第1章 緒論

柴油機以其優良的經濟性、動力性和二氧化碳低排放性，廣泛應用于汽車、工程機械、農業機械、船舶、國防裝備等領域，對國民經濟的發展具有重要的支撐作用。越來越嚴格的排放法規和對燃油經濟性越來越高的要求，推動科研人員為持續研發高效低排放的柴油機而不懈努力。為了滿足排放法規和節約能源，我們必須對內燃機燃燒過程中發生的基礎物理化學現象形成更清晰的理解。

傳統柴油機的設計主要依賴于樣品開發，但是研發過程耗時太久且成本過高。計算流體力學（CFD）數值模型的發展為設計高效率、低排放的發動機提供了快速有效的途徑。但是，整個噴霧燃燒過程的復雜性，使我們對基礎理化過程的理解還存在較大的局限性和不確定性。因此，需要建立大量的、詳細的試驗數據來創建并驗證這些CFD模型。隨著光學儀器和數碼相機的高速發展，當前應用各種先進的光學測試技術可對內燃機燃燒過程中的化學組分以及各種噴霧燃燒參數進行定量測量，這成為數值模型驗證和進一步完善的有效手段。圖1.1中展示了CFD輔助內燃機研發的過程。

圖1.1 CFD輔助內燃機研發的過程

汽缸內瞬態的熱力學條件、燃油碰壁現象、復雜的燃燒室形狀和由活塞運動導致的氣流運動影響等，使內燃機的燃燒過程十分復雜，這給CFD模型計算整個燃燒循環帶來了巨大挑戰。因此，作為第一步，可以先在邊界條件高度可控的特殊試驗燃燒室內對燃油的噴霧過程進行研究。這種燃燒室內通常沒有強烈的氣流運動，接近靜態環境，內部充氣特性是已知并高度可控的，沒有燃燒碰壁現象發生，或者噴霧與壁面的相互影響也是可以控制的。另外，高溫高壓的燃燒試驗設備通常設計有多個較大的可視化窗口，便于同步應用各種光學診斷技術。目前，這種燃燒試驗裝置主要有兩種類型：定容燃燒彈和定壓燃燒彈，關于此類設備的詳細信息將在第3章中闡述。

當CFD模型能夠較為準確地捕捉相對簡單的靜態環境下較大工況范圍內的噴霧燃燒過程之后，則可以進一步提高環境工況的復雜程度。例如，進行光學發動機的試驗，進一步拓展和改進CFD模型的適用范圍。光學發動機相較高溫高壓燃燒彈更接近真實發動機的運行工況，創造了瞬態變化的熱力學環境，但是可視化窗口的個數和范圍也相對減小，增加了測試難度。接下來，就可以參照經燃燒彈和光學發動機驗證后的數值計算模型，進行真實發動機的開發過程。

20世紀90年代，美國桑迪亞國家實驗室通過對傳統柴油機噴霧燃燒過程的一系列光學診斷研究，獲得了噴霧燃燒過程中的各種定量、定性參數，通過環境變量和噴油參數對各個噴霧燃燒特性的影響進行了全面系統的研究，并于1997年提出了著名的傳統柴油噴霧燃燒概念模型，極大地豐富和改進了人們對傳統柴油機燃燒過程的認識和理解，促進了內燃機噴霧燃燒模型的發展，為新一代內燃機的燃燒優化和新型燃燒模式的提出提供了理論基礎。

科研人員通過對尾氣后處理技術數年的研發，目前可以把這些技術應用在傳統柴油機上，以滿足日益嚴格的排放法規要求。然而，這些后處理設備的應用往往伴隨著高成本、高油耗、高空間需求等問題。為了從燃燒上根本解決燃油利用率和排放問題，減小后處理系統的壓力，近年來多種低溫燃燒模式（LTC，如HCCI、RCCI、PPC、GCI等）被學者提出并進行了廣泛研究。而先進的光學診斷技術則是研究這些先進燃燒模式的主要手段之一。21世紀初，美國桑迪亞國家實驗室的Musculus等人通過應用多種光學診斷技術和數值計算方法對低溫燃燒模式進行了系統的基礎研究，并于2013年針對部分預混低溫燃燒模式提出了新的低溫燃燒概念模型。然而，這些新型燃燒模式目前大多尚未成熟，處于基礎研究階段，距離產品實際應用還需較長的時間。這就要求我們必須進一步研發和應用先進的光學測試手段，全面加深對這些新型燃燒模式的理解，加快推進它們的產品化應用進程。

此外，隨著傳統化石燃料的大量消耗，能源危機問題日益突出，以及實現“碳中和”的迫切需求，醇類、生物柴油等可再生替代燃料在柴油機上的應用也成為我國及全球關注的熱點問題之一。然而，這些燃料特性與傳統柴油存在顯著差異，我們對其噴霧燃燒特性的理解尚不清楚，這也需要我們通過光學診斷的方法對其燃燒過程進行全方面研究，為它們在內燃機上的應用提供理論基礎。

隨著光學診斷技術的飛速發展，目前可以對發動機整個噴霧燃燒以及污染物排放過程，從幾何形態、組分濃度、流場分布和溫度分布等各個方面實現定性或定量測量。然而，由于整個燃燒過程在高溫、高壓下進行，時間尺度非常小，可視化窗口有限，且涉及的物理化學過程十分復雜，這給很多光學測試技術的應用都帶來了巨大的挑戰，需要我們不斷研發和改進新的診斷方法，進而獲得定量可靠的實驗結果。

本書首先按照發動機噴霧燃燒的發展過程，以不同階段重要的測試參數為目標，分章節對各種光學測試技術進行介紹。其中，綜合了傳統經典光學診斷技術以及作者在實際工作中最新發展的一些新技術，分別從原理、光路布置、圖像處理和不確定性等方面進行了詳細介紹，并對獲得相同目標參數的不同技術的優缺點進行了對比分析。接下來，對光學診斷技術在靜態環境和非靜態環境下，在噴霧燃燒的應用研究方面進行了詳盡的闡述。由于燃燒過程的復雜性和實驗技術的局限性，之前的文獻、著作在燃燒對噴霧動力學的影響，以及火焰中碳煙的生成氧化過程的理解尚不清晰。本書介紹的光學診斷技術的應用，主要集中在燃燒工況下的噴霧動力學和碳煙光學診斷測試方面的研究。