一種同時測量柴油噴霧結構及燃燒特性的裝置及方法與流程

2023-05-02 12:40:16 1

本發明屬於柴油噴霧、燃燒可視化研究領域，特指在利用雷射的米氏散射技術來測量燃燒情況下的噴霧液相，同時利用雷射誘導螢光技術（OH-PLIF）實現對柴油燃燒時OH-PLIF分布的同步測量的試驗裝置及方法。

背景技術：

為了保護環境和方便人們的生活，內燃機的噴霧、燃燒、排放特性持續受到研究者的關注。噴霧燃燒是內燃機工作循環中重要的環節。在當代的直噴柴油機中噴霧與燃燒也是最為複雜的的過程之一。為了研究內燃機的噴霧燃燒特性提高內燃機的性能同時降低內燃機的汙染物的排放，對內燃機噴霧燃燒的可視化研究顯得尤為重要。研究人員採用了以波長為532nm的雷射米氏散射技術對柴油噴霧特性進行研究及採用雷射誘導OH螢光（OH-PLIF）技術對柴油噴霧燃燒時的OH分布進行研究，但是在燃燒的條件下由於火焰燃燒時產生的輝光亮度太強，會干擾雷射的米氏散射信號，造成燃燒時液相分布與火焰分布之間無法區分，同時由於在532nm附近的雷射的散射光太強造成對OH螢光信號分布的測量的幹擾，又造成OH-PLIF信號分布存在液相的幹擾信號。因此為了解決兩者的相互幹擾問題，必須對雷射的診斷技術進行優化。本發明公開了一種在燃燒情況下實現對噴霧液相和OH-PLIF信號的同時測量的方法。

技術實現要素：

為了更好的研究內燃機的噴霧與燃燒特性本發明提供了一種在燃燒情況下實現對噴霧液相和OH-PLIF信號的同時測量的裝置及方法。

本發明採用的技術方案為：

一種基於雷射診斷技術的同時測量柴油噴霧結構及燃燒特性的裝置，該裝置包括雷射系統、定容燃燒彈系統、燃油供給系統、信號同步系統、信號採集系統；信號採集系統的計算機通過信號同步系統與雷射系統、燃油供給系統、信號採集系統相連，並控制雷射系統、燃油供給系統、信號採集系統；其中：

所述雷射系統中包括片光稜鏡系統、二向色低通分光鏡、反射鏡Ⅰ、染料雷射器、反光鏡Ⅱ、二向色高通分光鏡I、泵浦雷射器；

所述定容燃燒彈系統包括定容燃燒彈主體；

所述燃油供給系統包括高壓共軌管、高壓油管、高壓油泵、電機、噴油器；燃油供給系統通過電機驅動高壓油泵並經高壓共軌管為噴油器提供高的噴射壓力；

所述信號同步系統為BNC信號同步器；

所述信號採集系統包括二向色高通分光鏡II，OH帶通濾光片、355nm帶通濾光片、ICCD相機Ⅰ、ICCD相機Ⅱ、及計算機；

其中，計算機通過BNC信號同步器與ICCD相機Ⅰ、ICCD相機Ⅱ、染料雷射器、泵浦雷射器、高壓共軌管、高壓油泵電性連接；並控制各個系統之間的信號同步與延遲；

所述定容燃燒彈主體的上端安裝有噴油器，所述噴油器通過高壓油管與高壓共軌管連接，所述高壓共軌管與高壓油泵連接，高壓油泵與電機連接；

在所述定容燃燒彈主體的視窗A外放置片光稜鏡系統，片光稜鏡系統的另一側依次設有染料雷射器，泵浦雷射器，其中，片光稜鏡系統和染料雷射器之間設有二向色低通分光鏡，染料雷射器和泵浦雷射器之間設有二向色高通分光鏡I，同時保證由泵浦雷射器發出的雷射直接照射在二向色高通分光鏡上；二向色低通分光鏡和二向色高通分光鏡I的上端均向染料雷射器傾斜；二向色高通分光鏡I的正上方設有反光鏡Ⅱ且兩者平行，二向色低通分光鏡的正上方設有反射鏡Ⅰ且兩者平行；同時保證由二向色高通分光鏡I引出的雷射先後通過反光鏡Ⅱ和反射鏡Ⅰ發射到分光鏡上並保證與染料雷射器發出的雷射器發出的雷射合束；合束後的雷射通過片光稜鏡系統轉化為一束片光射入定容燃燒彈主體內並垂直照射在燃油噴霧及火焰上；

定容燃燒彈主體還設有視窗B，所述視窗B與視窗A垂直布置，

在定容燃燒彈主體的視窗B外依次放置二向色高通分光鏡II，ICCD相機Ⅱ，所述視窗B、二向色高通分光鏡II、ICCD相機Ⅱ在一條直線上；二向色高通分光鏡II的另一側設有ICCD相機Ⅰ；二向色高通分光鏡布置在兩相機正交交點上並與兩個ICCD相機同時呈45°角。

其中，二向色高通分光鏡II、ICCD相機Ⅱ之間設有355nm帶通濾光片，二向色高通分光鏡II和ICCD相機Ⅰ之間設有OH帶通濾光片；

二向色高通分光鏡II鍍膜一側面向定容燃燒彈主體和ICCD相機Ⅰ傾斜設置；

由定容彈內發出的光線通過二向色高通分光鏡II分別引入到兩個ICCD相機前，並由兩個ICCD相機拍攝，兩個相機通過信號同步器與計算機相連，並由計算機控制。

所述二向色低通分光鏡和二向色高通分光鏡I的上端均向染料雷射器傾斜45︒。

所述片光稜鏡系統將柱形光束轉化為片狀光束。

所述二向色低通分光鏡能夠高反355nm雷射同時高透OH-PLIF激發雷射，並將兩束雷射合束。

所述染料雷射器能夠將532nm雷射調諧為OH-PLIF激發雷射。

所述二向色高通分光鏡能夠高反射355nm雷射，同時高透過532nm雷射。

所述泵浦雷射器能同時發出532nm和355nm的一束雷射。

所述二向色高通分光鏡能夠高反射OH-PLIF螢光同時保證355nm雷射的高透。

所述定容燃燒彈主體能夠提供高溫高壓的試驗環境。

所述OH帶通濾光片能夠濾除OH螢光之外的其他幹擾光。

所述355nm帶通濾光片能夠濾除除噴霧液相散射光之外的其餘幹擾光。

所述各個器件固定直接或通過支架固定在光學平臺上。

一種基於雷射診斷技術的同時測量柴油噴霧結構及燃燒特性的方法，本發明利用泵浦雷射器發出的355nm波長的雷射的米氏散射技術來測量燃燒情況下的噴霧液相，同時利用OH雷射誘導螢光技術（OH-PLIF）實現對柴油燃燒時OH-PLIF分布的測量。

本發明所述裝置的工作流程具體為：

A、燃油供給系統通過計算機控制改變高壓共軌管的噴油軌壓、噴油脈寬、噴油延遲、噴油周期、噴油次數；

B、信號同步系統中BNC信號同步器使噴油、雷射激發、信號採集系統時序同步，並通過計算機控制所有系統的同步運行；

C、雷射系統的泵浦雷射器同時激發出532nm波長雷射和355nm波長雷射，所述532nm波長雷射穿過二向色高通分光鏡I，經染料雷射器調諧後輸出OH-PLIF激發雷射；所述355nm波長雷射經二向色高通分光鏡I、反射鏡Ⅱ和反射鏡Ⅰ、二向色低通分光鏡的反射與染料雷射器發出的OH-PLIF激發雷射合束、再經過片光稜鏡系統轉化為一束雷射片光，然後射入定容燃燒彈內，並垂直照射在燃油噴霧及火焰上；

D、所述一束雷射片光照射在噴霧的液相上發生米氏散射，其中的355nm的散射光穿過定容燃燒彈視窗及二向色高通分光鏡II，經過355nm液相帶通濾光片的對其他波長幹擾光的濾除作用後，最後經由正交放置的ICCD II相機捕獲，實現對燃燒情況下噴霧液相的拍攝；

其中,OH-PLIF激發雷射，誘導產生OH-PLIF螢光，OH-PLIF螢光穿過定容燃燒彈視窗，經二向色高通分光鏡的反射並經OH濾光片濾除碳煙等的幹擾光後，最後由ICCD相機捕獲，實現對柴油燃燒時OH-PLIF的拍攝。

本發明的有益效果是：

本發明基於雷射診斷技術的同時測量噴霧結構及燃燒特性的裝置及方法，其利用355nm波長的雷射的米氏散射技術來測量燃燒情況下的噴霧液相，有效減弱液相信號在該波段的受到來自碳煙輻射幹擾；利用OH雷射誘導螢光技術（OH-PLIF）實現對柴油燃燒時OH-PLIF分布的同時測量。該方法亦可以實現對柴油燃燒OH-PLIF分布圖中液相區域的分辨，解決液相信號與雷射誘導螢光信號的相互幹擾的問題。對內燃機燃燒系統的開發有推動作用。

附圖說明

圖1是碳煙在不同溫度下的不同波段的黑體輻射強度曲線；

圖2是本發明基於雷射診斷技術的同時測量柴油噴霧結構及燃燒特性的裝置的布置示意圖；

圖3是圖2中光路示意圖；

附圖標記說明：

1-高壓共軌管，2-高壓油管，3-片光稜鏡系統，4-二向色低通分光鏡，5-反射鏡Ⅰ，6-OH-PLIF激發雷射，7-高壓油泵，8-電機，9-355nm波長雷射，10-染料雷射器，11-反射鏡Ⅱ，12-二向色高通分光鏡Ⅰ，13-泵浦雷射器，14-計算機，15-532nm波長雷射，16-線束，17-BNC信號同步器，18-ICCD相機Ⅰ，19-OH帶通濾光片，20-OH-PLIF螢光，21-ICCD相機Ⅱ，22- 355nm帶通濾光片，23-二向色高通分光鏡Ⅱ，24-定容燃燒彈主體，25-噴油器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

本發明是一種在燃燒情況下實現對噴霧液相和OH-PLIF信號的同時測量的裝置及方法。其結構示意圖如圖2所示。

一種基於雷射診斷技術的同時測量柴油噴霧結構及燃燒特性的裝置，該裝置包括雷射系統、定容燃燒彈系統、燃油供給系統、信號同步系統、信號採集系統；信號採集系統的計算機通過信號同步系統與雷射系統、燃油供給系統、信號採集系統相連，並控制雷射系統、燃油供給系統、信號採集系統；其中：

所述雷射系統中包括片光稜鏡系統3、二向色低通分光鏡4、反射鏡Ⅰ5、染料雷射器10、反光鏡Ⅱ11、二向色高通分光鏡I12、泵浦雷射器13；

所述定容燃燒彈系統包括定容燃燒彈主體24；

所述燃油供給系統包括高壓共軌管1、高壓油管2、高壓油泵7、電機8、噴油器25；燃油供給系統通過電機8驅動高壓油泵7並經高壓共軌管1為噴油器25提供高的噴射壓力；

所述信號同步系統為BNC信號同步器17；

所述信號採集系統包括二向色高通分光鏡II23，OH帶通濾光片19、355nm帶通濾光片22、ICCD相機Ⅰ18、ICCD相機Ⅱ21、及計算機14；

其中，計算機通過BNC信號同步器與ICCD相機Ⅰ18、ICCD相機Ⅱ21、染料雷射器10、泵浦雷射器13、高壓共軌管1、高壓油泵7電性連接；並控制各個系統之間的信號同步與延遲；

所述定容燃燒彈主體24的上端安裝有噴油器25，所述噴油器25通過高壓油管2與高壓共軌管1連接，所述高壓共軌管1與高壓油泵7連接，高壓油泵7與電機8連接；

在所述定容燃燒彈主體24的視窗A外放置片光稜鏡系統3，片光稜鏡系統3的另一側依次設有染料雷射器10，泵浦雷射器13，其中，片光稜鏡系統3和染料雷射器10之間設有二向色低通分光鏡4，染料雷射器10和泵浦雷射器13之間設有二向色高通分光鏡I12，同時保證由泵浦雷射器13發出的雷射直接照射在二向色高通分光鏡12上；二向色低通分光鏡4和二向色高通分光鏡I12的上端均向染料雷射器10傾斜；二向色高通分光鏡I12的正上方設有反光鏡Ⅱ11且兩者平行，二向色低通分光鏡4的正上方設有反射鏡Ⅰ5且兩者平行；同時保證由二向色高通分光鏡I12引出的雷射先後通過反光鏡Ⅱ11和反射鏡Ⅰ5發射到分光鏡4上並保證與染料雷射器10發出的雷射器發出的雷射合束；合束後的雷射通過片光稜鏡系統3轉化為一束片光射入定容燃燒彈主體24內並垂直照射在燃油噴霧及火焰上；

定容燃燒彈主體24還設有視窗B，所述視窗B與視窗A垂直布置，

在定容燃燒彈主體24的視窗B外依次放置二向色高通分光鏡II23，ICCD相機Ⅱ21，所述視窗B、二向色高通分光鏡II23、ICCD相機Ⅱ21在一條直線上；二向色高通分光鏡II23的另一側設有ICCD相機Ⅰ18；二向色高通分光鏡23布置在兩相機正交交點上並與兩個ICCD相機同時呈45°角。

其中，二向色高通分光鏡II23、ICCD相機Ⅱ21之間設有355nm帶通濾光片22，二向色高通分光鏡II23和ICCD相機Ⅰ18之間設有OH帶通濾光片19；

二向色高通分光鏡II23鍍膜一側面向定容燃燒彈主體24和ICCD相機Ⅰ18傾斜設置；

由定容彈內發出的光線通過二向色高通分光鏡II23分別引入到兩個ICCD相機前，並由兩個ICCD相機拍攝，兩個相機通過信號同步器17與計算機相連，並由計算機14控制。

所述二向色低通分光鏡4和二向色高通分光鏡I12的上端均向染料雷射器10傾斜45︒。

一種基於雷射診斷技術的同時測量柴油噴霧結構及燃燒特性的方法，本發明利用泵浦雷射器13發出的355nm9波長的雷射的米氏散射技術來測量燃燒情況下的噴霧液相，同時利用OH雷射誘導螢光技術OH-PLIF實現對柴油燃燒時OH-PLIF分布的測量。

本發明所述裝置的工作流程具體為：

A、燃油供給系統通過計算機14控制改變高壓共軌管1的噴油軌壓、噴油脈寬、噴油延遲、噴油周期、噴油次數；

B、信號同步系統中BNC信號同步器17使噴油、雷射激發、信號採集系統時序同步，並通過計算機14控制所有系統的同步運行；

C、雷射系統的泵浦雷射器13同時激發出532nm波長雷射15和355nm波長雷射9，所述532nm波長雷射15穿過二向色高通分光鏡I12，經染料雷射器10調諧後輸出OH-PLIF螢光的激發雷射6；所述355nm波長雷射9經二向色高通分光鏡I12、反射鏡Ⅱ11和反射鏡Ⅰ5、二向色低通反射鏡分光鏡4的反射與染料雷射器10發出的OH-PLIF激發雷射6合束、再經過片光稜鏡系統3整合轉化為一束雷射片光，然後射入定容燃燒彈24內，並垂直照射在燃油噴霧及火焰上；

D、所述一束雷射片光照射在噴霧的液相上發生米氏散射，其中的355nm的散射光穿過定容燃燒彈視窗及二向色高通分光鏡II23，經過355nm液相帶通濾光片22的對其他波長幹擾光的濾除作用後，最後經由正交放置的ICCD II21相機捕獲，實現對燃燒情況下噴霧液相的拍攝；

其中,OH-PLIF激發雷射6，誘導產生OH-PLIF螢光20，OH-PLIF螢光20穿過定容燃燒彈視窗，經二向色高通分光鏡23的反射及並經OH濾光片19濾除碳煙等的幹擾光後，最後由ICCD相機18捕獲，實現對柴油燃燒時OH-PLIF的拍攝。

由圖1中可以看出在355nm波段附近碳煙的輻射強度很弱，所以在此波段利用355nm的雷射的米氏散射對燃燒時噴霧液相的測量可以很容易消除碳煙輻射的影響。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。