CN113484025A - 一种光学发动机火焰测温装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学发动机火焰测温装置，属于内燃机设备技术领域。包括光学发动机和火焰测温机构；光学发动机包含缸盖、缸体、缸套、加长活塞和平面镜等。加长活塞的顶面安装有蓝宝石玻璃，燃烧室内火焰释放的光信息通过蓝宝石玻璃，并经过平面镜折射，进入到光学发动机外部的火焰测温机构。火焰测温机构包括准直透镜、光纤、分光镜、单色仪、光电倍增管、高压电源和数据采集卡等。离开光学发动机的火焰光信号，经过准直透镜聚集进入到光纤。分光镜可将光信号平分，经过单色仪和光电倍增管的滤波和放大，最终可得两个不同波长的光信号。不同波长光信号结合标定波长与火焰温度的关系，以及温度求解式，反推出火焰温度随时间的演变规律。

Description

一种光学发动机火焰测温装置
技术领域
本发明属于内燃机设备技术领域，更具体地，涉及一种光学发动机的火焰温度测量装置。
背景技术
发动机热效率高，技术成熟，被广泛用作汽车和轮船的动力源。发动机缸内的火焰温度，不仅决定发动机的热效率，而且可影响排放特性。因此，有必要准确测量发动机燃烧室内的火焰温度，进而改善发动机性能。
传统的双色法测温中，火焰一般为轴对称的理想火焰，且火焰高温区域具有高的辐射很容易导致CCD相机拍摄的图片出现饱和像素点。CCD相机的感光元件增益倍率较低，无法捕获一些低温辐射信号，且信噪比较低，测量误差较大。对于发动机燃烧的高瞬变过程，需要使用高速CCD相机，这导致测温系统的成本较高。为改善发动机动力学、经济性、安全性和排放性，有必要开发一种低成本和高敏感度的测温装置来研究光学发动机火焰温度演变规律。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光学发动机火焰测温装置。为实现上述目的，本发明提供的光学发动机包括缸盖3和缸体10；所述的缸盖3内部设置进气道1、排气道4和喷油器2；所述缸体10的内侧设置缸套5，缸套5的内侧设置加长活塞7，加长活塞7的顶面设置蓝宝石玻璃6，蓝宝石玻璃6下方设置平面镜8，平面镜8安装在平面镜支架9。
本发明还提供了一种火焰温度检测机构，其包括准直透镜11、分光镜13、第一单色仪15、第一光电倍增管16、第二单色仪22、第二光电倍增管23；所述的准直透镜11布置在光学发动机和光纤12进口端之间，分光镜13进口端安装光纤12，分光镜13两侧的出口端安装第一光纤14和第二光纤21；所述第一光纤14的出口端安装第一单色仪15，第一单色仪15的出口端安装第一光电倍增管16，第一光电倍增管16通过第一电源连接线18连接第一电源17，通过第一数据采集卡连接线19连接第一数据采集卡20；所述第二光纤21的出口端安装第二单色仪22，第二单色仪22的出口端安装第二光电倍增管23，第二光电倍增管23通过第二电源连接线25连接第二电源24，通过第二数据采集卡连接线26连接数据采集卡27。
工作时，光学发动机燃烧室内的燃烧状况随着工作过程而改变。透明活塞6、平面镜8将燃烧室内火焰辐射光信号传递到光学发动机外部；准直透镜11将火焰辐射光信号汇聚到光纤12内，分光镜13将光信号平分成两个光信号；最后，每一束光信号都会经过第一单色仪15、第一光电倍增管16、第二单色仪22、第二光电倍增管23，得到两个不同波长的光信号强度。
与现有技术相比，本发明的主要优势为使用单色仪和光电倍增管监测火焰温度，具体的优势如下：
（1）现有的双色法测温中，火焰的高温区域具有高的辐射容易导致CCD相机拍摄的图片出现饱和像素点。CCD相机的感光元件增益倍率较低，无法捕获一些低温辐射信号，且信噪比较低，测量误差较大。为解决上述问题，本发明利用单色仪和光电倍增管将火焰中微弱的光信号放大，拓宽可测光信号强度的范围，提高了测温精确度，降低了设备成本。
（2）使用高速CCD相机观察发动机高瞬变燃烧过程，增加了测温系统的成本。本发明利用不同工作时刻下火焰光强度的差异，通过平面镜和光纤将燃烧室内火焰演变过程从发动机内引出，使用单色仪、光电倍增管和数据采集卡收集数据并推算出发动机缸内的平均火焰温度演变规律，简化了光学发动机的测温过程，降低了测温系统的成本。
附图说明
图1是光学发动机火焰测温装置。
其中：1、进气道，2、喷油器，3、缸盖，4、排气道，5、缸套，6、蓝宝石玻璃，7、加长活塞，8、平面镜，9、平面镜支架，10、缸体，11、准直透镜，12、光纤，13、分光镜，14、第一光纤，15、第一单色仪，16、第一光电倍增管，17、第一电源，18、第一电源连接线，19、第一数据采集卡连接线，20、第一数据采集卡，21、第二光纤，22、第二单色仪，23、第二光电倍增管，24、第二电源，25、第二电源连接线，26、第二数据采集卡连接线，27、第二数据采集卡。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种光学发动机火焰测温装置，其可适用于内燃机、煤燃烧锅炉、燃气轮机等设备中。图1展示了光学发动机火焰测温装置的示意图，它主要包括光学发动机和火焰温度检测机构。光学发动机主要包含缸盖3、缸体10、缸套5、加长活塞7、平面镜8及平面镜支架9。所述缸盖3内部设置有进气道1、排气道4和喷油器2。所述加长活塞7的顶面设置有蓝宝石玻璃6。发动机燃烧室由缸盖3、缸套5、加长活塞7和蓝宝石玻璃6组成。火焰释放的辐射光，透过蓝宝石玻璃6，经过平面镜8的反射，引出到发动机外。
火焰测温机构包含准直透镜11、分光镜13、光纤若干条和两套单色光检测子系统。针对其中的一套单色光检测子系统，其包括第一单色仪15、第一光电倍增管16、第一电源17、第一数据采集卡20和所需的电性连接线。所述第一单色仪15具备滤波作用，可提取出单一波长的光信号。将两套单色光检测子系统的单色仪波长分别设置为550nm和650nm。所述第一光电倍增管16具备将微弱的光信号转变为放大的电信号，所述第一电源17可控制所述第一光电倍增管16的放大倍率，所述第一数据采集卡20将保存电信号。从发动机引出的光信号，首先通过准直透镜11的汇聚作用，进入到光纤12，经过分光镜13的分光作用，光信号分别进入到两套单色仪检测子系统，最终可得到波长为550nm和650nm光信号的相对强度。
在光学发动机火焰测温之前，需要利用黑体炉对火焰测温机构进行标定。按照图1中的火焰测温装置布局，所述的准直透镜11对准黑体炉的出口。从600K开始，每次间隔100K对测温机构的两个波长信号进行采集，获得黑体炉出口温度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和波长
Figure 793376DEST_PATH_IMAGE002
的对应关系，建立两个不同波长光信号与火焰温度的对应关系。在光学发动机火焰测温时，根据光谱发射率计算式：
Figure 726696DEST_PATH_IMAGE004
（1）
Hottel and Broughton光谱发射率经验计算式：
Figure 864417DEST_PATH_IMAGE006
（2）
上式中，KL为倍增系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为第二普朗克常数，
Figure 795464DEST_PATH_IMAGE002
为波长，T为实际温度，
Figure 284214DEST_PATH_IMAGE001
为黑体温度，
Figure 988602DEST_PATH_IMAGE008
是与波长相关的参数，将（1）、（2）两式结合，得出以下计算式：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（3）
上式中，不同波长光信号的KL系数相同，两种特定波长光信号
Figure 449671DEST_PATH_IMAGE010
的KL系数相消后得下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
=
Figure 82777DEST_PATH_IMAGE012
（4）
对于可见光，波长差异对
Figure 793244DEST_PATH_IMAGE008
几乎无影响，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE013
=1.39。
Figure 271630DEST_PATH_IMAGE014
分别为波长
Figure 383943DEST_PATH_IMAGE010
的黑体温度。通过标定的波长
Figure 689416DEST_PATH_IMAGE002
和出口温度
Figure 887179DEST_PATH_IMAGE001
关系，并结合公式（4）得到光学发动机燃烧室内火焰平均温度T随时间演变规律。
本领域的技术人员容易理解，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 (1)

1.一种新的光学发动机火焰测温装置，其包括光学发动机和火焰测温机构，其特征在于：所述光学发动机包括缸盖（3）和缸体（10）；所述缸盖（3）内部设置进气道（1）、排气道（4）和喷油器（2）；所述缸体（10）的内侧设置缸套（5），缸套（5）的内侧设置加长活塞（7），加长活塞（7）的顶面设置蓝宝石玻璃（6），蓝宝石玻璃（6）下方设置平面镜（8），平面镜（8）安装在平面镜支架（9）；
还包括火焰温度检测机构，包括准直透镜（11）、分光镜（13）、第一单色仪（15）、第一光电倍增管（16）、第二单色仪（22）、第二光电倍增管（23）；所述的准直透镜（11）布置在光学发动机和光纤（12）进口端之间，分光镜（13）进口端安装光纤（12），分光镜（13）两侧的出口端安装第一光纤（14）和第二光纤（21）；所述第一光纤（14）的出口端安装第一单色仪（15），第一单色仪（15）的出口端安装第一光电倍增管（16），第一光电倍增管（16）通过第一电源连接线（18）连接第一电源（17），通过第一数据采集卡连接线（19）连接第一数据采集卡（20）；所述第二光纤（21）的出口端安装第二单色仪（22），第二单色仪（22）的出口端安装第二光电倍增管（23），第二光电倍增管（23）通过第二电源连接线（25）连接第二电源（24），通过第二数据采集卡连接线（26）连接数据采集卡（27）；
工作时，首先，光学发动机的透明活塞（6），可将燃烧室内火焰辐射光信号，经过平面镜（8）传递到光学发动机外部；其次，准直透镜（11）将火焰辐射光信号汇聚到光纤（12）内，通过分光镜（13）将光信号平分成两个光信号；最后，每一束光信号都会经过第一单色仪（15）、第一光电倍增管（16）、第二单色仪（22）、第二光电倍增管（23），得到两个不同波长的光信号强度；
不同波长光信号结合标定波长与火焰温度关系，以及温度求解式，反推出光学发动机缸内火焰温度随时间的演变规律。
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