基于激光誘導熾光法進行碳煙測量的研究進展

劉福水，花 陽，吳 晗，高永利，吳 昊

（北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

基于激光誘導熾光法進行碳煙測量的研究進展

劉福水，花 陽＊，吳 晗，高永利，吳 昊

（北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

激光誘導熾光法（Laser Induced Incandesence，LII）是一種非接觸式的光學診斷方法，可獲得激光片光照射薄層內瞬時碳煙的二維分布，具有較高的時間與空間分辨率，已經成為一種重要的碳煙測量技術。本文首先介紹了LII技術的發展歷程和基本原理，然后從數值模擬、定性和定量測量3個方面詳細綜述了LII用于碳煙測量的技術方法以及國內外的研究進展，并對今后的發展提出了建議。實現定量測量的標定方法主要有采樣法、LII結合消光法（Light Extinction Method，LEM）和雙色法LII（2-Color Laser Induced Incandesence，2C-LII），其中2C-LII因實現相對簡單，可以在線實時標定，因此在國內外獲得了較大的發展。本文通過總結國內外LII技術在測量碳煙方面的研究成果，希望讓國內同行了解該方法的研究現狀以及該方法在揭示碳煙生成氧化機理方面的重要作用，為其今后的發展提供一些參考。

激光誘導熾光法（LII）；碳煙；定量測量；光學診斷；研究進展

0 引 言

碳煙是碳氫燃料燃燒產生的主要污染物之一，對人體和環境有極大的危害。碳煙的形成是一個多層面的復雜過程，不僅包括十分復雜的氣相反應，還包括從氣態到固態的相變過程以及后續顆粒的生長、聚集發展過程，其詳細的生成氧化機理至今仍未能很好地了解，而明白其生成氧化機理卻是降低碳煙排放的理論基礎。目前碳煙機理的研究主要建立在對火焰內部碳煙的實時觀察和定量測量上。

光學診斷技術作為一種非接觸式的測量手段，可以提供碳煙濃度和粒徑方面的信息，而且不會對燃燒過程產生干擾，因此這種測量技術在深入了解碳煙生成機理以及降低碳煙排放方面具有重要意義。目前常見的碳煙光學測量技術包括：消光法（LEM）、散射法（LS）、雙色法（TC）和激光誘導熾光法（LII）。其中前3種方法都是對光程方向上的碳煙進行測試，得到的是一個光程方向累積碳煙的平均值，不能反映出碳煙的二維分布情況，所以采用片狀激光進行進一步的空間解析是必需的。而LII可以獲得片狀激光照射薄層內瞬時碳煙的二維分布，信噪比高，還可以滿足缸內高溫高壓等復雜環境下的測試需求，其已經發展成為一種重要的碳煙測量技術，必將在揭示內燃機的碳煙生成氧化機理、燃燒優化以及降低碳煙排放方面有著十分廣闊的應用前景［1］。

國外關于LII測試技術的應用已經取得了很多成果，而國內的相關研究雖起步較晚，但發展迅速，近10年來也取得了一些研究成果。本文介紹了LII技術的基本原理和發展歷程，并詳細綜述了國內外LII技術在碳煙研究方面的進展。

1 激光誘導熾光法的基本原理［2］

當激光照射碳煙粒子云時，碳煙顆粒因吸收了激光能量會被迅速加熱，溫度迅速升高到4000K左右，并發出與升高溫度相對應的黑體輻射，其輻射信號強度與激光照射區域的碳煙體積分數成正比。因此測量碳煙受激后的LII光強信號，再結合相應的標定方法即可得到碳煙體積分數的定量分布。

在激光照射之后，碳煙粒子因為向周圍輻射、傳遞熱量以及表面升華等，溫度會逐漸降低，LII信號也隨之衰減，而不同粒徑的碳煙粒子具有不同的比表面積（即表面積與體積之比），其溫度衰減的速度不同，粒子越小比表面積越大，溫度衰減的速度越快。因此通過采集碳煙粒子在激光照射之后LII信號的變化曲線或者利用不同時刻LII信號的比值，再結合相應的LII數學模型通過計算即可得到粒徑信息。

2 LII用于碳煙測量的研究進展

1974年Weeks等［3］利用二氧化碳激光器激光照射氣溶膠粒子時，首次發現了激光誘導熾光現象，并認識到其可能用于粒徑的測量。1977年Eckbreth［4］在研究拉曼散射時發現火焰中碳煙顆粒在激光照射下會發出熾光，至此正式提出了激光誘導熾光（LII）的概念。1991年Dec等［5］首次將LII方法應用于柴油機缸內碳煙的測量實驗中。此后，LII逐漸發展成為一種重要的碳煙測量技術。目前，LII用于碳煙的研究主要有數值模擬、定性和定量測量碳煙3個方面，定性測量是直接利用LII拍攝得到光強分布圖，定量測量是利用其他光學測量技術或測量原理對LII信號進行標定，實現定量測量。下面將從數值模擬、定性和定量測量3個方面詳細綜述LII在國內外的發展情況。

2.1 數值模擬

在LII測量中，碳煙顆粒被激光脈沖加熱到4000K左右發出熱輻射。這一過程發生在很短的時間和長度尺度內，包括一系列物理化學現象，如激光能量吸收、熱傳導、升華、輻射、退火等。早期的很多LII模型如Melton模型［6］、Dasch模型［7］以及Hofeldt模型［8］，都認為顆粒內能的增加是由激光加熱所導致的，而碳煙的熱量損失則是由升華、傳熱和輻射所導致的（如圖1所示）。這些模型的差異主要是在引發熱損失的子模型上。而后出現的Liu模型［9-10］和Bladh模型［11-13］與早期模型的差異主要是低激光能量密度下模型中碳煙的光學和熱學性質，如碳煙比熱、吸收函數和熱適應系數，以及高激光能量密度下碳煙升華模型的改變。其中高激光能量密度下的激光加熱過程至今仍然沒能很好了解，由于缺少準確的碳煙物性參數使得升華模型仍存在很大的不確定性。

圖1 碳煙粒子能量平衡示意圖Fig.1 Energy balance schematic of soot particle

Melton等［6］于1984年首次對激光誘導熾光現象進行了詳細的數學描述，建立了利用LII測量碳煙體積分數和粒徑的理論基礎。該模型假定碳煙的光學和熱學性質，如密度、比熱、熱適應系數、比熱容等與溫度無關，并提出在高激光能量和最高溫度下，吸收的激光能量等于升華的熱量，此時的熾光信號強度I與粒子數密度Np、粒徑dp和采集波長λ之間的關系是，當采集波長λ足夠大時，，熾光信號強度正比于碳煙顆粒的體積濃度。

Michelsen等［14］于2003年提出了一種新的LII模型，該模型除了能量吸收、內能改變、輻射、升華和傳熱項以外，還考慮了基于測量速率的氧化、基于石墨化速率的退火和融化機制，并引入了隨溫度改變的熱適應系數和熱容量。研究發現，在激光能量密度為0～0.9J／cm2范圍內，該模型相比Melton模型與試驗結果的一致性更好，能量密度在0.1J／cm2以上時，顆粒溫度取決于能量吸收和升華之間的平衡，在低激光能量密度下，顆粒溫度不會達到升華溫度，此時溫度主要由能量吸收和傳熱決定。激光脈沖之后，碳煙溫度主要受控于傳熱冷卻速率。形成更多有序相碳的顆粒退火預計出現在激光能量密度低至0.02J／cm2時，該過程會嚴重影響升華速率，而且該過程中輻射系數的改變會增加信號衰減速率。

Smallwood等［15］利用一種詳細的LII數學模型，在大氣壓強下的層流擴散火焰條件下研究了初始碳煙顆粒直徑的多分散性對碳煙體積分數和LII信號之間關系的影響，并針對大而熱的粒子在傳導冷卻過程中的LII信號偏差以及升華對碳煙質量損失的影響提出了2個量化指標：粒子發射強度分布函數和碳煙體積分數尺度。結果表明，單分散碳煙顆粒的碳煙體積分數與LII信號嚴格成比例。粒子發射強度分布函數可以清楚地表明大顆粒對于LII信號有更多的貢獻而小顆粒在傳導冷卻過程中會從LII信號中消失，由此造成的信號偏差程度取決于不同尺寸顆粒溫度的不均勻性和探測波長。在低激光能量密度下，碳煙體積分數在激光脈沖過后相當長的時間內（約200ns）與LII信號成比例。在高的激光能量密度下，會產生升華，碳煙體積分數僅在短暫的10～15ns內與LII信號成比例，因此LII信號應該盡早探測甚至在激光脈沖達到峰值之前。

Bejaoui等［16］對2種LII模型研究，一種是基礎模型，另一種是以Michelsen模型為基礎的擴展模型。首先在大氣壓強下利用波長為1064nm的YAG激光對CH4預混層流火焰在不同激光能量密度下的相對LII信號強度的變化以及不同高度處的碳煙平均溫度進行了測試，而后與2種LII數學模型的計算結果進行了對比。結果發現在低的激光能量密度下采用取決于火焰高度的碳煙吸收函數可以使實驗和計算結果更加吻合。而在高的激光能量密度下2種模型都不能準確反映LII信號的變化情況以及碳煙的平均溫度。

浙江大學王飛等［17］提出了一種激光誘導熾光法（LII）測量碳煙的數學模型，對激光脈沖照射過程中的碳煙溫度與粒徑的變化進行了計算，并和Melton論文中的結果進行了對比，證明了模型的有效性。而后計算了火焰溫度、初始粒徑、激光波長和功率對碳煙加熱過程的影響。結果發現，火焰溫度對測量的影響很小，粒徑初始值越大，激光波長越小則粒子在加熱中達到的溫度越高。激光的功率對測量的影響很大，因此實際測量時必須選擇合適的激光功率。在此研究基礎上，北京理工大學何旭等［16］基于該模型進一步探究了入射激光波長和能量密度對碳煙粒子受激過程的影響。結果發現，入射激光波長為532nm時結果較為理想，激光能量密度對LII測試的影響很大，需要依據實驗具體選擇；還發現碳煙粒子的初始粒徑可以依據溫度衰減速率來計算。

這些數學模型的建立和研究可以用來預測LII信號的變化規律，為進一步的實際測量奠定了基礎，也為實際利用LII測試粒徑奠定了基礎。

2.2 定性測量

Dec等人［5］在一臺可視化單缸直噴重型柴油機上，搭建了LII測試系統（如圖2所示），利用YAG激光器，激光波長為532nm，得到了距缸蓋底部11.1mm處，不同曲軸轉角下柴油和參考燃料2種燃油的碳煙分布，并進行了定性的對比分析。通過信號的強弱來反應碳煙濃度分布的相對強弱，結果表明，碳煙在油束中心和邊緣生成，且在整個碳煙區域內是連續分布的。之后，Dec等［19-20］又結合LII與散射法（Light Scattering，LS）對缸內直噴式柴油機缸內碳煙的生成和氧化過程進行了定性研究，發現相比LII散射法測量的準確性較差，并提出柴油機產生碳煙的根本原因是多環芳香烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）的化學作用以及擴散火焰中的空氣卷吸量。2000年Dec等［21］又結合LII與激光誘導熒光法（測試系統如圖3所示）采用2個激光器，2個相機同時得到OH的二維熒光信號和soot的二維熾光信號。研究發現，遠離壁面區域的不完全燃燒是導致碳煙排放增加的主要原因，尤其是隨著噴油定時的推遲和稀釋氣的增加（模擬EGR）。而造成不完全燃燒的原因主要是排氣門打開前的燃燒時間不夠充足以及剩余碳煙區域邊緣燃燒反應的停止。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental set-up

圖3 LII-LIF測試系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of LII-LIF test system

上海交通大學田波等［22］在一個水冷式平面燃燒器上，結合激光誘導熾光法（LII）與激光誘導熒光法（LIF），定性研究了火焰溫度和當量比對預混合乙烯火焰中碳煙及其前驅物生成特性的影響。結果發現，碳煙濃度變化與其前驅物的濃度變化相一致，隨火焰溫度和當量比的增加，LII信號與LIF信號均增強，表明碳煙及其前驅物的相對濃度均升高。

華中科技大學陳亮、成曉北等［23-25］在一臺高溫高壓定容燃燒彈內，結合激光誘導熾光法（LII）和高速攝影，對柴油噴霧燃燒火焰及碳煙生成的二維分布進行了定性的測量分析。研究了在不同噴油壓力、環境壓力和環境溫度下燃燒火焰以及油氣混合特性對碳煙生成的影響。結果表明，柴油擴散火焰浮起長度內的空氣卷吸量是影響碳煙形成過程的一個重要因素，噴射壓力的升高以及環境壓力和溫度的降低會導致熾光信號的強度減弱，即碳煙體積分數的減小，碳煙主要形成于相對濃混區的噴霧下游包圍在火焰面內的噴霧團內。

2.3 定量測量

LII要實現定量測量，需要對LII圖像進行標定，這也是LII測試技術的難點之一。目前常見的標定方法有3種：第一種是利用采樣技術，這種方法原理簡單但會對燃燒過程產生干擾，并會混入雜質，影響標定結果。第二種是用激光消光法（LEM）來標定LII，該方法是將LEM的激光衰減信息與LII的二維熾光分布相結合，擬合出LEM的KL因子與LII信號沿LEM激光方向上的積分值之間的線性關系，進而得到標定系數。但這種方法需要2套激光系統，測試系統復雜，且要求LII的片狀激光與LEM的點激光在同一平面內，操作較難；第三種是Snelling等［26］提出的雙色法LII（2C-LII），該方法首先通過對已知輻射強度的標準光源進行校準得到光強敏感系數，而后在測試中同時采集2個波長下的LII信號，再通過2個信號的比值計算出碳煙粒子溫度和體積分數。該方法的實現相對簡單、可在線實時標定，且可以采用低的激光能量密度，避免了碳煙升華，從而更好地保持了碳煙形態。

2.3.1 采樣法

亞琛工業大學Greis等［27］在一臺高壓共軌柴油機上結合LII和高速攝影測量了碳煙的生成氧化過程以及火焰發展圖像，并采用采樣閥方法對LII信號進行校準實現了定量測量，得到了不同時刻下碳煙濃度的二維分布。研究表明，在燃燒過程后期，碳煙大部分集中在燃燒室凹坑的中心區，沒有被氧化，這主要是由于燃燒室中心區的氣流運動較弱，導致相對低溫區域的產生，使碳煙的氧化作用減弱，因此可以通過優化燃燒室形狀來改善碳煙氧化狀況。

采樣法雖然可以直接對火焰中碳煙進行采樣分析，但這種方法的測量速度很慢，在取樣和測量間無法保證實時在線，并且對燃燒過程造成很大的影響，同時還會混入雜質，這些都會影響標定結果。因此目前這種方法在LII的標定中應用較少，但采樣與透射電子顯微鏡法相結合經常作為LII測量碳煙粒徑的一種校驗方法。

2.3.2 激光誘導熾光法—消光法（LII-LEM）

消光法（LEM）的原理是光束在穿過碳煙粒子云時其光強信號會發生衰減，利用探測光強I和入射光強I0二者的關系可以得到光程方向累積碳煙體積分數的值。計算過程如公式（1）～（4）所示［28］。

式中：K為光程的平均吸收系數，L為激光束穿過碳煙的光程長度，k為光程上某點處的吸收系數，fV為光程某點處的碳煙體積分數，αsa為碳煙粒子對入射光的散射與吸收光強之比（一般取0），m為碳煙的復折射率，λ為入射激光波長，ke為無量綱消光系數。

激光誘導熾光法—消光法（LII-LEM）是用LEM的測量值來標定LII，測量時LEM激光光束所在的直線和LII激光片光位于同一平面上，這樣就可以利用LEM測量得到的光程方向的碳煙體積分數值來標定LII信號圖像上LEM光程所在區域對應的碳煙體積分數。首先將LEM光程所在區域的LII信號強度ILII進行積分得到（KL）LII，如公式（5），而后將其代入

如前面所述激光誘導熾光法（LII）測量得到的激光片光照射區域中某處的LII信號強度（ILII）與碳煙體積分數（fV）成正比。如令該比例系數為c，則二者關系可表達為：

將（3）式和（6）式代入（5）式中，可以得到：

因此比例系數可以表達為（8）式，再利用得到的比例系數，根據（6）式即可求得整個LII二維圖像的碳煙體積分數的分布［28］。

LII-LEM法可用于多種環境下的碳煙測量，是一種較為常用的定量測試方法，在用于穩態層流火焰的測量時，LEM和LII可以單獨進行，而對于瞬態湍流火焰二者必須同時進行。該方法中LEM的測量較為簡單，但碳煙復折射率的不確定性對該方法標定結果的準確性影響較大，而且該方法需要2套激光系統，且要求LII的片狀激光與LEM的點激光在同一平面內，這一操作難度較大。

美國賓夕法尼亞州立大學的Pinson等［29］在一臺倒置結構的可視化柴油機上，結合LII和散射法（LS）研究了碳煙的生成特性。首先利用消光法（LEM）對乙烯擴散火焰的熾光信號進行標定。然后將標定的結果應用在光學發動機的碳煙測量中，實現了碳煙的定量測量。在距燃燒室底面3mm處開始取3個測量平面（相距3mm），對上止點后2°CA到50°CA內的碳煙生成過程進行測量，獲得了粒徑、粒子數密度和碳煙體積分數。

De Francqueville等［30］在一臺光學直噴式汽油機上，結合LII和消光法（LEM），利用LEM對二維LII圖像進行校準，對燃燒過程中缸內的碳煙體積分數場進行了定量測試，研究了噴射策略和EGR率對碳煙生成的影響，并根據均質富燃條件下的碳煙測量結果驗證了該方法的有效性。結果表明，碳煙主要產生于高溫富燃區域，在燃燒上止點后90°CA內，碳煙氧化過程對碳煙濃度的降低起主要作用，而碳煙氧化過程主要受控于碳煙與羥基間的混合。止點后90°CA以后，因為缸內溫度降低，不會出現碳煙氧化反應。

Pastor等［31］在一臺光學柴油機上，同時使用LII、LEM和雙色測溫法對柴油機火焰內部的碳煙分布進行測試，研究了4種不同燃料，正癸烷（n-Decane）、正十六烷（n-Hexadecane），及2種混合燃料，對碳煙生成的影響，并對3種測試技術的敏感性、性能以及優缺點進行了評估。圖4為4種燃料碳煙體積分數的二維分布的對比，發現正癸烷和混合燃料（50Dec＼50Hex）的碳煙濃度較低，正十六烷的碳煙最高，說明隨分子量增加，碳煙的生成增多。

圖4 不同燃料碳煙體積分數分布Fig.4 Soot volume fraction distribution of different fuels

清華大學鄭亮等［28，32-33］設計了可滿足高溫高壓環境下碳煙測試要求的LII-LEM測試系統（如圖5所示），解決了LEM在高溫高壓下的光束偏轉和背景光強實時修正的問題，以及LII在發動機測試中激光同步信號的頻率波動問題，并在層流擴散燃燒器和定容彈上驗證了方法的有效性。而后應用該測試方法在定容燃燒彈中研究了石腦油和寬餾分燃料的碳煙生成特性。此外，還實現了GDI汽油機缸內碳煙濃度分布的定量測試，研究了空燃比和噴油策略對缸內碳煙生成特性的影響。結果表明，石腦油的碳煙初始生成距離和生成啟動時間均比柴油長，碳煙濃度峰值比柴油低。寬餾分燃料測試發現隨著汽油摻混比的增加，碳煙初始生成距離和生成啟動時間均增加，碳煙濃度峰值降低。

圖5 高溫高壓環境下LII-LEM測試系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of LII-LEM measurement system in a high pressure and high temperature environment

浙江大學潘振艷等［34］利用激光誘導熾光法測量燃煤氫氣火焰中納米級含碳粒子的體積分數和粒徑，并利用雙波長消光法對不同流量燃煤氫氣火焰中符合瑞利散射條件的納米級顆粒體積分數進行了驗證。基于該研究成果，浙江大學陳玲紅、左磊等［35-36］結合激光誘導白熾光法（LII）和消光法（LEM）測量了丙烷火焰中納米碳粒以及燃煤丙烷火焰中納微米碳粒的粒徑和濃度。對燃煤丙烷火焰中LII信號衰減曲線進行三段指數函數擬合，通過對信號衰減特征時間的分析確定其中存在3μm、2nm和21nm 3種粒徑。并采用消光法（LEM）對熾光信號強度進行標定得到對應的平均體積分數為0.18、0.16與0.19ppm。

2.3.3 雙色法—激光誘導熾光法（2C-LII）

雙色法-激光誘導熾光法（2C-LII）是由Smallwood、Snelling等［26，37-38］于2002年提出的一種最新的標定方法，具體就是同時采集2個波長下的LII光強信號，根據2個光強信號的比值，利用公式（9）和（10）分別計算出碳煙受激后的溫度Tp和體積分數fV。

式中：λ1，2為選用濾光片的中心波長，h為普朗克常數，c為光速，k為玻爾茲曼常數，E（mλ）為在波長λ下的碳煙吸收函數，VEXP為ICCD輸出的信號強度，GEXP為探測系統的增益，wb為激光片光厚度。η（λ）表示ICCD在λ波長下對于光強的敏感系數，即輸出信號與照射光強度的比值，可以通過使用標準光源對采集系統進行標定獲得。

2C-LII法利用LII信號自身就可以完成標定，不需借助其他測量手段，實現相對簡單，而且在任何環境下測試時均可以實現在線實時標定。此外該方法不需像傳統LII方法那樣將碳煙加熱到升華溫度，因此可以更好地保持碳煙的形態和體積分數信息。但該方法也存在不足之處，在高碳煙濃度環境下，探測裝置與激光片光面間的碳煙粒子云會造成探測裝置采集到的LII信號發生衰減，這會對標定結果產生影響。鑒于該方法的眾多優點，其已經發展成為目前十分熱門的LII定量測試方法，廣泛應用于燃燒器層流穩態火焰及氣缸內復雜環境中的碳煙測量。

目前利用2C-LII定量測量碳煙體積分數二維分布的方法從校準系統上看主要有2種：一種是利用光電倍增管（PMT）系統的點校準方法，用2個光電倍增管同時采集測試點處2個不同波長下的LII信號，計算出該測試點的碳煙體積分數，再將若干測試點處的碳煙體積分數映射到利用ICCD所拍攝的整幅LII圖像上，從而實現二維定量測量。這種方法較為適合燃燒器穩態火焰的碳煙測量。另一種是二維面校準方法。這可以利用雙像器（Image Double）來實現，試驗中將雙像器裝在ICCD相機的鏡頭前，即可將同一視場信息變成2個圖形信號。通過在雙像器前裝上2種不同的濾光片，可一次拍攝同時得到2種波長下的二維LII圖像，再根據2波長下LII強度的比值通過計算即可得到二維碳煙體積分數分布。這種方法不僅可用于燃燒器穩態火焰的碳煙測量，而且還可用于缸內等復雜環境下的碳煙測量。

Boiarciuc等人［39］在一臺擴散燃燒器上搭建了雙色法LII測試系統（如圖6所示），利用光電倍增管系統同時采集405和650nm 2個波長下的LII信號，然后對ICCD相機在不同燃燒器高度（Height About Burner，HAB）拍攝的二維圖像進行標定，獲得了異辛烷層流擴散火焰中碳煙體積分數的定量分布，如圖7所示。在此測試的基礎上，在一臺高壓直噴光學柴油機上研究了正庚烷（體積分數95%）和α-甲基萘（體積分數5%）混合燃料的碳煙生成特性，得到了不同曲軸轉角時的碳煙濃度分布。

圖6 實驗裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of experimental set-up

圖7 火焰內碳煙體積分數分布Fig.7 Soot volume fraction distribution in flame

運用同樣的方法，Aronsson等［40］在一臺重型柴油機上研究了EGR對一種混合燃料（正庚烷體積99%，潤滑油體積1%）初期碳煙（上止點前6°CA到上止點后9°CA）生成的影響。結果發現從燃燒開始到預混燃燒結束的時間內，碳煙首次出現的時間隨著O2摩爾分數的變化而改變；預混燃燒階段沒有明顯的碳煙，但碳煙形成與預混燃燒相的結束有密切關系；O2摩爾分數較低時，預混燃燒結束時刻和碳煙形成時刻均延遲。

為了更全面地理解2C-LII測量過程中所包含的物理化學過程，Maffi等［41］在一臺預混燃燒器上，利用2C-LII方法對不同燃燒器高度處以及不同激光能量密度下的2個波長（530nm和700nm）的LII信號變化曲線進行了采集。再根據之前通過熱電偶測量得到的氣體和顆粒初始溫度以及事先利用透射電鏡（TEM）和消光／散射光測量得到的碳煙初始粒徑，并結合模型計算結果得到不同燃燒器高度處的碳煙吸收函數和熱適應系數。結果表明，隨著火焰高度的變化出現的所謂初期碳煙和成熟區碳煙與其光學特性和換熱特性密切相關，因此針對不同高度，應選擇不同的碳煙吸收函數和熱適應系數。碳煙吸收函數的取值在0.3附近，但熱適應系數取值卻有很大的不同，取值范圍為0.22～0.34，其中對于初期碳煙是0.22，對于成熟區碳煙是0.34。

Bladh等［42］同樣采用2C-LII并結合TEM法研究了乙烯預混火焰碳煙生長區域的碳煙光學特性，根據加熱顆粒的溫度與氣體溫度的差異估算出碳煙吸收函數E（m）。E（m）雖然不能準確確定，但其趨勢是隨著燃燒器高度增加而增加。此外2C-LII與TEM得到的顆粒尺寸不同，這主要是因為2C-LII沒有考慮顆粒的聚合效應，而且熱適應系數隨著燃燒器高度降低而降低。

國內LII技術的應用雖然起步較晚，但鑒于雙色法LII具有很多優點，因此近幾年在國內也獲得了較快的發展。清華大學王宇等［43］搭建了一套基于PMT的雙色法LII碳煙濃度測試系統（如圖8所示）。在Gülder燃燒器上，研究了外加電場對乙烯火焰內部碳煙生成的影響。并且利用雙色法標定法得到了在外加正反電壓下，碳煙濃度分布隨著電壓變化的二維分布圖像。標定系統主要包括2個光電倍增管，利用分光鏡將標定點處的LII信號分別投射到2個光電倍增管上，2個倍增管前分別裝有中心波長為425和590nm的濾波片，采集到2個波長下的LII信號，利用公式（9）和（10）求出標定點處的碳煙體積分數，再通過映射匹配，得到了整個二維圖像的碳煙濃度分布。

清華大學的何旭［44-45］在一臺可以產生層流擴散火焰的液體燃燒器上，采用與王宇同樣的標定方法，獲得了不同摻混比下的生物柴油擴散火焰中碳煙的二維定量分布。此外，他還運用激光誘導熒光法（LIF），對碳煙前驅物多環芳香烴的二維分布進行了定性測試。研究發現，隨著生物柴油摻混比的增加，多環芳香烴（PAH）和碳煙的濃度最大值都減小，同時濃區的分布面積也減小（如圖9所示）。

圖8 實驗系統示意圖Fig.8 Schematic diagram of experimental system

圖9 不同燃料碳煙體積分數分布Fig.9 Soot volume fraction distribution of different fuels

鑒于光電倍增管只能單點標定、成像效率低的不足，國內天津大學的張鵬等［46］基于雙像器搭建了更加高效率的雙色法LII定量測試系統。在一臺自行開發的光學柴油發動機上對基于雙像器的雙色法LII用于缸內碳煙的測試進行了初步探索，發現受壓力、溫度以及自發光的影響，缸內LII測試需要稍提前開始采集，并采用大門寬和寬帶寬。圖10為缸內不同高度拍攝到的熾光光強信號累加后的平均結果。

圖10 不同曲軸轉角時缸內熾光分布Fig.10 Incandescence distribution in cylinder at different crank angles

在此基礎上，唐青龍等［47］研究了在1200r／min，預噴和主噴總油量為21mg工況下，60、100和140MPa 3種噴油壓力下，缸內燃燒過程中碳煙的分布情況（如圖11所示）。經過對像素點的統計后發現，不同噴油壓力下，碳煙的平均體積分數在生成初期為5×10-6～9×10-6，峰值時為1.5×10-5～2×10-5，后期氧化階段為1.4×10-5～1.6×10-5。隨著噴油壓力的升高，碳煙的分布區域面積增大，平均體積分數減小，體積分數的空間分布更加均勻。

圖11 不同噴油壓力下碳煙體積分數的二維分布Fig.11 Soot volume fraction distribution under different injection pressure

除了定量測量碳煙濃度分布以外，雙色法LII還可以用于碳煙粒徑的測量，相比傳統LII測量粒徑的方法，該方法不依賴理論模型，表現出更好的先進性。傳統方法包括3種：（1）Will等［48］于1995年提出的利用不同衰減時刻下的信號比得到粒徑信息；（2）Roth等［49］于1996年提出的利用PMT得到整個LII信號的衰減曲線，再和數值計算的結果進行擬合得到粒徑信息；（3）Mews等［50］于1997年提出利用相同時刻下不同波長下的信號比得到，但這種方法存在爭議，應用較少。3種傳統方法為了使碳煙粒子在激光脈沖內的溫度不隨激光能量變化，均采用高能量的激光加熱碳煙粒子，使碳煙溫度到達升華極限，其形態會因發生升華而被破壞，導致測量誤差增大。而雙色法LII可以采用低的激光能量，粒子不會發生升華，可以避免不確定性很大的升華項，而且是在線實時標定，不需要已知的碳煙標定源，可以在很大程度上提高了測量精度。

目前雙色法LII用于碳煙粒徑的測量從采集系統上來看也可以分為2種。一種是利用光電倍增管的單點測量，利用PMT響應時間短（約2ns）的特點，可以得到單個測試點處LII信號隨時間的變化過程，并結合數學模型計算出該測試點處的碳煙粒徑值。另一種是利用ICCD的面測量方法，由于ICCD相機的響應較慢，不能拍攝出LII信號的整個變化過程，因此利用延遲拍攝的方法，選擇在激光脈沖之后的2個不同時刻下拍攝LII信號，以這2個時刻獲得的二維LII信號之比表示其衰減速率，再結合相關數學模型即可得到碳煙粒徑二維的分布。

Menkiel等［51］在一臺單缸光學柴油機上，利用光電倍增管（PMT）系統同時采集415和655nm 2個波長下的LII信號，研究了發動機負荷和噴油定時對缸內碳煙粒徑的影響。結果發現：碳煙粒徑隨負荷增大而增大，但噴油定時對粒徑的影響不大；隨著曲軸轉角增大，因為氧化導致碳煙粒徑減小；碳煙顆粒的平均尺寸在所有噴射條件下均隨曲軸轉角的增加先逐漸減小，到61.4°CA后開始趨于一致，在膨脹沖程即將結束時又稍微有所增加。Reimann等［52］提出了針對雙色法LII測量計算粒徑時，對其粒徑結果的修正方法，提高了測量精度。Goulay等［53］研究了在利用該方法測量粒徑時，如何有效避免雜光的干擾，一定程度上提高了測量的準確性。

北京理工大學李紅梅等［54-55］探討了利用雙色法LII來測量碳煙粒徑的方法。首先基于單個碳煙粒子，建立了LII測試的數學模型，然后在Gülder燃燒器上，利用光電倍增管（PMT）探測系統同時對乙烯層流擴散火焰軸線不同位置處，2個波長（400和780nm）下的LII信號隨時間的變化進行單點測試，計算出溫度曲線再結合所建立的數學模型，得到了不同測試點處的碳煙粒徑，并通過熱泳探針采樣-透射電子顯微鏡（TEM）法，驗證了該方法的有效性，實驗和采樣的結果如圖12所示。

天津大學岳宗宇等［2，56］探討了利用ICCD并結合基于雙像器的雙色法LII測量粒徑的方法。在一臺自主開發設計的協流部分預混燃燒器上，燃用正庚烷和甲苯的混合燃料TRE（體積比為4∶1）。在0和150ns 2個延遲時刻，同時對2個波長（450和650nm）下的LII信號進行采集，并結合建立的數學模型得出了碳煙粒徑的分布。利用這套系統，研究了CO2摻混比以及添加一定比例的乙醇和正丁醇（保證含氧量為4%）對于碳煙生成的影響。結果發現隨著CO2摻混比的增加，碳煙濃度逐漸減小（如圖13所示）；添加含氧燃料可以有效降低碳煙的生成，且丁醇降低碳煙的效果比乙醇好（如圖14所示）。

圖12 不同火焰軸線高度下的碳煙粒徑Fig.12 Soot particle diameter at different heights of flame axis

圖13 CO2不同摻混比下的碳煙體積分數Fig.13 Soot volume fraction with different blending ratios of CO2

圖14 碳煙粒徑分布范圍Fig.14 Distribution range of soot particle diameter

天津大學張鵬等［46，57-58］采用與岳宗宇相同的LII測試系統并結合了激光誘導熒光法（LIF），在基礎燃料T20（正庚烷和甲苯體積比為4∶1）中分別摻混甲醇、乙醇、丁醇（包括：正丁醇、仲丁醇、異丁醇和叔丁醇）、2，5-二甲基呋喃（DMF）和丁酸甲酯，并結合稀釋甲苯的實驗深入分析了不同醇類結構、不同含氧官能團以及丁醇不同的同分異構結構對碳煙前驅物PAH和碳煙的影響。研究表明，甲苯含量降低是導致混合燃料中PAH和碳煙減少的主要原因（如圖15所示）；從含氧燃料結構來講，摻混正丁醇對降低PAH和碳煙的作用最顯著（如圖16所示）；就丁醇結構來看，直鏈結構比支鏈結構更有助于降低PAH和碳煙。

圖15 醇類結構對碳煙濃度的統計結果Fig.15 Accumulation of soot concentration with different alcohol structures

圖16 醇類結構粒徑分布的影響Fig.16 Soot particle diameterdistribution with different alcohol structures

LII在用于測試碳煙粒徑時，激光能量密度的選擇對測試精度有很大的影響，高的能量密度可以提高信噪比，但過高的激光能量可能會導致碳煙升華，影響粒徑的測試。因此LII測試時激光能量的選擇應該綜合考慮信噪比和碳煙升華。北京理工大學高永利等［59］結合理論模型分析和LII實驗，研究了不同激光能量密度對LII測試碳煙粒徑的影響。發現激光能量密度在0.5～0.6mJ／mm2時，碳煙粒徑的實驗結果與理論分析結果吻合較好。同時發現與熱泳探針采樣-透射電子顯微鏡（TEM）法得到的粒徑結果也基本相符。

3 研究展望

LII作為一項較為先進的非接觸式光學診斷技術，能夠獲取激光片光照射薄層內瞬時碳煙濃度的二維空間分布。通過結合LII數學模型還可以獲得碳煙粒徑的信息，而且與其他光學診斷技術（如LIF）相結合還可以獲得燃燒過程的中間產物、碳煙前驅物等信息，這對進一步了解碳煙的生成和氧化機理來說具有重要意義。

國內外對于這項技術在定量測量碳煙體積分數以及結合相關的LII模型推測粒徑方面開展了很多研究工作。利用采樣法、LEM-LII法和2C-LII均可以實現定量測量，這其中2C-LII因其操作簡單，可以在線實時標定，因而獲得了快速的發展。但同國外相比，國內LII用于碳煙的測量起步較晚，且在發動機缸內等復雜環境中的應用以及LII數學模型的研究仍處于起步探索階段。

目前LII技術已經在燃燒器火焰、內燃機缸內、廢氣排放等多種環境下的碳煙測量以及生成氧化機理的研究中得到了應用，LII已經成為碳煙定量測量以及碳煙生成氧化機理研究的重要手段。但同時LII技術本身仍有很多有待發展完善的地方，比如入射激光波長和激光能量的優化，激光片光均勻性的控制和評價，LII數學模型以及其中各個子模型的完善，缸內復雜環境中的應用，以及碳煙生成和燃燒全過程的精確測量等。從長遠看，隨著激光器價格下降，穩定性提高，信號處理方法改進以及LII數學模型的發展，LII必將在揭示內燃機的碳煙生成和氧化機理、燃燒過程優化以及降低碳煙排放方面有著更加廣闊的應用前景。

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Research progress on soot measurement by laser induced incandescence

Liu Fushui，Hua Yang＊，Wu Han，Gao Yongli，Wu Hao
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Laser induced incandescence is a non-contact optical diagnosis method.With this method，we can obtain the two-dimensional spatial distribution of instantaneous soot within the thin layer of incoming sheet laser.This method has become an important measurement technology of soot due to its high spatial and temporal resolution.This paper first introduces the development of LII technology and basic theory.Then the technical methods of LII and research progress at home and abroad are summarized detailedly from three aspects，that numerical simulation，qualitative and quantitative measurement.The LII mathematical model mainly includes Melton model，Liu model and Michelsen model.These models can be used to predict the change rule of LII signal and also lay a foundation for the test of soot particle size.To realize quantitative measurement，the calibration of LII signal is necessary.This is also one of the difficulties in LII measurement.There are mainly three methods for calibration，that are sampling technique，light extinction method（LEM）and 2-color laser induced incandescence（2C-LII）.The sampling technique is less used because it will disturb the combustion process and mix impurities.The LIILEM needs two laser systems and uses the measuring result of LEM to calibrate the LII signal，so its operation is complicated.Nevertheless，2C-LII does not need other measurement technology and can realize online real-time calibration.Since this method is relatively simple，it develops rapidly and has achieved many significant results.Naturally，LII technology still needs improvement，such as optimizing the incident laser wavelength and energy，controlling the uniformity of laser sheet，perfecting the LII mathematical model，and extending the application in complex environment.Through summarizing the research achievements of LII technology，this paper aims to emphasize the research status and the importance of this method in understanding the soot formation and oxidation mechanism，and providing some references for its future development.

laser induced incandescence；soot；quantitative measurement；optical diagnosis；research progress

TK421

A

（編輯：張巧蕓）

2016-06-27；

2016-08-05

＊通信作者E-mail：huayanghenan＠163.com

LiuFS，HuaY，WuH，etal.Researchprogressonsootmeasurementbylaserinducedincandescence.JournalofExperimentsinFluid Mechanics，2017，31（1）：1-12.劉福水，花 陽，吳 晗，等.基于激光誘導熾光法進行碳煙測量的研究進展.實驗流體力學，2017，31（1）：1-12.

1672-9897（2017）01-0001-12

10.11729／syltlx20160104

劉福水（1964-），男，河北衡水人，教授，博士生導師。研究方向：內燃機總體設計、燃燒與仿真、氫能源動力等。通信地址：北京市海淀區北京理工大學機械與車輛學院（100081）。E-mail：fushui＿liu＠bit.edu.cn