內(nèi)燃機(jī)燃燒的光學(xué)測試方法
加入技術(shù)交流群
激光吸收光譜法是一種比較簡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)備簡單；
測量所有結(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濃度和溫度的方法。其原理是當(dāng)激光波長調(diào)諧到分子的某兩個(gè)特定能級時(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為熒光上能級粒子數(shù)。
在利用LIF方法作定量分析時(shí)，為了得到濃度的絕對值，必須對熒光信號進(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熒光信號的影響。并且，用LIF方法來研究內(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。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)更加明顯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)收不到熒光光譜。
LIF方法最誘人的特點(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)成為近年來國際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)闊晒庑盘栔苯雍捅粶y分子的上、下能級聯(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LIF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)濃度場和溫度場的二維分布顯示。
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
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是分子下能級的粒子數(shù)。 喇曼頻移是由于分子振動(dòng)能級不均勻以及與轉(zhuǎn)動(dòng)能級間相互作用而造成的，所以每個(gè)振動(dòng)能級的喇曼頻移都不相同；又由于各能級粒子數(shù)隨溫度而變化，喇曼信號也隨溫度而變化。通過對喇曼譜兩個(gè)強(qiáng)度峰值的測量比較，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，比Rayleigh散射少3個(gè)數(shù)量級，因此喇曼信號很弱(入射104個(gè)光子才產(chǎn)生1個(gè)喇曼光子)，對探測儀器的靈敏度提出了更高的要求，而且只能測量高濃度的粒子，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)。用這一信號就可以對燃?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實(shí)現(xiàn)共振。另外，由于溫度對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：
具有高的信號強(qiáng)度，能產(chǎn)生比喇曼信號大105倍～1010倍信號。同時(shí)，CARS法信號是一束頻率為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，國外對激光誘導(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，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)。最新發(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，雙色法以其簡便易行和對燃燒室本身的影響極小等優(yōu)越性，也得到廣泛應(yīng)用。
評論