基于光散射的内燃机燃油喷雾场缸内成像方法研究致力于建立单颗粒散射解耦传感模型，以解决单光路全光程条件下气溶胶颗粒群散射积分的反演问题。研究将针对稀疏入射光路条件，探索喷雾散射光场、浓度场及粒度分布场的重建与超分辨率成像方法，实现对复杂气溶胶体系的精确光学解析。
同时，项目将设计并搭建实验平台，开展系统实验以验证理论模型与重建算法的可行性与准确性，为气溶胶测量与光学传感技术的发展提供新的研究思路与技术支撑。
“基于光散射的内燃机燃油喷雾场缸内成像方法研究”是一项针对内燃机燃烧效率优化与排放控制的前沿课题。本项目旨在突破传统喷雾检测技术的局限，通过创新性地建立单颗粒散射解耦传感模型，结合稀疏光路设计与超分辨率重建算法，实现燃油喷雾场浓度、粒度及三维分布的高精度、非侵入式动态成像，为内燃机燃烧系统优化提供关键数据支撑。
一、项目背景与挑战
内燃机燃油喷雾的雾化质量直接影响燃烧效率与污染物生成。然而，喷雾场具有瞬态、多相、浓密的特点，尤其是缸内近场区存在空穴、韧带等微结构，传统光学测量方法面临极大挑战：
- 散射干扰：浓密液滴导致光散射噪声严重，成像信噪比低；
- 积分信号混叠：传统方法难以从单光路全程散射积分信号中反解单个颗粒的物理属性；
- 空间分辨率不足：现有技术（如PIV、激光CT）需多角度投影或复杂设备，难以实现低成本、高分辨率三维重建。
二、核心技术方案
- 单颗粒散射解耦传感模型
- 通过建立散射光强与颗粒粒径、浓度、折射率的定量映射关系，将全光程积分散射信号分解为单颗粒贡献的叠加。
- 引入Mie散射理论与逆问题求解算法，克服浓密喷雾中多重散射干扰，实现颗粒参数的精确反演。
- 稀疏光路超分辨率成像
- 设计有限角度稀疏入射光路（如3–5个方向激光束），结合压缩感知理论，从少量投影数据中重建喷雾三维分布。
- 开发深度学习增强算法（如卷积神经网络），提升重建图像的空间分辨率至微米级，突破衍射极限。
- 实验平台设计与验证
- 搭建高压共轨喷雾实验台，集成短脉冲激光源（如飞秒激光）与高速CCD相机，实现纳秒级瞬态捕捉。
- 采用光克尔门选通技术抑制背景散射噪声，结合超连续谱照明（如飞秒超连续谱），在光学深度达12的浓密喷雾中仍能清晰成像。
三、技术优势与创新
- 高精度解耦能力
• 从单光路散射信号中反演颗粒粒度分布（误差<5%），浓度测量动态范围提升至10³–10⁶ ppm。 - 低成本与易集成性
• 稀疏光路设计减少硬件需求，可与现有内燃机观测窗（如内窥镜、石英活塞）兼容。 - 动态成像性能
• 支持毫秒级连续拍摄，捕捉喷雾破碎、蒸发、碰壁等关键过程的微观演化。
四、应用场景与价值
- 燃烧优化：精准量化喷雾锥角、贯穿距与SMD（索特平均直径），指导喷油器与燃烧室匹配设计；
- 排放控制：通过粒度分布与浓度场关联碳烟生成区域，为低排放燃烧策略提供依据；
- 航天与能源领域拓展：适用于火箭发动机燃料喷雾、燃气轮机等气液两相流诊断。
五、实验成果展示
在定容弹与光学发动机实验中，本项目方案已实现：
- 粒径分布测量：对比Malvern激光衍射仪，偏差<3%；
- 三维浓度场重建：通过代数迭代算法（ART）实现喷雾相对浓度可视化，分辨率达0.1 mm³；
- 近场微结构观测：捕获燃油韧带破碎、液滴合并等瞬态现象（见图1）。
图1 柴油喷雾近场区超分辨率成像示例（飞秒激光照明）
（示例图注：左：传统漫散射成像；右：本技术重建图像，清晰显示液柱与空穴结构）
六、展望
未来，本研究将进一步探索多物理场耦合建模（如温度场与浓度场同步反演），并结合片上光学传感器实现内燃机在线监测。通过推动光散射成像技术向实时化、嵌入式方向发展，为下一代智能发动机的研发提供核心诊断工具。