CN101726415A - 用于内燃机燃烧系统光学诊断的光学同步信号标记系统 - Google Patents

Abstract

用于内燃机燃烧系统光学诊断的光学同步信号标记系统，包括标记码盘、图像采集设备和连接固定机构，该连接固定机构上分别设置有光导装置和激光管，光导装置的激光束进入端与激光管激光束的发射端相对设置，光导装置的激光束输出端朝向图像采集设备，标记码盘上设置有两个标记孔；本发明标记系统结构简单，没有电路和光电转换的延时问题，光信号无延迟，在燃烧引起发动机转速瞬时波动的情况下，也无需针对转速进行精确校正计算，保证了光信号亮度高且便于调节，提高了信号的同步精度和燃烧分析的可靠性，适合于需要经常改造或者调整结构的内燃机可视化实验台架，对内燃机缸内可视化研究具有重要意义。

Description

用于内燃机燃烧系统光学诊断的光学同步信号标记系统

技术领域

本发明属于实验室设备技术领域，涉及一种可视化光学发动机的图像同步信号提供设备，具体涉及一种用于内燃机燃烧系统光学诊断的光学同步信号标记系统。

背景技术

内燃机燃烧光学诊断是内燃机高级研发和模拟计算的重要基础。在发动机缸内可视化研究中，无论是使用现代光学测试还是传统光学测试，光学信号与曲轴的同步判定都是实验中一个重要的环节，此环节的误差直接影响对混合气形成过程和燃烧相位的研究精度，如光学信号与曲轴转角的对应关系出现较大偏差，则必然会严重影响燃烧分析，甚至导致燃烧分析结果不可用。因此合适的同步信号装置是保证实验精度的重要基础。

以缸内燃烧直接高速摄影为例，为确定燃烧图片的相位，通常以压缩上止点为同步信号基准，而采集的图像信息不可能准确体现出压缩上止点的准确位置。传统方法采用从某基点开始直接记录光电系统的工作时间和曲轴信号，但是此过程要求设备必须支持，且对各设备的时序和系统延迟要有精确的计算，另外计算机采样计时也存在累积误差，因此不便于使用。目前方案是在发动机飞轮处安装电信号发生装置，而后驱动发光二极管在压缩上止点处闪烁，此系统可以较为直接地从光学测量结果图片中获得压缩上止点标记，但发光二极管的亮与灭都存在一定的系统延迟，而这些延迟在发动机运转速度较高的情况下可能导致误差，而且转速不同相对于曲轴转角的误差也不同，如果需要更换不同性能的器件，则电路的系统延迟可能需要重新评估，此外，发光二极管的亮度和亮度调节范围有限，不适合相机的拍摄要求。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于内燃机燃烧系统光学诊断的光学同步信号标记系统，能得到内燃机缸内压缩上止点的光学同步信号，无光信号延迟，保证内燃机燃烧光学诊断的要求。

本发明所采用的技术方案是，用于内燃机燃烧系统光学诊断的光学同步信号标记系统，包括标记码盘3、图像采集设备和连接固定机构，该连接固定机构上分别设置有光导装置10和激光管5，光导装置10的激光束进入端与激光管5激光束的发射端相对设置，光导装置10的激光束输出端朝向图像采集设备，标记码盘3上设置有两个标记孔。

所述两个标记孔之间的圆心角为30°

所述两标记孔中心线至标记码盘(3)外圆表面的垂直距离分别为3mm～5mm。

所述的图像采集设备为相机1。

所述标记码盘3的直径为150mm～300mm。

所述的光导装置10采用光学导臂、光纤或反射系统。

本发明标记系统，具有如下优点：

第一，以机械结构屏蔽或透过激光光束给出光信号，码盘与曲轴紧固连接，光信号传递时间可以忽略，无系统延时，且不受燃烧引起的瞬态转速波动的影响。

第二，压缩上止点同步光信号由码盘上的一个孔的空间位置决定，码盘的安装精度要求不高，对激光管的具体位置没有要求，只需要保证在压缩上止点处激光光束能穿过码盘上的小孔到达光导设备处即可，这对于发动机前端或者后端空间相对局促的实验台架非常方便。

第三，激光光源和光导设备采用夹持附件直接与发动机连接，如利用强力磁性表座布置光源和光导设备，码盘上设置合适的孔径，使得振动不会对信号的精度产生影响。

第四，采用普通教学用激光笔作为激光光源，在激光强度足够的情况下，甚至可以使用价格低廉、弯曲特性较好的塑料光纤作为传导介质，节省了成本。

第五，通过光导设备调节激光光源的亮度，解决了成本较低的激光光源不能调节亮度的问题，即调整光导设备出口与相机光学轴线之间的角度，在CCD图像上获得不同的亮度，通过塑料光纤等成本较低的光导设备后激光光束会相对发散，调节效果更加明显，同时，由于光同步信号不需要清晰的形状，使得光导设备的出口可以远离相机对焦位置，布置较为自由。

附图说明

图1是本发明标记系统的结构示意图。

图2是本发明标记系统中标记码盘的结构示意图。

图3是采用本发明标记系统进行汽油机燃烧试验分析时缸内火焰的可视化图像与缸压曲线的对应关系图。

图中，1.相机，2.发动机，3.标记码盘，4.电源，5.激光管，6.安装座，7.第一标记孔，8.保持架，9.支架，10.光导装置，11.激光束，12.第二标记孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明标记系统的结构，包括标记码盘3、相机1和支架9。标记码盘3的结构，如图2所示，标记码盘3上分别设置有第一标记孔7和第二标记孔12，第一标记孔7与第二标记孔12之间的圆心角为30°。支架9上分别设置有保持架8和安装座6，保持架8上设置有光导装置10，该光导装置10的激光束进入端固接于保持架8上，光导装置10的激光束输出端朝向相机1，安装座6上设置有激光管5，标记码盘3位于光导装置10激光束进入端与激光管5激光束射出端之间，激光管5激光束射出端的轴线与光导装置10激光束进入端的轴线同轴，激光管5与电源4相连接。

标记码盘3的直径为150～300mm，第一标记孔7中心线和第二标记孔12中心线至标记码盘3外圆表面的垂直距离分别为3～5mm。激光管5采用功率大于5mW的微型激光管，能稳定持续地产生激光束。

电源4为直流电源。

光导装置10采用光学导臂、光纤或反射系统。

根据布置空间，选择所需直径的标记码盘3，根据标记码盘3打孔处到轴心的距离乘以按弧度单位的发动机曲轴转角最小分辨角度，计算出标记孔允许的最大直径，确定第一标记孔7和第二标记孔12的孔径，根据确定的孔径在标记码盘3上加工第一标记孔7和第二标记孔12，将该标记码盘3同轴安装于发动机2的曲轴或凸轮轴上，将支架9安装于发动机2上，打开电源4，电源4给激光管5提供能源，激光管5产生并射出激光束，调节支架9，使得在发动机2压缩上止点时，该激光束穿过标记码盘3上的第一标记孔7射入光导装置10的激光束进入端，并使该激光束垂直于标记码盘3的端面，固定支架9。将光导装置10的激光束输出端设置于相机1能拍摄到的位置，通过微调光导装置10激光束输出端与相机1之间的角度，控制相机1接受到的同步信号的强度。

启动发动机2并打开相机1，发动机2的曲轴或凸轮轴开始旋转，在第一标记孔7和第二标记孔12分别对应的曲轴转角时刻，激光束分别通过该两标记孔，再经光导装置10引向相机1等光学采集设备，形成图像同步信号。当曲轴或凸轮轴旋转至发动机2压缩上止点时，激光束透过第一标记孔7进入光导装置10，并通过光导装置10射入相机1，通过调节光导装置10激光束输出端的位置，使通过第一标记孔7的激光束在相机1拍摄到图片上的恰当位置留下一个亮点，该亮点即为发动机2压缩上止点的标记，曲轴或凸轮轴带动标记码盘3继续转动，当激光束透过第二标记孔12时，激光束在上止点后30度处出现第二个光信号，可用于评估或校验拍摄历程中的发动机的实际转速。如图2所示，采用本标记系统进行汽油机燃烧试验分析时缸内火焰可视化结果与缸压曲线的对应关系图，从图中看出，缸内火焰可视化结果的TDC图中左上角的光点即为该汽油机压缩上止点光同步信号，该光同步信号清晰，且不干扰图像有效区域。通过较为准确的压缩上止点分辨，能保证燃烧分析中可视化图片结果与缸压曲线有良好的对应，为深入研究发动机燃烧过程及探寻发动机燃烧机理提供了有利基础。

本发明标记系统基于简单机械结构，无需特别的电路的匹配和设计，没有电路和光电转换的延时问题，使得光信号无延迟，特别适用于高速运转的光学发动机；由于不需要考虑光信号与曲轴转角之间的延迟问题，本系统各部件之间没有特殊的安装要求，既使在燃烧引起发动机转速瞬时波动的情况下，也无需针对转速进行精确校正计算。并且以机械紧固连接结构保证了光信号亮度高且便于调节，提高了信号的同步精度和燃烧分析的可靠性，适合于需要经常改造或者调整结构的内燃机可视化实验台架，对内燃机缸内可视化研究具有重要意义。

Claims (6)

1.用于内燃机燃烧系统光学诊断的光学同步信号标记系统，其特征在于，包括标记码盘(3)、图像采集设备和连接固定机构，该连接固定机构上分别设置有光导装置(10)和激光管(5)，光导装置(10)的激光束进入端与激光管(5)激光束的发射端相对设置，光导装置(10)的激光束输出端朝向图像采集设备，标记码盘(3)上设置有两个标记孔。

2.按照权利要求1所述的标记系统，其特征在于，所述两个标记孔之间的圆心角为30°。

3.按照权利要求2所述的标记系统，其特征在于，所述两标记孔中心线至标记码盘(3)外圆表面的垂直距离分别为3mm～5mm。

4.按照权利要求1所述的标记系统，其特征在于，所述的图像采集设备为相机(1)。

5.按照权利要求1所述的标记系统，其特征在于，所述标记码盘(3)的直径为150mm～300mm。

6.按照权利要求1所述的标记系统，其特征在于，所述的光导装置(10)采用光学导臂、光纤或反射系统。

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