CN111077046A - 一种适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统，包括高强度LED阵列光源、狭缝、平面镜、凸透镜、分光镜、定容弹、半球形反光镜涂层、多孔喷油器、刀口、高速相机，高强度LED阵列发出的光线经狭缝切割后变为线光源，狭缝位于凸透镜一的焦距处，光线经狭缝后成扩散光发出，经凸透镜一汇聚后成平行光入射，入射平行光线首先经过分光镜，50％的光线被分光镜反射损耗，50％的光线穿透分光镜、凸透镜二后汇聚到定容弹的端盖上所设置的凹透镜上，本发明实现超高背压条件下多孔喷油器喷雾形态的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统，属于柴油机测试技术领域。
背景技术
柴油机进过数百年的发展，在结构和效率上都已有了极大的优化和改进，作为当今使用最为广泛的动力系统，柴油机在全世界范围内都具有重要价值。
随着柴油机结构趋于稳定，柴油机热效率的提升越来越依赖于燃油喷射系统的优化和改进，喷雾状态、雾化状态和燃油-空气混合状况直接影响柴油机的工作状况，因此对柴油机喷雾进行可视化测量从而评价喷雾状态具有重要意义。
传统的喷雾流场测量方法主要是阴影法和纹影法，通过采用单光程通过流场区域来进行流场的成像与分析，单光程的测试方法只能测量单孔喷雾，且为了保证单程的光线穿过测试区域，测试的定容弹需要在两个端面上同时安装玻璃视窗，不但增加了造价，而且降低了系统的结构强度和安全性。
现有的改进的双光程纹影法虽然能实现多孔喷雾的测量，但为了保证平行光线的入射，定容弹上的石英玻璃视窗面积较大，这不但增加了石英玻璃的造价，而且较大的玻璃面积增加了破裂的风险，使定容弹内部的背压无法达到一个较高的标准。
为了增加大面积石英玻璃的安全性，常常需要增大石英玻璃的厚度，这不但增加了造价，而且对安置石英玻璃的定容弹设计提出了更高的载重性和气密性要求。较厚的石英玻璃增加了光线传输过程中的光线畸变，降低了测试光线的平行度，增加了测量结果的测量误差。
发明内容
本发明的目的是为了实现超高背压条件下多孔喷油器喷雾形态的测量而提供一种适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统。
本发明的目的是这样实现的：：包括高强度LED阵列光源、狭缝、平面镜、凸透镜、分光镜、半球形定容弹、多孔喷油器、刀口、高速相机，高强度LED阵列发出的光线经狭缝切割后变为线光源，光线经狭缝后成扩散光发出，依次经平面镜、凸透镜一汇聚后成平行光入射，入射平行光线首先经过分光镜，50％的光线被分光镜反射损耗，50％的光线穿透分光镜、凸透镜二后汇聚到定容弹的端盖上所设置的凹透镜上，半球形定容弹内表面是高反光率的半球形镜面；在喷油器不喷油流场无扰动时，穿过凹透镜的光线沿半球形镜面的半径发射，由于光线在任一位置入射角度垂直于半球型镜面，因此会被半球型镜面反射，反向经凹透镜、凸透镜二后到达分光镜，由分光镜反射到凸透镜三，汇聚后经刀口切割进入高速摄像机；当喷油器开始喷油时，入射的沿半球径向的光线会有部分发生折射，折射较大的光线不能经半球镜面反射而原路返回，部分折射较小的光线会穿透凹透镜、凸透镜二射出，由于光路的改变，射出的光线无法在刀口处汇聚到原来的焦点上，会被刀口阻挡，偏折光线之前所在区域会在摄像机中生成较暗的区域，得到哪喷雾图像随时间的形态变化。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.半球形定容弹的顶点和球心的连线与喷油器轴线重合，喷油器的安装方向由球面指向球心。
2.所述端盖是指在半球形定容弹的开口处安装不透光的金属端盖，金属端盖的厚度与半球的厚度相同，金属端盖的直径与半球外表面所在球面的直径相同，金属端盖与喷油器轴线垂直，金属端盖的中间开有小孔来安装玻璃视窗，小孔的中心、金属端盖的圆心，半球球心重合，都位于凸透镜二的焦点上，小孔的面积占金属端盖面积的十分之一，所述玻璃视窗为凹透镜。
3.凸透镜一-分光镜-凸透镜二-凹透镜-分光镜-凸透镜三实现光路从点光源到发散测试光线的缩放。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过使用不同型号的透镜组合以及半球形的定容弹设计，在不影响拍摄效果的前提下将定容弹的石英玻璃视窗面积缩小为原来的十分之一，减少了石英玻璃视窗的造价，在石英玻璃同等厚度的条件下，该适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统能够耐受更高的定容弹内背压，从而测试更加接近真实柴油机气缸内的喷雾形态。该新型测试系统视窗面积小，定容弹内部接近黑体状态，经过喷雾流场后偏折较大的光线将难以经凹透镜视窗返回摄像机，因此增大了拍摄图像的对比度和清晰度，同时较小的凹透镜视窗减小了外界环境光入射的强度，降低了喷雾图像拍摄的信噪比，提高测试精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明主要包括高强度LED阵列光源1、狭缝2、平面镜3、凸透镜一4、分光镜5、半球形定容弹7、半球形反光镜涂层、凹透镜端盖6、多孔喷油器8、凸透镜二9、凸透镜三10、刀口11、高速相12机等，高强度LED阵列发出的光线经狭缝切割后变为线光源，狭缝中心到平面镜中心的距离与平面镜中心到凸透镜一中心的距离之和等于凸透镜一的焦距，光线经狭缝后成扩散光发出，经平面镜、凸透镜一汇聚后成平行光入射，入射平行光线首先经过分光镜，50％的光线被分光镜反射损耗，50％的光线穿透分光镜、凸透镜二后汇聚到半球形定容弹石英玻璃端盖上，石英端盖为凹透镜，同时位于凸透镜二的焦点和半球型定容弹的球心上，光线在凹透镜石英端盖上汇聚后经凹透镜发散进入半球型定容弹的喷雾流场区域。在喷油器不喷油流场无扰动时，穿过凹透镜的光线沿半球半径发射，由于光线在任一位置入射角度垂直于半球型反光镜，因此会被半球型反光镜反射，反向经凹透镜、凸透镜二后到达分光镜，由分光镜反射到凸透镜三，汇聚后经刀口切割进入高速摄像机。当喷油器开始喷油时，流场中出现扰动，流场内不同位置的密度发生变化，入射的沿半球径向的光线会有部分发生折射，折射较大的光线不能经半球反射镜反射而原路返回，因此会被阻挡在定容弹内部经过多次反射后能量消失，部分折射较小的光线会穿透凹透镜、凸透镜二射出，但由于光路的改变，射出的光线无法在刀口处汇聚到原来的焦点上，因此会被刀口阻挡，偏折光线之前所在区域会在摄像机中生成较暗的区域，因此获得喷雾图像随时间的形态变化。
定容弹的喷油器安装端盖内侧采用半球形设计，半球的顶点和球心的连线与喷油器轴线重合，喷油器的安装方向由球面指向球心。
半球的内部加工高反光率的镜面。定容弹的喷油器安装端盖内侧采用半球形设计，半球的内部加工高反光率的镜面，定容弹的玻璃视窗安装在半球的球心位置，从定容弹视窗入射的光沿半球半径方向传播，在无流场扰动时，沿半球方向入射的光线经半球反射原路返回；有流场扰动时，光线发生折射而偏移原来的位置，光线的偏移程度代表了流场内的密度变化，因此可以测出流场内的喷雾形态。
在半球形定容弹的开口处安装不透光的金属端盖，金属端盖的厚度与半球的厚度相同，金属端盖的直径与半球外表面所在球面的直径相同，金属端盖与喷油器轴线垂直。
不透光金属端盖的中间开有小孔来安装玻璃视窗。
小孔的中心、金属端盖的圆心，半球球心重合，都位于凸透镜二的焦点上，小孔的面积占金属端盖面积的十分之一。这种设计减小了易碎石英玻璃的面积，在石英玻璃同等厚度下可以耐受超高背压，降低了测试系统的石英玻璃造价，增加了定容弹的安全性。较小的透光面积减少了外界环境光对测试结果的干扰，增加图像拍摄的信噪比。
石英玻璃视窗采用凹透镜，凹透镜的光心与半球球心、金属端盖圆心、小孔中心、凸透镜二的焦点重合。
使用凸透镜一-分光镜-凸透镜二-凹透镜-分光镜-凸透镜三的布置方法，实现光路从点光源到发散测试光线的缩放。
综上，本发明的适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统，通过使用不同型号的透镜组合以及半球形的定容弹设计，在不影响拍摄效果的前提下将定容弹的石英玻璃视窗面积缩小为原来的十分之一，减少了石英玻璃视窗的造价，在石英玻璃同等厚度的条件下，该适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统能够耐受更高的定容弹内背压，从而测试更加接近真实柴油机气缸内的喷雾形态。该新型测试系统视窗面积小，定容弹内部接近黑体状态，经过喷雾流场后偏折较大的光线将难以经凹透镜视窗返回摄像机，因此增大了拍摄图像的对比度和清晰度，同时较小的凹透镜视窗减小了外界环境光入射的强度，降低了喷雾图像拍摄的信噪比，提高测试精度。
Claims (4)
1.一种适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统，其特征在于：包括高强度LED阵列光源、狭缝、平面镜、凸透镜、分光镜、半球形定容弹、多孔喷油器、刀口、高速相机，高强度LED阵列发出的光线经狭缝切割后变为线光源，光线经狭缝后成扩散光发出，依次经平面镜、凸透镜一汇聚后成平行光入射，入射平行光线首先经过分光镜，50％的光线被分光镜反射损耗，50％的光线穿透分光镜、凸透镜二后汇聚到定容弹的端盖上所设置的凹透镜上，半球形定容弹内表面是高反光率的半球形镜面；在喷油器不喷油流场无扰动时，穿过凹透镜的光线沿半球形镜面的半径发射，由于光线在任一位置入射角度垂直于半球型镜面，因此会被半球型镜面反射，反向经凹透镜、凸透镜二后到达分光镜，由分光镜反射到凸透镜三，汇聚后经刀口切割进入高速摄像机；当喷油器开始喷油时，入射的沿半球径向的光线会有部分发生折射，折射较大的光线不能经半球镜面反射而原路返回，部分折射较小的光线会穿透凹透镜、凸透镜二射出，由于光路的改变，射出的光线无法在刀口处汇聚到原来的焦点上，会被刀口阻挡，偏折光线之前所在区域会在摄像机中生成较暗的区域，得到哪喷雾图像随时间的形态变化。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统，其特征在于：半球形定容弹的顶点和球心的连线与喷油器轴线重合，喷油器的安装方向由球面指向球心。
3.根据权利要求2所述的一种适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统，其特征在于：所述端盖是指在半球形定容弹的开口处安装不透光的金属端盖，金属端盖的厚度与半球的厚度相同，金属端盖的直径与半球外表面所在球面的直径相同，金属端盖与喷油器轴线垂直，金属端盖的中间开有小孔来安装玻璃视窗，小孔的中心、金属端盖的圆心，半球球心重合，都位于凸透镜二的焦点上，小孔的面积占金属端盖面积的十分之一，所述玻璃视窗为凹透镜。
4.根据权利要求1至3任意所述的一种适用于超高背压的纹影法多孔喷雾测试系统，其特征在于：凸透镜一-分光镜-凸透镜二-凹透镜-分光镜-凸透镜三实现光路从点光源到发散测试光线的缩放。
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