CN104502112A - 一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统及方法，用以测量内燃机燃烧及喷雾特性，该系统包括红外内窥镜、红外光纤、红外滤光片、红外热像仪、数据处理器和内窥镜恒温装置，所述的红外内窥镜设置在内燃机燃烧室的探测孔上，所述的红外光纤的一端与红外内窥镜连接，另一端设有光纤镜，所述的光纤镜与红外热像仪同轴设置，所述的红外滤光片设置在光纤镜与红外热像仪之间，所述的红外热像仪与数据处理器连接，所述的内窥镜恒温装置与红外内窥镜连接。与现有技术相比，本发明具有适应无光源条件、检测效果好、方法先进等优点。

Description

一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统及方法

技术领域

本发明涉及内燃机领域，尤其是涉及一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统及方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的日益加剧，“节能减排”成为了时代的主题。然而最近几年，汽车燃油消耗在我国石油消耗中所占的比例日益增大。有资料显示，目前中国进口的原油有30％被汽车消耗，而今后汽车消耗原油量的比例将升至50％。同时它的尾气排放物，也给大气环境造成严重污染，汽车尾气排放物中有害气体主要包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NO)、颗粒物(PM)等。有资料表明，我国各大中型城市汽车尾气排放物造成空气污染占到50％左右，且对在用车检测结果来看，尾气排放不合格的车辆占被检测车的50-60％。汽车燃油的消耗和尾气排放主要和发动机燃烧室内喷雾的形成和可燃混合气的燃烧等有关，为了提高汽车燃油的利用效率和减少排放物，需要对燃烧室内的喷雾及燃烧特性进行监测，并依此为基础分析发动机的工作状态，并完善其工作条件。

为了在不牺牲燃油及经济性的基础上，进一步降低污染物排放。国内外学者针对新型的燃烧方式开展了一系列的研究。主要包括低温燃烧(LTC)和均质压燃(HCCI)。低温燃烧(LTC)其实现方法就是通过大量的废气再循环(EGR)，降低缸内的温度，同时实现较低的NOx和碳烟排放。均质压燃(HCCI)燃烧方式也是目前内燃机燃烧领域的研究热点。HCCI燃烧是一种以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式。采用HCCI燃烧方式可以同时有效降低内燃机的NOx和碳烟排放，并提高内燃机的循环热效率。

由此可见，新型燃烧方式的开发，聚焦于“多点自燃”、“低温燃烧”的核心思想，即用较高的压缩比，内部EGR，等手段实现稀薄混合气的压燃，同时采用稀释(diluted)的手段，控制缸内燃烧温度。如此，在稀燃条件下，有利于减少碳烟等颗粒物的生成，同时保证燃油的充分燃烧，优化燃油经济性，同时，较低的燃烧温度，可以大幅减少氮氧化物(NOx)的生成。而研究这些新型燃烧方式的主要手段，则是各种缸内燃烧诊断方法。

目前针对发动机缸内燃烧诊断方法主要两种：一种是基于可视化发动机的激光测量路线；另一种是基于可视化发动机的激光测量路线主要有激光粒子成像测速(PIV)、激光诱导荧光法(LIF)、二色法等等，通过这些方法灵活组合，可以得到发动机缸内流畅、或是特定组分的分布情况。其中“二色法”是常用的测量火焰中碳粒子热辐射，并算出碳粒温度，但是其局限是被测温度的须是保持较高的水平，一般需要在1800K以上，否则将会导致较高的测量误差。另一方面，可视化发动机本身具有较大的工况局限，由于可视化窗口和加长活塞的存在，使得发动机只能工作在低速、低负荷的工况下，这与发动机实际工作状态差距较大。

基于缸内内窥镜的可见光测量路线，避免了可视化发动机工况局限的问题，通过在真实的发动机上安装探头，对发动机本身改动较小。但是基于可见光的内窥镜，只能看到燃烧的高温阶段，对于HCCI、LTC等低温燃烧方式，由于较低的温度，使得其燃烧过程几乎很少辐射处可见光，因此局限了其测量诊断效果。

基于上述燃烧诊断方法的局限性，本发明提出一种基于红外辐射的燃烧诊断系统。任何物质在绝对0度以上都会发出红外辐射，如果能够探测燃烧室内气相或液相物质发出的红外辐射，并把红外辐射能量信号转化为电信号，并在此基础上经过后续算法，则可以得到内燃机各个工况下的燃烧室内温度场分布、低温放热区域的空间分布、碳烟及氮氧化物生成区域分布等特性。为新型燃烧方式的研究提供测量手段。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适应无光源条件、检测效果好、方法先进的基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统，用以测量内燃机燃烧及喷雾特性，包括红外内窥镜、红外光纤、红外滤光片、红外热像仪、数据处理器和内窥镜恒温装置，所述的红外内窥镜设置在内燃机燃烧室的探测孔上，所述的红外光纤的一端与红外内窥镜连接，另一端设有光纤镜，所述的光纤镜与红外热像仪同轴设置，所述的红外滤光片设置在光纤镜与红外热像仪之间，所述的红外热像仪与数据处理器连接，所述的内窥镜恒温装置与红外内窥镜连接。

所述的红外内窥镜包括入水口、出水口、探管和蓝宝石镜片，所述的探管内部设有中心通路和换热腔，所述的换热腔设置在中心通路的外围，所述的蓝宝石镜片设置在中心通路内部，所述的入水口和出水口分别与换热腔和内窥镜恒温装置连接。

所述的内窥镜恒温装置包括水泵、热交换器、温度控制器和温度探测器，所述的水泵分别与出水口和热交换器的入口连接，所述的热交换器的出口与入水口连接，所述的温度探测器设有两个，分别设置在热交换器的出口和入口上，所述的温度控制器与温度探测器连接。

所述的红外滤光片包括4.20-4.35μm带通滤光片、2.65-2.80μm带通滤光片和/或3.90μm带通滤光片。

所述的蓝宝石镜片数量为4-6片，材料为AL₂O₃单晶。

一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)红外内窥镜接收内燃机气缸内燃烧产生的红外辐射，并通过内窥镜恒温装置使红外内窥镜保持恒温；

2)红外内窥镜将接收到的红外辐射通过红外光纤传输，并在另一端的光纤镜放大；

3)放大后的红外辐射在经过滤光片后，得到单一波长的红外辐射，并进入热像仪成像；

4)数据处理器根据红外热像仪的输出图像进行处理最终得到气缸内部的燃烧特性。

所述的内窥镜恒温装置通过水泵将流出红外内窥镜的高温水流泵入到热交换器中，并在热交换器进行热交换后得到低温水，再流入红外内窥镜的探管内，所述的温度探测器获取热交换器输入和输出端水的温度，并将温度数据传入温度控制器，温度控制器根据温度数据控制水泵的流速，从而完成一次换热循环。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、适应无光源条件，可在没有外界光源的情况下，对视场较暗的内燃机气缸内的燃烧进行光学诊断，尤其是剧烈燃烧前的喷雾阶段，和低温反应阶段。

二、检测效果好，由于燃烧过程中产生的颗粒物的红外辐射要远远强于一般气体组分，所以可用于燃烧过程中颗粒物(PM)生成与分布区域的检测，为燃烧优化提供依据。

三、方法先进，根据红外热辐射的强度，可以同时得到燃烧过程的温度场及其变化过程。为氮氧化物(NOx)等其他污染排放的控制提供条件。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为红外内窥镜的剖视图。

图3为红外内窥镜结构示意图。

图4为红外内窥镜在燃烧室上的设置图。

图5为视场为90°的成像物镜光路图。

图6为传向系统光路图。

其中：1、红外内窥镜，2、红外光纤，3、红外滤光片，4、红外热像仪，5、数据处理器，6、内窥镜恒温装置，11、入水口，12、出水口，13、探管，14、蓝宝石镜片，21、光纤镜，61、水泵，62、热交换器，63、温度控制器，64、温度探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统，用以测量内燃机燃烧及喷雾特性的测量，包括红外内窥镜1、红外光纤2、红外滤光片3、红外热像仪4、数据处理器5和内窥镜恒温装置6，红外内窥镜1设置在内燃机燃烧室的探测孔上，红外光纤2的一端红外内窥镜1连接，另一端设有光纤镜21，光纤镜21与红外热像仪4的输入端正对，红外滤光片3设置在光纤镜21与红外热像仪4之间，红外热像仪4与数据处理器5连接，数据处理器5可以将红外热像仪4获得的电信号进行程序处理，从而得内燃机各个工况下的燃烧室内温度场分布、低温放热区域的空间分布、碳烟及氮氧化物生成区域分布等特性，内窥镜恒温装置6与红外内窥镜1连接，

红外滤光片3包括4.20-4.35μm带通滤光片、2.65-2.80μm带通滤光片和/或3.90μm带通滤光片，红外热像仪4镜头前配有特定红外波段的滤光片3用于滤过不同波段的红外辐射。含碳火焰带通滤光片允许4.20-4.35μm的红外波段通过，可以通过这段波长的红外辐射探测火焰表面热辐射，同样也可以通过滤掉这段波长的红外辐射探测非火焰热表面热辐射，尤其喷雾热辐射，H₂O带通滤光片允许2.65-2.80μm的红外波段通过，可以通过这段波长的红外辐射探测氢气火焰热辐射。此外，通过滤片的灵活组合还可以进行其他所需物质的探测。

红外内窥镜1为了克服缸体温度对红外辐射的干扰，采用了水冷的方式，使其温度保持恒定，内窥镜恒温装置6包括水泵61、热交换器62、温度控制器63和温度探测器64，水泵61分别与出水口12和热交换器62的入口连接，热交换器62的出口与入水口11连接，作用是将从出水口12输出的高温水变成用于冷却红外内窥镜1的低温水，温度控制器63与温度探测器64连接，温度探测器64分别设置在热交换器62的出口和入口上。

温度探测器64分别与热交换器62的进水口与出水口相连，用于测量热交换器62的进水口与出水口的水温，并且把相应的信号送给温度控制器63，温度控制器63是一块集成数字输出与模拟输入的单片机，接收热交换器62的进水口与出水口的水的温度信号，并且根据温度信号控制水泵61的转速。

如图2和图3所示，红外内窥镜1包括入水口11，出水口12、探管13和蓝宝石镜片14，探管13内部设有中心通路，蓝宝石镜片14设置在中心通路内部，入水口11和出水口12设置在探管13下部，并且在探管13内的头部连通，入水口11和出水口12分别与内窥镜恒温装置6连接，蓝宝石镜片14数量为4-6片，材料为AL₂O₃单晶。

如图4所示，红外内窥镜1通过燃烧室上的小孔固定于燃烧室上，红外内窥镜1不仅仅可以随着小孔位置的改变而改变，角度也可以根据不同需求而变，红外内窥镜1探入燃烧室，接收来自燃烧室内物质发出的红外辐射。

红外内窥镜1的光路主要有两部分组成：成像物镜和传向系统。

成像物镜：

如图5所示，成像物镜由3～4片镜片组成视场，用于控制内窥镜的观察角度和像的获取。其中左边第一块镜片采用以蓝宝石单晶为材料的镜片，比保证其较高的机械强度和抗冲击性能。后面几块镜片采用碲镉汞(Hg-Cd-Te)或者多晶锗等材料，以保证较高的红外透过率。

传向系统：

如图6所示，由三到四组胶合镜组构成，达到像的传递作用。间距和总长可具体内窥镜的使用情况调整设计，采用碲镉汞(Hg-Cd-Te)或者多晶锗等材料，以保证较高的红外透过率，采用胶合镜可防止因反射而引起光量损失，防止闪光及幻影的产生。

一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量方法，包括以下步骤：

1)红外内窥镜接收内燃机气缸内燃烧产生的红外辐射，并通过内窥镜恒温装置使红外内窥镜保持恒温；

2)红外内窥镜将接收到的红外辐射通过红外光纤传输，并在另一端的光纤镜放大；

3)放大后红的红外辐射在经过滤光片后，得到单一波长的红外辐射，并进入热像仪成像；

4)数据处理器根据红外热像仪的输出图像进行处理最终得到气缸内部的燃烧特性。

其中基于红外辐射的测温原理是根据斯特凡-波茲曼定律(Stefan-Boltzmannlaw)，一个黑体表面单位面积辐射的能量功率M与黑体本身热力学温度T的关系：

M＝σ·T⁴

红外热像仪4中的MCT(碲镉汞)传感器，会把热辐射能量转化为电压信号，考虑到实际被测物质不是理想黑体，并且最终辐射会受到环境热辐射和探测器热辐射的影响，最终公式修正为：

$U=C\·[\mathrm{\ϵ}\·T_{\mathrm{obj}}^4+(1-\mathrm{\ϵ})\·T_{\mathrm{amb}}^4-T_{\mathrm{dev}}^4]$

其中U为测量电压信号，T_obj为被测物体温度，T_amb为背景温度，T_dev为为探测器温度，C为修正常数，ε为被测物体辐射率。

依据前述，本实施例除了进行燃烧室内的温度分布测量，还可以根据相应的热辐射图像，进一步分析内燃机的燃烧特性和喷雾特性，比如燃烧产物C颗粒，NO_x，CO₂的生成区域，缸内喷雾锥角、贯穿距和燃油蒸发后气相分布区域等。

值得注意的是，本发明的方法也可以用于除内燃机燃烧特性、喷雾特性诊断之外的其他用途，例如定容弹、快速压缩机、激波管和燃烧弹的工作状态诊断。

当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用于对本发明的限定，只要是在本发明方法的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的精确范围内。

Claims (7)

1.一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统，用以测量内燃机燃烧及喷雾特性，其特征在于，包括红外内窥镜(1)、红外光纤(2)、红外滤光片(3)、红外热像仪(4)、数据处理器(5)和内窥镜恒温装置(6)，所述的红外内窥镜(1)设置在内燃机燃烧室的探测孔上，所述的红外光纤(2)的一端与红外内窥镜(1)连接，另一端设有光纤镜(21)，所述的光纤镜(21)与红外热像仪(4)同轴设置，所述的红外滤光片(3)设置在光纤镜(21)与红外热像仪(4)之间，所述的红外热像仪(4)与数据处理器(5)连接，所述的内窥镜恒温装置(6)与红外内窥镜(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统，其特征在于，所述的红外内窥镜(1)包括入水口(11)、出水口(12)、探管(13)和蓝宝石镜片(14)，所述的探管(13)内部设有中心通路和换热腔，所述的换热腔设置在中心通路的外围，所述的蓝宝石镜片(14)设置在中心通路内部，所述的入水口(11)和出水口(12)分别与换热腔和内窥镜恒温装置(6)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统，其特征在于，所述的内窥镜恒温装置(6)包括水泵(61)、热交换器(62)、温度控制器(63)和温度探测器(64)，所述的水泵(61)分别与出水口(12)和热交换器(62)的入口连接，所述的热交换器(62)的出口与入水口(11)连接，所述的温度探测器(64)设有两个，分别设置在热交换器(62)的出口和入口上，所述的温度控制器(63)与温度探测器(64)连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统，其特征在于，所述的红外滤光片(3)包括4.20-4.35μm带通滤光片、2.65-2.80μm带通滤光片和/或3.90μm带通滤光片。

5.根据权利要求2所述的一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统，其特征在于，所述的蓝宝石镜片(14)数量为4-6片，材料为AL₂O₃单晶。

6.一种应用如权利要求1-5任一项所述的基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)红外内窥镜接收内燃机气缸内燃烧产生的红外辐射，并通过内窥镜恒温装置使红外内窥镜保持恒温；

2)红外内窥镜将接收到的红外辐射通过红外光纤传输，并在另一端的光纤镜放大；

3)放大后的红外辐射在经过滤光片后，得到单一波长的红外辐射，并进入热像仪成像；

4)数据处理器根据红外热像仪的输出图像进行处理最终得到气缸内部的燃烧特性。

7.根据权利要求6所述的一种基于红外辐射的内燃机燃烧特性测量方法，其特征在于，所述的内窥镜恒温装置通过水泵将流出红外内窥镜的高温水流泵入到热交换器中，并在热交换器进行热交换后得到低温水，再流入红外内窥镜的探管内，所述的温度探测器获取热交换器输入和输出端水的温度，并将温度数据传入温度控制器，温度控制器根据温度数据控制水泵的流速，从而完成一次换热循环。