专利名称：缸内成像设备及方法
技术领域：
本发明涉及用于在发动机运行期间，拍摄内燃机的燃烧室的设备和 方法。背景技木当研发燃烧室以提高内燃机的运4亍效率和性能时，工程师们通常依 赖于燃烧分析。通常，工程师们对于有关运行的或点火的发动机的燃烧 室内发生的燃烧的信息有限。该信息可包括如与发动机旋转相关的缸内 压力、热测绘图等。但是，由于发动机运行时，燃烧室内的环境苛刻(高 压、高温等)，所以难以获得燃烧室内发生的燃烧过程的可视图像。发明内容提供一种用于限定了燃烧室的内燃机的缸内成像设备。所述缸内成 像设备包括高速摄像装置，例如高速数字照相机。设有与所述燃烧室光 学相连的管道镜，该管道镜可操作，以将所述燃烧室的图像传送至所述 高速摄像装置。高亮度光源，例如氙光源，可操作，以充分照亮所述燃 烧室。所述高速摄像装置和所述管道镜相对于所述内燃机安装。在优选实施例中，所述高速摄像装置与所述管道镜基本轴向对齐。 另外，所述高速摄像装置优选使用支架安装在所述内燃机上，所述支架 具有大于所述内燃机的感应作用的固有频率。在所述管道镜与所述燃烧 室之间设有由例如石英形成的窗口 ，以在所述内燃机的运行期间，保护 所述管道镜不受所述燃烧室内的高压和高温的^C坏。在所述高亮度光源与所述燃烧室之间可设有由例如蓝宝石形成的 棱镜。所述棱镜优选可操作，以将所述高亮度光源的光射入所述燃烧 室。可设置纤维光束，以将所述高亮度光源的光传送至所述棱镜。还提供了 一种在发动机运行期间拍摄内燃机的燃烧室的方法。所述方法包括下列步骤A)相对于所述内燃机安装与所述燃烧室光学相联 的管道镜；B)相对于所述内燃机安装与所述管道镜基本轴向对齐的高 速摄像装置，使得所述管道镜可操作，以将所述燃烧室内的图像传送至 所述高速摄像装置；C)使用高亮度光源的光照亮所述燃烧室；以及D) 当所述内燃机运行时，使用所述高速摄像装置捕获所述燃烧室的所述图 像。所述方法还包括使用冷却压缩空气冷却所述管道镜。照亮所述燃烧 室步骤可包括使用色散棱镜将所述光射入所述燃烧室。另外，相对于所 述内燃机安装所述高速摄像装置的步骤可包括下列步骤A)将支架固 定到所述内燃机上；B)当所述支架固定到所述内燃机时，将所述支架 加工成接收所述高速摄像装置，以确保所述高速摄像装置与所述管道镜 之间的对齐；以及C)将所述高速摄像装置固定到所述支架上。另外， 相对于所述内燃机安装所述高速摄像装置的步骤还可包括下列步骤 D)转动所述支架，使得所述支架的固有频率模式大于所述内燃机的感 应作用。结合附图，根据下面对实现本发明的最佳模式的描述，可容易地理 解本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。
图1为具有安装在其上的缸内成像设备的内燃机一部分的截面图；图2为示出缸内成像设备的管道镜方面的截面图；图3为示出缸内成像设备的高亮度光源的放大截面图。
具体实施方式
现在参考附图，其中在总共几个图中，相同的附图标记对应于相同 或相似的组件，图l示出了内燃机10的一部分的截面图。内燃机10具有 安装在其上的缸内成像设备12。内燃机10包括气缸盖14和凸轮盖16。气 缸盖14部分地限定了燃烧室18,在内燃机10运行期间，燃料与空气在燃 烧室18内燃烧。气缸盖14优选由包括，但不限于铝、铁、钢、镁等铸造 金属形成。气缸盖14具有构造成与内燃机10的气缸体(未示出)相配套 的平台部分20 ( deck portion )。另外，气缸盖14包括可操作以提供用于气门机构(未示出)的安装表面的弹簧平台部分22。平台部分20和弹簧 平台部分22共同限定了冷却夹套24,冷却液通过冷却夹套24流动以有效 地冷却气缸盖14。在内燃机10的运行期间，弹簧平台部分22经受从气门 机构溅出的润滑油。凸轮盖16与气缸盖14密封地接合，以保持内燃机IO 内的润滑油。缸内成像设备12包括高速摄像装置26、管道镜28和高亮度光源30。 例如，在一个实施例中，高速摄像装置26为具有以如高达160000帧每秒 的速率来捕获图像的能力的数字照相机，但是也可使用其它摄像速度。 高速摄像装置26与管道镜28轴向对齐。管道镜28与燃烧室18连通，并且 其可操作，以将图像从燃烧室18内光学地传送至高速摄像装置26 。高速摄像装置26通过支架32安装在内燃机10上。支架32还保持高速 摄像装置26与管道镜28之间的轴向对齐。支架32通过紧固件34可拆除地 安装在气缸盖14上。支架32由具有足以相对于管道镜28有效保持高速摄 像装置26的结构刚度的金属形成，例如厚的量具钢，以实施内燃机IO、 管道镜28与高速摄像装置26之间的刚性运动。在一些实施例中，分析和 转动支架32，以确保支架32的固有频率模式基本上超过激励作用或感应 作用的所有模式，例如内燃机10的点火次序，从而避免可^5皮坏管道镜28 和/或高速摄像装置26内的组件的共振。"感应作用"为产生振动模式的 激励类型或输入关系，例如点火发动才几的类型或次序。支架32加工成当 安装到内燃机10上时接收高速摄像装置26,以提供与管道镜28的精确轴 向对齐。设有增压和冷却气体(例如，空气)源36作为冷却管道镜28的 装置。高亮度光源30可操作，以向燃烧室18提供例如白光，以增强管道4免 20提供给高速摄像装置26的图像。高亮度光源30优选为氙光源；但是， 光学和照明领域的技术人员可知，在所请求保护的范围内，还可使用其 它高亮度光源。高亮度光源30的光通过纤维光束38传送到色散棱镜40。 色散棱镜40可操作，以将高亮度光源30的光射入燃烧室18。该实施例的 色散棱镜40由晶体材料形成，包括，但不限于，蓝宝石。现在参考图2，示出了缸内成像设备12的组件的截面图。大致管状 的套管42延伸穿过由气缸盖14的弹簧平台部分22限定的孔44,并且至少 部分地穿过由气釭盖14的平台部分20限定的孔46。孔44和46通过在气缸 盖14上加工而成。套管42可通过过盈配合或粘合密封剂(例如，环氧树脂)相对于气缸盖14固定。套管42由具有与气缸盖14相似的热膨胀特征 的材料形成，使得当气缸盖"温度升高时，套管42相对于气缸盖14保 持固定。套管42可操作，以将冷却夹套24从燃烧室18、管道镜28和弹簧 平台部分22密封。另外，套管42可操作，以防止润滑油从弹簧平台部分 22进入冷却夹套24或接触管道镜28。外套管42延伸穿过图1中所示的凸轮盖16,与套管42同轴地接合。 绕着套管42的外周布置有0形圈密封50,该密封可操作，以密封地接合 外套管48。在管道镜28与燃烧室18之间设有窗口52，该窗口用于在内燃 机10的运行期间，保护管道镜28不受燃烧室18内形成的热量和压力的破 坏。窗口52由晶体材料形成，例如石英；但是本领域的技术人员会认识 到，在所请求保护的范围内，还可使用其它材料，包括，但不限于，蓝 宝石和尖晶石。现在参考图3，示出了进一步示出缸内成像设备12的组件的截面 图。大致管状的套管54延伸穿过由气缸盖14的弹簧平台部分22限定的孔 56，并且至少部分地穿过由气缸盖14的平台部分20限定的孔58。孔56和 58通过在气缸盖14上加工而成。套管54可通过过盈配合或粘合密封剂 (例如，环氧树脂)相对于气缸盖14固定。套管54由具有与气缸盖14相 似的热膨胀特征的材料形成，使得当气缸盖14温度升高时，套管54相 对于气缸盖14保持固定。套管54可操作，以将冷却夹套24从燃烧室18、 纤维光束38、色散棱镜40和弹簧平台部分22密封。另外，套管54可操作， 以限制润滑油从弹簧平台部分进入冷却夹套24或接触纤维光束38和色 散棱镜40。外套管60延伸穿过凸轮盖16,与套管54同轴地接合。绕着套 管54的外周布置有0形圈密封62，该密封可操作，以密封地接合外套管 60。还提供了 一种在发动机运行期间拍摄内燃机10的燃烧室18的方 法。该方法包括下列步骤A)相对于内燃机10安装与燃烧室18相联的 管道镜28; B)相对于内燃机10安装与管道镜28轴向对齐的高速摄像装 置26,使得管道镜28可操作，以将燃烧室18内的图像传送至高速摄像装 置26; C)使用高亮度光源30的光照亮燃烧室18;以及D)当内燃才几IO 运行时，使用高速摄像装置26捕获燃烧室18的图像。镜28。照亮燃烧室18的步骤包括使用色散棱镜40来将光射入燃烧室18。另外，相对于内燃机10安装高速摄像装置26的步骤优选包括下列步骤 A)将支架32固定到内燃机10上；B)当支架32固定到内燃机10时，将支 架32加工成接收高速摄像装置26，以确保高速摄像装置26与管道镜28之 间的对齐；以及C)将高速摄像装置26固定到支架32上。另外，相对于 内燃机10安装高速摄像装置26的步骤还包括下述步骤D)转动支架32, 使得支架32的固有频率大于内燃机10的感应作用。通过在缸内成像设备12上整合高速摄像装置26，在发动机运行期间 荻取燃烧室18的连续高速图像的能力给发动机设计者提供了研究内燃 机10的燃烧特性所必需的额外信息。这些燃烧特性可包括如下信息，例 如，缸壁燃料润湿度、燃料喷射特性、燃烧室18内的积炭产生、闪蒸沸 腾(flash boiling)等。缸内成像设备12可与火花点燃式内燃机和压燃式 内燃机一起使用，是在设计火花点燃直喷式发动机和压燃式发动机是特 别有用的工具，在设计燃烧室、活塞顶、以及燃烧喷射特性和正时时需 要仔细注意。尽管已经详细描述了实现本发明的最佳模式，但是本发明所属领域 的技术人员应当认识到，在所附权利要求的范围内实现本发明的各种可 选i殳计和实施方式。
权利要求
1.一种用于限定了燃烧室的内燃机的缸内成像设备，所述缸内成像设备包括高速摄像装置；与所述燃烧室光学相连的管道镜，该管道镜可操作，以将所述燃烧室的图像传送至所述高速摄像装置；高亮度光源，该高亮度光源可操作，以充分照亮所述燃烧室；并且其中所述高速摄像装置和所述管道镜相对于所述内燃机安装。
2. 如权利要求l所述的缸内成像设备，其中所述高速摄像装置与所 述管道镜轴向对齐。
3. 如权利要求l所述的缸内成像设备，还包括布置在所述管道镜与 所述燃烧室之间的保护窗口 。
4. 如权利要求3所述的缸内成像设备，其中所述保护窗口由石英、 尖晶石和蓝宝石中的至少一种形成。
5. 如权利要求l所述的缸内成像设备，其中所述高速摄像装置为高 速^:字照相机。
6. 如权利要求l所述的缸内成像设备，其中所述管道镜使用冷却压 缩气体来冷却。
7. 如权利要求l所述的缸内成像设备，还包括可操作以将所述高速摄像装置安装到所述发动机的支架。
8. 如权利要求7所述的缸内成像设备，其中所述支架的固有频率模 式大于所述内燃机的感应作用。
9. 如权利要求l所述的缸内成像设备，其中所述高亮度光源为氙光源。
10. 如权利要求l所述的缸内成像设备，还包括布置在所述高亮度 光源与所述燃烧室之间的棱镜，其中所述棱一晚可操作，以将所述高亮度 光源的光射入所述燃烧室。
11. 如权利要求10所述的缸内成像设备，其中所述棱镜由蓝宝石形成。
12. 如权利要求10所述的缸内成像设备，还包括布置在所述高亮度 光源与所述棱镜之间的纤维光束，所述纤维光束可操作，以将所述高亮 度光源的光传送至所述棱镜。
13. —种在发动才几运4亍期间拍4聂内燃才几的燃烧室的方法，所述方法包括相对于所述内燃机安装与所述燃烧室光学相联的管道镜；相对于所述内燃机安装与所述管道镜基本轴向对齐的高速摄像装置；使得所述管道镜可操作，以将所述燃烧室内的图像传送至所述高速摄像装置；使用高亮度光源的光照亮所述燃烧室；以及 当所述内燃机运行时，使用所述高速摄像装置捕获所述燃烧室的所 述图像。
14. 如权利要求13所述的方法 管道镜。
15. 如权利要求13所述的方法 棱镜将所述光射入所述燃烧室。
16. 如权利要求13所述的方法 烧室之间设置窗口来保护管道镜。
17. 如;f又利要求16所述的方法 宝石中选择。
18. 如4又利要求13所述的方法 速摄像装置包括将支架固定到所述内燃机上； 当所述支架固定到所述内燃机时，将所述支架加工成接收所述高速 摄像装置，以确保所述高速摄像装置与所述管道镜之间的对齐；以及 将所述高速摄像装置安装到所述支架上。
19. 如一又利要求13所述的方法，其中相对于所述内燃才几安装所述高 速摄像装置包括将支架固定到所述内燃机上；将所述高速摄像装置安装到所述支架上；以及转动所述支架，使得所述支架的固有频率模式大于所述内燃机的感应作用。
20. 如权利要求15所述的方法，还包括通过纤维光束将所述高亮度 光源的所述光传送至所述棱镜。
全文摘要
提供了一种用于限定了燃烧室的内燃机的缸内成像设备。所述缸内成像设备包括高速摄像装置，例如高速数字照相机。设有与所述燃烧室光学相连的管道镜，该管道镜可操作，以将所述燃烧室的图像传送至所述高速摄像装置。高亮度光源，例如氙光源，可操作，以充分照亮所述燃烧室。所述高速摄像装置与所述管道镜相对于彼此轴向对齐，并且相对于所述内燃机安装。还提供了一种在发动机运行期间，使用公开的缸内成像设备拍摄内燃机的燃烧室的方法。
文档编号F02B77/08GK101241299SQ20071016922
公开日2008年8月13日 申请日期2007年11月2日 优先权日2006年11月2日
发明者A·R·扎德 申请人:通用汽车环球科技运作公司