[发明专利]光源前置消光法碳烟测量系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种利用光源前置的消光法，实现发动机不同负荷、不同种类燃油碳烟随时间变化的定量测量及生成规律研究。

背景技术

随尾气排放法规日益严格，单纯的机外净化技术难以满足需要，因此对缸内燃油喷雾和燃烧过程提出了更高的要求。激光测试和高速成像技术的应用使观察燃油在缸内的运动及燃烧变化情况成为可能，连续清晰的可视化结果可以使人们进一步了解高温高压环境中燃油从喷射蒸发、着火燃烧到排放物生成的全过程，对从根本上提高燃油雾化效果、改进燃烧模式、降低污染物排放具有十分重要的作用。

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。

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。

其中，消光法为：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Lambert Beer理论描述穿越粒子区域的光强变化，可得出碳烟体积分数。

作为消光法的一种延伸技术，光源后置消光法是基于消光原理，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。光源后置消光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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光源前置的消光法来实现定容燃烧器内燃料燃烧过程中碳烟测量的系统和方法。

本发明的光源前置消光法碳烟测量系统，由高速摄像机1、透镜2、激光光源3、光散射盘4、反光镜6、ND减光镜头7、干涉滤光镜头8组成，其中干涉滤光镜头8和ND减光镜头7顺序置于高速摄像机1的镜头前端，反光镜6按45⁰角置于ND减光镜头7正前方，激光光源3置于反光镜6的水平入射角方向，透镜2置于激光光源3和反光镜6之间，光散射盘4固定于反光镜6的垂直反射角方向的燃烧油束5底部。

所述的ND减光镜头7用于限制进入高速摄像机1的反射强度变化梯度，保证感光镜头不会受到强光照射而损坏。

所述的反光镜6直径小于2.5mm，可以作为点光源。

所述的光散射盘4固定于燃烧油束5底部，其作用在于将透过碳烟区域9的光线反射回碳烟区域9，再次穿过碳烟区域9后进入高速摄像机1。

所述的干涉滤光镜头8为具有滤除激光中578nm波长的光波、保留510nm波长的光波的单色光滤光镜头。

本发明的光源前置消光法碳烟测量方法，包括下列步骤：

1.将干涉滤光镜头8和ND减光镜头7顺序置于高速摄像机1的镜头前端，反光镜6按45⁰角置于ND减光镜头7正前方，激光光源3置于反光镜6的水平入射角方向，透镜2置于激光光源3和反光镜6之间，光散射盘4固定于反光镜6的垂直反射角方向的燃烧油束5底部，完成光源前置消光法碳烟测量系统的布置；

2.调节激光光源3、透镜2、反光镜6的相对位置，将点光源转换为束光源；