CN106404410B - 一种同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柴油喷雾、燃烧可视化研究领域，公开一种基于激光诊断技术的同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的测量装置及方法。以往无论是针对柴油的喷雾特性还是燃烧特性的试验研究这两者都不能够同时进行。本发明利用激光的米氏散射技术及激光诱导荧光技术（OH‑PLIF）实现对柴油燃烧时的喷雾结构和燃烧特性的同时测量研究。相应装置包括：激光系统、定容燃烧弹系统、燃油供给系统、信号同步系统、信号采集系统。该试验装置可以同时开展燃烧情况下柴油喷雾的液相长度及OH‑PLIF的分布的试验研究，同时能够标示出柴油燃烧OH‑PLIF分布图中液相区域，解决液相信号对激光诱导荧光信号的干扰问题。
Description
技术领域
本发明属于柴油喷雾、燃烧可视化研究领域，特指在利用激光的米氏散射技术来测量燃烧情况下的喷雾液相，同时利用激光诱导荧光技术（OH-PLIF）实现对柴油燃烧时OH-PLIF分布的同步测量的试验装置及方法。
背景技术
为了保护环境和方便人们的生活，内燃机的喷雾、燃烧、排放特性持续受到研究者的关注。喷雾燃烧是内燃机工作循环中重要的环节。在当代的直喷柴油机中喷雾与燃烧也是最为复杂的的过程之一。为了研究内燃机的喷雾燃烧特性提高内燃机的性能同时降低内燃机的污染物的排放，对内燃机喷雾燃烧的可视化研究显得尤为重要。研究人员采用了以波长为532nm的激光米氏散射技术对柴油喷雾特性进行研究及采用激光诱导OH荧光（OH-PLIF）技术对柴油喷雾燃烧时的OH分布进行研究，但是在燃烧的条件下由于火焰燃烧时产生的辉光亮度太强，会干扰激光的米氏散射信号，造成燃烧时液相分布与火焰分布之间无法区分，同时由于在532nm附近的激光的散射光太强造成对OH荧光信号分布的测量的干扰，又造成OH-PLIF信号分布存在液相的干扰信号。因此为了解决两者的相互干扰问题，必须对激光的诊断技术进行优化。本发明公开了一种在燃烧情况下实现对喷雾液相和OH-PLIF信号的同时测量的方法。
发明内容
为了更好的研究内燃机的喷雾与燃烧特性本发明提供了一种在燃烧情况下实现对喷雾液相和OH-PLIF信号的同时测量的装置及方法。
本发明采用的技术方案为：
一种基于激光诊断技术的同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的装置，该装置包括激光系统、定容燃烧弹系统、燃油供给系统、信号同步系统、信号采集系统；信号采集系统的计算机通过信号同步系统与激光系统、燃油供给系统、信号采集系统相连，并控制激光系统、燃油供给系统、信号采集系统；其中：
所述激光系统中包括片光棱镜系统、二向色低通分光镜、反射镜Ⅰ、染料激光器、反光镜Ⅱ、二向色高通分光镜I、泵浦激光器；
所述定容燃烧弹系统包括定容燃烧弹主体；
所述燃油供给系统包括高压共轨管、高压油管、高压油泵、电机、喷油器；燃油供给系统通过电机驱动高压油泵并经高压共轨管为喷油器提供高的喷射压力；
所述信号同步系统为BNC信号同步器；
所述信号采集系统包括二向色高通分光镜II，OH带通滤光片、355nm带通滤光片、ICCD相机Ⅰ、ICCD相机Ⅱ、及计算机；
其中，计算机通过BNC信号同步器与ICCD相机Ⅰ、ICCD相机Ⅱ、染料激光器、泵浦激光器、高压共轨管、高压油泵电性连接；并控制各个系统之间的信号同步与延迟；
所述定容燃烧弹主体的上端安装有喷油器，所述喷油器通过高压油管与高压共轨管连接，所述高压共轨管与高压油泵连接，高压油泵与电机连接；
在所述定容燃烧弹主体的视窗A外放置片光棱镜系统，片光棱镜系统的另一侧依次设有染料激光器，泵浦激光器，其中，片光棱镜系统和染料激光器之间设有二向色低通分光镜，染料激光器和泵浦激光器之间设有二向色高通分光镜I，同时保证由泵浦激光器发出的激光直接照射在二向色高通分光镜上；二向色低通分光镜和二向色高通分光镜I的上端均向染料激光器倾斜；二向色高通分光镜I的正上方设有反光镜Ⅱ且两者平行，二向色低通分光镜的正上方设有反射镜Ⅰ且两者平行；同时保证由二向色高通分光镜I引出的激光先后通过反光镜Ⅱ和反射镜Ⅰ发射到分光镜上并保证与染料激光器发出的激光器发出的激光合束；合束后的激光通过片光棱镜系统转化为一束片光射入定容燃烧弹主体内并垂直照射在燃油喷雾及火焰上；
定容燃烧弹主体还设有视窗B，所述视窗B与视窗A垂直布置，
在定容燃烧弹主体的视窗B外依次放置二向色高通分光镜II，ICCD相机Ⅱ，所述视窗B、二向色高通分光镜II、ICCD相机Ⅱ在一条直线上；二向色高通分光镜II的另一侧设有ICCD相机Ⅰ；二向色高通分光镜布置在两相机正交交点上并与两个ICCD相机同时呈45°角。
其中，二向色高通分光镜II、ICCD相机Ⅱ之间设有355nm带通滤光片，二向色高通分光镜II和ICCD相机Ⅰ之间设有OH带通滤光片；
二向色高通分光镜II镀膜一侧面向定容燃烧弹主体和ICCD相机Ⅰ倾斜设置；
由定容弹内发出的光线通过二向色高通分光镜II分别引入到两个ICCD相机前，并由两个ICCD相机拍摄，两个相机通过信号同步器与计算机相连，并由计算机控制。
所述二向色低通分光镜和二向色高通分光镜I的上端均向染料激光器倾斜45︒。
所述片光棱镜系统将柱形光束转化为片状光束。
所述二向色低通分光镜能够高反355nm激光同时高透OH-PLIF激发激光，并将两束激光合束。
所述染料激光器能够将532nm激光调谐为OH-PLIF激发激光。
所述二向色高通分光镜能够高反射355nm激光，同时高透过532nm激光。
所述泵浦激光器能同时发出532nm和355nm的一束激光。
所述二向色高通分光镜能够高反射OH-PLIF荧光同时保证355nm激光的高透。
所述定容燃烧弹主体能够提供高温高压的试验环境。
所述OH带通滤光片能够滤除OH荧光之外的其他干扰光。
所述355nm带通滤光片能够滤除除喷雾液相散射光之外的其余干扰光。
所述各个器件固定直接或通过支架固定在光学平台上。
一种基于激光诊断技术的同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的方法，本发明利用泵浦激光器发出的355nm波长的激光的米氏散射技术来测量燃烧情况下的喷雾液相，同时利用OH激光诱导荧光技术（OH-PLIF）实现对柴油燃烧时OH-PLIF分布的测量。
本发明所述装置的工作流程具体为：
A、燃油供给系统通过计算机控制改变高压共轨管的喷油轨压、喷油脉宽、喷油延迟、喷油周期、喷油次数；
B、信号同步系统中BNC信号同步器使喷油、激光激发、信号采集系统时序同步，并通过计算机控制所有系统的同步运行；
C、激光系统的泵浦激光器同时激发出532nm波长激光和355nm波长激光，所述532nm波长激光穿过二向色高通分光镜I，经染料激光器调谐后输出OH-PLIF激发激光；所述355nm波长激光经二向色高通分光镜I、反射镜Ⅱ和反射镜Ⅰ、二向色低通分光镜的反射与染料激光器发出的OH-PLIF激发激光合束、再经过片光棱镜系统转化为一束激光片光，然后射入定容燃烧弹内，并垂直照射在燃油喷雾及火焰上；
D、所述一束激光片光照射在喷雾的液相上发生米氏散射，其中的355nm的散射光穿过定容燃烧弹视窗及二向色高通分光镜II，经过355nm液相带通滤光片的对其他波长干扰光的滤除作用后，最后经由正交放置的ICCD II相机捕获，实现对燃烧情况下喷雾液相的拍摄；
其中,OH-PLIF激发激光，诱导产生OH-PLIF荧光，OH-PLIF荧光穿过定容燃烧弹视窗，经二向色高通分光镜的反射并经OH滤光片滤除碳烟等的干扰光后，最后由ICCD相机捕获，实现对柴油燃烧时OH-PLIF的拍摄。
本发明的有益效果是：
本发明基于激光诊断技术的同时测量喷雾结构及燃烧特性的装置及方法，其利用355nm波长的激光的米氏散射技术来测量燃烧情况下的喷雾液相，有效减弱液相信号在该波段的受到来自碳烟辐射干扰；利用OH激光诱导荧光技术（OH-PLIF）实现对柴油燃烧时OH-PLIF分布的同时测量。该方法亦可以实现对柴油燃烧OH-PLIF分布图中液相区域的分辨，解决液相信号与激光诱导荧光信号的相互干扰的问题。对内燃机燃烧系统的开发有推动作用。
附图说明
图1是碳烟在不同温度下的不同波段的黑体辐射强度曲线；
图2是本发明基于激光诊断技术的同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的装置的布置示意图；
图3是图2中光路示意图；
附图标记说明：
1-高压共轨管，2-高压油管，3-片光棱镜系统，4-二向色低通分光镜，5-反射镜Ⅰ，6-OH-PLIF激发激光，7-高压油泵，8-电机，9-355nm波长激光，10-染料激光器，11-反射镜Ⅱ，12-二向色高通分光镜Ⅰ，13-泵浦激光器，14-计算机，15-532nm波长激光，16-线束，17-BNC信号同步器，18-ICCD相机Ⅰ，19-OH带通滤光片，20-OH-PLIF荧光，21-ICCD相机Ⅱ，22-355nm带通滤光片，23-二向色高通分光镜Ⅱ，24-定容燃烧弹主体，25-喷油器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明是一种在燃烧情况下实现对喷雾液相和OH-PLIF信号的同时测量的装置及方法。其结构示意图如图2所示。
一种基于激光诊断技术的同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的装置，该装置包括激光系统、定容燃烧弹系统、燃油供给系统、信号同步系统、信号采集系统；信号采集系统的计算机通过信号同步系统与激光系统、燃油供给系统、信号采集系统相连，并控制激光系统、燃油供给系统、信号采集系统；其中：
所述激光系统中包括片光棱镜系统3、二向色低通分光镜4、反射镜Ⅰ5、染料激光器10、反光镜Ⅱ11、二向色高通分光镜I12、泵浦激光器13；
所述定容燃烧弹系统包括定容燃烧弹主体24；
所述燃油供给系统包括高压共轨管1、高压油管2、高压油泵7、电机8、喷油器25；燃油供给系统通过电机8驱动高压油泵7并经高压共轨管1为喷油器25提供高的喷射压力；
所述信号同步系统为BNC信号同步器17；
所述信号采集系统包括二向色高通分光镜II23，OH带通滤光片19、355nm带通滤光片22、ICCD相机Ⅰ18、ICCD相机Ⅱ21、及计算机14；
其中，计算机通过BNC信号同步器与ICCD相机Ⅰ18、ICCD相机Ⅱ21、染料激光器10、泵浦激光器13、高压共轨管1、高压油泵7电性连接；并控制各个系统之间的信号同步与延迟；
所述定容燃烧弹主体24的上端安装有喷油器25，所述喷油器25通过高压油管2与高压共轨管1连接，所述高压共轨管1与高压油泵7连接，高压油泵7与电机8连接；
在所述定容燃烧弹主体24的视窗A外放置片光棱镜系统3，片光棱镜系统3的另一侧依次设有染料激光器10，泵浦激光器13，其中，片光棱镜系统3和染料激光器10之间设有二向色低通分光镜4，染料激光器10和泵浦激光器13之间设有二向色高通分光镜I12，同时保证由泵浦激光器13发出的激光直接照射在二向色高通分光镜12上；二向色低通分光镜4和二向色高通分光镜I12的上端均向染料激光器10倾斜；二向色高通分光镜I12的正上方设有反光镜Ⅱ11且两者平行，二向色低通分光镜4的正上方设有反射镜Ⅰ5且两者平行；同时保证由二向色高通分光镜I12引出的激光先后通过反光镜Ⅱ11和反射镜Ⅰ5发射到分光镜4上并保证与染料激光器10发出的激光器发出的激光合束；合束后的激光通过片光棱镜系统3转化为一束片光射入定容燃烧弹主体24内并垂直照射在燃油喷雾及火焰上；
定容燃烧弹主体24还设有视窗B，所述视窗B与视窗A垂直布置，
在定容燃烧弹主体24的视窗B外依次放置二向色高通分光镜II23，ICCD相机Ⅱ21，所述视窗B、二向色高通分光镜II23、ICCD相机Ⅱ21在一条直线上；二向色高通分光镜II23的另一侧设有ICCD相机Ⅰ18；二向色高通分光镜23布置在两相机正交交点上并与两个ICCD相机同时呈45°角。
其中，二向色高通分光镜II23、ICCD相机Ⅱ21之间设有355nm带通滤光片22，二向色高通分光镜II23和ICCD相机Ⅰ18之间设有OH带通滤光片19；
二向色高通分光镜II23镀膜一侧面向定容燃烧弹主体24和ICCD相机Ⅰ18倾斜设置；
由定容弹内发出的光线通过二向色高通分光镜II23分别引入到两个ICCD相机前，并由两个ICCD相机拍摄，两个相机通过信号同步器17与计算机相连，并由计算机14控制。
所述二向色低通分光镜4和二向色高通分光镜I12的上端均向染料激光器10倾斜45︒。
一种基于激光诊断技术的同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的方法，本发明利用泵浦激光器13发出的355nm9波长的激光的米氏散射技术来测量燃烧情况下的喷雾液相，同时利用OH激光诱导荧光技术OH-PLIF实现对柴油燃烧时OH-PLIF分布的测量。
本发明所述装置的工作流程具体为：
A、燃油供给系统通过计算机14控制改变高压共轨管1的喷油轨压、喷油脉宽、喷油延迟、喷油周期、喷油次数；
B、信号同步系统中BNC信号同步器17使喷油、激光激发、信号采集系统时序同步，并通过计算机14控制所有系统的同步运行；
C、激光系统的泵浦激光器13同时激发出532nm波长激光15和355nm波长激光9，所述532nm波长激光15穿过二向色高通分光镜I12，经染料激光器10调谐后输出OH-PLIF荧光的激发激光6；所述355nm波长激光9经二向色高通分光镜I12、反射镜Ⅱ11和反射镜Ⅰ5、二向色低通反射镜分光镜4的反射与染料激光器10发出的OH-PLIF激发激光6合束、再经过片光棱镜系统3整合转化为一束激光片光，然后射入定容燃烧弹24内，并垂直照射在燃油喷雾及火焰上；
D、所述一束激光片光照射在喷雾的液相上发生米氏散射，其中的355nm的散射光穿过定容燃烧弹视窗及二向色高通分光镜II23，经过355nm液相带通滤光片22的对其他波长干扰光的滤除作用后，最后经由正交放置的ICCD II21相机捕获，实现对燃烧情况下喷雾液相的拍摄；
其中,OH-PLIF激发激光6，诱导产生OH-PLIF荧光20，OH-PLIF荧光20穿过定容燃烧弹视窗，经二向色高通分光镜23的反射及并经OH滤光片19滤除碳烟等的干扰光后，最后由ICCD相机18捕获，实现对柴油燃烧时OH-PLIF的拍摄。
由图1中可以看出在355nm波段附近碳烟的辐射强度很弱，所以在此波段利用355nm的激光的米氏散射对燃烧时喷雾液相的测量可以很容易消除碳烟辐射的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的装置，其特征在于，该装置包括激光系统、定容燃烧弹系统、燃油供给系统、信号同步系统、信号采集系统；信号采集系统的计算机通过信号同步系统与激光系统、燃油供给系统、信号采集系统相连，并控制激光系统、燃油供给系统、信号采集系统；其中：
所述激光系统中包括片光棱镜系统(3)、二向色低通分光镜(4)、反射镜Ⅰ(5)、染料激光器(10)、反光镜Ⅱ(11)、二向色高通分光镜I(12)、泵浦激光器(13)；
所述定容燃烧弹系统包括定容燃烧弹主体(24)；
所述燃油供给系统包括高压共轨管(1)、高压油管(2)、高压油泵(7)、电机(8)、喷油器(25)；燃油供给系统通过电机(8)驱动高压油泵(7)并经高压共轨管(1)为喷油器(25)提供高的喷射压力；
所述信号同步系统为BNC信号同步器(17)；
所述信号采集系统包括二向色高通分光镜II(23)，OH带通滤光片(19)、355nm带通滤光片(22)、ICCD相机Ⅰ(18)、ICCD相机Ⅱ(21)、及计算机(14)；
其中，计算机通过BNC信号同步器与ICCD相机Ⅰ(18)、ICCD相机Ⅱ(21)、染料激光器(10)、泵浦激光器(13)、高压共轨管(1)、高压油泵(7)电性连接；并控制各个系统之间的信号同步与延迟；
所述定容燃烧弹主体(24)的上端安装有喷油器(25)，所述喷油器(25)通过高压油管(2)与高压共轨管(1)连接，所述高压共轨管(1)与高压油泵(7)连接，高压油泵(7)与电机(8)连接；
在所述定容燃烧弹主体(24)的视窗A外放置片光棱镜系统(3)，片光棱镜系统(3)的另一侧依次设有染料激光器(10)，泵浦激光器(13)，其中，片光棱镜系统(3)和染料激光器(10)之间设有二向色低通分光镜(4)，染料激光器(10)和泵浦激光器(13)之间设有二向色高通分光镜I(12)，同时保证由泵浦激光器(13)发出的激光直接照射在二向色高通分光镜(12)上；二向色低通分光镜(4)和二向色高通分光镜I(12)的上端均向染料激光器(10)倾斜；二向色高通分光镜I(12)的正上方设有反光镜Ⅱ(11)且两者平行，二向色低通分光镜(4)的正上方设有反射镜Ⅰ(5)且两者平行；同时保证由二向色高通分光镜I(12)引出的激光先后通过反光镜Ⅱ(11)和反射镜Ⅰ(5)发射到分光镜(4)上并保证与染料激光器(10)发出的激光器发出的激光合束；合束后的激光通过片光棱镜系统(3)转化为一束片光射入定容燃烧弹主体(24)内并垂直照射在燃油喷雾及火焰上；
定容燃烧弹主体(24)还设有视窗B，所述视窗B与视窗A垂直布置，
在定容燃烧弹主体(24)的视窗B外依次放置二向色高通分光镜II(23)，ICCD相机Ⅱ(21)，所述视窗B、二向色高通分光镜II(23)、ICCD相机Ⅱ(21)在一条直线上；二向色高通分光镜II(23)的另一侧设有ICCD相机Ⅰ(18)；二向色高通分光镜(23)布置在两相机正交交点上并与两个ICCD相机同时呈45°角；
其中，二向色高通分光镜II(23)、ICCD相机Ⅱ(21)之间设有355nm带通滤光片(22)，二向色高通分光镜II(23)和ICCD相机Ⅰ(18)之间设有OH带通滤光片(19)；
二向色高通分光镜II(23)镀膜一侧面向定容燃烧弹主体(24)和ICCD相机Ⅰ(18)倾斜设置；
由定容弹内发出的光线通过二向色高通分光镜II(23)分别引入到两个ICCD相机前，并由两个ICCD相机拍摄，两个相机通过信号同步器(17)与计算机相连，并由计算机(14)控制。
2.根据权利要求1所述的一种同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的装置，其特征在于，所述二向色低通分光镜(4)和二向色高通分光镜I(12)的上端均向染料激光器(10)倾斜45°。
3.根据权利要求1所述的一种同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的装置，其特征在于，
所述片光棱镜系统(3)将柱形光束转化为片状光束；
所述二向色低通分光镜(4)能够高反355nm激光同时高透OH-PLIF激发激光，并将两束激光合束；
所述染料激光器(10)能够将532nm激光调谐为OH-PLIF激发激光；
所述二向色高通分光镜(12)能够高反射355nm激光，同时高透过532nm激光；
所述泵浦激光器(13)能同时发出532nm(15)和355nm(9)的一束激光；
所述二向色高通分光镜(23)能够高反射OH-PLIF荧光同时保证355nm激光的高透；
所述定容燃烧弹主体(24)能够提供高温高压的试验环境；
所述OH带通滤光片(19)能够滤除OH荧光之外的其他干扰光；
所述355nm带通滤光片(22)能够滤除除喷雾液相散射光之外的其余干扰光。
4.根据权利要求1所述的一种同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的装置，其特征在于，所述各个器件固定直接或通过支架固定在光学平台上。
5.根据权利要求1所述的一种同时测量柴油喷雾结构及燃烧特性的装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、燃油供给系统通过计算机(14)控制改变高压共轨管(1)的喷油轨压、喷油脉宽、喷油延迟、喷油周期、喷油次数；
B、信号同步系统中BNC信号同步器(17)使喷油、激光激发、信号采集系统时序同步，并通过计算机(14)控制所有系统的同步运行；
C、激光系统的泵浦激光器(13)同时激发出532nm波长激光(15)和355nm波长激光(9)，所述532nm波长激光(15)穿过二向色高通分光镜I(12)，经染料激光器(10)调谐后输出OH-PLIF激发激光(6)；所述355nm波长激光(9)经二向色高通分光镜I(12)、反射镜Ⅱ(11)和反射镜Ⅰ(5)、二向色低通分光镜(4)的反射与染料激光器(10)发出的OH-PLIF激发激光(6)合束、再经过片光棱镜系统(3)转化为一束激光片光，然后射入定容燃烧弹(24)内，并垂直照射在燃油喷雾及火焰上；
D、所述一束激光片光照射在喷雾的液相上发生米氏散射，其中的355nm的散射光穿过定容燃烧弹视窗及二向色高通分光镜II(23)，经过355nm液相带通滤光片(22)的对其他波长干扰光的滤除作用后，最后经由正交放置的ICCD II(21)相机捕获，实现对燃烧情况下喷雾液相的拍摄；
其中，OH-PLIF激发激光(6)，诱导产生OH-PLIF荧光(20)，OH-PLIF荧光(20)穿过定容燃烧弹视窗，经二向色高通分光镜(23)的反射并经OH滤光片(19)滤除碳烟的干扰光后，最后由ICCD相机(18)捕获，实现对柴油燃烧时OH-PLIF的拍摄。
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