一種基于紅外輻射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于紅外輻射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)及方法，用以測量內(nèi)燃機燃燒及噴霧特性，該系統(tǒng)包括紅外內(nèi)窺鏡、紅外光纖、紅外濾光片、紅外熱像儀、數(shù)據(jù)處理器和內(nèi)窺鏡恒溫裝置，所述的紅外內(nèi)窺鏡設(shè)置在內(nèi)燃機燃燒室的探測孔上，所述的紅外光纖的一端與紅外內(nèi)窺鏡連接，另一端設(shè)有光纖鏡，所述的光纖鏡與紅外熱像儀同軸設(shè)置，所述的紅外濾光片設(shè)置在光纖鏡與紅外熱像儀之間，所述的紅外熱像儀與數(shù)據(jù)處理器連接，所述的內(nèi)窺鏡恒溫裝置與紅外內(nèi)窺鏡連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有適應(yīng)無光源條件、檢測效果好、方法先進等優(yōu)點。
【專利說明】-種基于紅外福射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及內(nèi)燃機領(lǐng)域，尤其是設(shè)及一種基于紅外福射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系 統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益加劇，"節(jié)能減排"成為了時代的主題。然而 最近幾年，汽車燃油消耗在我國石油消耗中所占的比例日益增大。有資料顯示，目前中國進 口的原油有30%被汽車消耗，而今后汽車消耗原油量的比例將升至50%。同時它的尾氣排 放物，也給大氣環(huán)境造成嚴重污染，汽車尾氣排放物中有害氣體主要包括一氧化碳（CO)、碳 氨化合物（HC)、氮氧化合物（NO)、顆粒物（PM)等。有資料表明，我國各大中型城市汽車尾 氣排放物造成空氣污染占到50%左右，且對在用車檢測結(jié)果來看，尾氣排放不合格的車輛 占被檢測車的50-60%。汽車燃油的消耗和尾氣排放主要和發(fā)動機燃燒室內(nèi)噴霧的形成和 可燃混合氣的燃燒等有關(guān)，為了提高汽車燃油的利用效率和減少排放物，需要對燃燒室內(nèi) 的噴霧及燃燒特性進行監(jiān)測，并依此為基礎(chǔ)分析發(fā)動機的工作狀態(tài)，并完善其工作條件。
[0003] 為了在不犧牲燃油及經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，進一步降低污染物排放。國內(nèi)外學者針對 新型的燃燒方式開展了一系列的研究。主要包括低溫燃燒（LTC)和均質(zhì)壓燃（肥CI)。低溫 燃燒（LTC)其實現(xiàn)方法就是通過大量的廢氣再循環(huán)巧GR)，降低缸內(nèi)的溫度，同時實現(xiàn)較低 的NOx和碳煙排放。均質(zhì)壓燃（肥CI)燃燒方式也是目前內(nèi)燃機燃燒領(lǐng)域的研究熱點。肥CI 燃燒是一種W預(yù)混合燃燒和低溫反應(yīng)為特征的燃燒方式。采用HCCI燃燒方式可W同時有 效降低內(nèi)燃機的NOx和碳煙排放，并提高內(nèi)燃機的循環(huán)熱效率。
[0004] 由此可見，新型燃燒方式的開發(fā)，聚焦于"多點自燃"、"低溫燃燒"的核屯、思想，即 用較高的壓縮比，內(nèi)部EGR，等手段實現(xiàn)稀薄混合氣的壓燃，同時采用稀釋（diluted)的手 段，控制缸內(nèi)燃燒溫度。如此，在稀燃條件下，有利于減少碳煙等顆粒物的生成，同時保證燃 油的充分燃燒，優(yōu)化燃油經(jīng)濟性，同時，較低的燃燒溫度，可W大幅減少氮氧化物（NOx)的 生成。而研究該些新型燃燒方式的主要手段，則是各種缸內(nèi)燃燒診斷方法。
[0005] 目前針對發(fā)動機缸內(nèi)燃燒診斷方法主要兩種；一種是基于可視化發(fā)動機的激光測 量路線；另一種是基于可視化發(fā)動機的激光測量路線主要有激光粒子成像測速（PIV)、激 光誘導(dǎo)巧光法（LIF)、二色法等等，通過該些方法靈活組合，可W得到發(fā)動機缸內(nèi)流暢、或是 特定組分的分布情況。其中"二色法"是常用的測量火焰中碳粒子熱福射，并算出碳粒溫 度，但是其局限是被測溫度的須是保持較高的水平，一般需要在1800K W上，否則將會導(dǎo)致 較高的測量誤差。另一方面，可視化發(fā)動機本身具有較大的工況局限，由于可視化窗口和加 長活塞的存在，使得發(fā)動機只能工作在低速、低負荷的工況下，該與發(fā)動機實際工作狀態(tài)差 距較大。
[0006] 基于缸內(nèi)內(nèi)窺鏡的可見光測量路線，避免了可視化發(fā)動機工況局限的問題，通過 在真實的發(fā)動機上安裝探頭，對發(fā)動機本身改動較小。但是基于可見光的內(nèi)窺鏡，只能看到 燃燒的高溫階段，對于HCCI、LTC等低溫燃燒方式，由于較低的溫度，使得其燃燒過程幾乎 很少福射處可見光，因此局限了其測量診斷效果。
[0007] 基于上述燃燒診斷方法的局限性，本發(fā)明提出一種基于紅外福射的燃燒診斷系 統(tǒng)。任何物質(zhì)在絕對0度W上都會發(fā)出紅外福射，如果能夠探測燃燒室內(nèi)氣相或液相物質(zhì) 發(fā)出的紅外福射，并把紅外福射能量信號轉(zhuǎn)化為電信號，并在此基礎(chǔ)上經(jīng)過后續(xù)算法，則可 W得到內(nèi)燃機各個工況下的燃燒室內(nèi)溫度場分布、低溫放熱區(qū)域的空間分布、碳煙及氮氧 化物生成區(qū)域分布等特性。為新型燃燒方式的研究提供測量手段。


【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種適應(yīng)無光源條 件、檢測效果好、方法先進的基于紅外福射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)及方法。
[0009] 本發(fā)明的目的可W通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0010] 一種基于紅外福射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)，用W測量內(nèi)燃機燃燒及噴霧特 性，包括紅外內(nèi)窺鏡、紅外光纖、紅外濾光片、紅外熱像儀、數(shù)據(jù)處理器和內(nèi)窺鏡恒溫裝置， 所述的紅外內(nèi)窺鏡設(shè)置在內(nèi)燃機燃燒室的探測孔上，所述的紅外光纖的一端與紅外內(nèi)窺鏡 連接，另一端設(shè)有光纖鏡，所述的光纖鏡與紅外熱像儀同軸設(shè)置，所述的紅外濾光片設(shè)置在 光纖鏡與紅外熱像儀之間，所述的紅外熱像儀與數(shù)據(jù)處理器連接，所述的內(nèi)窺鏡恒溫裝置 與紅外內(nèi)窺鏡連接。
[0011] 所述的紅外內(nèi)窺鏡包括入水口、出水口、探管和藍寶石鏡片，所述的探管內(nèi)部設(shè)有 中屯、通路和換熱腔，所述的換熱腔設(shè)置在中屯、通路的外圍，所述的藍寶石鏡片設(shè)置在中屯、 通路內(nèi)部，所述的入水口和出水口分別與換熱腔和內(nèi)窺鏡恒溫裝置連接。
[0012] 所述的內(nèi)窺鏡恒溫裝置包括水累、熱交換器、溫度控制器和溫度探測器，所述的水 累分別與出水口和熱交換器的入口連接，所述的熱交換器的出口與入水口連接，所述的溫 度探測器設(shè)有兩個，分別設(shè)置在熱交換器的出口和入口上，所述的溫度控制器與溫度探測 器連接。
[0013] 所述的紅外濾光片包括4. 20-4. 35 ym帶通濾光片、2. 65-2. 80 ym帶通濾光片和/ 或3.90 ym帶通濾光片。
[0014] 所述的藍寶石鏡片數(shù)量為4-6片，材料為AL203單晶。
[0015] 一種基于紅外福射的內(nèi)燃機燃燒特性測量方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0016] 1)紅外內(nèi)窺鏡接收內(nèi)燃機氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的紅外福射，并通過內(nèi)窺鏡恒溫裝置使 紅外內(nèi)窺鏡保持擔溫；
[0017] 2)紅外內(nèi)窺鏡將接收到的紅外福射通過紅外光纖傳輸，并在另一端的光纖鏡放 大；
[0018] 3)放大后的紅外福射在經(jīng)過濾光片后，得到單一波長的紅外福射，并進入熱像儀 成像；
[0019] 4)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)紅外熱像儀的輸出圖像進行處理最終得到氣缸內(nèi)部的燃燒特 性。
[0020] 所述的內(nèi)窺鏡恒溫裝置通過水累將流出紅外內(nèi)窺鏡的高溫水流累入到熱交換器 中，并在熱交換器進行熱交換后得到低溫水，再流入紅外內(nèi)窺鏡的探管內(nèi)，所述的溫度探測 器獲取熱交換器輸入和輸出端水的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)傳入溫度控制器，溫度控制器根據(jù) 溫度數(shù)據(jù)控制水累的流速，從而完成一次換熱循環(huán)。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點：
[0022] 一、適應(yīng)無光源條件，可在沒有外界光源的情況下，對視場較暗的內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的 燃燒進行光學診斷，尤其是劇烈燃燒前的噴霧階段，和低溫反應(yīng)階段。
[0023] 二、檢測效果好，由于燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒物的紅外福射要遠遠強于一般氣體 組分，所W可用于燃燒過程中顆粒物（PM)生成與分布區(qū)域的檢測，為燃燒優(yōu)化提供依據(jù)。
[0024] =、方法先進，根據(jù)紅外熱福射的強度，可W同時得到燃燒過程的溫度場及其變化 過程。為氮氧化物（NOx)等其他污染排放的控制提供條件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖2為紅外內(nèi)窺鏡的剖視圖。
[0027] 圖3為紅外內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[002引圖4為紅外內(nèi)窺鏡在燃燒室上的設(shè)置圖。
[0029] 圖5為視場為90。的成像物鏡光路圖。
[0030] 圖6為傳向系統(tǒng)光路圖。
[003U 其中；1、紅外內(nèi)窺鏡，2、紅外光纖，3、紅外濾光片，4、紅外熱像儀，5、數(shù)據(jù)處理器， 6、內(nèi)窺鏡恒溫裝置，11、入水口，12、出水口，13、探管，14、藍寶石鏡片，21、光纖鏡，61、水累， 62、熱交換器，63、溫度控制器，64、溫度探測器。

【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[003引實施例：
[0034] 如圖1所示，一種基于紅外福射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)，用W測量內(nèi)燃機燃 燒及噴霧特性的測量，包括紅外內(nèi)窺鏡1、紅外光纖2、紅外濾光片3、紅外熱像儀4、數(shù)據(jù)處 理器5和內(nèi)窺鏡恒溫裝置6，紅外內(nèi)窺鏡1設(shè)置在內(nèi)燃機燃燒室的探測孔上，紅外光纖2的 一端紅外內(nèi)窺鏡1連接，另一端設(shè)有光纖鏡21，光纖鏡21與紅外熱像儀4的輸入端正對，紅 外濾光片3設(shè)置在光纖鏡21與紅外熱像儀4之間，紅外熱像儀4與數(shù)據(jù)處理器5連接，數(shù) 據(jù)處理器5可W將紅外熱像儀4獲得的電信號進行程序處理，從而得內(nèi)燃機各個工況下的 燃燒室內(nèi)溫度場分布、低溫放熱區(qū)域的空間分布、碳煙及氮氧化物生成區(qū)域分布等特性，內(nèi) 窺鏡恒溫裝置6與紅外內(nèi)窺鏡1連接，
[0035] 紅外濾光片3包括4. 20-4. 35 ym帶通濾光片、2. 65-2. 80 ym帶通濾光片和/或 3. 90 y m帶通濾光片，紅外熱像儀4鏡頭前配有特定紅外波段的濾光片3用于濾過不同波段 的紅外福射。含碳火焰帶通濾光片允許4. 20-4. 35 y m的紅外波段通過，可W通過該段波長 的紅外福射探測火焰表面熱福射，同樣也可W通過濾掉該段波長的紅外福射探測非火焰熱 表面熱福射，尤其噴霧熱福射，&0帶通濾光片允許2. 65-2. 80 ym的紅外波段通過，可W通 過該段波長的紅外福射探測氨氣火焰熱福射。此外，通過濾片的靈活組合還可W進行其他 所需物質(zhì)的探測。
[0036] 紅外內(nèi)窺鏡1為了克服缸體溫度對紅外福射的干擾，采用了水冷的方式，使其溫 度保持恒定，內(nèi)窺鏡恒溫裝置6包括水累61、熱交換器62、溫度控制器63和溫度探測器64， 水累61分別與出水口 12和熱交換器62的入口連接，熱交換器62的出口與入水口 11連 接，作用是將從出水口 12輸出的高溫水變成用于冷卻紅外內(nèi)窺鏡1的低溫水，溫度控制器 63與溫度探測器64連接，溫度探測器64分別設(shè)置在熱交換器62的出口和入口上。
[0037] 溫度探測器64分別與熱交換器62的進水口與出水口相連，用于測量熱交換器62 的進水口與出水口的水溫，并且把相應(yīng)的信號送給溫度控制器63,溫度控制器63是一塊集 成數(shù)字輸出與模擬輸入的單片機，接收熱交換器62的進水口與出水口的水的溫度信號，并 且根據(jù)溫度信號控制水累61的轉(zhuǎn)速。
[003引如圖2和圖3所示，紅外內(nèi)窺鏡1包括入水口 11，出水口 12、探管13和藍寶石鏡 片14,探管13內(nèi)部設(shè)有中屯、通路，藍寶石鏡片14設(shè)置在中屯、通路內(nèi)部，入水口 11和出水 口 12設(shè)置在探管13下部，并且在探管13內(nèi)的頭部連通，入水口 11和出水口 12分別與內(nèi) 窺鏡恒溫裝置6連接，藍寶石鏡片14數(shù)量為4-6片，材料為AL2O3單晶。
[0039] 如圖4所示，紅外內(nèi)窺鏡1通過燃燒室上的小孔固定于燃燒室上，紅外內(nèi)窺鏡1不 僅僅可W隨著小孔位置的改變而改變，角度也可W根據(jù)不同需求而變，紅外內(nèi)窺鏡1探入 燃燒室，接收來自燃燒室內(nèi)物質(zhì)發(fā)出的紅外福射。
[0040] 紅外內(nèi)窺鏡1的光路主要有兩部分組成；成像物鏡和傳向系統(tǒng)。
[0041] 成像物鏡：
[0042] 如圖5所示，成像物鏡由3?4片鏡片組成視場，用于控制內(nèi)窺鏡的觀察角度和像 的獲取。其中左邊第一塊鏡片采用W藍寶石單晶為材料的鏡片，比保證其較高的機械強度 和抗沖擊性能。后面幾塊鏡片采用蹄簡隸化g-Cd-Te)或者多晶錯等材料，W保證較高的紅 外透過率。
[0043] 傳向系統(tǒng)；
[0044] 如圖6所示，由S到四組膠合鏡組構(gòu)成，達到像的傳遞作用。間距和總長可具體內(nèi) 窺鏡的使用情況調(diào)整設(shè)計，采用蹄簡隸化g-Cd-Te)或者多晶錯等材料，W保證較高的紅外 透過率，采用膠合鏡可防止因反射而引起光量損失，防止閃光及幻影的產(chǎn)生。
[0045] 一種基于紅外福射的內(nèi)燃機燃燒特性測量方法，包括W下步驟：
[0046] 1)紅外內(nèi)窺鏡接收內(nèi)燃機氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的紅外福射，并通過內(nèi)窺鏡恒溫裝置使 紅外內(nèi)窺鏡保持擔溫；
[0047] 2)紅外內(nèi)窺鏡將接收到的紅外福射通過紅外光纖傳輸，并在另一端的光纖鏡放 大；
[0048] 3)放大后紅的紅外福射在經(jīng)過濾光片后，得到單一波長的紅外福射，并進入熱像 儀成像；
[0049] 4)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)紅外熱像儀的輸出圖像進行處理最終得到氣缸內(nèi)部的燃燒特 性。
[0化日]其中基于紅外福射的測溫原理是根據(jù)斯特凡-波茲曼定律（Stefan-Boltzmann law)，一個黑體表面單位面積福射的能量功率M與黑體本身熱力學溫度T的關(guān)系：
[0051] M = 0 ? T*
[0052] 紅外熱像儀4中的MCT(蹄簡隸）傳感器，會把熱福射能量轉(zhuǎn)化為電壓信號，考慮 到實際被測物質(zhì)不是理想黑體，并且最終福射會受到環(huán)境熱福射和探測器熱福射的影響， 最終公式修正為：
[0053]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于紅外輻射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)，用以測量內(nèi)燃機燃燒及噴霧特性， 其特征在于，包括紅外內(nèi)窺鏡（1)、紅外光纖（2)、紅外濾光片（3)、紅外熱像儀（4)、數(shù)據(jù)處 理器（5)和內(nèi)窺鏡恒溫裝置（6)，所述的紅外內(nèi)窺鏡（1)設(shè)置在內(nèi)燃機燃燒室的探測孔上， 所述的紅外光纖（2)的一端與紅外內(nèi)窺鏡（1)連接，另一端設(shè)有光纖鏡（21)，所述的光纖 鏡（21)與紅外熱像儀（4)同軸設(shè)置，所述的紅外濾光片（3)設(shè)置在光纖鏡（21)與紅外熱 像儀（4)之間，所述的紅外熱像儀（4)與數(shù)據(jù)處理器（5)連接，所述的內(nèi)窺鏡恒溫裝置（6) 與紅外內(nèi)窺鏡⑴連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外輻射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)，其特征在 于，所述的紅外內(nèi)窺鏡（1)包括入水口（11)、出水口（12)、探管（13)和藍寶石鏡片（14)，所 述的探管（13)內(nèi)部設(shè)有中心通路和換熱腔，所述的換熱腔設(shè)置在中心通路的外圍，所述的 藍寶石鏡片（14)設(shè)置在中心通路內(nèi)部，所述的入水口（11)和出水口（12)分別與換熱腔和 內(nèi)窺鏡恒溫裝置（6)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于紅外輻射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)，其特征在 于，所述的內(nèi)窺鏡恒溫裝置（6)包括水泵（61)、熱交換器（62)、溫度控制器（63)和溫度探 測器（64)，所述的水泵（61)分別與出水口（12)和熱交換器（62)的入口連接，所述的熱交 換器（62)的出口與入水口（11)連接，所述的溫度探測器（64)設(shè)有兩個，分別設(shè)置在熱交 換器（62)的出口和入口上，所述的溫度控制器（63)與溫度探測器（64)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外輻射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)，其特征在 于，所述的紅外濾光片（3)包括4. 20-4. 35 ym帶通濾光片、2. 65-2. 80 ym帶通濾光片和/ 或3. 90 y m帶通濾光片。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于紅外輻射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng)，其特征在 于，所述的藍寶石鏡片（14)數(shù)量為4-6片，材料為AL203單晶。
6. -種應(yīng)用如權(quán)利要求1-5任一項所述的基于紅外輻射的內(nèi)燃機燃燒特性測量系統(tǒng) 的測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 紅外內(nèi)窺鏡接收內(nèi)燃機氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的紅外輻射，并通過內(nèi)窺鏡恒溫裝置使紅外 內(nèi)窺鏡保持恒溫； 2) 紅外內(nèi)窺鏡將接收到的紅外輻射通過紅外光纖傳輸，并在另一端的光纖鏡放大； 3) 放大后的紅外輻射在經(jīng)過濾光片后，得到單一波長的紅外輻射，并進入熱像儀成 像； 4) 數(shù)據(jù)處理器根據(jù)紅外熱像儀的輸出圖像進行處理最終得到氣缸內(nèi)部的燃燒特性。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于紅外輻射的內(nèi)燃機燃燒特性測量方法，其特征在 于，所述的內(nèi)窺鏡恒溫裝置通過水泵將流出紅外內(nèi)窺鏡的高溫水流泵入到熱交換器中，并 在熱交換器進行熱交換后得到低溫水，再流入紅外內(nèi)窺鏡的探管內(nèi)，所述的溫度探測器獲 取熱交換器輸入和輸出端水的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)傳入溫度控制器，溫度控制器根據(jù)溫度 數(shù)據(jù)控制水泵的流速，從而完成一次換熱循環(huán)。
【文檔編號】G01J5/10GK104502112SQ201410775615
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】李理光, 胡宗杰, 陸海峰, 梁敬, 汪超, 汪陽 申請人:同濟大學