CN104833665A - 一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置，用于研究发动机缸内碳烟生成机理。Nd:YAG激光器、染料激光器配合倍频晶体组和激光反光镜组产生266nm、283nm和1064nm三束探测激光；调整倍频晶体组的角度实现三束探测激光的能量分配，三束探测激光激发多环芳香烃荧光、羟基荧光和碳烟炽光；分光镜组、滤镜组、ICCD相机组以及采集电脑组用于对环芳香烃荧光、羟基荧光和碳烟炽光信号的采集；通过激光诱导荧光法和激光诱导炽光法定性测量光学发动机缸内多环芳香烃、羟基和碳烟的浓度。本发明只需要一台Nd:YAG激光器和一台染料激光器就可实现三组分同时测量，极大的降低了测量装置的成本和操作难度。

Description

一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置

技术领域

本发明涉及测量装置领域，尤其涉及一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置，特别是光学发动机缸内燃烧过程多环芳香烃、碳烟和羟基同时测量装置。

背景技术

碳烟是内燃机燃烧过程中的有害排放产物之一，是大气污染的重要来源，为了减少内燃机的碳烟排放，需要对碳烟的生成氧化机理进行深入研究，研究表明，多环芳香烃作为碳烟的前驱物，可以看作是碳烟生成的源头，羟基作为燃油高温燃烧的标志，是碳烟氧化过程的重要自由基，因此，实现多环芳香烃、碳烟和羟基等基于时间和空间的测量可以全面记录碳烟的生成和氧化历程，对碳烟生成机理及演化过程研究、进而为寻找有效的控制方法有重要理论意义及实用价值。

激光诱导荧光法和激光诱导炽光法由于具有无干扰、分辨率高、二维测量等优点而受到重视。目前，绝大多数只能对多环芳香烃、碳烟和羟基等产物分别单独进行测量，但内燃机的燃烧过程属于非稳态湍流燃烧，同一工况下不同的发动机循环存在循环波动，因此针对发动机某一工况下分别测量这三种燃烧产物的空间分布后再研究这几种产物的空间分布规律存在较大困难，难以区分出三种物质在燃烧过程中在空间分布上的相互关系，不利于对碳烟生成机理的深入认识。

为了便于研究多环芳香烃、碳烟和羟基这三种燃烧产物在空间分布上的相互关系，有必要对三种燃烧产物进行同时测量，即同时采用三束探测激光同时测量缸内燃烧过程中同一平面上多环芳香烃、碳烟和羟基的空间分布情况，然后利用三台相机配合不同滤镜分别采集这三种中间产物的荧光信号或炽光信号。为了产生能三束探测激光并避免炽光和荧光信号之间的相互影响，需要三台Nd:YAG激光器和一台染料激光器来产生所需的三束探测激光，这极大的增加的测量装置的操作难度和成本，限制了这种多组分同时测量方法的应用。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置，本发明只需采用一台Nd:YAG激光器和一台染料激光器，就可实现多环芳香烃、碳烟和羟基的同时测量，大大降低了装置的成本和操作难度。详见下文描述：

一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置，包括：Nd:YAG激光器、倍频晶体组、染料激光器、激光反光镜组、光学发动机、ICCD相机组、滤镜组和采集电脑组，

所述Nd:YAG激光器、所述染料激光器配合所述倍频晶体组和所述激光反光镜组产生266nm、283nm和1064nm三束探测激光；

调整所述倍频晶体组的角度实现三束探测激光的能量分配，三束探测激光激发多环芳香烃荧光、羟基荧光和碳烟炽光；

所述分光镜组、所述滤镜组、所述ICCD相机组以及所述采集电脑组用于对环芳香烃荧光、羟基荧光和碳烟炽光信号的采集；

通过激光诱导荧光法和激光诱导炽光法定性测量所述光学发动机缸内多环芳香烃、羟基和碳烟的浓度。

其中，所述测量装置还包括：透镜组，

所述透镜组用于对266nm、283nm和1064nm三束探测激光进行整形，形成片状激光。

其中，所述测量装置还包括：激光延时器，所述激光延时器用于对1064nm激光的延时。

其中，所述激光延时器包括：三角形截面激光反光镜和平行四边形截面激光反光镜，

所述三角形截面激光反光镜和所述平行四边形截面激光反光镜布置在圆柱体支架内；

所述平行四边形截面激光反光镜用于入射激光和出射激光的反射，所述三角形截面激光反光镜用于增加激光光程。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)只需要一台Nd:YAG激光器和一台染料激光器就可实现三组分同时测量，极大的降低了测量装置的成本。

(2)采用激光延时器，能有效避免碳烟炽光信号对荧光信号的干扰，提高测量精度。该激光延时器结构紧凑，激光延时时间在0-56ns之间可调。

(3)该发明的测试装置操作相对简单，对光学发动机的结构改造要求降低，适用于光学发动机等非稳态湍流燃烧装置燃烧过程中羟基、多环芳香烃和碳烟的同时测量。

附图说明

图1是多环芳香烃、碳烟和羟基同时测量的装置示意图；

图2是三束探测激光时序关系示意图；

图3是激光延时器原理图；

图4是激光延时器设计图。

图中的实线连接线是电路连接，用数字表示；虚线是激光光路信息，用小写字母表示。

其中，1-Nd:YAG激光器；2-二倍频晶体；3-四倍频晶体；4-532nm激光反光镜；5-染料激光器；6-283nm激光反光镜；7-1064nm激光反光镜；8-激光延时器；9-透镜组；10-光学发动机；11-活塞顶石英窗口；12-反光镜；13-发动机电控单元；14-第一ICCD相机；15-第二ICCD相机；16-第三ICCD相机；17-第一滤镜；18-第二滤镜；19-第三滤镜；20-第一分光镜；21-第二分光镜；22-第二采集电脑；23-第三采集电脑；24-第一采集电脑；25-第一ICCD相机触发信号；26-第二ICCD相机触发信号；27-第二ICCD相机图像数据；28-第三ICCD相机图像数据；29-第一ICCD相机图像数据；30-第三ICCD相机触发信号；31-发动机喷油信号；32-数字脉冲延时器；33-Nd:YAG激光器触发信号；34-三角形截面激光反光镜；35-平行四边形截面激光反光镜。

a-1064nm激光；b-1064nm和532nm激光；c-1064nm、532nm和266nm激光；d-532nm激光；e-283nm激光；f-1064nm和266nm激光；g-266nm激光；h-1064nm激光；i-266nm激光和延时后的1064nm激光；j-1064nm、532nm和283nm激光；k-荧光和炽光信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种适用于光学发动机缸内燃烧过程中多环芳香烃、碳烟和羟基同时测量的测量装置，参见图1，由Nd:YAG激光器1、倍频晶体组(由二倍频晶体2和四倍频晶体3组成)、染料激光器5、透镜组9、激光反光镜组(由532nm激光反光镜4、283nm激光反光镜6和1064nm激光反光镜7组成)、激光延时器8(由三角形截面激光反光镜34和平行四边形截面激光反光镜35组成)、光学发动机10、ICCD(Intensified Charge Coupled Device，增强电荷耦合器件)相机组(由第一ICCD相机14、第二ICCD相机15和第三ICCD相机16组成)、滤镜组(由第一滤镜17、第二滤镜18和第三滤镜19组成)、采集电脑组(由第二采集电脑22、第三采集电脑23和第一采集电脑24组成)和数字脉冲延时器32组成。

本发明利用一台Nd:YAG激光器1和一台染料激光器配合倍频晶体组同时产生266nm、283nm和1064nm三束探测激光，，通过调整倍频晶体角度使三束激光能量达到合理分配，利用设计的激光延时器8对1064nm激光进行延时以消除碳烟炽光对羟基和多环芳香烃荧光的影响，采用三套图像采集系统配合适当的分光镜组(由第一分光镜20和第二分光镜21组成)和滤镜组对荧光信号和炽光信号进行采集。通过激光诱导荧光法和激光诱导炽光法定性测量光学发动机缸内多环芳香烃、羟基和碳烟的浓度，即用荧光或炽光的强度来表示相应组分的浓度大小。

如图1所示，利用Nd:YAG激光器1产生1064nm基频激光a，经过二倍频晶体2之后产生1064nm和532nm激光b(经二倍频晶体2后1064nm基频激光a中的一部分激光转化为532nm激光)穿过四倍频晶体3，产生1064nm、532nm和266nm激光c；

激光c中的532nm激光d经过532nm激光反光镜4反射后，532nm激光d被引入到染料激光器5，产生283nm激光e，283nm激光e经283nm激光反光镜6反射后重新进入到原光路；

激光c中的1064nm激光f穿过532nm激光反光镜4经1064nm激光反光镜7反射引入到激光延时器8内，延时后的1064nm激光h经1064nm激光反光镜7反射后重新进入到原光路；

激光c中的266nm激光穿过1064nm激光反光镜7和283nm激光反光镜6(光路传播方向没有改变)最终和延时后的283nm激光e、1064nm激光h汇合成激光j；

激光j中的266nm激光、283nm激光e和1064nm激光h的能量大小通过调整二倍频晶体2和四倍频晶体3的角度来实现，这里要求266nm激光、283nm激光e和1064nm激光h的能量分别达到30mJ/pulse、20mJ/pulse和50mJ/pulse，利用266nm激光、283nm激光e和1064nm激光h分别激发多环芳香烃荧光、羟基荧光和碳烟炽光。

激光j经透镜组9整形之后形成片状激光进入到光学发动机10的燃烧室中，三束激光(即266nm激光、283nm激光e和1064nm激光h)切入到燃烧区域产生的荧光和炽光信号k穿过活塞顶石英窗口11，经反光镜12反射，其中的多环芳香烃荧光信号经第一分光镜20反射后穿过第三滤镜19被第三ICCD相机16采集，剩余的光信号穿过第一分光镜20，其中的碳烟炽光信号经第二分光镜21反射，穿过第一滤镜17被第一ICCD相机14采集，羟基的荧光信号穿过第二分光镜21和第二滤镜18被第二ICCD相机15采集。

测量装置的时序控制如图2所示，光学发动机10由测功机倒拖处于1200转每分钟的转速，发动机电控单元13发出频率为10Hz的发动机喷油信号31触发数字脉冲延时器32，根据不同的测量曲轴转角，数字脉冲延时器32选择不同的延时时长△t，延时后的Nd:YAG激光器触发信号33触发Nd:YAG激光器1，经上述光路形成266nm，283nm激光e和1064nm激光h的三束激光，其中266nm激光由于光程最短因此激光信号最靠前；283nm激光e由于经历染料激光器5的光路，光程有一定延长，相比于266nm激光略为靠后；1064nm激光h经过了激光延时器8，设定激光延时器8的延时时长为50ns，因此1064nm激光h相比266nm激光有50ns的延时。

数字脉冲延时器32发出第三ICCD相机16触发信号30，第三ICCD相机16被触发拍摄后经一定时间延时发出第二ICCD相机触发信号26触发第二ICCD相机15，第二ICCD相机15被触发后一定时间后又发出第一ICCD相机触发信号25触发第一ICCD相机14拍摄，具体相机拍摄时刻如图2所示，第一ICCD相机14、第二ICCD相机15和第三ICCD相机16的拍摄门宽分别是50ns、30ns和30ns。

由于炽光信号相比于荧光信号较强，而且波长范围较广，荧光的寿命大约在几十纳秒，为了避免炽光信号对荧光信号的干扰，设计了激光延时器8将1064nm激光h延时50ns，使荧光被相机采集之后再激发炽光信号，激光延时器8的基本原理如图3所示，通过延长激光的传播距离来实现激光延时，Nd:YAG激光器1发出的入射激光l进入激光延时器8后经数组三角形截面激光反光镜34的反射，出射激光m的延时时间可以通过光程计算得到。

为了减小激光延时器8的体积，将三角形截面激光反光镜34和平行四边形截面激光反光镜35布置在一个圆柱体支架内，采用圆柱体的设计方案如图4所示，两种截面的激光反光镜按图示方式布置于圆柱体支架的上下两端，其中平行四边形截面激光反光镜35只有一对，用于入射激光l和出射激光m的反射，三角形截面激光反光镜34用于增加激光光程，圆柱体的底面圆直径为200mm，圆柱体高度为600mm，共由14对三角形截面激光反光镜34和1对平行四边形截面激光反光镜35组成，最大设计延时时间为56ns，减少三角形截面的对数可以减小延时时间，每减少一对延时时间减小4ns。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置，包括：Nd:YAG激光器、倍频晶体组、染料激光器、激光反光镜组、光学发动机、ICCD相机组、滤镜组和采集电脑组，其特征在于：

所述Nd:YAG激光器、所述染料激光器配合所述倍频晶体组和所述激光反光镜组产生266nm、283nm和1064nm三束探测激光；

调整所述倍频晶体组的角度实现三束探测激光的能量分配，三束探测激光激发多环芳香烃荧光、羟基荧光和碳烟炽光；

所述分光镜组、所述滤镜组、所述ICCD相机组以及所述采集电脑组用于对环芳香烃荧光、羟基荧光和碳烟炽光信号的采集；

通过激光诱导荧光法和激光诱导炽光法定性测量所述光学发动机缸内多环芳香烃、羟基和碳烟的浓度。

2.根据权利要求1所述的一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：透镜组，

所述透镜组用于对266nm、283nm和1064nm三束探测激光进行整形，形成片状激光。

3.根据权利要求1所述的一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：激光延时器，

所述激光延时器用于对1064nm激光的延时。

4.根据权利要求3所述的一种光学发动机缸内燃烧过程中多组分同时测量装置，其特征在于，所述激光延时器包括：三角形截面激光反光镜和平行四边形截面激光反光镜，

所述三角形截面激光反光镜和所述平行四边形截面激光反光镜布置在圆柱体支架内；

所述平行四边形截面激光反光镜用于入射激光和出射激光的反射，所述三角形截面激光反光镜用于增加激光光程。