[发明专利]用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量系统及方法

说明书

本申请公开了一种用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量系统及方法。该测量系统具有激光器和探测器。激光器可发出特定波长范围的中红外激光，并被发动机燃烧火焰吸收。具体地，激光器发出的激光由分束镜分成两束，其中一束通过激光标定装置由第一探测器测得用于标定激光器产生的波长，另一束激光经过燃烧产生的二氧化碳气体部分吸收后经由第二探测器测得并通过数据采集系统采集，通过处理可获得二氧化碳的浓度信息，并从而获得发动机的燃烧效率。在本发明选用的激光波长范围内，无环境中二氧化碳的背景吸收干扰，在高温环境下对二氧化碳的吸收明显，且无水分子等其他燃烧产物和中间体的干扰，发动机的燃烧效率测量可以达到较高的测量精度。

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别涉及TDLAS技术在发动机高温燃烧过程监测领域的应用。

背景技术

在发动机研制中，为了判断发动机燃烧效率和运行状况，预测燃烧性能变化趋势，可对发动机出口的高温气体进行测量，监测燃烧产物浓度、温度、热流密度等关键燃烧参数，从而对发动机燃烧的性能进行评估。发动机燃烧的产物，如水蒸气H₂O、碳氧化物COx(主要为CO₂和CO)、氮氧化物NOx(主要为NO₂和NO)等的生成速率可以反应燃烧室的燃烧效率。因此，对发动机的燃烧室(出口排气)进行燃烧诊断，特别是对燃烧室温度场和燃烧产物浓度的实时监测，能够为发动机燃烧室设计提供参考，进而改善发动机的燃烧状况，提高燃烧效率。

可调谐半导体吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)是一种常用的气体检测方法，基于二极管激光器的窄线宽和波长快速调谐特性，扫描气体分子振动转动光谱中特定指纹峰的吸收光谱，可实现探测组分的温度、组分浓度、速度等的测量，具有高灵敏、准确、使用简单等优点，已经广泛使用于大气化学，环境监测，工业生产线过程控制等诸多方面。由于燃烧组分和中间产物如NO、CO、CO₂、H₂O、O₂、CH4等在红外区域有特征吸收峰，可调谐二极管激光吸收光谱技术渐渐被广泛应用与燃烧诊断领域。目前，常见的发动机燃烧诊断研究主要是采用水蒸气分子的双线法(需选用两个波长不同的激光器分别进行实验)在发动机的出口测量燃烧产物H₂O(水蒸气)在近红外波段的吸收。

但是发动机在运行过程中环境恶劣，有很强的噪音振动，未燃尽的低粘度航空煤油和生成的碳烟限制了TDLAS探针的灵敏度；由于水分子在近红外波段的吸收强度降低，吸收信号不明显，且空气中存在的水蒸气在常温下也存在吸收，导致难以获得准确的基线，从而无法保证吸收系数计算的准确性。

因此，亟待研发一种吸收物种单一、无背景物种干扰、测量精度高的针对高温燃烧产物测量特别优化的TDLAS激光诊断方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够更精确地监测发动机的燃烧效率的测量系统。

为了实现上述目的，发明人通过大量技术调研和实验探究，提供了一种用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量系统，所述测量系统包括激光发射装置、标准具、分束镜、第一探测器、第二探测器以及数据采集系统，其中所述激光发射装置包括函数发生器、控制器和激光器；其中所述激光器能够产生中红外激光，所述函数发生器能够产生周期波信号并传送给所述控制器，从而所述控制器控制所述激光器产生波长呈周期变化的激光；以及所述激光器发出的激光由所述分束镜分成两束，其中一束激光通过所述标准具并由所述第一探测器采集并传输至所述数据采集系统，通过所述标准具的激光信号与标准数据库中的特定吸收波长信息结合来标定激光器产生的波长；另一束激光经过发动机燃烧产生的气体被其中的二氧化碳气体部分吸收后经由所述第二探测器测得并通过所述数据采集系统采集，并由计算机通过计算处理，从而获得所述发动机燃烧产生的气体中二氧化碳的浓度信息。

优选地，在所述第二探测器的正前方布置有聚焦镜。