燃烧发光成像和光谱法在内燃机新型燃烧方式中的应用*

覃　文　毕小杰　刘海峰（-天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津00072 2-广西玉柴机器股份有限公司-国网节能服务有限公司）

燃烧发光成像和光谱法在内燃机新型燃烧方式中的应用*

覃文1,2毕小杰3刘海峰1
（1-天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072 2-广西玉柴机器股份有限公司3-国网节能服务有限公司）

光学诊断方法广泛应用在内燃机燃烧过程的研究中。为了更好地理解内燃机新型燃烧方式的燃烧火焰特征，同时也为了给广大读者提供该领域合适的技术参考，简要介绍了开展燃烧发光成像和光谱研究的实验原理以及必要的实验装置；重点介绍了应用燃烧发光成像法和光谱法，对HCCI、分层燃烧和低温燃烧（LTC）等内燃机高效清洁燃烧模式的研究发展现状。从光学诊断研究中可以看出：燃烧发光成像法和光谱法可以直观地揭示燃烧发展历程和燃烧中间产物的发展历程，加深对新型燃烧模式燃烧过程的理解。众多的研究也表明，先进的混合气控制策略比简单的"均质混合气"更为重要；合理的组织分层可以有效地拓宽高效清洁燃烧过程的运行工况范围。最后提出了未来内燃机新型燃烧方式研究发展的方向。

均质压燃低温燃烧光学诊断燃烧成像光谱法

引言

传统发动机燃烧方式主要有汽油机点燃和柴油机压燃两种方式。上世纪90年代以来，以均质压燃（HCCI）和低温燃烧（LTC）为代表的新型燃烧方式，由于其高效、低NOx和碳烟排放得到广泛研究，其基本特征是均质、压燃和低温火焰燃烧[1-5]。然而，由于一些技术障碍还未解决，HCCI未被广泛地应用到产品发动机上。在诸多的技术问题中，对自燃着火过程的控制和运转工况范围的拓展仍是主要待解决问题。为了解决这2个问题，国际上HCCI产业化研究主要集中在HCCI燃烧控制方面。其中对汽油机HCCI产业化需解决可实现快速运转模式切换（SIHCCI-SI）的性价比优良的可变配气机构和缸内雾化良好的多次喷射技术；对柴油机则主张应用灵活的缸内多次喷射，结合EGR率的控制，从而降低缸内温度，避开NOx和碳烟的生成区，并由此提出了预混充量压缩着火（PCCI）和低温燃烧（LTC）等燃烧概念。尽管HCCI的概念被赋予了更广泛的含义，但最终目的都是在更宽广的工况范围内实现内燃机可控预混低温燃烧，从而实现高热效率、超低NOx和碳烟排放。

HCCI的历史可以追溯到20世纪初，当时研究的出发点是简化发动机结构，设计一种不需要喷油器或火花塞的发动机。从现代内燃机研究角度出发，1979年日本的Onishi等人[6]在一台2冲程单缸汽油机上首先发现此种燃烧方式并进行了研究，他们称之为活化热氛围燃烧(Active Thermo-Atmosphere Combustion,ATAC)。这被广泛认为是最早提出的具有HCCI特征的燃烧概念。同年Noguchi等人[7]便开展了相关的HCCI光谱实验研究，发现在HCCI燃烧过程中CHO，HO2和O自由基首先被检测到，然后是CH，C2和H，最后是OH基。而传统的SI发动机燃烧反应过程的自由基是同时生成的。之后，随着对HCCI燃烧模式研究的不断深入，更多的光学诊断手段在HCCI燃烧过程上得到应用。

在对发动机的研究过程中，随着现代光学测试手段飞速发展，直接对燃烧室内部进行观察与测量的可视化技术已经成为一种不可或缺的重要手段，它可以更直观清晰地了解燃烧发生和发展的特征规律，加深对燃烧过程的理解；也可以为燃烧系统的评价和改进以及为指导发动机燃烧系统的设计提供依据。此外，因为发动机工作过程的复杂性以及对它缺乏基本的了解，大多数发动机模型都不尽完整且需要改进。要想更好地获得零维，一维和三维CFD模拟所需的输入参数，采用可视化发动机进行试验是颇有价值的方法。利用燃烧火焰发光记录缸内燃烧过程是最直接简单的方法，它可以从宏观上观测到不同曲轴转角下燃烧火焰及自由基的发展历程。因此，直到今天仍然广泛地应用在内燃机缸内光学诊断研究中。近20年来，随着激光技术的方展，为内燃机缸内光学研究提供了更多的手段，通过把激光的点光源转换为2维片状光源，可以详细地研究燃烧的内部结构，如HCHO、OH、NO、碳烟等物质的空间、时间和浓度分布状况，同时还可以提供各种不同物质浓度的定量或半定量信息。但是，激光诊断对内燃机燃烧历程宏观发展的研究上存在一定局限，同时其实验装置相对复杂。此外，燃烧自发光研究是激光诊断的基础，二者差距只是在于自发光收集的是燃烧发光的光信号，而激光诊断收集的是受激光激发之后的光信号（如荧光，散射光，炽光等）。因此本文重点介绍燃烧自发光的研究现状，内燃机缸内激光诊断研究将另做总结。

尽管国内开展了相应的内燃机燃烧自发光研究，但针对的都是传统柴油机[8-10]或汽油机[11-13]燃烧模式。上述HCCI、PCCI和LTC等新型燃烧方式的缸内光学诊断研究报道较少。本文重点介绍了应用燃烧发光成像法和光谱法，对内燃机高效清洁新型燃烧模式的研究发展现状。简单介绍了应用燃烧自发光对这些燃烧模式进行可视化研究的实验原理以及必要的实验装置。文章主要目的是给广大读者提供该领域研究合适的技术参考。

1　研究原理及试验装置

内燃机燃烧成像研究表明[14-15]，燃烧发光包含2部分：化学发光（chemiluminescence）和碳烟发光（soot luminosity）。化学发光是指某些化学反应中发出可见光的现象，其发光机理是：反应体系中的某些物质分子，如反应物，中间体或荧光物质吸收了反应释放的能量而由基态跃迁至激发态，然后再由激发态返回基态，同时将能量以光辐射的形式释放出来。对于柴油机燃烧，化学发光在燃料喷射后就发生，但信号相当弱。因此经常使用ICCD（Intensified Charge Coupled Device）照相机对这种非发光火焰（non-luminous）进行捕捉。所谓的ICCD照相机就是在CCD相机的前面增加一个像增强器，来捕捉较弱的成像信号，同时它还具有较高的时间分辨率，其最小门宽可以达到5ns左右。化学发光主要来源于OH，CH，CH2O和C2自由基，它们覆盖紫外和可见波段。化学发光存在于整个燃烧过程，但当燃烧生成碳烟后，受热碳烟释放很强黄色发光火焰，掩盖了相对较弱的化学发光。此时，燃烧火焰中形成炽热碳粒的辐射光谱为连续光谱，与黑体十分相似。相对于化学发光辐射和气体辐射来说，燃烧中碳粒辐射占绝对优势。

利用内燃机燃烧所发出的光，并通过高速摄影记录下来，是研究发动机燃烧过程最有效，最简单（不受激光使用的限制）的方法。HCCI燃烧产生的某一种化学物质所释放的光都对应一个具体的波长，通过分析化学发光的光谱就可以检测到反应物。而这种检测手段可以通过光谱仪来完成。光谱研究作为发动机缸内诊断手段已经有许多年了。由于碳烟颗粒具有很强的黑体辐射，掩盖了CH2O、OH等自由基的谱线特征，因而不能检测到具体的中间产物[16-18]。大多的光谱研究只是应用在传统SI发动机上，或是燃用低碳烟燃料的柴油机研究中。对于新的燃烧模式，如HCCI，PCCI，LTC，他们的碳烟排放可以达到很低水平，因此适合进行光谱分析。

一般来说，化学发光成像光谱法的实验装置如图1所示。燃烧发光通过加长活塞上面的石英窗口，经过反射镜后进入光谱仪，经分光后，光强显著减弱，因此通常需要使用ICCD探测器进行接收，之后所得的谱线再被电脑记录。此外，光谱仪还可以采集缸内自由基激光诱导荧光（LIF）信号，判断受到激光激发的自由基是否为待测物质[19]。图1中的DG535为延迟脉冲触发器，它可以调节触发ICCD进行光谱信号采集的时刻，从而实现在所需不同曲轴转角下对光谱信号进行记录。当需要对缸内燃烧直接成像的时候，可以把ICCD探测器从光谱仪上取下，并在ICCD探测器前加装一个紫外成像镜头，使燃烧发光图像（紫外-可见波段）直接被ICCD探测器接收后记录到电脑上。目前，也有把CCD或ICCD探测器与成像光谱仪集成在一起，如文献中使用的成像光谱仪，这样将更加方便光谱采集[20]。但仪器灵活性受到限制，探测器不能拆下作为相机使用，无形中增加了仪器投入资金。

图1　化学发光成像光谱法的实验装置

此外，前文介绍的ICCD相机尽管有高分辨率和捕捉弱光的优势，但其成像速度很慢（每秒几帧～十几帧），通常对应发动机一个循环只能采集到1幅燃烧图像，记录的燃烧过程一般是不同循环内不同燃烧时刻的图像。因此为了研究发动机单一循环内燃烧发展历程，众多研究使用了高速CCD或CMOS相机记录燃烧过程（相机速度可以达到每秒几万至上百万帧），当燃烧发光较弱时，如HCCI燃烧过程，则在相机前端耦合像增强器进行成像。但是，由于采集速度较高，图像的增强效果降低，在对更弱信号捕捉时（如LIF信号等）存在局限。因此，在高速LIF研究中，又广泛使用了“streak camera”或称为“framing camera”，这种相机标准状况下集成8个独立的ICCD探测器，从而可以在一个循环内获得8幅不同时刻的燃烧图像[21-23]，或是与激光组匹配获得8幅LIF图像[24-25]。但这种相机的价格也相当于单一ICCD相机的8倍，约在40几万美元。

2　 HCCI化学发光成像和光谱研究

瑞典Lund大学Hultqvist等人[26]对基础燃料（PRF）的HCCI燃烧化学发光成像研究表明：当冷焰发生时，其光信号很微弱，而且在整个燃烧室均匀分布。在冷焰结束和热焰开始之间没有光信号。热焰开始后，充量多点同时燃烧。日本Okayama大学Kawahara等人[27]对DME的HCCI燃烧光谱分析表明：低温反应阶段可以采集到甲醛（HCHO）谱线。高温反应阶段，CO连续谱光强信号较强。高温反应放热率曲线与CO谱线具有很好的重合性。美国Wisconsin-Madison大学和GM[20]燃用异辛烷燃料，通过改变发动机运转参数，对HCCI燃烧过程光谱特性进行的研究表明：尽管改变进气温度，燃料供给方式，空燃比以及部分燃料重整等参数显著影响着火时刻，但燃烧开始后的反应路径并未改变。相应地在CO连续光谱谱线基础上出现的CHO，HCHO，CH和OH等自由基的谱峰并未显出区别。意大利Mancaruso等人[28]应用共轨燃油喷射系统对柴油HCCI燃烧进行光谱分析表明：自燃着火发生时缸内采集到均匀分布的OH化学发光成像和光谱，OH的广泛均匀分布有效降低了缸内颗粒物，此外OH可以作为判定高温燃烧反应开始的方法。

尽管HCCI着火前燃料和空气已经充分预混，但美国Sandia国家实验室Dec等人[29]对HCCI燃烧化学发光研究表明，其燃烧过程有很强的湍流结构，并非均匀。这种燃烧的不均匀主要由压缩过程中传热和湍流变化引起。缸内自然存在的热分层使自燃着火从热区向冷区逐渐发展，降低了压力升高率，有利于负荷上限的拓展。但这种传播速度较传统的碳氢湍流火焰传播要快得多，类似结果在Lund大学Hultqvist等人[30]的研究中也有报道。此外，Aleiferis等人[31]利用气道内不同的喷射时刻和缸内EGR形成温度分层，同样观测到HCCI的自燃着火传播速度高于传统湍流火焰传播速度；温度梯度越大，自燃着火传播速度越慢。可见HCCI的燃烧过程并不是通过火焰传播发生的。同时为了调查热分层的空间分布，Dec等人又从缸套侧面拍照，对上止点附近区域进行化学发光研究。结果表明：从着火开始到压力升高率达到最大值之间，大部分的燃烧都是发生在充量的中心地带，远离燃烧边界层区域。因此增大中心气团内部温度分层对降低压力升高率更有效；而增大中心气团与边界层之间温度分层对压力升高率的影响较小。日本Keio大学Ozaki和Iida[22]在研究中也发现温度分层与浓度分层一样，可以降低压力升高率。

美国Sandia实验室Hwang等人[32]针对单阶段（异辛烷）和双阶段（PRF80）点火燃料的HCCI燃烧过程。研究表明单阶段点火燃料HCCI燃烧过程分为3个阶段：中间温度放热(intermediate-temperature heat release,ITHR)，高温放热(high-temperature heat release,HTHR)，和“燃尽”(“burnout”)。而双阶段点火燃料的燃烧过程在此基础上增加一个低温放热(low-temperature heat-release,LTHR)，整个化学发光光谱过程如图2所示。LTHR阶段发生温度范围是760~880K，化学发光光谱主要是很弱的甲醛光谱；ITHR阶段发生在950~1170K，该阶段温度缓慢上升，化学发光主要是较强的甲醛光谱；在HTHR阶段，温度上升率迅速增加，在燃烧室中心热着火区域可以观测到明亮的化学发光。释放的光谱是CO连续谱，同时在特定波段也释放出HCO，HCHO，CH和OH谱线。化学动力学模型表明CO+O→CO2+hv反应是CO发光的原因，化学发光光强和该阶段放热率达到很好吻合。在近红外区，可以采集到H2O和O2的光谱，它们可能是燃烧生成之后受热激发产生，而不是燃烧过程中产生的释放谱线。在"燃尽"阶段，尽管放热完成，但还可采集到非常弱的化学发光。光谱研究表明，光是由H2O和O2释放的，它们是受热激发后产生的。

图2　化学发光光谱异辛烷（a~e）和PRF80（f~k），不同放热阶段对应光谱：低温放热（f），中间温度放热（a,g），中间向高温放热转换（b,h），高温放热峰值（c,i），高温放热后期（d, j），燃尽阶段（e,k）[32]

可见，通过HCCI化学发光成像与光谱研究表明，HCCI低温反应主要是甲醛发光，分布均匀，光强较低。而在低温与高温反应之间没有发光记录。OH是高温反应开始的标记，高温反应过程主要是CO连续光谱。放热完成后，采集到的很弱的发光是由H2O和O2释放的。发动机运转参数显著影响HCCI着火时刻，但燃烧开始后的自由基生长历程并未改变。在实际的HCCI燃烧过程中存在自然发生的热分层。增大燃烧室中心气团内部的温度分层对降低压力升高率更有效。因此，如何合理地组织实现温度分层将是拓展HCCI运转范围研究的一个热点。

3　分层对HCCI燃烧过程的影响

美国Sandia国家实验室Sjoberg等人[33]和ExxonMobile公司的Grenda[34]的模拟计算均表明，完全均质的混合气燃烧化学反应很快，燃烧持续期（10~90%）仅为1°CA。而实验得到较缓慢的燃烧持续期和反应速率是由于自然发生的分层引起的。所以，通过组织缸内混合气的温度和浓度分层，可以拓展HCCI发动机运转负荷上限，有效控制燃烧着火时刻。

Lund大学Vressner等人[23]对不同燃烧室结构的HCCI燃烧过程进行高速化学发光成像研究。设计了两种不同的燃烧室结构，一个为平顶燃烧室，一个为带有方形凹坑燃烧室，两个燃烧室压缩比均为11.2。研究发现带有方形凹坑的燃烧室其着火始点总是从凹坑内一角开始，然后在凹坑内传播，最后传播到燃烧室上方挤气区。造成这种现象的主要原因是方形燃烧室温度不均匀，由此导致方形燃烧室更低的放热率和更长的燃烧持续期。而平顶燃烧室温度梯度较小，充量更多的是同时点火。

天津大学Liu等人[35]设计了三种不同燃烧室形状，敞口（V-type），直口（H-type）和缩口（A-type）研究对HCCI燃烧过程的影响发现：缩口燃烧室湍动能大，壁面附近传热损失大，自燃着火时刻从温度较高的燃烧室中心开始；而敞口和直口燃烧室内湍动能小，燃烧室内温度分布相对均匀，自燃着火过程几乎在整个燃烧室内同时发生，如图3所示。可见燃烧室结构影响缸内湍流运动，进而影响HCCI燃烧过程。这就表明尽管早期研究认为HCCI燃烧过程受控于化学动力学，湍流对化学反应和放热过程的影响很小。但实际上湍流通过对温度分层的调控会影响HCCI自燃着火和后续燃烧发展过程，因此有必要进一步开展湍流对HCCI燃烧过程的影响机理研究，这将有助于对HCCI燃烧过程更好的控制。

进一步研究中，天津大学Liu等人[36]通过改变气道喷射时刻形成浓度分层、并结合不同进气温度和冷却水温度形成的温度分层开展HCCI化学发光诊断，发现进气温度较混合时间对燃烧过程影响更大，不同气道喷射策略在冷启动和小负荷工况对自燃着火和火焰发展影响更显著；冷却水温度差异20 K条件下对燃烧过程缸内温度分层产生很大影响。

图3　不同燃烧室结构下化学发光成像，括号内为对应发光光强值

瑞典Chalmers大学Berntsson和Denbratt[37]，通过气道喷射构建均质环境，通过缸内直喷构建燃料分层（浓度分层），应用高速摄影机对燃烧过程进行研究表明：从发现着火点到燃烧火焰充满整个燃烧室，HCCI需要4°CA，分层燃烧需要8°CA。成像和放热率分析研究均表明，分层引起局部当量比变化使燃烧持续期增加；分层可以降低燃烧速率，增大HCCI运转工况范围。韩国KAIST大学Kook等人[38]在一台共轨柴油机上，通过两次喷射实现PCCI。第1次喷射在-200°ATDC处，供应大部分燃料（10mm3），实现燃料与空气的预混；第2次喷射在-15°ATDC，供应较少燃料（1.5mm3），作为点火促进剂，并且把燃烧控制在上止点附近。研究发现，传统柴油机喷射模式（喷射时刻-15°ATDC；单次喷射；喷油量11.5mm3）下，由于碳烟的热辐射，可以看到明亮的燃烧火焰。而PCCI下，明亮的火焰只存在于第2次喷射混合不均匀区域，且火焰亮度较传统燃烧显著降低。进一步研究表明，主喷时刻只有在-100°ATDC之前才能保持这种不发光的燃烧。可见PCCI可以显著降低缸内碳烟生成量。同时NOx排放降低90%，但燃油经济性，HC和CO排放恶化。试验进一步优化喷油器喷射角度，从150°变为100°，碳烟和燃料经济性进一步改善，可见优化喷嘴角度可以成功实现早喷。类似研究丰田Hasegawa等人也有报道[39]，通过两次喷射（第一次喷射形成预混和气，第二次喷射控制着火），同样没有观测到明亮燃烧火焰，燃烧室中呈现多点同时着火的现象，NOx和碳烟排放显著降低，作者把这种燃烧模式命名为UNIBUS(Uniform Bulky Combustion System)。

法国IFP研究所Thirouard等人[40]在一台汽油机上研究混合物的形成质量对HCCI燃烧的影响。结果表明：通过改变两个进气道不同的充量混合过程以及内部EGR都无法形成有效的混合气浓度分层，只是改变了燃烧着火位置，对燃烧相位没有影响。而通过废气再吸入的方式只能在沿气缸轴线方向形成很弱的已燃气体和新鲜充量的分层。最终通过缸内直接多次喷射实现对HCCI自燃着火相位的控制。

本田公司的Kanda等人[41]在一台共轨柴油机上研究喷射时刻和EGR比例对PCCI燃烧过程影响，利用内窥镜直接观测缸内燃烧过程，内窥镜安装采集位置如图4所示。内窥镜的好处是在缸盖上只开设很小的观测孔，类似缸压传感器开孔直径，因此发动机可以在真实的高温高压下持续运转，采集燃烧火焰发展过程；其不足之处是可视化范围只是缸内局部，较经过较大改装的可视化发动机可视范围要小。

图4　内窥镜试验装置

图5是不同喷油时刻下缸内燃烧火焰发展历程，在-12°ATDC时，可以看到明亮燃烧火焰，这是由于缸内温度较高，点火延迟期较短，燃烧室内主要发生扩散火焰燃烧，产生大量碳烟。当喷油时刻提前到-35或-45°ATDC时，扩散燃烧火焰亮度明显降低。此时缸内温度较低，滞燃期较长，大部分燃料可以实现很好的预混，燃烧不产生碳烟。但由于喷射时刻较早，部分燃料喷到燃烧室外的壁面上，形成浓混合气区，产生碳烟。此外，作者保持喷射时刻不变（-56°ATDC），改变EGR比例：0、25、43、54%发现，随EGR比例增大，燃烧发出的明亮火焰减弱，直至不能被观测到；大比例EGR降低了燃烧室湿壁造成的浓混合气区域的燃烧温度，抑制了碳烟生成。内窥镜观测到的成像表明缸内已经发生低温燃烧现象，NOx和碳烟排放同时降低。最终作者认为，应用早期喷射PCCI可以形成部分预混燃烧，但会造成燃烧室湿壁问题，导致碳烟排放增大。而使用大比例EGR可以降低缸内燃烧温度，抑制碳烟生成。

图5　喷射时刻对燃烧火焰的影响，第一行-45°ATDC；第二行-35°ATDC；第三行-12°ATDC

可见，通过缸内直喷，多次喷射，改变燃烧室形状等手段形成的混合气浓度和热分层可以降低燃烧放热速率，控制着火相位。从而有效拓展HCCI运转工况范围。而无论是对汽油机还是柴油机，缸内灵活的多次喷射策略都是实现高效清洁燃烧的关键技术。

4　低温燃烧光学诊断

低温燃烧（LTC）由于可以在大负荷甚至全负荷下实现柴油机高效清洁燃烧而得到广泛关注[42-48]。LTC不同于柴油机HCCI或PCCI燃烧模式在于从喷射到开始燃烧经历的时间较短，在开始燃烧时存在明显的>1的区域。尽管存在类似传统柴油机浓混合气区域，但是由于大比例EGR的使用，使缸内温度低于碳烟生成温度，有效地抑制碳烟生成。这是为何在大负荷运转条件下不改变燃料喷射系统，燃烧室结构而获得无烟燃烧的重要原因。而且EGR率改变的不仅是火焰温度，同时也改变了着火滞燃期。此外，包括喷射压力，喷油时刻，多次喷射等喷射特性也影响滞燃期内的缸内温度、峰值火焰温度以及预混和量。最后，为了保持高EGR率下发动机较高的功率密度和燃烧效率，需要较高的增压压力。可见，控制和优化EGR率，喷射特性和高增压是实现柴油机高效清洁低温燃烧的关键。

LTC之所以成为目前柴油机高效清洁燃烧的热点，是因为柴油机HCCI或PCCI存在着一些难以解决的问题。对于气道喷射HCCI，由于柴油挥发性差，并不适合。缸内早喷可以形成均质混合气，但由于缸内充量密度，压力，温度较低，液体燃料撞击到缸套或活塞表面不可避免。因此一些具有较低燃料贯穿度或窄角的新型喷嘴得到了发展来解决湿壁现象。但是在高速高负荷下，这种喷嘴会造成大量燃料撞击到燃烧室内，引起碳烟排放增大。而早喷HCCI带来的另外一个问题是点火仍由化学反应动力学控制。由于喷射时刻较早，着火时刻也较早，需要采用EGR，可变压缩比或改变燃料特性来推迟着火时刻。尽管日产的MK和丰田的UNIBUS成功应用到产品发动机，但是只是在部分负荷区域得到应用。因此，可以说在高速高负荷下，NOx和碳烟排放仍旧是柴油机的主要问题。与HCCI对比，LTC除了低NOx和碳烟排放外，还可以在宽广的工况下实现较高的热效率，点火时刻控制简单，压力升高率的降低使高负荷运转得到拓展，因此在柴油机上比HCCI更具前景。

Kook等人[42]在一台应用于乘用车的高速直喷柴油机上，通过在进气中添加N2和CO2模拟0~65%的EGR率。燃烧发光成像表明随EGR率增大，碳烟发光减弱，并且变得更加均匀。即使在高EGR率运转条件下，混合控制的燃烧相位仍旧相当重要。尽管LTC可以避开NOx和碳烟生成区，改善油气混合仍旧是提高燃烧效率，降低CO排放的关键。因此，Kook等人[43]进一步研究在固定喷射时刻下，调节不同涡流比（1.44~7.12），发现可以找到一个最优涡流比，来获得最佳的燃烧效率和CO排放。而在固定涡流比下，CO排放随着喷射时刻提前，预混量的增大而减小。增大喷射压力同样可以降低CO排放，在燃烧室缩口处（bowl lip）上形成的燃料油膜对CO排放影响不明显。可见，针对LTC进行预混阶段的优化是降低CO排放，改善燃烧效率的关键，仍有许多研究需进一步深入。

美国Wayne州立大学Lu等人[44]在一台快速压缩机上应用高速摄影和光谱法进行晚喷LTC研究。化学发光成像表明，在高EGR率下，晚喷低温燃烧有效抑制碳烟，整个燃烧过程发光很弱。少量添加H2（10%）可以进一步降低碳烟排放。而且由于EGR率高达50%，H2的添加也没有增大峰值压力和燃烧速率。当H2达到15%时，OH光谱很容易被观测到。Sandia国家实验室的Upatnieks和Mueller[45-46]在一台重型柴油机上，使用二甘醇二甲醚（DGE）作为燃料，通过改变N2添加量来调节氧浓度（9%~21%），研究充量温度对缸内燃烧过程影响。利用缸内燃烧发光成像测量了火焰举升长度（lift-off）并且估算了火焰举升长度内的燃空当量比，燃烧发光成像如图6所示[47]。由于火焰温度较低，LTC的火焰呈现蓝色。柴油机传统燃烧模式和低温燃烧火焰举升长度分别是12和23mm，局部当量比接近，分别是2.7和2.9，但是LTC却不出现碳烟的白炽光。最终结果表明，使用传统的直喷策略结合充量稀释，LTC可以实现接近零的碳烟和NOx排放。LTC具有HCCI的排放优势，同时着火时刻又可以通过燃料喷射时刻进行控制。

图6　传统柴油机和低温燃烧成像[47]

Fang和Lee[48]在一台可视化发动机上，应用先进的多次喷射技术，研究了欧洲低硫柴油和生物柴油的燃烧过程。实验用一台高速直喷柴油机改装设计出光学通路，构造如图7所示。其最大的特点是可视化发动机石英玻璃燃烧室做成了与金属发动机基本一致的型，如图8所示。因此缸内喷射、雾化和燃烧过程将更接近实际金属发动机，较传统平顶石英玻璃燃烧室更好。与之类似的可视化发动机燃烧室改造同样在文献[42-43]对燃烧自发光的光学诊断，以及文献[49-50]对碳烟和未燃碳氢的激光诊断研究中可以找到。

实验通过改变两次喷射（预喷+主喷）时刻得到柴油机传统燃烧模式和低温燃烧模式，用高速摄影机记录燃烧自发光。结果表明所有工况下，生物柴油的自发光光强都低于低硫柴油，表明生物柴油碳烟生成量较低。作者在该可视化发动机上，应用高速摄影机进一步对掺混不同比例生物柴油（0、20、50、100%体积比）的喷雾和燃烧过程进行研究[51]，结果表明：当燃用纯生物柴油时，其液体燃料贯穿距更大，导致更多的燃料在燃烧室内撞壁。早喷（-25°CA ATDC）和晚喷（3°CA ATDC）的碳烟发光较传统喷射时刻（-10°CA ATDC）都要弱。晚喷策略火焰类似HCCI燃烧火焰。对于晚喷策略，NOx和碳烟发光都降低，发动机经济性也很好。此外，作者还对不同喷射角度下，燃油喷射的发展和燃烧过程进行了研究[52]。

图7　可视化发动机示意图[48]

图8　可视化发动机活塞（左）和金属活塞（右）[48]

天津大学Liu等人[53-54]在定容燃烧弹上，模拟低温燃烧的低温低氧浓度边界条件，研究了纯正丁醇和纯生物柴油的燃烧火焰特征和碳烟生成氧化历程。研究发现在700 K环境温度下，生物柴油和正丁醇均不生成碳烟；温度在800 K时，生物柴油生成碳烟，而正丁醇生成碳烟的温度则需要达到900 K。在800 K下，随着氧浓度的降低，生物柴油燃烧火焰分布更广，火焰发光强度降低，碳烟生成被抑制；但1000 K环境温度下，随着氧浓度的降低，尽管生物柴油燃烧火焰分布区域仍然增大、发光强度也降低，但碳烟生成没有被抑制，碳烟生成量增大，可见大比例EGR稀释抑制碳烟的一个核心因素是降低了燃烧火焰温度，抑制了碳烟的生成。

尽管低温燃烧表现出了许多优势，但仍存在许多问题有待深入研究，如不同工况下EGR率的控制，显然过大的EGR率会降低热效率，同时更多的预混放热也会使着火始点控制问题凸显。结合多次喷射后，每次喷射时刻，喷油量都会影响最终预混和过程。而在大比例EGR下，为了保持动力性，需要对增压压力进行优化，相应的复合增压，两级增压技术同样有待深入研究。对LTC燃烧过程及各种缸内排放生成物，如HC、CO、碳烟等的生成机理，发展历程的光学诊断研究还有待深入。

5　展望

随着现代光学测试手段和计算机技术的飞速发展，直接对燃烧室内部进行观察与测量的可视化技术已经成为一种不可或缺的重要手段。但是，目前我国内燃机缸内光学诊断研究还相对薄弱。因此加强该领域的软硬件研究工作的投入、尤其是对研发人员的培育更加重要。

从对新型燃烧模式缸内诊断研究的总结可以看到，通过燃烧发光成像和光谱测量，对新型燃烧模式的不同燃烧的宏观特征已经有了较好的认识，未来研究的重点一方面是进一步加强温度分层、浓度分层等缸内不均匀性对燃烧和污染物的影响机理，即指导如何通过组织缸内浓度和温度的合理分层拓展高效清洁新型燃烧模式的运行工况范围；另一方面是开展微观尺度下局部湍流与燃烧耦合作用机理的研究，因为当分层出现后，湍流对局部混合和燃烧的影响作用增大。HCCI燃烧反应速率控制主要取决于燃烧室中心的高温气团温度分层，而过度的局部浓度分层是导致NOx和碳烟排放增大的主要原因之一，因此需要揭示微观局部湍流对混合燃烧的影响规律。

在可视化发动机改造中，应当力求其结构参数，热状态参数更加接近金属发动机实际运行状况，从而提供更精确的诊断。在相机的选取方面，独立的ICCD相机可广泛地应用到独立成像、光谱、激光散射信号、LIF信号和激光诱导碳烟炽光（LII）等信号采集中，因此是发动机缸内光学诊断应用最广泛的探测器，而高速摄影机结合高速像增强器则可以更好地研究单一循环内喷雾和燃烧的发展历程。所以这两种相机是缸内光学诊断必要的研究设备，而“framing camera”由于其价格昂贵，多数时候需要配合复杂的激光组构成高速LIF研究系统，因此在内燃机缸内光学诊断研究中具有一定的局限性。

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Application of Combustion Imaging and Spectrograph for the Advanced Com bustion M odes in Engines

Qin W en1,2,BiXiaojie3,Liu Haifeng1
1-State Key Laboratory ofEngines,Tianjin University(Tianjin,300072,China) 2-GuangxiYuchaiMachine Co.,Ltd.3-State Grid Energy Conservation Service Limited Company

The optical diagnostics has been used widely in the research of engine combustion.To understand the combustion process of advanced combustion modes and provide readers with appropriate

to the optical diagnostics technical literatures,simple theoretical descriptions are used to introduce the principle and experimental apparatus of the combustion imaging and spectra analysis for engine combustion processes.The experimental research states are given for the application of these techniques in these new combustion modes,such as homogeneous charge compression ignition(HCCI), stratification combustion,and low temperature combustion(LTC).The optical diagnostics researches show that the combustion process and intermediate species can be revealed using the combustion imaging and spectrograph diagnostics.It has been realized that advanced control strategies of fuel/airmixture ismore important than simple homogeneous charge in the process of control of HCCI combustion process.A stratification strategy has the potential to extend the operation range to higher loads in advanced combustion modes.Finally,authorsgive the future developmentdirection in advanced combustionmodes.

Homogeneous charge compression ignition(HCCI),Low temperature combustion(LTC),Optical diagnostics,Combustion imaging,Spectrograph

TK411+.2

A

2095-8234（2016）02-0087-10

2016-01-17）

天津市应用基础与前沿技术研究计划（14JCQNJC07300）。

覃文（1965-），男，博士，高级工程师，主要研究方向为发动机设计。

刘海峰（1981-），男，博士，副教授，主要研究方向为发动机燃烧过程。