第1章 绪论

柴油机以其优良的经济性、动力性和二氧化碳低排放性，广泛应用于汽车、工程机械、农业机械、船舶、国防装备等领域，对国民经济的发展具有重要的支撑作用。越来越严格的排放法规和对燃油经济性越来越高的要求，推动科研人员为持续研发高效低排放的柴油机而不懈努力。为了满足排放法规和节约能源，我们必须对内燃机燃烧过程中发生的基础物理化学现象形成更清晰的理解。

传统柴油机的设计主要依赖于样品开发，但是研发过程耗时太久且成本过高。计算流体力学（CFD）数值模型的发展为设计高效率、低排放的发动机提供了快速有效的途径。但是，整个喷雾燃烧过程的复杂性，使我们对基础理化过程的理解还存在较大的局限性和不确定性。因此，需要建立大量的、详细的试验数据来创建并验证这些CFD模型。随着光学仪器和数码相机的高速发展，当前应用各种先进的光学测试技术可对内燃机燃烧过程中的化学组分以及各种喷雾燃烧参数进行定量测量，这成为数值模型验证和进一步完善的有效手段。图1.1中展示了CFD辅助内燃机研发的过程。

图1.1 CFD辅助内燃机研发的过程

汽缸内瞬态的热力学条件、燃油碰壁现象、复杂的燃烧室形状和由活塞运动导致的气流运动影响等，使内燃机的燃烧过程十分复杂，这给CFD模型计算整个燃烧循环带来了巨大挑战。因此，作为第一步，可以先在边界条件高度可控的特殊试验燃烧室内对燃油的喷雾过程进行研究。这种燃烧室内通常没有强烈的气流运动，接近静态环境，内部充气特性是已知并高度可控的，没有燃烧碰壁现象发生，或者喷雾与壁面的相互影响也是可以控制的。另外，高温高压的燃烧试验设备通常设计有多个较大的可视化窗口，便于同步应用各种光学诊断技术。目前，这种燃烧试验装置主要有两种类型：定容燃烧弹和定压燃烧弹，关于此类设备的详细信息将在第3章中阐述。

当CFD模型能够较为准确地捕捉相对简单的静态环境下较大工况范围内的喷雾燃烧过程之后，则可以进一步提高环境工况的复杂程度。例如，进行光学发动机的试验，进一步拓展和改进CFD模型的适用范围。光学发动机相较高温高压燃烧弹更接近真实发动机的运行工况，创造了瞬态变化的热力学环境，但是可视化窗口的个数和范围也相对减小，增加了测试难度。接下来，就可以参照经燃烧弹和光学发动机验证后的数值计算模型，进行真实发动机的开发过程。

20世纪90年代，美国桑迪亚国家实验室通过对传统柴油机喷雾燃烧过程的一系列光学诊断研究，获得了喷雾燃烧过程中的各种定量、定性参数，通过环境变量和喷油参数对各个喷雾燃烧特性的影响进行了全面系统的研究，并于1997年提出了著名的传统柴油喷雾燃烧概念模型，极大地丰富和改进了人们对传统柴油机燃烧过程的认识和理解，促进了内燃机喷雾燃烧模型的发展，为新一代内燃机的燃烧优化和新型燃烧模式的提出提供了理论基础。

科研人员通过对尾气后处理技术数年的研发，目前可以把这些技术应用在传统柴油机上，以满足日益严格的排放法规要求。然而，这些后处理设备的应用往往伴随着高成本、高油耗、高空间需求等问题。为了从燃烧上根本解决燃油利用率和排放问题，减小后处理系统的压力，近年来多种低温燃烧模式（LTC，如HCCI、RCCI、PPC、GCI等）被学者提出并进行了广泛研究。而先进的光学诊断技术则是研究这些先进燃烧模式的主要手段之一。21世纪初，美国桑迪亚国家实验室的Musculus等人通过应用多种光学诊断技术和数值计算方法对低温燃烧模式进行了系统的基础研究，并于2013年针对部分预混低温燃烧模式提出了新的低温燃烧概念模型。然而，这些新型燃烧模式目前大多尚未成熟，处于基础研究阶段，距离产品实际应用还需较长的时间。这就要求我们必须进一步研发和应用先进的光学测试手段，全面加深对这些新型燃烧模式的理解，加快推进它们的产品化应用进程。

此外，随着传统化石燃料的大量消耗，能源危机问题日益突出，以及实现“碳中和”的迫切需求，醇类、生物柴油等可再生替代燃料在柴油机上的应用也成为我国及全球关注的热点问题之一。然而，这些燃料特性与传统柴油存在显著差异，我们对其喷雾燃烧特性的理解尚不清楚，这也需要我们通过光学诊断的方法对其燃烧过程进行全方面研究，为它们在内燃机上的应用提供理论基础。

随着光学诊断技术的飞速发展，目前可以对发动机整个喷雾燃烧以及污染物排放过程，从几何形态、组分浓度、流场分布和温度分布等各个方面实现定性或定量测量。然而，由于整个燃烧过程在高温、高压下进行，时间尺度非常小，可视化窗口有限，且涉及的物理化学过程十分复杂，这给很多光学测试技术的应用都带来了巨大的挑战，需要我们不断研发和改进新的诊断方法，进而获得定量可靠的实验结果。

本书首先按照发动机喷雾燃烧的发展过程，以不同阶段重要的测试参数为目标，分章节对各种光学测试技术进行介绍。其中，综合了传统经典光学诊断技术以及作者在实际工作中最新发展的一些新技术，分别从原理、光路布置、图像处理和不确定性等方面进行了详细介绍，并对获得相同目标参数的不同技术的优缺点进行了对比分析。接下来，对光学诊断技术在静态环境和非静态环境下，在喷雾燃烧的应用研究方面进行了详尽的阐述。由于燃烧过程的复杂性和实验技术的局限性，之前的文献、著作在燃烧对喷雾动力学的影响，以及火焰中碳烟的生成氧化过程的理解尚不清晰。本书介绍的光学诊断技术的应用，主要集中在燃烧工况下的喷雾动力学和碳烟光学诊断测试方面的研究。