內燃機燃燒過程是其工作循環(huán)的核心，直接影響發(fā)動機的動力性、經濟性和排放指標。由于內燃機燃燒過程十分復雜，測試相當困難，因此長期以來一直深受世界各國內燃機研究者及生產部門的重視。 
內燃機的燃燒過程是實際發(fā)動機工作循環(huán)重要、復雜的過程，涉及到化學反應動力學、流體力學以及傳熱傳質學等多個學科領域，是非常具有挑戰(zhàn)性的研究領域，因而內燃機節(jié)能和降低排放的關鍵在于對燃燒過程系統(tǒng)深入的了解。只有細致研究內燃機發(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)的基礎上，才能有針對性地改進內燃機各部分的參數設計，有效地提高內燃機效率，降低排放。 
因此，運用的實驗手段和方法來開展內燃機缸內燃燒過程的研究，獲得缸內燃燒火焰的有關信息(例如溫度場、濃度場、速度場)，具有十分重要的學術價值和廣闊的應用前景。內燃機缸內燃燒的光學測試方法是目前有效的研究手段之一，在國內外得到越來越廣泛的運用。采用這種方法來研究內燃機的燃燒過程，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，對于指導內燃機燃燒系統(tǒng)的設計，提高內燃機工業(yè)整體水平具有重要的現實意義。 
1 內燃機燃燒研究的幾種光學測試方法 
內燃機燃燒光學測試方法的大優(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，光學技術和計算機技術的飛速發(fā)展為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和發(fā)動機廠商的高度重視。近十幾年來，以光學原理為基礎的各種內燃機燃燒測試技術發(fā)展很快，其實際應用也日益廣泛，一些的燃燒測試技術已逐步進入實用階段。在內燃機燃燒的各種光學測試方法中，主要有雙色法(Two-Color Method)、全息法(Holograph Method)、吸收光譜法(Absorption Spectroscopy Method)、激光誘導熒光法(Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy,簡稱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。這些光學測試方法的應用，使內燃機缸內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象，一切物體，只要其溫度高于零度，都要不同程度地產生輻射。由普朗克(Planck)黑體輻射定律可知，當黑體的溫度一定時，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是連續(xù)的光譜，從滯燃期開始，燃料發(fā)生裂變反應，便生成C、H原子，而燃料燃燒產物中仍存在少量的碳粒子。碳粒子能在極短時間內(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。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； 
試驗裝置比較復雜，試驗結果還必須進行標定； 
雙色法是利用物質的發(fā)射譜測量的，當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 
全息照相術是根據物理化學原理，利用光波的干涉現象，在感光底片上同時記錄下物光波的振幅和位相，并通過衍射現象再現出物體的立體像，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，經過顯影和定影，將處理好的底片再地放回原來的位置上，同時保持全系統(tǒng)其它光學元件不變，這時用原來的參考波照射這個全息圖就可以再現比較波。若仍用原來的物光波照射溫度場則產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出來。 
采用激光全息干涉法，同時與高速攝影機相結合，可以連續(xù)記錄燃燒室內溫度場的變化過程，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時，介質對光的吸收效應來測量溫度和濃度的方法。根據Bouguer—Lamkert吸收定律，頻率為γ的光通過長度為L的介質后，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，它由介質本身的性質決定。 
β γ=Σδ j.g 
j(γ－γ0)， ………(2) 
其中，δj是吸收介質中的譜線強度，由吸收介質的分子能級、量子數、粒子數和溫度決定；gj（γ－γ0）是介質的吸收光譜線型函數，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，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反應，如NOx和CO的生成。為了改進空間分辨率，提高測量精度，在吸收法基礎上又發(fā)展了飽和吸收法(LISF)和光學層析法(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燒孔；而當另一同頻弱激光束通過時，吸收就會減弱。LISF也使結果表達式加簡單。光學層析法是在兩個有一定夾角方向上分別設置M束和N束平行光，使得形成M×N個吸收點，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。 
激光吸收光譜法是一種比較簡單而成熟的分析燃燒過程的方法，它有以下特點： 
方法直接，所用試驗設備簡單； 
測量所有結果是光程上的平均值，故空間分辨率比較低； 
受激光光源不穩(wěn)定的影響，測量精度較低。 
1.4 激光誘導熒光法(LIF) 
激光誘導熒光法是一種高靈敏度的檢測濃度和溫度的方法。其原理是當激光波長調諧到分子的某兩個特定能級時，分子就發(fā)生共振并吸收光子能量而激發(fā)到高能態(tài)，在從高能態(tài)返回基態(tài)過程中，分子就會發(fā)出熒光；熒光用光電倍增管接收，其信號為： 
Pf=hγ.(A 21/4π).Ωc.Vc.N2， ………………(3) 
其中，hγ為熒光光子能量，A 21為熒光上能級自發(fā)輻射系數，Ωc、Vc分別為光學收集系統(tǒng)的立體角和有效的熒光體積，N2為熒光上能級粒子數。 
在利用LIF方法作定量分析時，為了得到濃度的值，必須對熒光信號進行校正，也就是考慮熒光體積Vc、熒光收集立體角Ωc、光學系統(tǒng)的熒光傳遞效率以及熒光的吸收、俘獲、極化和碰撞加寬因素對熒光信號的影響。并且，用LIF方法來研究內燃機這樣的高溫、高氣壓燃燒過程，還必須考慮熒光的淬滅效應。淬滅效應是指分子吸收了光子能量而躍遷到激發(fā)態(tài)時，能量不是以熒光而是通過碰撞弛豫到達其他能級。特別是在高溫高氣壓下，粒子濃度大，平均自由程短，這種效應加明顯，嚴重時會收不到熒光光譜。 
LIF方法誘人的特點除了它的高靈敏度外，還有它可以用平面二維圖形顯示燃燒場的濃度分布，在一個激光脈沖內，就能得到一張二維的瞬態(tài)燃燒場分布圖，實現了實時處理。因此，LIF方法以及改進后的LIF法(PLIF法)成為近年來上廣泛采用的方法之一。 
與其它光譜診斷技術相比，激光誘導熒光法有以下特點： 
高靈敏度，因為熒光信號直接和被測分子的上、下能級聯(lián)系起來； 
具有高的空間和時間分辨率； 
采用OH的熒光作為LIF譜，可以減少紅外背景輻射和粒子散射，而且OH是許多化學反應的中間產物，對提高燃燒性能和降低污染物的研究都非常重要； 
可以實現濃度場和溫度場的二維分布顯示。 
1.5 喇曼散射光譜法 
當光通過氣體分子時，部分光會被分子散射，并且發(fā)生頻移，其散射光強為
其中，I0為入射光強，σI(γ0)/Ω是頻率為γ0的光的微分散射截面，δΩ、δS、η分別是光學系統(tǒng)收集立體角、由光學系統(tǒng)決定的散射強度和光學系統(tǒng)的傳輸系數，nI是分子下能級的粒子數。 
喇曼頻移是由于分子振動能級不均勻以及與轉動能級間相互作用而造成的，所以每個振動能級的喇曼頻移都不相同；又由于各能級粒子數隨溫度而變化，喇曼信號也隨溫度而變化。通過對喇曼譜兩個強度峰值的測量比較，然后進行擬合，就可求得溫度。 
喇曼光譜有以下特點： 
喇曼信號僅是入射光強和粒子數的線性函數，所以試驗結果分析簡單，沒有必要考慮時間延遲效應、淬滅和碰撞等影響； 
喇曼光譜可以用于實現二維燃燒場的顯示； 
通常，碰撞截面只有10－29 cm2～10－31 cm2，比分子吸收截面少10個數量級，比Rayleigh散射少3個數量級，因此喇曼信號很弱(入射104個光子才產生1個喇曼光子)，對探測儀器的靈敏度提出了高的要求，而且只能測量高濃度的粒子，也只能用于低噪聲環(huán)境，不能用于富氧燃燒，因為有強的噪聲輻射背景； 
喇曼光譜測溫的精度一般為±100 K。 
1.6 相干反斯托克斯光譜法(CARS) 
相干反斯托克斯光譜法的原理為，當兩束頻率為ω1和ω2的高能激光束聚在一點入射到某一介質中時，如果ω3=2ω1－ω2正好是分子的某一共振譜線，且滿足非線性光學中的相位匹配條件，那么ω3頻率的光會極大地增強。用這一信號就可以對燃氣成分和濃度進行鑒別，這就是CARS法。一般ω1固定，ω2可通過調諧激光器改變頻率，所以ω3總可以與某一分子能級實現共振。另外，由于溫度對光譜的影響完全可以確定，因此通過光譜線型擬合分析就可以確定燃氣的溫度。CARS法是一種利用非線性光學的方法，它的特點是： 
具有高的信號強度，能產生比喇曼信號大105倍～1010倍信號。同時，CARS法信號是一束頻率為ω3=2ω1－ω2的高于泵浦光頻率的相干光，所以信噪比高，而且不受燃油和火焰中各種成分的熒光影響，可用于富氧燃燒的研究； 
和LIF法相比，CARS法不需要考慮淬滅和能量轉移等因素的影響，不需進行校正； 
CARS法的空間分辨率比較低，在紊流火焰中，其空間分辨率只有2 mm～4 mm。CARS法不能用于二維燃燒場的顯示； 
CARS法的非線性條件比較難以實現，故試驗裝置復雜。 
綜上所述，雙色法、全息法、吸收光譜法、激光誘導熒光法(LIF)、喇曼散射光譜法和相干反斯托克斯光譜法(CARS)等方法各有特點，在實際應用中，必須根據實際情況，合理選擇。近年來，國外對激光誘導熒光法(LIF)的研究和運用格外活躍，這代表了一種發(fā)展趨勢，其主要原因在于激光誘導熒光法靈敏度極高，且可獲得高空間分辨率的二維圖像。因此，在未來內燃機缸內燃燒測試的方法中，激光誘導熒光法將占據重要的一席，有著廣闊的前途。同時，雙色法作為一種傳統(tǒng)的測高溫的方法，在迅速發(fā)展的新技術的帶動下，也勃發(fā)出新的生機。新發(fā)展的光纖傳像技術和高速圖像采集及處理技術與雙色法相結合，使得人們可以簡便、迅速地獲得內燃機燃燒過程的二維溫度圖像［6］，克服了以往傳統(tǒng)的方法只能獲得空間少數點的溫度值，而不能獲得二維溫度分布的困難。因而，雙色法以其簡便易行和對燃燒室本身的影響極小等優(yōu)越性，也得到廣泛應用。 
北京百思佳特公司主營行業(yè)：儀器儀表/實驗設備/礦用設備/石油產品/教學儀器/醫(yī)療器械