图1  激光诊断应用的具体光学手段

利用柴油机燃烧光学诊断技术，可以了解柴油机实际燃烧过程的喷注结构及污染物的产生时间、空间分布情况，发现柴油机的新型燃烧模式——低温燃烧（LTC）及其产生大量UHC的原因。

内燃机燃烧诊断技术是通过一系列的光学和化学手段观察实际内燃机燃烧时的油束结构，识别油束具体部位的氛围和成分，了解喷注的燃烧在时间和空间上发展过程的内燃机燃烧诊断技术。因为其完全基于真实的试验，所以获得的信息和数据是真实可靠的，这为我们精确地了解燃烧过程提供了极大地帮助。

光学诊断技术

燃烧诊断实际上是由许多种光学诊断方法组合而成的。因为组成柴油机喷注的物质的种类很多，并且其存在的状态（例如“相”）也不尽相同，而不同物质需要用特定的方法来检测。如图1所示，米氏散射（Mie scattering）用来确定液相燃油的分布；雷氏散射（Rayleigh scattering）用来确定燃油蒸汽与空气混合相的图像及其温度分布；利用激光诱导炽光法（laser-induced incandescence（LII））来辨别喷注中soot的浓度；组合使用雷氏散射和激光诱导炽光法来检测soot的粒径分布；用激光片诱导荧光法（planar laser-induced fluorescence（PLIF））来确定燃烧早期形成的PAH（soot的前系物）的分布；用激光诱导荧光法检测到的OH的辐射光显示了外围扩散火焰壳的结构，另外用此方法可以检测到热NO的生成部位；观察自然的化学荧光可以看到喷注在何时何处起燃；利用同一方法也可观察到初始soot的发展和喷注最后的贯穿长度（燃烧产生的soot会发出一定波长范围的明亮光）。

图2  燃油喷出后不同时刻的喷注结构及发展完全的喷注结构

柴油机喷注结构的光学诊断

在美国国家实验室利用激光片诊断技术研究柴油机喷注之前，人们普遍认为柴油机的燃烧在预混合阶段由于油气混合好局部燃烧温度高所以形成NOX，而在柴油机的扩散燃烧阶段由于混合不好、混合气较浓从而形成soot。但是，激光片诊断的结果却与此不同。

图2为激光诊断的结果，结果显示：冷油喷入后热空气卷入，燃料/空气混合气向前运动进一步被加热至825 K，化学反应开始并把当地的氧全部耗尽，放出大约15%的总燃烧热，即为我们通常所说的“预混燃烧”，此阶段中，在喷注外围混合良好的燃油完全燃烧放出热量，但大部分热量是在喷注内部富油区的燃料进行的不完全燃烧放出来的。燃油以及不完全燃烧产物（CO、HC及soot）在惯性和后续燃油的推动下继续向前运动，又不断被氧化，soot的量不断增多（此阶段的局部温度为1600 K），而与此同时，油束也不断向垂直于喷油方向的空间发展。最后，各种富油区的产物运动到外围的高温火焰壳被完全氧化并放热。从开始放热15%后，其余的热量都在后续过程扩散燃烧中放出。外围的扩散火焰壳温度很高，达到2700 K，其氧量充足，是生成NOX的理想环境。

确定何处是外围扩散火焰的高热薄层（NOX的生成区）时，主要根据是OH，这种基团已被认为是扩散燃烧反应中起重要作用的活性物质，它一般在接近化学计量比的混合气燃烧中产生，是放热率较高、燃烧完全的标志。

图3  光学燃烧诊断装置及被诊断的改进单缸机

值得注意的是，在喷注开始燃烧前所形成的混合气的燃烧（预混部分）并不是当量比接近于1的燃烧，而且这部分燃烧也不产生NOX，相反，由于其较浓，这部分燃烧产生的是soot的前系物（PAH）和尺寸较小的soot。在燃烧后期，油束扩散到外围火焰层的时候，才生成NOX。

上面所进行的诊断是在一个2.34 L的单缸机（见图3）上进行的，为了利用激光对燃烧过程进行探知而在燃烧室壁和气缸壁上设置了可供激光进入的通道，并开设了观察反馈信息的视窗。它属于下置视窗结构的诊断发动机，这种结构通过加长活塞的方法，并将加长活塞的顶部完全换成一块石英玻璃，在活塞的下方放置一块与气缸体连接的45°反射镜，把表征缸内燃烧状况的光谱引出气缸。通过分束器，这些光波被响应的ICCD捕捉到，从而可以对整个燃烧室内的情况进行观察，获得二维全场的清晰图像。其缺点是由于加长了活塞，其运转惯量增加了。这种单缸机在柴油机的诊断化诊断中应用相当广泛。

需要补充说明的是，图3中F/PAH中的F表示甲醛，它的浓度表征不完全燃烧的程度。

图4  UHC排放随ignition dwell的变化

利用燃烧诊断技术分析LTC产生大量UHC的原因

低温燃烧总是会生成大量的UHC，首要原因是温度较低，即使在混合较好的情况下，由于HC和CO的氧化反应对温度都有一定的要求，所以在低温下生成的HC和CO很难被氧化至完全燃烧。研究发现，UHC的产生量与着火滞燃期的长短有关，越长的着火滞燃期会导致越多的UHC，尤其是当ignition dwell（国外的研究者将喷油结束到燃烧开始的这段时间定义为“ignition dwell”）为正值的时候，产生的UHC的量会突然增多。图4显示了UHC随点火滞燃期变化的变化。在UHC突然增多的时候，利用发动机诊断技术检测到的在距离喷嘴25 mm以内的总燃油当量比小于0.5，这标志着此处的混合达到了相当稀的状态。此图的纵坐标是UHC的比排放量，即单位燃油的排放量，是在较宽泛的工况下试验得到的，具有一定的普适性。

在positive ignition dwell的情况下已经证实在具体喷嘴较近的地方会形成相当稀的混合气，这部分混合气不能完全燃烧，成为UHC的来源之一，这是LTC所不同于传统燃烧方式的一点，也是LTC比传统燃烧方式UHC排放多的原因之一。

图5  利用激光诱导荧光检测法观察短的ignition dwell与长的ignition dwell导致的燃烧过程的不同

为了了解混合气的燃烧情况，美国sandia国家实验室采用激光诱导荧光检测法检测缸内的甲醛（H2CO）和OH在低温燃烧的情况下随ignition dwell变化的情况，他们用甲苯作为示踪剂来跟踪发动机排出的UHC。试验工况的平均指示压力为0.4 MPa。喷油正时在上止点附近，采用EGR将氧浓度稀释到12.6%。如图5所示，红色为甲醛发出的荧光，绿色为OH发出的荧光。甲醛代表了燃料刚刚进入燃烧区域燃烧产生的不完全燃烧产物，OH的出现说明燃烧速率较快，放热率较高，在燃料燃烧过程的最末阶段出现，标志着完全燃烧。在短ignition dwell的图像上，甲醛在燃烧的第一阶段出现在与喷注平行的区域，而OH出现在燃烧的第二阶段、与燃烧室边缘较近的位置。观察短ignition dwell的情况，在燃烧的第二阶段，OH也出现在燃烧的上游区域，近喷孔的位置。在燃烧的末期，基本只有OH存在，甲醛很少或消失。观察长ignition dwell的情况，甲醛在燃烧的第一阶段、第二阶段和燃烧末期一直存在，在燃烧的下游区域本应进行燃料后续完全燃烧的区域也可以观察到不少的甲醛，在喷注的上游，距离喷嘴25 mm处可以看到强烈的甲醛荧光，说明此处的不完全燃烧程度较高。在燃烧的化学动力学上的模拟显示，混合的过稀的燃油是极易发生不完全燃烧的。因此，我们怀疑这是混合过稀造成的结果。

图6  喷口处混合气浓度随时间的变化（AEI为“after end ignition”，意为喷射后）

图6显示的是用甲苯荧光探测到的缸内近喷孔处混合气的浓度在喷油过程结束后随时间的变化情况。这个图像证实了在喷油结束后的短暂时间里，近喷孔处的混合气急剧变稀。在这张图中我们看到的是多孔喷油器的两条喷注，2点钟方向和4点钟方向各是一条。在喷油刚结束的时候，喷注中心线上近喷孔处，混合气极浓，这与我们此前对柴油机喷注的理解一样。在喷注结束后0.25°曲轴转角的时候，虽然喷注的宽度变化不大，垂直喷注轴线方向的喷注边缘的当量比变化不大，但是喷注中心线上的混合气浓度却急剧降低。在喷注结束后1°曲轴转角的时候，近喷孔处的混合气浓度已经比喷注下游区域的稀，在3.5°的时候近喷孔处的混合气浓度接近1，在5°的时候近喷孔处，混合气已经变得非常稀，这个时刻是燃烧开始的时刻，喷注下游混合当量比接近于1，所以在图5中，在上游区域是甲醛，在下游区域观察到大量的OH荧光。时间再往后推移，喷注变得模糊不清，喷注所剩的动量不能把稀混合气带到下游燃烧，这些稀混合气停留在喷孔处，成为UHC的主要来源之一。这与图6所得结论相同——在喷孔处产生的UHC是由于长的ignition dwell。

结语

光学诊断技术的应用让内燃机研究者可以清晰、直观地了解缸内的燃烧过程，为我们判断燃烧状态提供了有力的依据。利用其发现的柴油机喷注的实际结构和污染物在空间、时间上的分布有重要的意义。