內(nèi)燃機(jī)燃燒過程是其工作循環(huán)的核心，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)。由于內(nèi)燃機(jī)燃燒過程十分復(fù)雜，測(cè)試相當(dāng)困難，因此長(zhǎng)期以來一直深受世界各國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究者及生產(chǎn)部門的重視。 
內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程是實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)重要、復(fù)雜的過程，涉及到化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)以及傳熱傳質(zhì)學(xué)等多個(gè)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(jī)節(jié)能和降低排放的關(guān)鍵在于對(duì)燃燒過程系統(tǒng)深入的了解。只有細(xì)致研究?jī)?nèi)燃機(jī)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(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，才能有針對(duì)性地改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)各部分的參數(shù)設(shè)計(jì)，有效地提高內(nèi)燃機(jī)效率，降低排放。 
因此，運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)手段和方法來開展內(nèi)燃機(jī)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(chǎng)、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng))，具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒的光學(xué)測(cè)試方法是目前有效的研究手段之一，在國(guó)內(nèi)外得到越來越廣泛的運(yùn)用。采用這種方法來研究?jī)?nèi)燃機(jī)的燃燒過程，能夠進(jìn)一步加深對(duì)燃燒過程的理解，為燃燒系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和改進(jìn)提供依據(jù)，對(duì)于指導(dǎo)內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高內(nèi)燃機(jī)工業(yè)整體水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 
1 內(nèi)燃機(jī)燃燒研究的幾種光學(xué)測(cè)試方法 
內(nèi)燃機(jī)燃燒光學(xué)測(cè)試方法的大優(yōu)越性在于對(duì)燃燒場(chǎng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為地研究燃燒過程提供了新的契機(jī)，因此受到了各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)燃燒測(cè)試技術(shù)發(fā)展很快，其實(shí)際應(yīng)用也日益廣泛，一些的燃燒測(cè)試技術(shù)已逐步進(jìn)入實(shí)用階段。在內(nèi)燃機(jī)燃燒的各種光學(xué)測(cè)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(jiǎn)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(jiǎn)稱CARS法)等。這些光學(xué)測(cè)試方法的應(yīng)用，使內(nèi)燃機(jī)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(cè)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(shí)，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(cè)量?jī)蓚€(gè)波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度擬合黑體輻射曲線，從而可以推斷物體的溫度。 
在柴油機(jī)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(shí)間內(nèi)(約1 μs)就與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡，其輻射光譜能夠代表燃燒火焰瞬時(shí)溫度，碳粒子的單色波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度可作為火焰溫度測(cè)量依據(jù)。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過選用波長(zhǎng)分別為λ1和λ2的碳粒子在可見光范圍內(nèi)的兩個(gè)單色波長(zhǎng)輻射強(qiáng)度，避開其他成分輻射波長(zhǎng)的干擾，實(shí)現(xiàn)測(cè)量火焰的瞬時(shí)溫度。 
與其它測(cè)量方法相比較，雙色法有以下不足之處： 
溫度測(cè)量值僅是統(tǒng)計(jì)平均值，而且得不到溫度的空間分布； 
試驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，試驗(yàn)結(jié)果還必須進(jìn)行標(biāo)定； 
雙色法是利用物質(zhì)的發(fā)射譜測(cè)量的，當(dāng)波長(zhǎng)落在紅外和可見光波段時(shí)，由于與火焰高溫輻射譜重疊，使得測(cè)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(shí)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(cè)溫法是用一個(gè)激光全息系統(tǒng)經(jīng)過曝光后，把溫度場(chǎng)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，將處理好的底片再地放回原來的位置上，同時(shí)保持全系統(tǒng)其它光學(xué)元件不變，這時(shí)用原來的參考波照射這個(gè)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(chǎng)則產(chǎn)生疊加有溫度場(chǎng)信息的物光波，物光波則會(huì)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(chǎng)以干擾條紋的變化表現(xiàn)出來。 
采用激光全息干涉法，同時(shí)與高速攝影機(jī)相結(jié)合，可以連續(xù)記錄燃燒室內(nèi)溫度場(chǎng)的變化過程，獲得二維溫度圖像；但是，這種試驗(yàn)裝置一般須在減震臺(tái)上進(jìn)行，抗震性極差，嚴(yán)重影響其實(shí)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(shí)，介質(zhì)對(duì)光的吸收效應(yīng)來測(cè)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(zhǎng)度為L(zhǎng)的介質(zhì)后，光強(qiáng)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(qiáng)；βγ是粒子對(duì)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(qiáng)度，由吸收介質(zhì)的分子能級(jí)、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(duì)已測(cè)得的吸收光譜進(jìn)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(jìn)空間分辨率，提高測(cè)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(cuò)的不同強(qiáng)度的光束，一強(qiáng)光束通過對(duì)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(shí)，吸收就會(huì)減弱。LISF也使結(jié)果表達(dá)式加簡(jiǎn)單。光學(xué)層析法是在兩個(gè)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(gè)吸收點(diǎn)，通過測(cè)量這些吸收點(diǎn)上的光譜來提高空間分辨率。這兩種方法都改進(jìn)為逐“點(diǎn)”測(cè)量，大大提高了空間分辨率和測(cè)量精度。 
激光吸收光譜法是一種比較簡(jiǎn)單而成熟的分析燃燒過程的方法，它有以下特點(diǎn)： 
方法直接，所用試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單； 
測(cè)量所有結(jié)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(cè)量精度較低。 
1.4 激光誘導(dǎo)熒光法(LIF) 
激光誘導(dǎo)熒光法是一種高靈敏度的檢測(cè)濃度和溫度的方法。其原理是當(dāng)激光波長(zhǎng)調(diào)諧到分子的某兩個(gè)特定能級(jí)時(shí)，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(huì)發(fā)出熒光；熒光用光電倍增管接收，其信號(hào)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(jí)自發(fā)輻射系數(shù)，Ωc、Vc分別為光學(xué)收集系統(tǒng)的立體角和有效的熒光體積，N2為熒光上能級(jí)粒子數(shù)。 
在利用LIF方法作定量分析時(shí)，為了得到濃度的值，必須對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行校正，也就是考慮熒光體積Vc、熒光收集立體角Ωc、光學(xué)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(duì)熒光信號(hào)的影響。并且，用LIF方法來研究?jī)?nèi)燃機(jī)這樣的高溫、高氣壓燃燒過程，還必須考慮熒光的淬滅效應(yīng)。淬滅效應(yīng)是指分子吸收了光子能量而躍遷到激發(fā)態(tài)時(shí)，能量不是以熒光而是通過碰撞弛豫到達(dá)其他能級(jí)。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(yīng)加明顯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)收不到熒光光譜。 
LIF方法誘人的特點(diǎn)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(chǎng)的濃度分布，在一個(gè)激光脈沖內(nèi)，就能得到一張二維的瞬態(tài)燃燒場(chǎng)分布圖，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)處理。因此，LIF方法以及改進(jìn)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(shù)相比，激光誘導(dǎo)熒光法有以下特點(diǎn)： 
高靈敏度，因?yàn)闊晒庑盘?hào)直接和被測(cè)分子的上、下能級(jí)聯(lián)系起來； 
具有高的空間和時(shí)間分辨率； 
采用OH的熒光作為L(zhǎng)IF譜，可以減少紅外背景輻射和粒子散射，而且OH是許多化學(xué)反應(yīng)的中間產(chǎn)物，對(duì)提高燃燒性能和降低污染物的研究都非常重要； 
可以實(shí)現(xiàn)濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的二維分布顯示。 
1.5 喇曼散射光譜法 
當(dāng)光通過氣體分子時(shí)，部分光會(huì)被分子散射，并且發(fā)生頻移，其散射光強(qiáng)為
其中，I0為入射光強(qiáng)，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(xué)系統(tǒng)收集立體角、由光學(xué)系統(tǒng)決定的散射強(qiáng)度和光學(xué)系統(tǒng)的傳輸系數(shù)，nI是分子下能級(jí)的粒子數(shù)。 
喇曼頻移是由于分子振動(dòng)能級(jí)不均勻以及與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間相互作用而造成的，所以每個(gè)振動(dòng)能級(jí)的喇曼頻移都不相同；又由于各能級(jí)粒子數(shù)隨溫度而變化，喇曼信號(hào)也隨溫度而變化。通過對(duì)喇曼譜兩個(gè)強(qiáng)度峰值的測(cè)量比較，然后進(jìn)行擬合，就可求得溫度。 
喇曼光譜有以下特點(diǎn)： 
喇曼信號(hào)僅是入射光強(qiáng)和粒子數(shù)的線性函數(shù)，所以試驗(yàn)結(jié)果分析簡(jiǎn)單，沒有必要考慮時(shí)間延遲效應(yīng)、淬滅和碰撞等影響； 
喇曼光譜可以用于實(shí)現(xiàn)二維燃燒場(chǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)，比Rayleigh散射少3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此喇曼信號(hào)很弱(入射104個(gè)光子才產(chǎn)生1個(gè)喇曼光子)，對(duì)探測(cè)儀器的靈敏度提出了高的要求，而且只能測(cè)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?yàn)橛袕?qiáng)的噪聲輻射背景； 
喇曼光譜測(cè)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(dāng)兩束頻率為ω1和ω2的高能激光束聚在一點(diǎn)入射到某一介質(zhì)中時(shí)，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(xué)中的相位匹配條件，那么ω3頻率的光會(huì)極大地增強(qiáng)。用這一信號(hào)就可以對(duì)燃?xì)獬煞趾蜐舛冗M(jìn)行鑒別，這就是CARS法。一般ω1固定，ω2可通過調(diào)諧激光器改變頻率，所以ω3總可以與某一分子能級(jí)實(shí)現(xiàn)共振。另外，由于溫度對(duì)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?xì)獾臏囟?。CARS法是一種利用非線性光學(xué)的方法，它的特點(diǎn)是： 
具有高的信號(hào)強(qiáng)度，能產(chǎn)生比喇曼信號(hào)大105倍～1010倍信號(hào)。同時(shí)，CARS法信號(hào)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(zhuǎn)移等因素的影響，不需進(jìn)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(chǎng)的顯示； 
CARS法的非線性條件比較難以實(shí)現(xiàn)，故試驗(yàn)裝置復(fù)雜。 
綜上所述，雙色法、全息法、吸收光譜法、激光誘導(dǎo)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(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，必須根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇。近年來，國(guó)外對(duì)激光誘導(dǎo)熒光法(LIF)的研究和運(yùn)用格外活躍，這代表了一種發(fā)展趨勢(shì)，其主要原因在于激光誘導(dǎo)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(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒測(cè)試的方法中，激光誘導(dǎo)熒光法將占據(jù)重要的一席，有著廣闊的前途。同時(shí)，雙色法作為一種傳統(tǒng)的測(cè)高溫的方法，在迅速發(fā)展的新技術(shù)的帶動(dòng)下，也勃發(fā)出新的生機(jī)。新發(fā)展的光纖傳像技術(shù)和高速圖像采集及處理技術(shù)與雙色法相結(jié)合，使得人們可以簡(jiǎn)便、迅速地獲得內(nèi)燃機(jī)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(shù)點(diǎn)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(jiǎn)便易行和對(duì)燃燒室本身的影響極小等優(yōu)越性，也得到廣泛應(yīng)用。 
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