CN103821658B - 一种基于tdlas的智能激光点火装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDLAS的智能激光点火装置，包括激光点火装置、TDLAS检测装置和电子控制单元；激光点火装置用于发射脉冲激光击穿内燃机的燃烧室内油气混合物形成点火；TDLAS检测装置用于实时检测激光点火后的燃烧产物，并将检测信号输入所述电子控制单元；电子控制单元用于分析检测信号，并生成控制所述激光点火装置的点火控制信号。本发明还公开了一种基于TDLAS的智能激光点火方法，包括通过TDLAS检测装置对燃烧产物实时检测；根据检测信号和其他传感器或开关的反馈信号，对下一次激光点火的点火时间、聚焦位置和点火能量进行调节；重复上述过程直至趋近理想点火状态。通过本发明可以有效改善内燃机的激光点火性能和燃烧特性，达到节能减排的目的。

Description

一种基于TDLAS的智能激光点火装置与方法

技术领域

本发明涉及内燃机激光点火领域，特别涉及一种基于TDLAS的智能激光点火装置与方法。

背景技术

激光点火技术是一种新型的内燃机点火技术。高能脉冲激光聚焦于燃烧室内的油气混合物中，当焦点处的能量密度大于油气混合物的点火阈值时，油气混合物被激光击穿形成等离子体，并进一步实现点火过程。

激光点火技术由于其特殊的点火机理，相比于传统的电火花点火技术具有以下优势：（1）激光点火技术采用非接触式点火方式，可以有效避免电极老化、腐蚀或积碳所产生的不利影响；（2）激光点火技术的点火位置可以根据需要深入油气混合物内部，减小了传热损失，缩短了火焰行程，能够有效改善燃烧特性，达到节能减排的目的；（3）激光点火技术可以提高点火能量，扩展了稀燃界限，具有较好的适用性和稳定性。激光点火技术在内燃机点火领域具有广阔的发展前景。

目前国内外学者对内燃机激光点火装置和方法进行了较为详细的研究。如公开号为CN101463790A的专利公开了一种激光点火装置，其包括至少两个激光产生装置和一个共同的输入光学件，所述至少两个激光产生装置在运行状态中发出的激光彼此平行错开地或者彼此成角度地入射到输入光学件上和/或由输入光学件射出。该装置通过彼此独立的激光产生装置，能够实现各束激光的交替点火操作或者多点点火操作，可以有效改善点火特性和燃烧性能。又如公开号为CN102062037A的专利公开了一种可变焦距的发动机激光点火装置，其包括初级光学透镜、次级光学透镜、驱动机构以及相应的配套装置；其中所述初级光学透镜通过所述驱动机构相对于所述次级光学透镜产生位移，从而实现变焦距调节；所述驱动机构可以采用压电晶体形变、电磁铁吸附或气压方式实现位移操作。该装置能够根据不同工况需要调节激光焦点在气缸中的相对位置，对优化点火性能具有重要作用。

然而，调研国内外学者关于内燃机激光点火的研究成果，发现均只对改善点火性能提出了某种具体实施方法，并没有系统地提出完整的点火控制方法，以实现智能激光点火的目的。例如，上述两项专利中分别提出了交替点火（或多点点火）和变焦距点火的实施方法，但并没有分析如何根据不同的工况进行相应的调节，缺乏有效的点火控制方法。

目前汽车内燃机的控制系统主要采用电子控制系统，主要由传感器、电子控制器和执行器组成，传感器实时检测受控参数并生成反馈信号输入电子控制器，电子控制器接收反馈信号并经过处理生成相应的控制信号，控制信号传递给执行器完成调节过程。其中点火控制系统主要采用微机点火控制系统，主要针对不同的内燃机工况，对点火提前角进行实时修正，以保证内燃机的平稳运行。采用激光点火技术后，需要对相应的点火控制系统进行改进，因为激光点火可以灵活地控制点火时间、聚焦位置和点火能量，传统的微机点火控制系统已经不能完全满足激光点火的技术要求，需要采用新的控制方法实现对点火时间、聚焦位置和点火能量的有效控制。

本专利依据可调谐半导体激光吸收光谱技术（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy，简称TDLAS）实现了对激光点火控制方法的设计。TDLAS是利用半导体激光的波长扫描和电流调谐特性对气体进行测量的一种技术，半导体激光器具有高单色性，因此可以利用气体分子的某条特征吸收谱线对气体的吸收光谱进行测量，具有很高的灵敏度和分辨率。国内外学者已经对该技术的实现机理和应用领域进行了详细的研究，属于一种成熟的精确检测技术。TDLAS在内燃机燃烧产物的检测中具有很好的应用前景，如道路气体在线检测系统。该系统中测量设备放置在道路两旁，测量光束穿越道路后有放置于对面的发射镜反射会与光源同侧的探测器中，通过设定测量的时间间隔等参数，实现对于内燃机燃烧产物中气体污染物排放的连续在线测量。然而目前TDLAS对内燃机燃烧产物的测量主要用于对污染排放物的实时监控，根据监控结果对车辆的排放与通行进行管理，并没有提出基于TDLAS的检测结果对内燃机的运转情况进行反馈调节，TDLAS在内燃机燃烧检测方面还有更为广阔的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种智能激光点火装置及方法，能够对激光点火过程中的点火时间、聚焦位置和点火能量进行反馈调节，对于优化点火性能、改善燃烧特性和实现节能减排具有重要意义。

一种基于TDLAS的智能激光点火装置，包括激光点火装置、TDLAS检测装置和电子控制单元；

所述激光点火装置用于发射脉冲激光，击穿燃烧室内油气混合物，实现点火过程；

所述TDLAS检测装置用于实时检测激光点火后的燃烧产物，并将检测信号输入所述电子控制单元；

所述电子控制单元用于分析所述TDLAS检测装置和其他传感器或开关的反馈信号，生成点火控制信号，控制所述激光点火装置的下一次运行。

所述激光点火装置包括固体激光器和变焦装置，固体激光器发射的脉冲激光通过光纤传输至缸盖顶部，继而穿过所述变焦装置射入燃烧室内部。

所述固体激光器通过改变注入电压实时调节输出功率。

所述变焦装置嵌设在缸盖内，包括聚焦透镜和移位装置，聚焦透镜用于将脉冲激光聚焦在燃烧室内部，移位装置用于沿激光光路改变聚焦透镜的位置。

所述的TDLAS检测装置包括多个激光二极管、波分复用装置、光电探测器和信号处理器，

激光二极管用于发出检测燃烧产物的激光，

波分复用装置包括合波器和分波器，合波器用于对多个激光二极管发出的不同波长的激光进行合束，分波器用于将检测后的合束激光根据原激光波长进行分光；

光电探测器用于将分光后的激光光谱信号转换为电信号；

信号处理器用于对所述的电信号进行处理，并将处理后的检测信号输入电子控制单元。

所述激光二极管的数目根据所需检测的参数的数目确定，一般以2～5个为宜。

所述电子控制单元与所述固体激光器、所述变焦装置、所述激光二极管和所述信号处理器通过导线相互连接。

本发明还提供了一种基于TDLAS的智能激光点火方法，包括以下步骤：

1）TDLAS检测装置对燃烧产物进行实时检测，并将检测信号通过信号处理器处理后输入电子控制单元；

2）电子控制单元根据所述的检测信号，生成对固体激光器、变焦装置和激光二极管的控制信号，调节下一次激光点火的点火时间、聚焦位置和点火能量；

3）重复步骤1）和2），直至趋近理想点火状态，实现对激光点火的闭环控制。

所述TDLAS检测装置对激光点火后的燃烧产物进行实时检测，获得相应参数的检测结果，并与当前工况理想点火状态下的对应参数进行比较，若不一致，则对点火控制信号进行调整。

所述电子控制单元根据内燃机转速和曲轴位置传感器的检测信号，确定点火时刻燃烧室的尺寸大小，进而确定油气混合物的分布状况，以油气混合物的中心位置作为所述聚焦透镜的焦点位置，同时控制所述移位装置使所述聚焦透镜在油气混合物的中心位置产生聚焦，从而实现对激光点火聚焦位置的控制。

所述电子控制单元根据所述TDLAS检测装置生成的检测信号和其他传感器或开关的反馈信号，生成对所述固体激光器的点火控制信号，通过控制固体激光器的启动时间和注入电压，分别实现对激光点火时间和能量的控制。

所述电子控制单元在点火完成后，经历一定的时间延迟启动激光二极管。

与现有技术相比，本发明具有以下特点及创新点：

（1）本发明主要侧重于智能激光点火装置及方法的实现过程，对具体的点火控制方法和信号处理过程不做具体分析；

（2）本发明的最大创新点在于将TDLAS检测技术应用于激光点火过程中，对燃烧过程或燃烧产物进行实时检测，弥补了传统微机点火控制系统的不足，扩展了点火控制系统的检测和调节范围，对点火时间、聚焦位置和点火能量能够进行反馈调节，实现了智能激光点火的目的；

（3）本发明所采用的基于TDLAS的控制技术能有很好配合原汽车电子控制系统的工作原理，优化了微机点火控制系统在激光点火中的应用效果。

附图说明

图1为本发明实施例中以尾气为检测对象的基于TDLAS的智能激光点火装置示意图。

图中：1为固体激光器，2为变焦装置，3为聚焦透镜的焦点，4为燃烧室，5为进气道，6为排气道，7为波分复用装置的合波器，8为波分复用装置的分波器，9为信号处理器，10为电子控制单元，A1、A2、A3为激光二极管，D1、D2、D3为光电探测器，L1为点火光路，L2为检测光路，S1、S2、S3为电子控制单元产生的控制信号，S4为信号处理器产生的反馈信号。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，应当明白，以下仅作为例示性，并不限制本发明的范围。

如图1所示为以尾气为检测对象的基于TDLAS的智能激光点火装置示意图，包括固体激光器1，变焦装置2，燃烧室4，激光二极管A1、激光二极管A2、激光二极管A3，光电探测器D1、光电探测器D2、光电探测器D3，信号处理器9和电子控制单元10。

固体激光器1，产生并向燃烧室4发射脉冲激光，用于击穿点火；变焦装置2与点火光路L1同轴设置，用于调节脉冲激光的聚焦位置；点火光路L1沿着燃烧室4的轴心线射入，并于燃烧室中心位置附近的焦点3处产生聚焦；探测光路L2与排气道6轴心线垂直相交；TDLAS检测装置通过光纤传输检测激光，即激光二极管A1、激光二极管A2、激光二极管A3与合波器7、分波器8与光电探测器D1、光电探测器D2、光电探测器D3彼此之间用光纤相互连接；电子控制单元10与信号处理器9、固体激光器1、变焦装置2和激光二极管A1、激光二极管A2、激光二极管A3之间用导线相互连接。

在具体实施过程中，取四冲程内燃机的平均转速为3000r/min，沿排气道从排气门延伸10cm处设置检测光路L2。由于从激光点火到燃烧完成需要经历一个较短的时间间隔，检测光路L2的启动时刻相对于激光点火时刻也需要设定一个相应的时间延迟，一般以1.5ms～3.5ms为宜。变焦装置2对焦点位置的改变范围为±2.5mm。

具体实施步骤如下：电子控制单元10产生的控制信号S1启动固体激光器1以一定的功率发射脉冲激光，穿过变焦装置2于燃烧室4内焦点3处发生聚焦，进而发生击穿形成点火；在经历一点的时间延迟后，电子控制单元10产生的控制信号S3启动激光二极管A1、激光二极管A2、激光二极管A3分别以特定的波长（C：248nm、NO：1580nm、CO:1877nm）发射脉冲激光，不同波长的激光经合波器7后合为一束光穿过排气道6，然后传入分波器8中按上述特定的波长进行分光，并通过相应的光电探测器D1、光电探测器D2和光电探测器D3将光谱信号转换为电信号，再继续传入信号处理器9中，信号处理器9对传入的信号进行处理，并将处理后的信号作为反馈信号S4传入电子控制单元10；电子控制单元10综合各传感器及开关的控制信号，并包含由信号处理器9传入的反馈信号S4，生成相应的激光点火调控信号，其中通过调控信号S1控制下一次激光点火的时间和能量，通过调控信号S3控制下一次检测激光的启动时间，通过调控信号S2控制下一次激光点火的焦点位置，从而实现反馈控制；重复上述步骤直至内燃机接近理想运行状态。

本实例中通过对C、NO和CO等三条特征谱线进行检测，能够得到尾气中相应成分的浓度信号，通过与该工况下相应成分的理想浓度进行比较，可以判断点火质量的好坏，并生成相应的点火调控信号。采用TDLAS检测技术其灵敏度可达到ppm量级，响应时间可达到μs量级，能很好地与原电子控制系统协同工作，实现优化点火的目的。

Claims (10)

1.一种基于TDLAS的智能激光点火装置，用于对内燃机的燃烧室内油气混合物进行点火，其特征在于，包括激光点火装置、TDLAS检测装置和电子控制单元；

所述的激光点火装置用于发射脉冲激光击穿内燃机的燃烧室内油气混合物形成点火，所述的激光点火装置包括固体激光器和变焦装置；

所述的TDLAS检测装置用于实时检测激光点火后的燃烧产物，并将检测信号输入所述电子控制单元；

所述的电子控制单元用于分析检测信号，并生成控制所述激光点火装置的点火控制信号；通过点火控制信号控制固体激光器的激光点火时间和能量，以及根据燃烧室尺寸和油气混合物的分布状况控制所述变焦装置来调整激光点火聚焦位置。

2.如权利要求1所述的基于TDLAS的智能激光点火装置，其特征在于，固体激光器发出的脉冲激光通过光纤传输至缸盖顶部，并穿过所述的变焦装置射入燃烧室内部。

3.如权利要求2所述的基于TDLAS的智能激光点火装置，其特征在于，所述的变焦装置嵌设在缸盖内，包括聚焦透镜和移位装置，聚焦透镜用于将脉冲激光聚焦在燃烧室内部，移位装置用于沿激光光路改变聚焦透镜的位置。

4.如权利要求3所述的基于TDLAS的智能激光点火装置，其特征在于，所述的TDLAS检测装置包括多个激光二极管、波分复用装置、光电探测器和信号处理器，

激光二极管用于发出检测燃烧产物的激光，

波分复用装置包括合波器和分波器，合波器用于对多个激光二极管发出的不同波长的激光进行合束，分波器用于将检测后的合束激光根据原激光波长进行分光；

光电探测器用于将分光后的激光光谱信号转换为电信号；

信号处理器用于对所述的电信号进行处理，并将处理后的检测信号输入电子控制单元。

5.如权利要求4所述的基于TDLAS的智能激光点火装置，其特征在于，所述的激光二极管为2～5个。

6.一种基于如权利要求5中装置的智能激光点火方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)TDLAS检测装置对燃烧产物进行实时检测，并将检测信号通过信号处理器处理后输入电子控制单元；

2)电子控制单元根据所述的检测信号，生成对固体激光器、变焦装置和激光二极管的控制信号，调节下一次激光点火的点火时间、聚焦位置和点火能量；

3)重复步骤1)和2)，直至趋近理想点火状态，实现对激光点火的闭环控制。

7.如权利要求6所述的智能激光点火方法，其特征在于，所述TDLAS检测装置对激光点火后的燃烧产物进行实时检测，获得相应参数的检测结果，并与当前工况理想点火状态下的对应参数进行比较，若不一致，则对步骤2)中的控制信号进行调整。

8.如权利要求6所述的智能激光点火方法，其特征在于，所述电子控制单元根据内燃机转速和曲轴位置传感器的检测信号，确定点火时刻燃烧室的尺寸大小，进而确定油气混合物的分布状况，以油气混合物的中心位置作为所述聚焦透镜的焦点位置，同时控制所述移位装置使所述聚焦透镜在油气混合物的中心位置产生聚焦，从而实现对激光点火聚焦位置的控制。

9.如权利要求6所述的智能激光点火方法，其特征在于，所述电子控制单元根据所述TDLAS检测装置生成的检测信号，生成对所述固体激光器的点火控制信号，通过控制固体激光器的启动时间和注入电压，控制激光点火时间和能量。

10.如权利要求6所述的智能激光点火方法，其特征在于，所述的电子控制单元在点火完成后，延迟启动所述的激光二极管。