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碳烟测量方法综述

纯属交流，谢绝他用

背景

柴油机具有比汽油机更高的动力性和经济性，但因不均匀混合气燃烧产生碳

烟的排放特性限制了其应用范围。虽然作为机外净化技术的微粒捕集器可以大幅

减少碳烟排放，但人们更希望通过优化改进缸内流动、燃烧过程实现高效清洁燃

烧，从根本上降低碳烟排放。缸内碳烟测试技术不仅可以对缸内燃烧过程中产生

的碳烟进行精确的时间、空间解析，为柴油机设计优化提供参考依据，实现更低

的排放，而且为深入理解碳烟生成和排放机理，建立更加精确的燃烧排放模型提

供强有力的支持，具有重要的学术价值和应用前景。

测量方法历史及进展：

早期缸内碳烟研究主要采用瞬态缸内采样技术，可以测得采样体积内碳烟的

数量信息，具有良好的时间、空间分辨率，并可应用先进的测量设备对采样碳烟

的粒子颗粒和体积分布进行准确的测量统计。但此方法受区域限制不能获得全场

数据，且插入采样口会对燃烧过程产生干扰，从一定程度上影响碳烟结果的准确

性。光学测量属于非接触式测量，对测试区域干扰较小，具有良好的时间、空间

分辨率。近年来，随CCD、ICCD和高速摄像机等探测器件的应用，消光法、

散射法、双色法和激光诱导白炽光法等缸内碳烟光测试技术逐渐发展、完善。

消光法（LightExtinction）原理如图所示：当激光束穿过碳烟粒子区域时，由于

碳烟颗粒对光的散射和吸收作用使入射光强度降低，导致接收端探测到的能量有

所减少。由于碳烟属于吸收能量很强的介质，对光线的吸收能力远远大于散射能

力，因此可以用LambertBeer理论描述穿越粒子区域的光强变化，可得出碳烟

体积分数。

消光法的优点在于实验装置比较简单，只需要一个激光点光源和一个光电二极

管，且测量结果准确性较高。但此方法只能记录碳烟生成区域的一个点，如果要

对整个碳烟生成区域进行研究，则需要重复的完成多点测量，效率较低。

消光法测量碳烟原理图

光源后置消光法（BILE）是基于消光原理，在单点消光法基础上发展成的

二维碳烟分布测量方法。该方法不仅可以实现碳烟的时间、空间二维分布测量，

而且可以进行定性、定量的碳烟生成瞬态质量测量。如图所示，BILE方法需要

两个光学窗口，光源和摄像机必须水平布置在碳烟区域的两侧，限制了此方法在

传统柴油机上的应用。此外激光光源经过碳烟区域一次后进入采集设备，对于重

碳烟工况比较适用，而对于生物柴油、醇类燃料等清洁燃料，或低负荷、低温燃

烧等轻碳烟工况，由于碳烟生成质量本身较小，对入射光吸收能力有限，进入采

集设备的光强度和入射光差别较小，因此实验误差较大。

散射法（Scattering）主要用于测量碳烟粒子直径。对于碳烟这样的小粒子，

光源后置消光法原理图

对光的吸收作用远大于对光的散射作用，Hulst等人利用散射光强和消光度的关

系间接测量碳烟粒径。在传统消光法测量设备基础上，外接散射光测量仪，以固

定角采集散射光强，通过散射和消光的比值计算碳烟粒子直径。Corcione等人联

合散射法和消光法，通过透镜使高压脉冲氙气灯光束穿过光学发动机燃烧室的可

视窗口，在2000r/min转速下获取不同空燃比下的缸内碳烟的平均粒径。实验

结果表明：随曲轴转角增加碳烟粒径呈现先增大后减小的趋势，这与碳烟的生成

和氧化过程有关。当缸内涡流运动较强时，实际空燃比较高，混合气燃烧更为充

分，生成的碳烟粒径为6nm~10nm。随实际空燃比降低，碳烟颗粒变化较大，粒

径升高至10nm~18nm。需要特别说明的是液态燃喷射过程中液滴表面的光散射

对测试产生严重干扰，因此通常在喷油结束后开始散射法测量，限制了测量范围，

具有不可避免的局限性。

图双色法测量碳烟原理图

双色法（TwoColor）可同时测量温度和碳烟浓度分布。柴油机缸内燃烧过

程产生的碳烟粒子会发出强烈的热辐射，测量其中两个主波长的辐射能量即可计

算碳烟粒子的温度和表征碳烟浓度KL（K为吸收系数，近似与碳烟的数量密度

成比例；L是火焰探测方向上光轴的几何厚度）。

TR-LII法测量碳烟原理图