富氧燃烧技术因在热效率和排放方面表现出显著优势,已经在一些工业领域得到应用。柴油机中的富氧燃烧已经得到一些研究人员的关注,但目前对富氧条件下柴油喷雾火焰的光学诊断研究十分有限,对富氧条件下火焰发展过程及特征认识不充分。本文的主要工作是利用可视化定容燃烧系统模拟柴油机上止点附近的缸内状态,改变定容燃烧装置内气体的氧气比例,利用多种光学诊断方法,对柴油喷雾火焰的产生、发展、稳定、熄灭等燃烧过程开展研究,探究富氧条件下柴油喷雾火焰的特征以及典型物种分布。本文首先通过改变定容燃烧装置内气体的氧气比例(21-90%)和稀释气体的组分(氩气、氮气或二氧化碳)利用火焰自发光高速成像技术,观察柴油喷雾火焰发展过程和形态结构的变化规律。研究发现,随着氧气比例增加,柴油喷雾火焰的滞燃期缩短,熄灭时刻提前,面积缩小,亮度增加,形态结构发生显著变化,高氧气比例时火焰前锋存在蓝色区域。对比氩气、氮气和二氧化碳三种不同稀释气体发现,氩气稀释条件下柴油喷雾火焰亮度最高,二氧化碳稀释条件下火焰亮度最低。在上述研究基础上,进一步利用双色测温法和羟基自发光成像,研究柴油喷雾火焰在不同氧气浓度下的火焰温度场、碳烟浓度场和火焰浮起长度的变化规律,并对氧气比例为60%时的柴油喷雾火焰发射光谱进行测量。结果表明,随着氧气比例从21%增加到60%的过程中,火焰平均温度先升高,氧气比例大于40%后火焰平均温度基本保持不变;碳烟总体生成趋势减小,空间分布趋势发生变化;火焰浮起长度先减小后增大。在氧气比例为60%的条件下,距离喷油器喷嘴15-70mm范围的火焰发射光谱由碳烟辐射主导,距离喷嘴70-100 mm范围的火焰发射光谱由一氧化碳、羟基等小分子燃烧中间产物主导,一氧化碳氧化过程中的化学发光是高氧气比例下柴油喷雾火焰前锋出现蓝色区域的主要原因。研究揭示了柴油在不同氧气浓度下的燃烧火焰特征规律,为富氧燃烧技术在柴油机上的应用提供了理论支撑和技术指导,丰富和发展内燃机新型燃烧理论与燃烧控制技术。