新型光学设备：有助于节约燃料，减少污染物排放！
导读
最近，美国桑迪亚国家实验室的研究人员发明出一种新型光学设备，它将帮助研究人员为燃烧的燃油喷雾中的污染物成像，使得未来的天空更加明朗。
背景
未来为了满足颗粒物排放需要，而又不牺牲燃料储备，发动机开发人员需要高级的燃烧策略，减少的喷焰中的烟尘形成。所以，研究人员一开始就专注于研究发动机中的液体燃料喷雾的燃烧。但是，那里的压力和温度环境非常极端，对于光学研究来说极具挑战。在发动机中的温度和压力的情况下，对于火焰成像非常困难，因为存在一种称为“光束转向”（beam steering）的现象。
光束转向发生在光线通过具有变化的折射率的媒介。通常，在夏天的高速公路上，观察到“海市蜃楼”的景象就是一种表现。炎热的路面使得附近的空气升温，引起折射率的变化。阳光在从冷空气向热空气传播时方向会发生改变，这些转向的光线让我们感觉到路面上有水（一种幻象）。
（图片来源：维基百科）
和这种方式相似，由于相邻的高温和低温区域，火焰也会引起光束转向。因为高压，这种光束转向的程度在发动机中显著增加。
创新
然而，通过优化后的照明和成像的光学设备，光束转向的效果会被消除。该光学装置由桑迪亚国家实验室的燃烧研究设施（Sandia's Combustion
Research Facility ）和丹麦技术大学（Technical University of Denmark）的研究人员开发。现在，他们可以用各种燃烧过程的时间和空间的函数，量化烟尘（主要由碳组成的颗粒物质）的形成。
（图片来源：Dino Vournas）
桑迪亚国家实验室的研究员 Scott Skeen 表示：
“获取的数据，对于深入理解燃油喷雾运动，以及在各种条件下形成的烟尘的时间和数量来说，非常重要。发动机开发人员可以使用这个信息验证计算机模型和设计发动机高级燃烧策略，者将改善消费者的燃料成本，同时降低尾气污染物的排放。”
这项研究发表于《应用光学》（Applied Optics）杂志，论文标题为“用于高时间分辨的消光成像的扩散的背向照明装置”（Diffuse back-illumination setup for high temporally resolved extinction
imaging），并且被选为光学会7月份的“光学集萃”。作者包括丹麦技术大学的 Fredrik Westlye 和 Anders Ivarsson，以及桑迪亚国家实验室的研究员 Keith
Penney、Lyle Pickett 、Skeen，以及前桑迪亚国家实验室的研究员 Julien
Manin。研究受到了美国能源部车辆技术办公室的资助。
技术
开发这种光学装置是为了量化桑迪亚国家实验室光学可达、体积恒定、预燃烧的燃烧室产生的高压喷焰下形成的烟尘。
（图片来源：桑迪亚国家实验室）
这种特殊的照明是通过一种客制化设计的扩散器，大到足够填满桑迪亚国家实验室喷射燃烧炉窗口（4英寸或者100毫米）。这些人工设计的扩散器专门用于在指定的角范围内，发出相同亮度的火焰。这样一来，一束光线在穿过火焰时发生的转向，会被另外一束光线具有相同强度的光线取代。
工程扩散器的角度可以基于实验装置的物理尺寸、预期的光束转向的程度、成像系统的收集角而进行优化。Manin 表示：
“实际上，没有特别的光学装置，通过高压喷焰（那里的光束转向非常严重）中的光衰减，对于烟尘进行量化是不可能的。”
这项研究中开发的光学技术依赖于光线的衰减或者消灭，来量化火焰中烟尘的数量。随着光线进入燃烧的容器，它将被烟尘颗粒物吸收或者散射。一些被吸收或者散射的光线将无法进入摄像头传感器。这种可测量的光线强度的衰减，相对于干净的光学路径，将与烟尘量相关。
（图片来源：桑迪亚国家实验室）
价值
Skeen 解释了尽管新型柴油汽车比过去更加干净，但是某些最新一代的燃油发动机会和旧的燃油发动机发出同样多的颗粒物。这种特殊的颗粒物增加，归因于采用汽油缸内直喷的燃料系统，虽然这种系统提高了燃料的经济效益，并且降低了每英里的二氧化碳排放量。
汽油缸内直喷包括直接将高压液体汽油喷射进发动机气缸中，而不是在气缸外的进气口混合和蒸发燃料。这种方法减少了热量的损耗，并且带来更加自由的气流。然而，消费者在加油站的节省，是以更高的颗粒物排放为代价的。与老式发动机发出的备受争议的黑烟不同，由汽油缸内直喷发动机发出的烟尘，对于肉眼不可见，因为颗粒非常微小。
这篇论文中的诊断方法让研究人员可以利用史无前例的时间和空间分辨率，量化燃烧喷雾中的颗粒物的形成。使用这种诊断方法获取的数据和分析，将告知并指导研究人员和汽车制造商朝着最大化燃料效率，同时最小化有害的尾气排放的目标改进设计。
这项研究对于2010年 Pickett 创建的发动机燃烧网络有着特别显著的贡献。该网络促进了全球发动机研究人员的合作。尽管是志愿参与，网络没有提供特殊的经济支持，已有超过15个研究机构贡献了数据。Pickett 表示：
“这种网络代表了草根运动的巨大力量。我们已经在五分之一的时间内完成了20年的研究。”
这种网络中广泛协作的挑战之一就是实验诊断的标准化。Pickett 表示：
“有如此多的研究人员想要参与，最重要的是保证每个人都可以从技术上贡献出以高质量的数据。”
为了让这种诊断装置的实现更加便于网络参与者，相关出版物提供了对于必要的设备的详细指南，以及用于分选照明光源和聚光系统的指令。桑迪亚国家实验室开发的LED光源，与激光光源恰恰相反，成本和复杂度将显著降低。Westlye 表示：
“这项研究致力于建立一种消光成像的标准化实验方法，将提高提交到网络中的实验测量的可靠性和可重现性。”
参考资料
【1】https://share-ng.sandia.gov/news/resources/news_releases/engine_diagnostics/
【2】Fredrik R. Westlye, Keith Penney, Anders Ivarsson, Lyle M. Pickett, Julien Manin, Scott A. Skeen. Diffuse back-illumination setup for high temporally resolved extinction imaging. Applied Optics, 2017; 56 (17): 5028 DOI: 10.1364/AO.56.005028
了解更多前沿技术文章，请点击“阅读原文”。咨询和交流，请联系微信：JohnZh1984。