同時與高速攝影機相結(jié)合，可以連續(xù)記錄燃燒室內(nèi)溫度場的變化過程，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行，抗震性極差，嚴(yán)重影響其實際使用。
1.3 吸收光譜法
吸收光譜法是利用光通過燃燒介質(zhì)時，介質(zhì)對光的吸收效應(yīng)來測量溫度和濃度的方法。根據(jù)Bouguer—Lamkert吸收定律，頻率為γ的光通過長度為L的介質(zhì)后，光強I的透過率為：
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(shù)，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)中的譜線強度，由吸收介質(zhì)的分子能級、量子數(shù)、粒子數(shù)和溫度決定；gj（γ－γ0）是介質(zhì)的吸收光譜線型函數(shù)，一般為綜合加寬線型。為了得到粒子的濃度和溫度值等參數(shù)，就必須對已測得的吸收光譜進行擬合。
吸收光譜法還被用來研究燃燒過程中的各種化學(xué)反應(yīng)，如NOx和CO的生成。為了改進空間分辨率，提高測量精度，在吸收法基礎(chǔ)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，一強光束通過對基態(tài)粒子的激發(fā)使得在吸收曲線上出現(xiàn)燒孔；而當(dāng)另一同頻弱激光束通過時，吸收就會減弱。LISF也使結(jié)果表達式更加簡單。光學(xué)層析法是在兩個有一定夾角方向上分別設(shè)置M束和N束平行光，使得形成M×N個吸收點，通過測量這些吸收點上的光譜來提高空間分辨率。這兩種方法都改進為逐“點”測量，大大提高了空間分辨率和測量精度。
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