覃　文　畢小杰　劉海峰（-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津00072 2-廣西玉柴機(jī)器股份有限公司-國(guó)網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司）

燃燒發(fā)光成像和光譜法在內(nèi)燃機(jī)新型燃燒方式中的應(yīng)用*

覃文1,2畢小杰3劉海峰1
（1-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072 2-廣西玉柴機(jī)器股份有限公司3-國(guó)網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司）

光學(xué)診斷方法廣泛應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程的研究中。為了更好地理解內(nèi)燃機(jī)新型燃燒方式的燃燒火焰特征，同時(shí)也為了給廣大讀者提供該領(lǐng)域合適的技術(shù)參考，簡(jiǎn)要介紹了開(kāi)展燃燒發(fā)光成像和光譜研究的實(shí)驗(yàn)原理以及必要的實(shí)驗(yàn)裝置；重點(diǎn)介紹了應(yīng)用燃燒發(fā)光成像法和光譜法，對(duì)HCCI、分層燃燒和低溫燃燒（LTC）等內(nèi)燃機(jī)高效清潔燃燒模式的研究發(fā)展現(xiàn)狀。從光學(xué)診斷研究中可以看出：燃燒發(fā)光成像法和光譜法可以直觀地揭示燃燒發(fā)展歷程和燃燒中間產(chǎn)物的發(fā)展歷程，加深對(duì)新型燃燒模式燃燒過(guò)程的理解。眾多的研究也表明，先進(jìn)的混合氣控制策略比簡(jiǎn)單的"均質(zhì)混合氣"更為重要；合理的組織分層可以有效地拓寬高效清潔燃燒過(guò)程的運(yùn)行工況范圍。最后提出了未來(lái)內(nèi)燃機(jī)新型燃燒方式研究發(fā)展的方向。

均質(zhì)壓燃低溫燃燒光學(xué)診斷燃燒成像光譜法

引言

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方式主要有汽油機(jī)點(diǎn)燃和柴油機(jī)壓燃兩種方式。上世紀(jì)90年代以來(lái)，以均質(zhì)壓燃（HCCI）和低溫燃燒（LTC）為代表的新型燃燒方式，由于其高效、低NOx和碳煙排放得到廣泛研究，其基本特征是均質(zhì)、壓燃和低溫火焰燃燒[1-5]。然而，由于一些技術(shù)障礙還未解決，HCCI未被廣泛地應(yīng)用到產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)上。在諸多的技術(shù)問(wèn)題中，對(duì)自燃著火過(guò)程的控制和運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍的拓展仍是主要待解決問(wèn)題。為了解決這2個(gè)問(wèn)題，國(guó)際上HCCI產(chǎn)業(yè)化研究主要集中在HCCI燃燒控制方面。其中對(duì)汽油機(jī)HCCI產(chǎn)業(yè)化需解決可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)轉(zhuǎn)模式切換（SIHCCI-SI）的性價(jià)比優(yōu)良的可變配氣機(jī)構(gòu)和缸內(nèi)霧化良好的多次噴射技術(shù)；對(duì)柴油機(jī)則主張應(yīng)用靈活的缸內(nèi)多次噴射，結(jié)合EGR率的控制，從而降低缸內(nèi)溫度，避開(kāi)NOx和碳煙的生成區(qū)，并由此提出了預(yù)混充量壓縮著火（PCCI）和低溫燃燒（LTC）等燃燒概念。盡管HCCI的概念被賦予了更廣泛的含義，但最終目的都是在更寬廣的工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)可控預(yù)混低溫燃燒，從而實(shí)現(xiàn)高熱效率、超低NOx和碳煙排放。

HCCI的歷史可以追溯到20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)研究的出發(fā)點(diǎn)是簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種不需要噴油器或火花塞的發(fā)動(dòng)機(jī)。從現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)研究角度出發(fā)，1979年日本的Onishi等人[6]在一臺(tái)2沖程單缸汽油機(jī)上首先發(fā)現(xiàn)此種燃燒方式并進(jìn)行了研究，他們稱之為活化熱氛圍燃燒(Active Thermo-Atmosphere Combustion,ATAC)。這被廣泛認(rèn)為是最早提出的具有HCCI特征的燃燒概念。同年Noguchi等人[7]便開(kāi)展了相關(guān)的HCCI光譜實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在HCCI燃燒過(guò)程中CHO，HO2和O自由基首先被檢測(cè)到，然后是CH，C2和H，最后是OH基。而傳統(tǒng)的SI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒反應(yīng)過(guò)程的自由基是同時(shí)生成的。之后，隨著對(duì)HCCI燃燒模式研究的不斷深入，更多的光學(xué)診斷手段在HCCI燃燒過(guò)程上得到應(yīng)用。

在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究過(guò)程中，隨著現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試手段飛速發(fā)展，直接對(duì)燃燒室內(nèi)部進(jìn)行觀察與測(cè)量的可視化技術(shù)已經(jīng)成為一種不可或缺的重要手段，它可以更直觀清晰地了解燃燒發(fā)生和發(fā)展的特征規(guī)律，加深對(duì)燃燒過(guò)程的理解；也可以為燃燒系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和改進(jìn)以及為指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。此外，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的復(fù)雜性以及對(duì)它缺乏基本的了解，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)模型都不盡完整且需要改進(jìn)。要想更好地獲得零維，一維和三維CFD模擬所需的輸入?yún)?shù)，采用可視化發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)是頗有價(jià)值的方法。利用燃燒火焰發(fā)光記錄缸內(nèi)燃燒過(guò)程是最直接簡(jiǎn)單的方法，它可以從宏觀上觀測(cè)到不同曲軸轉(zhuǎn)角下燃燒火焰及自由基的發(fā)展歷程。因此，直到今天仍然廣泛地應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)光學(xué)診斷研究中。近20年來(lái)，隨著激光技術(shù)的方展，為內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)光學(xué)研究提供了更多的手段，通過(guò)把激光的點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為2維片狀光源，可以詳細(xì)地研究燃燒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如HCHO、OH、NO、碳煙等物質(zhì)的空間、時(shí)間和濃度分布狀況，同時(shí)還可以提供各種不同物質(zhì)濃度的定量或半定量信息。但是，激光診斷對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒歷程宏觀發(fā)展的研究上存在一定局限，同時(shí)其實(shí)驗(yàn)裝置相對(duì)復(fù)雜。此外，燃燒自發(fā)光研究是激光診斷的基礎(chǔ)，二者差距只是在于自發(fā)光收集的是燃燒發(fā)光的光信號(hào)，而激光診斷收集的是受激光激發(fā)之后的光信號(hào)（如熒光，散射光，熾光等）。因此本文重點(diǎn)介紹燃燒自發(fā)光的研究現(xiàn)狀，內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)激光診斷研究將另做總結(jié)。

盡管國(guó)內(nèi)開(kāi)展了相應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)燃燒自發(fā)光研究，但針對(duì)的都是傳統(tǒng)柴油機(jī)[8-10]或汽油機(jī)[11-13]燃燒模式。上述HCCI、PCCI和LTC等新型燃燒方式的缸內(nèi)光學(xué)診斷研究報(bào)道較少。本文重點(diǎn)介紹了應(yīng)用燃燒發(fā)光成像法和光譜法，對(duì)內(nèi)燃機(jī)高效清潔新型燃燒模式的研究發(fā)展現(xiàn)狀。簡(jiǎn)單介紹了應(yīng)用燃燒自發(fā)光對(duì)這些燃燒模式進(jìn)行可視化研究的實(shí)驗(yàn)原理以及必要的實(shí)驗(yàn)裝置。文章主要目的是給廣大讀者提供該領(lǐng)域研究合適的技術(shù)參考。

1　研究原理及試驗(yàn)裝置

內(nèi)燃機(jī)燃燒成像研究表明[14-15]，燃燒發(fā)光包含2部分：化學(xué)發(fā)光（chemiluminescence）和碳煙發(fā)光（soot luminosity）?；瘜W(xué)發(fā)光是指某些化學(xué)反應(yīng)中發(fā)出可見(jiàn)光的現(xiàn)象，其發(fā)光機(jī)理是：反應(yīng)體系中的某些物質(zhì)分子，如反應(yīng)物，中間體或熒光物質(zhì)吸收了反應(yīng)釋放的能量而由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，然后再由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)，同時(shí)將能量以光輻射的形式釋放出來(lái)。對(duì)于柴油機(jī)燃燒，化學(xué)發(fā)光在燃料噴射后就發(fā)生，但信號(hào)相當(dāng)弱。因此經(jīng)常使用ICCD（Intensified Charge Coupled Device）照相機(jī)對(duì)這種非發(fā)光火焰（non-luminous）進(jìn)行捕捉。所謂的ICCD照相機(jī)就是在CCD相機(jī)的前面增加一個(gè)像增強(qiáng)器，來(lái)捕捉較弱的成像信號(hào)，同時(shí)它還具有較高的時(shí)間分辨率，其最小門(mén)寬可以達(dá)到5ns左右?；瘜W(xué)發(fā)光主要來(lái)源于OH，CH，CH2O和C2自由基，它們覆蓋紫外和可見(jiàn)波段?；瘜W(xué)發(fā)光存在于整個(gè)燃燒過(guò)程，但當(dāng)燃燒生成碳煙后，受熱碳煙釋放很強(qiáng)黃色發(fā)光火焰，掩蓋了相對(duì)較弱的化學(xué)發(fā)光。此時(shí)，燃燒火焰中形成熾熱碳粒的輻射光譜為連續(xù)光譜，與黑體十分相似。相對(duì)于化學(xué)發(fā)光輻射和氣體輻射來(lái)說(shuō)，燃燒中碳粒輻射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

利用內(nèi)燃機(jī)燃燒所發(fā)出的光，并通過(guò)高速攝影記錄下來(lái)，是研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程最有效，最簡(jiǎn)單（不受激光使用的限制）的方法。HCCI燃燒產(chǎn)生的某一種化學(xué)物質(zhì)所釋放的光都對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的波長(zhǎng)，通過(guò)分析化學(xué)發(fā)光的光譜就可以檢測(cè)到反應(yīng)物。而這種檢測(cè)手段可以通過(guò)光譜儀來(lái)完成。光譜研究作為發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)診斷手段已經(jīng)有許多年了。由于碳煙顆粒具有很強(qiáng)的黑體輻射，掩蓋了CH2O、OH等自由基的譜線特征，因而不能檢測(cè)到具體的中間產(chǎn)物[16-18]。大多的光譜研究只是應(yīng)用在傳統(tǒng)SI發(fā)動(dòng)機(jī)上，或是燃用低碳煙燃料的柴油機(jī)研究中。對(duì)于新的燃燒模式，如HCCI，PCCI，LTC，他們的碳煙排放可以達(dá)到很低水平，因此適合進(jìn)行光譜分析。

一般來(lái)說(shuō)，化學(xué)發(fā)光成像光譜法的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。燃燒發(fā)光通過(guò)加長(zhǎng)活塞上面的石英窗口，經(jīng)過(guò)反射鏡后進(jìn)入光譜儀，經(jīng)分光后，光強(qiáng)顯著減弱，因此通常需要使用ICCD探測(cè)器進(jìn)行接收，之后所得的譜線再被電腦記錄。此外，光譜儀還可以采集缸內(nèi)自由基激光誘導(dǎo)熒光（LIF）信號(hào)，判斷受到激光激發(fā)的自由基是否為待測(cè)物質(zhì)[19]。圖1中的DG535為延遲脈沖觸發(fā)器，它可以調(diào)節(jié)觸發(fā)ICCD進(jìn)行光譜信號(hào)采集的時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)在所需不同曲軸轉(zhuǎn)角下對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行記錄。當(dāng)需要對(duì)缸內(nèi)燃燒直接成像的時(shí)候，可以把ICCD探測(cè)器從光譜儀上取下，并在ICCD探測(cè)器前加裝一個(gè)紫外成像鏡頭，使燃燒發(fā)光圖像（紫外-可見(jiàn)波段）直接被ICCD探測(cè)器接收后記錄到電腦上。目前，也有把CCD或ICCD探測(cè)器與成像光譜儀集成在一起，如文獻(xiàn)中使用的成像光譜儀，這樣將更加方便光譜采集[20]。但儀器靈活性受到限制，探測(cè)器不能拆下作為相機(jī)使用，無(wú)形中增加了儀器投入資金。

圖1　化學(xué)發(fā)光成像光譜法的實(shí)驗(yàn)裝置

此外，前文介紹的ICCD相機(jī)盡管有高分辨率和捕捉弱光的優(yōu)勢(shì)，但其成像速度很慢（每秒幾幀～十幾幀），通常對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)循環(huán)只能采集到1幅燃燒圖像，記錄的燃燒過(guò)程一般是不同循環(huán)內(nèi)不同燃燒時(shí)刻的圖像。因此為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)單一循環(huán)內(nèi)燃燒發(fā)展歷程，眾多研究使用了高速CCD或CMOS相機(jī)記錄燃燒過(guò)程（相機(jī)速度可以達(dá)到每秒幾萬(wàn)至上百萬(wàn)幀），當(dāng)燃燒發(fā)光較弱時(shí)，如HCCI燃燒過(guò)程，則在相機(jī)前端耦合像增強(qiáng)器進(jìn)行成像。但是，由于采集速度較高，圖像的增強(qiáng)效果降低，在對(duì)更弱信號(hào)捕捉時(shí)（如LIF信號(hào)等）存在局限。因此，在高速LIF研究中，又廣泛使用了“streak camera”或稱為“framing camera”，這種相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)狀況下集成8個(gè)獨(dú)立的ICCD探測(cè)器，從而可以在一個(gè)循環(huán)內(nèi)獲得8幅不同時(shí)刻的燃燒圖像[21-23]，或是與激光組匹配獲得8幅LIF圖像[24-25]。但這種相機(jī)的價(jià)格也相當(dāng)于單一ICCD相機(jī)的8倍，約在40幾萬(wàn)美元。

2　 HCCI化學(xué)發(fā)光成像和光譜研究

瑞典Lund大學(xué)Hultqvist等人[26]對(duì)基礎(chǔ)燃料（PRF）的HCCI燃燒化學(xué)發(fā)光成像研究表明：當(dāng)冷焰發(fā)生時(shí)，其光信號(hào)很微弱，而且在整個(gè)燃燒室均勻分布。在冷焰結(jié)束和熱焰開(kāi)始之間沒(méi)有光信號(hào)。熱焰開(kāi)始后，充量多點(diǎn)同時(shí)燃燒。日本Okayama大學(xué)Kawahara等人[27]對(duì)DME的HCCI燃燒光譜分析表明：低溫反應(yīng)階段可以采集到甲醛（HCHO）譜線。高溫反應(yīng)階段，CO連續(xù)譜光強(qiáng)信號(hào)較強(qiáng)。高溫反應(yīng)放熱率曲線與CO譜線具有很好的重合性。美國(guó)Wisconsin-Madison大學(xué)和GM[20]燃用異辛烷燃料，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，對(duì)HCCI燃燒過(guò)程光譜特性進(jìn)行的研究表明：盡管改變進(jìn)氣溫度，燃料供給方式，空燃比以及部分燃料重整等參數(shù)顯著影響著火時(shí)刻，但燃燒開(kāi)始后的反應(yīng)路徑并未改變。相應(yīng)地在CO連續(xù)光譜譜線基礎(chǔ)上出現(xiàn)的CHO，HCHO，CH和OH等自由基的譜峰并未顯出區(qū)別。意大利Mancaruso等人[28]應(yīng)用共軌燃油噴射系統(tǒng)對(duì)柴油HCCI燃燒進(jìn)行光譜分析表明：自燃著火發(fā)生時(shí)缸內(nèi)采集到均勻分布的OH化學(xué)發(fā)光成像和光譜，OH的廣泛均勻分布有效降低了缸內(nèi)顆粒物，此外OH可以作為判定高溫燃燒反應(yīng)開(kāi)始的方法。

盡管HCCI著火前燃料和空氣已經(jīng)充分預(yù)混，但美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Dec等人[29]對(duì)HCCI燃燒化學(xué)發(fā)光研究表明，其燃燒過(guò)程有很強(qiáng)的湍流結(jié)構(gòu)，并非均勻。這種燃燒的不均勻主要由壓縮過(guò)程中傳熱和湍流變化引起。缸內(nèi)自然存在的熱分層使自燃著火從熱區(qū)向冷區(qū)逐漸發(fā)展，降低了壓力升高率，有利于負(fù)荷上限的拓展。但這種傳播速度較傳統(tǒng)的碳?xì)渫牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ヒ斓枚?，類似結(jié)果在Lund大學(xué)Hultqvist等人[30]的研究中也有報(bào)道。此外，Aleiferis等人[31]利用氣道內(nèi)不同的噴射時(shí)刻和缸內(nèi)EGR形成溫度分層，同樣觀測(cè)到HCCI的自燃著火傳播速度高于傳統(tǒng)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋粶囟忍荻仍酱?，自燃著火傳播速度越慢?？梢?jiàn)HCCI的燃燒過(guò)程并不是通過(guò)火焰?zhèn)鞑グl(fā)生的。同時(shí)為了調(diào)查熱分層的空間分布，Dec等人又從缸套側(cè)面拍照，對(duì)上止點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行化學(xué)發(fā)光研究。結(jié)果表明：從著火開(kāi)始到壓力升高率達(dá)到最大值之間，大部分的燃燒都是發(fā)生在充量的中心地帶，遠(yuǎn)離燃燒邊界層區(qū)域。因此增大中心氣團(tuán)內(nèi)部溫度分層對(duì)降低壓力升高率更有效；而增大中心氣團(tuán)與邊界層之間溫度分層對(duì)壓力升高率的影響較小。日本Keio大學(xué)Ozaki和Iida[22]在研究中也發(fā)現(xiàn)溫度分層與濃度分層一樣，可以降低壓力升高率。

美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室Hwang等人[32]針對(duì)單階段（異辛烷）和雙階段（PRF80）點(diǎn)火燃料的HCCI燃燒過(guò)程。研究表明單階段點(diǎn)火燃料HCCI燃燒過(guò)程分為3個(gè)階段：中間溫度放熱(intermediate-temperature heat release,ITHR)，高溫放熱(high-temperature heat release,HTHR)，和“燃盡”(“burnout”)。而雙階段點(diǎn)火燃料的燃燒過(guò)程在此基礎(chǔ)上增加一個(gè)低溫放熱(low-temperature heat-release,LTHR)，整個(gè)化學(xué)發(fā)光光譜過(guò)程如圖2所示。LTHR階段發(fā)生溫度范圍是760~880K，化學(xué)發(fā)光光譜主要是很弱的甲醛光譜；ITHR階段發(fā)生在950~1170K，該階段溫度緩慢上升，化學(xué)發(fā)光主要是較強(qiáng)的甲醛光譜；在HTHR階段，溫度上升率迅速增加，在燃燒室中心熱著火區(qū)域可以觀測(cè)到明亮的化學(xué)發(fā)光。釋放的光譜是CO連續(xù)譜，同時(shí)在特定波段也釋放出HCO，HCHO，CH和OH譜線?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)模型表明CO+O→CO2+hv反應(yīng)是CO發(fā)光的原因，化學(xué)發(fā)光光強(qiáng)和該階段放熱率達(dá)到很好吻合。在近紅外區(qū)，可以采集到H2O和O2的光譜，它們可能是燃燒生成之后受熱激發(fā)產(chǎn)生，而不是燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的釋放譜線。在"燃盡"階段，盡管放熱完成，但還可采集到非常弱的化學(xué)發(fā)光。光譜研究表明，光是由H2O和O2釋放的，它們是受熱激發(fā)后產(chǎn)生的。

圖2　化學(xué)發(fā)光光譜異辛烷（a~e）和PRF80（f~k），不同放熱階段對(duì)應(yīng)光譜：低溫放熱（f），中間溫度放熱（a,g），中間向高溫放熱轉(zhuǎn)換（b,h），高溫放熱峰值（c,i），高溫放熱后期（d, j），燃盡階段（e,k）[32]

可見(jiàn)，通過(guò)HCCI化學(xué)發(fā)光成像與光譜研究表明，HCCI低溫反應(yīng)主要是甲醛發(fā)光，分布均勻，光強(qiáng)較低。而在低溫與高溫反應(yīng)之間沒(méi)有發(fā)光記錄。OH是高溫反應(yīng)開(kāi)始的標(biāo)記，高溫反應(yīng)過(guò)程主要是CO連續(xù)光譜。放熱完成后，采集到的很弱的發(fā)光是由H2O和O2釋放的。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)顯著影響HCCI著火時(shí)刻，但燃燒開(kāi)始后的自由基生長(zhǎng)歷程并未改變。在實(shí)際的HCCI燃燒過(guò)程中存在自然發(fā)生的熱分層。增大燃燒室中心氣團(tuán)內(nèi)部的溫度分層對(duì)降低壓力升高率更有效。因此，如何合理地組織實(shí)現(xiàn)溫度分層將是拓展HCCI運(yùn)轉(zhuǎn)范圍研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

3　分層對(duì)HCCI燃燒過(guò)程的影響

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Sjoberg等人[33]和ExxonMobile公司的Grenda[34]的模擬計(jì)算均表明，完全均質(zhì)的混合氣燃燒化學(xué)反應(yīng)很快，燃燒持續(xù)期（10~90%）僅為1°CA。而實(shí)驗(yàn)得到較緩慢的燃燒持續(xù)期和反應(yīng)速率是由于自然發(fā)生的分層引起的。所以，通過(guò)組織缸內(nèi)混合氣的溫度和濃度分層，可以拓展HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷上限，有效控制燃燒著火時(shí)刻。

Lund大學(xué)Vressner等人[23]對(duì)不同燃燒室結(jié)構(gòu)的HCCI燃燒過(guò)程進(jìn)行高速化學(xué)發(fā)光成像研究。設(shè)計(jì)了兩種不同的燃燒室結(jié)構(gòu)，一個(gè)為平頂燃燒室，一個(gè)為帶有方形凹坑燃燒室，兩個(gè)燃燒室壓縮比均為11.2。研究發(fā)現(xiàn)帶有方形凹坑的燃燒室其著火始點(diǎn)總是從凹坑內(nèi)一角開(kāi)始，然后在凹坑內(nèi)傳播，最后傳播到燃燒室上方擠氣區(qū)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是方形燃燒室溫度不均勻，由此導(dǎo)致方形燃燒室更低的放熱率和更長(zhǎng)的燃燒持續(xù)期。而平頂燃燒室溫度梯度較小，充量更多的是同時(shí)點(diǎn)火。

天津大學(xué)Liu等人[35]設(shè)計(jì)了三種不同燃燒室形狀，敞口（V-type），直口（H-type）和縮口（A-type）研究對(duì)HCCI燃燒過(guò)程的影響發(fā)現(xiàn)：縮口燃燒室湍動(dòng)能大，壁面附近傳熱損失大，自燃著火時(shí)刻從溫度較高的燃燒室中心開(kāi)始；而敞口和直口燃燒室內(nèi)湍動(dòng)能小，燃燒室內(nèi)溫度分布相對(duì)均勻，自燃著火過(guò)程幾乎在整個(gè)燃燒室內(nèi)同時(shí)發(fā)生，如圖3所示?？梢?jiàn)燃燒室結(jié)構(gòu)影響缸內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響HCCI燃燒過(guò)程。這就表明盡管早期研究認(rèn)為HCCI燃燒過(guò)程受控于化學(xué)動(dòng)力學(xué)，湍流對(duì)化學(xué)反應(yīng)和放熱過(guò)程的影響很小。但實(shí)際上湍流通過(guò)對(duì)溫度分層的調(diào)控會(huì)影響HCCI自燃著火和后續(xù)燃燒發(fā)展過(guò)程，因此有必要進(jìn)一步開(kāi)展湍流對(duì)HCCI燃燒過(guò)程的影響機(jī)理研究，這將有助于對(duì)HCCI燃燒過(guò)程更好的控制。

進(jìn)一步研究中，天津大學(xué)Liu等人[36]通過(guò)改變氣道噴射時(shí)刻形成濃度分層、并結(jié)合不同進(jìn)氣溫度和冷卻水溫度形成的溫度分層開(kāi)展HCCI化學(xué)發(fā)光診斷，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣溫度較混合時(shí)間對(duì)燃燒過(guò)程影響更大，不同氣道噴射策略在冷啟動(dòng)和小負(fù)荷工況對(duì)自燃著火和火焰發(fā)展影響更顯著；冷卻水溫度差異20 K條件下對(duì)燃燒過(guò)程缸內(nèi)溫度分層產(chǎn)生很大影響。

圖3　不同燃燒室結(jié)構(gòu)下化學(xué)發(fā)光成像，括號(hào)內(nèi)為對(duì)應(yīng)發(fā)光光強(qiáng)值

瑞典Chalmers大學(xué)Berntsson和Denbratt[37]，通過(guò)氣道噴射構(gòu)建均質(zhì)環(huán)境，通過(guò)缸內(nèi)直噴構(gòu)建燃料分層（濃度分層），應(yīng)用高速攝影機(jī)對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行研究表明：從發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)到燃燒火焰充滿整個(gè)燃燒室，HCCI需要4°CA，分層燃燒需要8°CA。成像和放熱率分析研究均表明，分層引起局部當(dāng)量比變化使燃燒持續(xù)期增加；分層可以降低燃燒速率，增大HCCI運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍。韓國(guó)KAIST大學(xué)Kook等人[38]在一臺(tái)共軌柴油機(jī)上，通過(guò)兩次噴射實(shí)現(xiàn)PCCI。第1次噴射在-200°ATDC處，供應(yīng)大部分燃料（10mm3），實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的預(yù)混；第2次噴射在-15°ATDC，供應(yīng)較少燃料（1.5mm3），作為點(diǎn)火促進(jìn)劑，并且把燃燒控制在上止點(diǎn)附近。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)柴油機(jī)噴射模式（噴射時(shí)刻-15°ATDC；單次噴射；噴油量11.5mm3）下，由于碳煙的熱輻射，可以看到明亮的燃燒火焰。而PCCI下，明亮的火焰只存在于第2次噴射混合不均勻區(qū)域，且火焰亮度較傳統(tǒng)燃燒顯著降低。進(jìn)一步研究表明，主噴時(shí)刻只有在-100°ATDC之前才能保持這種不發(fā)光的燃燒?？梢?jiàn)PCCI可以顯著降低缸內(nèi)碳煙生成量。同時(shí)NOx排放降低90%，但燃油經(jīng)濟(jì)性，HC和CO排放惡化。試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化噴油器噴射角度，從150°變?yōu)?00°，碳煙和燃料經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步改善，可見(jiàn)優(yōu)化噴嘴角度可以成功實(shí)現(xiàn)早噴。類似研究豐田Hasegawa等人也有報(bào)道[39]，通過(guò)兩次噴射（第一次噴射形成預(yù)混和氣，第二次噴射控制著火），同樣沒(méi)有觀測(cè)到明亮燃燒火焰，燃燒室中呈現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)著火的現(xiàn)象，NOx和碳煙排放顯著降低，作者把這種燃燒模式命名為UNIBUS(Uniform Bulky Combustion System)。

法國(guó)IFP研究所Thirouard等人[40]在一臺(tái)汽油機(jī)上研究混合物的形成質(zhì)量對(duì)HCCI燃燒的影響。結(jié)果表明：通過(guò)改變兩個(gè)進(jìn)氣道不同的充量混合過(guò)程以及內(nèi)部EGR都無(wú)法形成有效的混合氣濃度分層，只是改變了燃燒著火位置，對(duì)燃燒相位沒(méi)有影響。而通過(guò)廢氣再吸入的方式只能在沿氣缸軸線方向形成很弱的已燃?xì)怏w和新鮮充量的分層。最終通過(guò)缸內(nèi)直接多次噴射實(shí)現(xiàn)對(duì)HCCI自燃著火相位的控制。

本田公司的Kanda等人[41]在一臺(tái)共軌柴油機(jī)上研究噴射時(shí)刻和EGR比例對(duì)PCCI燃燒過(guò)程影響，利用內(nèi)窺鏡直接觀測(cè)缸內(nèi)燃燒過(guò)程，內(nèi)窺鏡安裝采集位置如圖4所示。內(nèi)窺鏡的好處是在缸蓋上只開(kāi)設(shè)很小的觀測(cè)孔，類似缸壓傳感器開(kāi)孔直徑，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以在真實(shí)的高溫高壓下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，采集燃燒火焰發(fā)展過(guò)程；其不足之處是可視化范圍只是缸內(nèi)局部，較經(jīng)過(guò)較大改裝的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)可視范圍要小。

圖4　內(nèi)窺鏡試驗(yàn)裝置

圖5是不同噴油時(shí)刻下缸內(nèi)燃燒火焰發(fā)展歷程，在-12°ATDC時(shí)，可以看到明亮燃燒火焰，這是由于缸內(nèi)溫度較高，點(diǎn)火延遲期較短，燃燒室內(nèi)主要發(fā)生擴(kuò)散火焰燃燒，產(chǎn)生大量碳煙。當(dāng)噴油時(shí)刻提前到-35或-45°ATDC時(shí)，擴(kuò)散燃燒火焰亮度明顯降低。此時(shí)缸內(nèi)溫度較低，滯燃期較長(zhǎng)，大部分燃料可以實(shí)現(xiàn)很好的預(yù)混，燃燒不產(chǎn)生碳煙。但由于噴射時(shí)刻較早，部分燃料噴到燃燒室外的壁面上，形成濃混合氣區(qū)，產(chǎn)生碳煙。此外，作者保持噴射時(shí)刻不變（-56°ATDC），改變EGR比例：0、25、43、54%發(fā)現(xiàn)，隨EGR比例增大，燃燒發(fā)出的明亮火焰減弱，直至不能被觀測(cè)到；大比例EGR降低了燃燒室濕壁造成的濃混合氣區(qū)域的燃燒溫度，抑制了碳煙生成。內(nèi)窺鏡觀測(cè)到的成像表明缸內(nèi)已經(jīng)發(fā)生低溫燃燒現(xiàn)象，NOx和碳煙排放同時(shí)降低。最終作者認(rèn)為，應(yīng)用早期噴射PCCI可以形成部分預(yù)混燃燒，但會(huì)造成燃燒室濕壁問(wèn)題，導(dǎo)致碳煙排放增大。而使用大比例EGR可以降低缸內(nèi)燃燒溫度，抑制碳煙生成。

圖5　噴射時(shí)刻對(duì)燃燒火焰的影響，第一行-45°ATDC；第二行-35°ATDC；第三行-12°ATDC

可見(jiàn)，通過(guò)缸內(nèi)直噴，多次噴射，改變?nèi)紵倚螤畹仁侄涡纬傻幕旌蠚鉂舛群蜔岱謱涌梢越档腿紵艧崴俾?，控制著火相位。從而有效拓展HCCI運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍。而無(wú)論是對(duì)汽油機(jī)還是柴油機(jī)，缸內(nèi)靈活的多次噴射策略都是實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的關(guān)鍵技術(shù)。

4　低溫燃燒光學(xué)診斷

低溫燃燒（LTC）由于可以在大負(fù)荷甚至全負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效清潔燃燒而得到廣泛關(guān)注[42-48]。LTC不同于柴油機(jī)HCCI或PCCI燃燒模式在于從噴射到開(kāi)始燃燒經(jīng)歷的時(shí)間較短，在開(kāi)始燃燒時(shí)存在明顯的>1的區(qū)域。盡管存在類似傳統(tǒng)柴油機(jī)濃混合氣區(qū)域，但是由于大比例EGR的使用，使缸內(nèi)溫度低于碳煙生成溫度，有效地抑制碳煙生成。這是為何在大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不改變?nèi)剂蠂娚湎到y(tǒng)，燃燒室結(jié)構(gòu)而獲得無(wú)煙燃燒的重要原因。而且EGR率改變的不僅是火焰溫度，同時(shí)也改變了著火滯燃期。此外，包括噴射壓力，噴油時(shí)刻，多次噴射等噴射特性也影響滯燃期內(nèi)的缸內(nèi)溫度、峰值火焰溫度以及預(yù)混和量。最后，為了保持高EGR率下發(fā)動(dòng)機(jī)較高的功率密度和燃燒效率，需要較高的增壓壓力。可見(jiàn)，控制和優(yōu)化EGR率，噴射特性和高增壓是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效清潔低溫燃燒的關(guān)鍵。

LTC之所以成為目前柴油機(jī)高效清潔燃燒的熱點(diǎn)，是因?yàn)椴裼蜋C(jī)HCCI或PCCI存在著一些難以解決的問(wèn)題。對(duì)于氣道噴射HCCI，由于柴油揮發(fā)性差，并不適合。缸內(nèi)早噴可以形成均質(zhì)混合氣，但由于缸內(nèi)充量密度，壓力，溫度較低，液體燃料撞擊到缸套或活塞表面不可避免。因此一些具有較低燃料貫穿度或窄角的新型噴嘴得到了發(fā)展來(lái)解決濕壁現(xiàn)象。但是在高速高負(fù)荷下，這種噴嘴會(huì)造成大量燃料撞擊到燃燒室內(nèi)，引起碳煙排放增大。而早噴HCCI帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題是點(diǎn)火仍由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制。由于噴射時(shí)刻較早，著火時(shí)刻也較早，需要采用EGR，可變壓縮比或改變?nèi)剂咸匦詠?lái)推遲著火時(shí)刻。盡管日產(chǎn)的MK和豐田的UNIBUS成功應(yīng)用到產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)，但是只是在部分負(fù)荷區(qū)域得到應(yīng)用。因此，可以說(shuō)在高速高負(fù)荷下，NOx和碳煙排放仍舊是柴油機(jī)的主要問(wèn)題。與HCCI對(duì)比，LTC除了低NOx和碳煙排放外，還可以在寬廣的工況下實(shí)現(xiàn)較高的熱效率，點(diǎn)火時(shí)刻控制簡(jiǎn)單，壓力升高率的降低使高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)得到拓展，因此在柴油機(jī)上比HCCI更具前景。

Kook等人[42]在一臺(tái)應(yīng)用于乘用車的高速直噴柴油機(jī)上，通過(guò)在進(jìn)氣中添加N2和CO2模擬0~65%的EGR率。燃燒發(fā)光成像表明隨EGR率增大，碳煙發(fā)光減弱，并且變得更加均勻。即使在高EGR率運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，混合控制的燃燒相位仍舊相當(dāng)重要。盡管LTC可以避開(kāi)NOx和碳煙生成區(qū)，改善油氣混合仍舊是提高燃燒效率，降低CO排放的關(guān)鍵。因此，Kook等人[43]進(jìn)一步研究在固定噴射時(shí)刻下，調(diào)節(jié)不同渦流比（1.44~7.12），發(fā)現(xiàn)可以找到一個(gè)最優(yōu)渦流比，來(lái)獲得最佳的燃燒效率和CO排放。而在固定渦流比下，CO排放隨著噴射時(shí)刻提前，預(yù)混量的增大而減小。增大噴射壓力同樣可以降低CO排放，在燃燒室縮口處（bowl lip）上形成的燃料油膜對(duì)CO排放影響不明顯。可見(jiàn)，針對(duì)LTC進(jìn)行預(yù)混階段的優(yōu)化是降低CO排放，改善燃燒效率的關(guān)鍵，仍有許多研究需進(jìn)一步深入。

美國(guó)Wayne州立大學(xué)Lu等人[44]在一臺(tái)快速壓縮機(jī)上應(yīng)用高速攝影和光譜法進(jìn)行晚噴LTC研究?；瘜W(xué)發(fā)光成像表明，在高EGR率下，晚噴低溫燃燒有效抑制碳煙，整個(gè)燃燒過(guò)程發(fā)光很弱。少量添加H2（10%）可以進(jìn)一步降低碳煙排放。而且由于EGR率高達(dá)50%，H2的添加也沒(méi)有增大峰值壓力和燃燒速率。當(dāng)H2達(dá)到15%時(shí)，OH光譜很容易被觀測(cè)到。Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Upatnieks和Mueller[45-46]在一臺(tái)重型柴油機(jī)上，使用二甘醇二甲醚（DGE）作為燃料，通過(guò)改變N2添加量來(lái)調(diào)節(jié)氧濃度（9%~21%），研究充量溫度對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程影響。利用缸內(nèi)燃燒發(fā)光成像測(cè)量了火焰舉升長(zhǎng)度（lift-off）并且估算了火焰舉升長(zhǎng)度內(nèi)的燃空當(dāng)量比，燃燒發(fā)光成像如圖6所示[47]。由于火焰溫度較低，LTC的火焰呈現(xiàn)藍(lán)色。柴油機(jī)傳統(tǒng)燃燒模式和低溫燃燒火焰舉升長(zhǎng)度分別是12和23mm，局部當(dāng)量比接近，分別是2.7和2.9，但是LTC卻不出現(xiàn)碳煙的白熾光。最終結(jié)果表明，使用傳統(tǒng)的直噴策略結(jié)合充量稀釋，LTC可以實(shí)現(xiàn)接近零的碳煙和NOx排放。LTC具有HCCI的排放優(yōu)勢(shì)，同時(shí)著火時(shí)刻又可以通過(guò)燃料噴射時(shí)刻進(jìn)行控制。

圖6　傳統(tǒng)柴油機(jī)和低溫燃燒成像[47]

Fang和Lee[48]在一臺(tái)可視化發(fā)動(dòng)機(jī)上，應(yīng)用先進(jìn)的多次噴射技術(shù)，研究了歐洲低硫柴油和生物柴油的燃燒過(guò)程。實(shí)驗(yàn)用一臺(tái)高速直噴柴油機(jī)改裝設(shè)計(jì)出光學(xué)通路，構(gòu)造如圖7所示。其最大的特點(diǎn)是可視化發(fā)動(dòng)機(jī)石英玻璃燃燒室做成了與金屬發(fā)動(dòng)機(jī)基本一致的型，如圖8所示。因此缸內(nèi)噴射、霧化和燃燒過(guò)程將更接近實(shí)際金屬發(fā)動(dòng)機(jī)，較傳統(tǒng)平頂石英玻璃燃燒室更好。與之類似的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室改造同樣在文獻(xiàn)[42-43]對(duì)燃燒自發(fā)光的光學(xué)診斷，以及文獻(xiàn)[49-50]對(duì)碳煙和未燃碳?xì)涞募す庠\斷研究中可以找到。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變兩次噴射（預(yù)噴+主噴）時(shí)刻得到柴油機(jī)傳統(tǒng)燃燒模式和低溫燃燒模式，用高速攝影機(jī)記錄燃燒自發(fā)光。結(jié)果表明所有工況下，生物柴油的自發(fā)光光強(qiáng)都低于低硫柴油，表明生物柴油碳煙生成量較低。作者在該可視化發(fā)動(dòng)機(jī)上，應(yīng)用高速攝影機(jī)進(jìn)一步對(duì)摻混不同比例生物柴油（0、20、50、100%體積比）的噴霧和燃燒過(guò)程進(jìn)行研究[51]，結(jié)果表明：當(dāng)燃用純生物柴油時(shí)，其液體燃料貫穿距更大，導(dǎo)致更多的燃料在燃燒室內(nèi)撞壁。早噴（-25°CA ATDC）和晚噴（3°CA ATDC）的碳煙發(fā)光較傳統(tǒng)噴射時(shí)刻（-10°CA ATDC）都要弱。晚噴策略火焰類似HCCI燃燒火焰。對(duì)于晚噴策略，NOx和碳煙發(fā)光都降低，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性也很好。此外，作者還對(duì)不同噴射角度下，燃油噴射的發(fā)展和燃燒過(guò)程進(jìn)行了研究[52]。

圖7　可視化發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖[48]

圖8　可視化發(fā)動(dòng)機(jī)活塞（左）和金屬活塞（右）[48]

天津大學(xué)Liu等人[53-54]在定容燃燒彈上，模擬低溫燃燒的低溫低氧濃度邊界條件，研究了純正丁醇和純生物柴油的燃燒火焰特征和碳煙生成氧化歷程。研究發(fā)現(xiàn)在700 K環(huán)境溫度下，生物柴油和正丁醇均不生成碳煙；溫度在800 K時(shí)，生物柴油生成碳煙，而正丁醇生成碳煙的溫度則需要達(dá)到900 K。在800 K下，隨著氧濃度的降低，生物柴油燃燒火焰分布更廣，火焰發(fā)光強(qiáng)度降低，碳煙生成被抑制；但1000 K環(huán)境溫度下，隨著氧濃度的降低，盡管生物柴油燃燒火焰分布區(qū)域仍然增大、發(fā)光強(qiáng)度也降低，但碳煙生成沒(méi)有被抑制，碳煙生成量增大，可見(jiàn)大比例EGR稀釋抑制碳煙的一個(gè)核心因素是降低了燃燒火焰溫度，抑制了碳煙的生成。

盡管低溫燃燒表現(xiàn)出了許多優(yōu)勢(shì)，但仍存在許多問(wèn)題有待深入研究，如不同工況下EGR率的控制，顯然過(guò)大的EGR率會(huì)降低熱效率，同時(shí)更多的預(yù)混放熱也會(huì)使著火始點(diǎn)控制問(wèn)題凸顯。結(jié)合多次噴射后，每次噴射時(shí)刻，噴油量都會(huì)影響最終預(yù)混和過(guò)程。而在大比例EGR下，為了保持動(dòng)力性，需要對(duì)增壓壓力進(jìn)行優(yōu)化，相應(yīng)的復(fù)合增壓，兩級(jí)增壓技術(shù)同樣有待深入研究。對(duì)LTC燃燒過(guò)程及各種缸內(nèi)排放生成物，如HC、CO、碳煙等的生成機(jī)理，發(fā)展歷程的光學(xué)診斷研究還有待深入。

5　展望

隨著現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，直接對(duì)燃燒室內(nèi)部進(jìn)行觀察與測(cè)量的可視化技術(shù)已經(jīng)成為一種不可或缺的重要手段。但是，目前我國(guó)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)光學(xué)診斷研究還相對(duì)薄弱。因此加強(qiáng)該領(lǐng)域的軟硬件研究工作的投入、尤其是對(duì)研發(fā)人員的培育更加重要。

從對(duì)新型燃燒模式缸內(nèi)診斷研究的總結(jié)可以看到，通過(guò)燃燒發(fā)光成像和光譜測(cè)量，對(duì)新型燃燒模式的不同燃燒的宏觀特征已經(jīng)有了較好的認(rèn)識(shí)，未來(lái)研究的重點(diǎn)一方面是進(jìn)一步加強(qiáng)溫度分層、濃度分層等缸內(nèi)不均勻性對(duì)燃燒和污染物的影響機(jī)理，即指導(dǎo)如何通過(guò)組織缸內(nèi)濃度和溫度的合理分層拓展高效清潔新型燃燒模式的運(yùn)行工況范圍；另一方面是開(kāi)展微觀尺度下局部湍流與燃燒耦合作用機(jī)理的研究，因?yàn)楫?dāng)分層出現(xiàn)后，湍流對(duì)局部混合和燃燒的影響作用增大。HCCI燃燒反應(yīng)速率控制主要取決于燃燒室中心的高溫氣團(tuán)溫度分層，而過(guò)度的局部濃度分層是導(dǎo)致NOx和碳煙排放增大的主要原因之一，因此需要揭示微觀局部湍流對(duì)混合燃燒的影響規(guī)律。

在可視化發(fā)動(dòng)機(jī)改造中，應(yīng)當(dāng)力求其結(jié)構(gòu)參數(shù)，熱狀態(tài)參數(shù)更加接近金屬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況，從而提供更精確的診斷。在相機(jī)的選取方面，獨(dú)立的ICCD相機(jī)可廣泛地應(yīng)用到獨(dú)立成像、光譜、激光散射信號(hào)、LIF信號(hào)和激光誘導(dǎo)碳煙熾光（LII）等信號(hào)采集中，因此是發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)光學(xué)診斷應(yīng)用最廣泛的探測(cè)器，而高速攝影機(jī)結(jié)合高速像增強(qiáng)器則可以更好地研究單一循環(huán)內(nèi)噴霧和燃燒的發(fā)展歷程。所以這兩種相機(jī)是缸內(nèi)光學(xué)診斷必要的研究設(shè)備，而“framing camera”由于其價(jià)格昂貴，多數(shù)時(shí)候需要配合復(fù)雜的激光組構(gòu)成高速LIF研究系統(tǒng)，因此在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)光學(xué)診斷研究中具有一定的局限性。

1劉海峰,張波,堯命發(fā)，等.高辛烷值燃料對(duì)HCCI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放影響的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008, 26(2):106-115

2葛強(qiáng)強(qiáng),王志,楊俊偉，等.HCCI汽油機(jī)配氣方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].汽車工程,2008,30(2):126-129,110

3呂興才,吉利斌,侯玉春，等.氣口噴射惰性添加劑的正庚烷HCCI燃燒過(guò)程的研究[J].汽車工程,2007,29(1):27-32

4雷衛(wèi),蘇萬(wàn)華.一種新的HCCI柴油機(jī)燃油噴霧特性的PLIF法測(cè)試裝置[J].汽車工程,2004,26(4):405-408,491

5 Ryan T.HCCI-Update of progress 2005[C].12th Annual Diesel Engine Emissions Reduction(DEER)Conference, 2006

6 Onishi S,Jo SH,Shoda K,et al.,Active thermo-atmosphere combustion（ATAC）-a new combustion process for internal combustion engines[C].SAE Paper 790501

7 NoguchiM,Tanaka Y,Tanaka T,et al.A study on gasoline engine combustion by observation of intermediate reactive products during combustion[C].SAEPaper 790840

8張惠明,張學(xué)穎,李萬(wàn)眾，等.直噴式增壓柴油機(jī)燃燒過(guò)程可視化研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2002,8(3):248-251

9田辛,何邦全,王建昕，等.用雙色法研究進(jìn)氣道噴射乙醇柴油引燃時(shí)的燃燒過(guò)程[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2004,22(1):39-44 10王忠,袁銀南,梅德清，等.生物柴油燃燒過(guò)程內(nèi)窺鏡高速攝影試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2007,25(2):163-166

11周劍光,盛凱夫,陸冬生，等.用燃燒過(guò)程中自由基的發(fā)光強(qiáng)度檢測(cè)汽油機(jī)氣缸內(nèi)的瞬時(shí)空燃比[J].內(nèi)燃機(jī)工程, 1995,16(3):56-61

12王麗雯,何旭,王建昕，等.用雙色法研究汽油機(jī)燃燒火焰的溫度分布[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2007,13(4):293-298

13安新亮,何旭,王麗雯，等.應(yīng)用高速紋影法對(duì)汽油機(jī)燃燒過(guò)程的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2007,28(2):1-5

14 Glassman I.Combustion.3rd edition[M].New York:Academic Press,1996

[15 Dec JE,Espey C.Ignition and early soot formation in a DI diesel engine using multiple 2-D imaging diagnostics[C]. SAE Paper 950456

16 Dec JD,Espey C.Chemiluminescence imaging of autoignition in a DIdiesel engine[C].SAE Paper 982685

17 Sm ith JD,Sick V.Crank-angle resolved imaging of fuel distribution,ignition and combustion in a direct-injection spark-ignition engine[C].SAE Paper 2005-01-3753

18 Merola SS,Vaglieco B M,Corcione F E.In-cylinder combustion analysis by flame emission spectroscopy of transparent CR diesel engine[C].SAEPaper 2003-01-1112

19 Collin R,Nygren J,Richter M,et al.Simultaneous OH-and formaldehyde-LIF measurements in an HCCI engine[C]. SAE Paper 2003-01-3218

20 Augusta R,Foster D E,Ghandhi JB,et al.Chemiluminescencemeasurements of homogeneous charge compression ignition(HCCI)combustion[C].SAEPaper 2006-01-1520

21 Kumano K,Iida N.Analysis of the effect of charge inhomogeneity on HCCI combustion by chemiluminescence measurement[C].SAE Paper 2004-01-1902

22 Ozaki J,Iida,N.Effect of degree of unmixedness on HCCI combustion based on experiment and numerical analysis[C]. SAE Paper 2006-32-0046

23 Vressner A,Hultqvist A,Johansson B.Study on the combustion chamber geometry effects in an HCCI engine using high-speed cycle-resolved chemiluminescence imaging[C]. SAE Paper 2007-01-0217

24 Seyfried H,Olofsson J,Sj?holm J et al.High-speed PLIF imaging for investigation of turbulence effects on heat release rates in HCCIcombustion.SAEPaper 2007-01-0213,2007. 25 Olofsson J,Seyfried H,Richter M,et al.High-Speed Lif Imaging for Cycle-Resolved Formaldehyde Visualization in Hcci Combustion.SAE Paper 2005-01-0641

26 Hultqvist A,Christensen M,Johansson B,et al.A study of the homogeneous charge compression ignition combustion process by chemiluminescence imaging[C].SAE Paper 1999-01-3680

27 Kawahara N,Tomita E,Kagajyo H.Homogeneous charge compression ignition combustion with dimethyl ether spectrum analysis of chemiluminescence[C].SAE Paper 2003-01-1828

28 Mancaruso E,Merola S S,Vaglieco B M.Extinction and chemiluminescence measurements in CR DI diesel engine operating in HCCImode[C].SAE Paper 2007-01-0192

29 Dec JE,Hwang W,Sj..berg M.An investigation of thermal stratification in HCCI engines using chemiluminescence imaging[C].SAE Paper 2006-01-1518

30 Hultqvist A,Christensen M,Johansson B,et al.The HCCI combustion process in a single cycle-high-speed fuel tracer LIF and chemiluminescence imaging[C].SAE Paper 2002-01-0424

31 Aleiferis P G,Charalambides A G,Hardalupas Y,et al. Modelling and experiments of HCCI engine combustion with charge stratification and internal EGR[C].SAE Paper 2005-01-3725

32 Hwang W,Dec J,Sj..berg M.Spectroscopic and chemicalkinetic analysis of the phases of HCCIautoignition and combustion for single-and two-stage ignition fuels[J].Combustion and Flame,2008,154:387-409

33 Sjoberg M,Dec J E,Cernansky N P.Potential of thermal stratification and combustion retard for reducing pressurerise rates in hcci engines,based on multi-zone modelling and experiments[C].SAEPaper 2005-01-0113

34 Grenda JM.Numerical modeling of charge stratification for the combustion control of HCCI engines[C].SAE Paper 2005-01-3722

35 Haifeng Liu,Peng Zhang,Zheming Li,et al.Effects of temperature inhomogeneities on the HCCI combustion in an optical engine[J].Applied Thermal Engineering,2001,31(14-15):2549-2555

36 Haifeng Liu,Zhaolei Zheng,Mingfa Yao,et al.Influence of temperature and mixture stratification on HCCI combustion using chemilum inescence images and CFD analysis[J].Applied Thermal Engineering,2012,33-34(1):135-143

37 Berntsson A W,Denbratt I.HCCI combustion using charge stratification for combustion control[C].SAEPaper 2007-01-0210

38 Kook S,Bae C.Combustion control using two-stage diesel fuel injection in a single-cylinder PCCIengine[C].SAE Paper 2004-01-0938

39 Hasegawa,R,Yanagihara H.HCCI combustion in DI diesel engine[C].SAEPaper 2003-01-0745

40 Thirouard B,Cherel J,Knop V.Investigation of mixture quality effecton CAIcombustion[C].SAE Paper 2005-01-0141

41 Kanda T,Hakozaki T,Uchimoto T,et al.PCCI operation with early injection of conventional diesel fuel[C].SAE Paper 2005-01-0378

42 Kook S,Bae C,Miles PC,et al.The influence of charge dilution and injection tim ing on low-temperature diesel combustion and emissions[C].SAE Paper 2005-01-3837

43 Kook S,Bae C,Miles PC,et al.The effect of swirl ratio and fuel injection parameters on CO emission and fuel conversion efficiency for high-dilution,low-temperature combustion in an automotive diesel engine[C].SAEPaper 2006-01-0197

44 Lu P H,Xie X B,LaiM C.Spectral analysis and chemilum i-nescence imaging of hydrogen addition to HSDI diesel combustion under conventional and low-temperature conditions [C].SAE Paper 2004-01-2919

45 Upatnieks A,Mueller C J,Martin G C.The influence of charge-gas dilution and temperature on DI diesel combustion processes using a short-ignition-delay,oxygenated fuel [C].SAE Paper 2005-01-2088

46 Upatnieks A,Mueller C J.Clean,controlled DI diesel combustion using dilute,cool charge gas and a short-ignitiondelay,oxygenated fuel[C].SAE Paper 2005-01-0363

47 Mueller C J,Upatnieks A.Dilute clean diesel combustion achieves low emissions and high efficiency while avoiding control problems of HCCI[C].11th Annual Diesel Engine Em issions Reduction(DEER)Conference,2005

48 Fang T,Lee CF.Bio-diesel effects on combustion processes in an HSDI diesel engine using advanced injection strategies [C].Proceedings of the Combustion Institute,2009,32(2): 2785-2792

49 Miles PC,Collin R,Hildingsson L,Andersson .Combined measurements of flow structure,partially oxidized fuel,and soot in a high-speed,direct-injection diesel engine[C].Proceedings of the Combustion Institute,2007,31:2963-2970

50 Kim D S,Ekoto I,Colban W F,et al.In-Cylinder CO and UHC imaging in a light-duty diesel engine during PPCI low-temperature combustion[C].SAEPaper 2008-01-1602

51 Fang T,Lin Y C,Foong TM,et al.Biodiesel combustion in an optical HSDI diesel engine under low load premixed combustion conditions[J].Fuel,2009,88(11):2154-2162

52 Fang T,Coverdill R E,Lee C F,et al.Effects of injection angles on combustion processes using multiple injection strategies in an HSDIdiesel engine[J].Fuel,2008,87(15-16):3232-3239

53 Haifeng Liu,Ming Huo,Yu Liu,et al.Time-resolved spray, flame,soot quantitative measurement fueling n-butanol and soybean biodiesel in a constant volume chamber under various ambient temperatures[J].Fuel,2014,133:317-325

54 Haifeng Liu,Chia-fon F.Lee,Ming Huo,et al.Combustion characteristics and soot distributions of neat butanol and neat soybean biodiesel[J].Energy&Fuels,2011,25(7): 3192-3203

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）

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃（14JCQNJC07300）。

覃文（1965-），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。

劉海峰（1981-），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程。