CN116008243A - 一种柴油燃烧的可视化激光测试系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柴油燃烧的可视化激光测试系统及其工作方法，该系统由定容燃烧弹，冷却循环系统，进排气系统，高压喷油系统，ICCD相机系统以及ECU单元组成。通过结合定容燃烧弹可视化平台和平面激光诱导荧光技术，使高速、瞬变、非稳态的流场信息，如温度场、燃烧产物以及火焰结构等空间分布的瞬态信息被记录，使对柴油表征燃料在不同O2/CO2环境下燃烧过程中火焰结构变化规律的研究成为可能，通过可视化定容燃烧弹以及利用ICCD相机捕获特定激发态的粒子的动态变化过程，能进一步研究分析燃烧过程中大量的中间产物的成分和瞬态变化过程，能够更精确地研究火焰结构的变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及柴油表征燃料燃烧的可视化领域，具体涉及一种柴油燃烧的可视化激光测试系统及其工作方法。
背景技术
飞速发展的今天，汽车成为越来越普遍的交通工具，汽车保有量逐年攀升，对化石燃料的消耗也越来越大，然而，化石燃料的储存总量是有限的，如何能更高效地利用化石燃料以及如何减少汽车尾气排放污染物成为人们日益关注的焦点。汽车常用的燃料为柴油和汽油，对比柴油和汽油会发现，柴油的热效率高于汽油，并且柴油机可靠性更高、寿命更长、经济性也更好，故具有柴油发动机的汽车成为越来越多车主的选择。
为了对柴油的燃烧过程有更深入的研究，国内外学者做了大量的努力，一般通过定容燃烧弹来模拟柴油机的气缸，利用高速相机拍摄定容燃烧弹内部燃烧过程，对火焰燃烧进行分析研究，虽然，物理探针作为一种成熟的燃烧诊断技术能够测量许多参数，而对于深入研究燃烧至关重要的高速、瞬变、非稳态的流场信息，如温度场、燃烧产物以及火焰结构等空间分布的瞬态信息，物理探针技术不再适用。
由于柴油是一种非常复杂的混合物，对其直接进行仿真计算非常困难，故用一种或几种单质燃料作为柴油的表征燃料进行燃烧分析；然而，现有研究柴油表征燃料燃烧的可视化系统多采用普通自然光源来补光，使火焰燃烧现象完整地反应在图像上，并被高速摄像机拍摄到，但是使用这些燃烧分析系统获得的图像相对单一，不能对非稳态的流场信息、火焰外形结构进行更深入的分析研究。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种柴油燃烧的可视化激光测试系统及其工作方法，通过定容燃烧弹可视化试验平台和平面激光诱导荧光技术相结合，不仅可以更好地模拟实际工作中柴油的燃烧环境，而且使对精细化燃烧过程的深入分析成为可能。
为此，本发明提出了一种柴油燃烧的可视化激光测试系统，包括定容燃烧弹、冷却循环系统、进排气系统、高压喷油系统、ICCD相机系统、激光系统、背景条件控制柜、以及ECU单元；
所述进排气系统通过气体管路与所述定容燃烧弹相连接，同时所述进排气系统与所述背景条件控制柜控制连接；所述定容燃烧弹上部与所述高压喷油系统的喷油器连接；所述高压喷油系统和所述ICCD相机系统分别与所述ECU单元信号连接，而所述ECU单元与控制计算机信号连接；所述ECU单元和所述背景条件控制柜通过控制各个系统间协调配合，模拟真实的燃烧环境；所述激光系统设置在所述定容燃烧弹的石英玻璃观察窗外侧，激发所述定容燃烧弹内燃烧流场区域的OH粒子产生荧光信号，并被所述ICCD相机系统记录下所述定容燃烧弹中燃烧火焰燃烧过程中OH自由基的动态变化过程。
进一步，所述高压喷油系统包括油箱、电机油泵组、蓄电池、高压油轨和喷油器；所述电机油泵组和所述喷油器分别与所述ECU单元信号连接。
进一步，所述进排气系统包括气瓶、压力调节阀、压力表、电磁阀以及进排气管道，所述电磁阀与所述背景条件控制柜信号连接。
进一步，所述冷却循环系统包括水箱、水泵和布置在所述定容燃烧弹弹体上的冷却水管道。
进一步，所述定容燃烧弹包括弹体、电热丝、温度压力传感器以及石英玻璃观察窗，所述电热丝和所述温度压力传感器与所述ECU单元信号连接。
进一步，所述ICCD相机系统包括ICCD相机、滤镜和信号延迟发生器，所述控制计算机通过所述信号延迟发生器给所述ICCD相机控制信号。
进一步，所述激光系统包括依次排列的凸柱面镜、凸透镜、凹透镜和激光发射器，所述控制计算机通过所述信号延迟发生器给所述激光发射器控制信号。
本发明还提出了一种柴油燃烧的可视化激光测试系统的工作方法，具体实施步骤如下：
S1：对图像进行标定，打开氙气灯对ICCD相机进行对焦，使ICCD相机能够清晰地拍摄出放入弹体内小方块上的方格，同时使喷油嘴的位置处于拍摄图片上方的中间位置，保证火焰的完整性；
S2：用无水乙醇对石英玻璃以及各个透镜进行擦拭，去除表面灰尘和污渍，然后对弹体上四个观测窗口安装上石英玻璃，便于激光发射器光路的传播以及ICCD相机的拍摄记录；
S3：根据试验要求，对试验参数进行设定，对激光发射器相关仪器的参数进行设定，在控制计算机上设置信号延迟发生器参数，设定喷油压力、初始喷油触发时刻、喷油脉宽以及时间间隔；
S4：打开冷却循环系统和高压喷油系统开关，打开气瓶阀门并调节压力调节阀开关，使适量气体进入弹体内开始预热，同时适量增加温度的开度，使定容燃烧弹内温度和压力逐渐升高，直至定容燃烧弹内的温度和压强均达到试验要求，调节喷油压力，使喷油压力逐渐升高至试验要求，接着在背景条件控制柜上依次打开低压、高压油泵和变频器开关，开始进行燃烧试验；
S5：通过控制计算机控制激光发射器和ICCD相机开始工作，同时ECU单元给信号延迟发生器一个信号使高压喷油系统开始喷油，ICCD相机对特定的处于激发态的粒子进行捕捉，对定容燃烧弹内发射的荧光信号的特定粒子动态变化过程进行实时记录，并传回控制计算机进行储存。
本发明提供的柴油燃烧的可视化激光测试系统及其工作方法，该光学测量方法通过定容燃烧弹可视化试验平台和平面激光诱导荧光技术相结合，不仅可以更好地模拟实际工作中柴油的燃烧环境，而且使对精细化燃烧过程的深入分析成为可能，该测试系统能够得到高速、瞬变、非稳态的流场信息。通过给定容燃烧弹装上可视化观测窗口，同时利用ICCD相机拍摄出连续的火焰瞬时结构图像，最后通过配套软件对图片进行后处理，无论是对非稳态的流场信息、火焰外形结构还是对燃烧的中间产物等方面都能做更深入的分析研究。本发明通过可视化定容燃烧弹以及平面激光诱导荧光技术，使对柴油表征燃料的燃烧进行深入的精细化研究分析成为可能。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的柴油燃烧的可视化激光测试系统的结构图；
图2为本发明的柴油燃烧的可视化激光测试系统的流程图；
附图标记说明
1、定容燃烧弹；2、冷却循环系统；3、油箱；4、电机油泵组；5、蓄电池；6、气瓶；7、压力调节阀；8、压力表；9、电磁阀；10、喷油器；11、ICCD相机；12、信号延迟发生器；13、背景条件控制柜；14、控制计算机；15、ECU单元；16、温度压力传感器；17、滤镜；18、凸柱面镜；19、凸透镜；20、凹透镜；21、激光发射器；22、燃烧火焰。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的柴油燃烧的可视化激光测试系统，该系统由定容燃烧弹1，冷却循环系统2，进排气系统，高压喷油系统，ICCD相机系统、激光系统以及ECU单元15组成。
所述进排气系统通过气体管路与所述定容燃烧弹1相连接，同时所述进排气系统与所述背景条件控制柜13控制连接；所述定容燃烧弹1上部与所述高压喷油系统的喷油器10连接；所述高压喷油系统和所述ICCD相机系统分别与所述ECU单元15信号连接，而所述ECU单元15与控制计算机14信号连接；所述ECU单元15和所述背景条件控制柜13通过控制各个系统间协调配合，模拟真实的燃烧环境。
所述激光系统设置在所述定容燃烧弹1的石英玻璃观察窗外侧，激发所述定容燃烧弹1内燃烧流场区域的OH粒子产生荧光信号，并被所述ICCD相机系统记录下所述定容燃烧弹1中燃烧火焰22燃烧过程中OH自由基的动态变化过程。
所述定容燃烧弹1是由弹体、电热丝、温度压力传感器16以及石英玻璃观察窗等组成。该装置形成密闭的空间，电热丝和温度压力传感器16与ECU单元15信号连接，而ECU单元15与控制计算机14信号连接，通过设定其内部的环境温度和压力，能更好的模拟真实的气缸环境，向定容燃烧弹内部精确地喷入柴油表征燃料，模拟柴油进行燃烧，燃烧过程通过石英玻璃观察窗被外部ICCD相机11所记录。
所述冷却循环系统2是由水箱、水泵和布置在弹体上的冷却水管道等组成。由于燃烧过程中，定容燃烧弹1内部的温度很高，需要该系统对燃烧中的定容燃烧弹进行实时冷却，避免石英玻璃承受较大的应力和压力，延长定容燃烧弹的使用寿命，避免弹体外部温度过高造成安全事故。
所述进排气系统由气瓶6(特定比例的CO2/O2混合气)、压力调节阀7、压力表8、电磁阀9以及进排气管道等组成。电磁阀9与背景条件控制柜13信号连接，而所述压力调节阀7用来控制进气阀门开度，进而调整进气速率，和电磁阀协同配合能精确控制定容燃烧弹内的进气量。燃烧过程结束须排出弹体内的废气以免对下次燃烧过程造成影响。
所述高压喷油系统由油箱3、电机油泵组4、蓄电池5、高压油轨和喷油器10等组成。电机油泵组4和喷油器10分别与ECU单元15信号连接，通过控制计算机14控制ECU单元15，设定喷油初始的触发信号和喷油脉宽以及时间间隔等，柴油表征燃料通过油泵在高压管道内进行增压，最终经喷油器定量精确地喷入到定容燃烧弹中并进行燃烧。
所述ICCD相机系统由ICCD相机11、滤镜17和信号延迟发生器12等组成。激光系统包括依次排列的凸柱面镜18、凸透镜19、凹透镜20和激光发射器21；喷油器喷油的同时，控制计算机通过信号延迟发生器12给激光发射器和ICCD相机一个信号，激光发射器工作并通过ICCD相机进行拍摄并把图像回传给控制计算机进行储存。
其中，凸柱面镜18、凸透镜19和凹透镜20设置在激光发射器21与定容燃烧弹1之间；确保激光发射器21的点光源通过凸柱面镜18、凸透镜19和凹透镜20转变成激光片，激光片通过燃烧流场区域激发OH粒子，产生荧光信号，最后，ICCD相机11透过滤镜17能清晰地记录下定容燃烧弹1中燃烧火焰22燃烧过程中OH自由基的动态变化过程。
所述ECU单元15，通过接受各个系统的输入信号以及传感器的反馈信号对电磁阀9等执行器进行控制。定容燃烧弹、冷却循环系统、进排气系统、高压喷油系统以及ICCD相机系统均受控于ECU单元13。
下面结合流程图(图2)对本发明作进一步详细描述：
该发明以70％的正庚烷+30％的甲苯作为柴油表征燃料为例，研究中间产物OH自由基的浓度变化过程及其分布，结合不同时刻或空间的变化，获得火焰的发展变化规律；该柴油表征燃料燃烧的可视化平面激光诱导荧光系统的工作方法，具体实施步骤如下：
步骤一：在各实验设备能正常工作的前提下，首先，对ICCD相机11进行图像标定，原则是使ICCD相机(11)能够清晰地拍摄出放入弹体内小方块(其面由边长1mm的小方格组成)上的方格，同时使喷油器10的喷油嘴处于被拍摄图片中良好的位置，并确保火焰燃烧现象完整地反应在图像上，其次，对激光发射器21等仪器的参数进行标定，然后使用无水乙醇擦拭石英玻璃、滤镜17以及各个透镜，清洁其表面，确保激光发射器21的点光源通过凸柱面镜18、凸透镜19和凹透镜20转变成激光片，激光片通过燃烧流场区域激发OH粒子，产生荧光信号，最后，ICCD相机11透过滤镜17能清晰地记录下定容燃烧弹1中燃烧火焰22燃烧过程中OH自由基的动态变化过程，通过标记中间产物OH自由基来实现火焰结构的可视化，即能够实现火焰场的二维测量，使对火焰结构进行深入研究成为可能。
步骤二：把气瓶6与进气管道连接好，依次打开背景控制柜13的开关、冷却循环系统2的开关、信号延迟发生器12开关、高压喷油系统中电机油泵组4的开关，使各设备开始正常工作，此时气瓶中为空气，需要先进行扫气，向定容燃烧弹中充入一定量的空气，然后排出，重复两次扫气即可，目的是除去定容燃烧弹中剩余的气体以及上次试验残留的气体对试验结果的影响。
步骤三：在控制计算机14的设置页面，对定容燃烧弹内环境压力和温度以及喷油等进行设置，设定喷油延迟触发信号时间、喷油脉宽，喷油最大压力以及对激光发射器21等仪器的参数进行设定。
步骤四：打开进气阀门，调节压力调节阀7开度，向定容燃烧弹1中缓慢充入适量的气体，同时控制计算机14对热电偶进行升温，对定容燃烧弹1内部进行预热，控制进气梯度(每次0.02MPa的梯度进气)和温度开度(控制开度在90％以下)，直至达到试验所要求的压力和温度。在相应时刻使喷油压力按照一定的梯度(100MPa以下按每次10MPa进行升高，100MPa以上按每次5MPa进行升高。)逐渐升高直至达到试验要求，同时高压喷油系统中蓄电池5的电压不低于11V，以确保高压喷油系统能够正常工作。依次在背景条件控制柜13上打开低压油泵、高压油泵和变频器开关。
步骤五：控制计算机14使激光发射器21和ICCD相机11开始工作，控制计算机14发出信号给ECU单元15，经信号延迟发生器12给喷油系统一个触发信号开始喷油，ICCD相机11开始工作，记录完整的火焰燃烧过程，使处于激发态的OH自由基荧光粒子被垂直于激光传播方向放置的ICCD相机11捕获，并通过控制计算机14中相应的配套软件对拍摄的图像进行保存处理。由于燃烧过后弹体内的温度和压强会有小幅波动，故下次喷油之前应先微调压力和温度使之处于实验要求的范围内。
步骤六：换上不同体积比例的O2/CO2气瓶6，重复步骤五和步骤六，收集柴油表征燃料在不同体积比例O2/CO2环境下的火焰燃烧数据，可对不同环境下的火焰结构发展变化规律进行深入研究。
本发明可对柴油表征燃料在特定环境(特定比例的CO2/O2混合气)下的燃烧过程进行具体深入的研究分析，通过定容燃烧弹、冷却循环系统、进排气系统、高压喷油系统、ICCD相机系统以及ECU单元等共同搭建该柴油表征燃料燃烧的可视化平面激光诱导荧光系统试验平台。以70％的正庚烷+30％的甲苯作为柴油表征的燃烧过程为例，本试验所需要定容燃烧弹内的环境温度为850K(即577℃)，压力为3MPa，燃油的喷射压力为120MPa，喷油脉宽为2000μs，喷油延迟触发时间为500μs。
该试验的定容燃烧弹形状类似圆柱体，有四个石英玻璃观测窗口。定容燃烧弹的最大工作压力为6MPa，容积为0.042m3，同时其内部布置有电热丝，保证其能达到试验所需温度环境，能够满足试验压力和温度要求，并保证了火焰不会发生碰壁现象。背景控制柜能够控制进排气，并能够调节定容燃烧弹中的温度和压力，当定容燃烧弹中的温度和压力达到试验要求时，启动高压喷油系统，同时控制计算机向ECU控制单元发出指令，激光发射器和ICCD相机开始工作，经信号延迟发生器，喷油器开始喷油，激光器发射的光源通过各个透镜转变成激光片，对燃烧火焰中的特定粒子进行激发，同时ICCD相机对特定的处于激发态的粒子进行捕捉，对定容燃烧弹内发射的荧光信号的特定粒子动态变化过程进行实时记录，并传回控制计算机进行储存。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)
1.一种柴油燃烧的可视化激光测试系统，其特征在于，包括：定容燃烧弹(1)、冷却循环系统(2)、进排气系统、高压喷油系统、ICCD相机系统、激光系统、背景条件控制柜(13)、以及ECU单元(15)；
所述进排气系统通过气体管路与所述定容燃烧弹(1)相连接，同时所述进排气系统与所述背景条件控制柜(13)控制连接；所述定容燃烧弹(1)上部与所述高压喷油系统的喷油器(10)连接；所述高压喷油系统和所述ICCD相机系统分别与所述ECU单元(15)信号连接，而所述ECU单元(15)与控制计算机(14)信号连接；所述ECU单元(15)和所述背景条件控制柜(13)通过控制各个系统间协调配合，模拟真实的燃烧环境；
所述激光系统设置在所述定容燃烧弹(1)的石英玻璃观察窗外侧，激发所述定容燃烧弹(1)内燃烧流场区域的OH粒子产生荧光信号，并被所述ICCD相机系统记录下所述定容燃烧弹(1)中燃烧火焰(22)燃烧过程中OH自由基的动态变化过程。
2.根据权利要求1所述的柴油燃烧的可视化激光测试系统，其特征在于，所述高压喷油系统包括油箱(3)、电机油泵组(4)、蓄电池(5)、高压油轨和喷油器(10)；所述电机油泵组(4)和所述喷油器(10)分别与所述ECU单元(15)信号连接。
3.根据权利要求1所述的柴油燃烧的可视化激光测试系统，其特征在于，所述进排气系统包括气瓶(6)、压力调节阀(7)、压力表(8)、电磁阀(9)以及进排气管道，所述电磁阀(9)与所述背景条件控制柜(13)信号连接。
4.根据权利要求1所述的柴油燃烧的可视化激光测试系统，其特征在于，所述冷却循环系统(2)包括水箱、水泵和布置在所述定容燃烧弹(1)弹体上的冷却水管道。
5.根据权利要求1所述的柴油燃烧的可视化激光测试系统，其特征在于，所述定容燃烧弹(1)包括弹体、电热丝、温度压力传感器(16)以及石英玻璃观察窗，所述电热丝和所述温度压力传感器(16)与所述ECU单元(15)信号连接。
6.根据权利要求1所述的柴油燃烧的可视化激光测试系统，其特征在于，所述ICCD相机系统包括ICCD相机(11)、滤镜(17)和信号延迟发生器(12)，所述控制计算机(14)通过所述信号延迟发生器(12)给所述ICCD相机(11)控制信号。
7.根据权利要求6所述的柴油燃烧的可视化激光测试系统，其特征在于，所述激光系统包括依次排列的凸柱面镜(18)、凸透镜(19)、凹透镜(20)和激光发射器(21)，所述控制计算机(14)通过所述信号延迟发生器(12)给所述激光发射器(21)控制信号。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的柴油燃烧的可视化激光测试系统的工作方法，其特征在于，具体实施步骤如下：
S1：对图像进行标定，打开氙气灯对ICCD相机(11)进行对焦，使ICCD相机(11)能够清晰地拍摄出放入弹体内小方块上的方格，同时使喷油嘴的位置处于拍摄图片上方的中间位置，保证火焰的完整性；
S2：用无水乙醇对石英玻璃以及各个透镜进行擦拭，去除表面灰尘和污渍，然后对弹体上四个观测窗口安装上石英玻璃，便于激光发射器光路的传播以及ICCD相机(11)的拍摄记录；
S3：根据试验要求，对试验参数进行设定，对激光发射器(21)相关仪器的参数进行设定，在控制计算机(14)上设置信号延迟发生器参数，设定喷油压力、初始喷油触发时刻、喷油脉宽以及时间间隔；
S4：打开冷却循环系统(2)和高压喷油系统开关，打开气瓶(6)阀门并调节压力调节阀(7)开关，使适量气体进入弹体内开始预热，同时适量增加温度的开度，使定容燃烧弹(1)内温度和压力逐渐升高，直至定容燃烧弹(1)内的温度和压强均达到试验要求，调节喷油压力，使喷油压力逐渐升高至试验要求，接着在背景条件控制柜(13)上依次打开低压、高压油泵和变频器开关，开始进行燃烧试验；
S5：通过控制计算机(14)控制激光发射器(21)和ICCD相机(11)开始工作，同时ECU单元(15)给信号延迟发生器(12)一个信号使高压喷油系统开始喷油，ICCD相机(11)对特定的处于激发态的粒子进行捕捉，对定容燃烧弹(1)内发射的荧光信号的特定粒子动态变化过程进行实时记录，并传回控制计算机(14)进行储存。
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