一种发动机缸内燃烧测量系统及其测量方法与流程

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种发动机缸内燃烧测量系统及其测量方法。

背景技术：

目前发动机试验开发中有将光纤手段应用于发动机燃烧诊断，专利申请号CN201510613201.3《发动机缸内火焰传播速度测量系统及测量方法》描述了利用光纤手段对缸内火焰传播的检测和问题排查；CN201510021512.0《发动机缸内爆震位置检测系统和方法》描述了利用光纤手段对缸内爆震位置的检测和排查，但是以上两种方式都是分别对燃烧测试，由于发动机燃烧的差异性，并不能反映同一时刻火焰传播和爆震之间的关系。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种发动机缸内火焰传播速度测量和爆震方位预测二合一的系统及测量方法，目的是实现同时探测发动机点火后缸内火焰传播情况与爆震情况，从而得到缸内火焰传播速度与爆震之间的对应关系，有助于进一步确定导致缸内爆震的原因。还提供了一种发动机缸内火焰传播速度测量和缸内爆震分析对标的测量系统和方法，具体技术方案如下：

一种发动机缸内燃烧测量系统，包括光信号采集模块，光纤放大器，燃烧分析仪以及信号处理模块，其中，

所述光信号采集模块通过光纤导线连接至光纤放大器并可向其发送光信号采集模块采集的信号；

所述光纤放大器通讯连接至燃烧分析仪，其用于将光信号转换成电压信号并将信号放大，所述的光纤放大器将转换并放大的信号发送至燃烧分析仪；

所述燃烧分析仪通讯连接至信号处理模块，其用于向其发送信号，所述信号处理模块用于接收信号并进行处理。

进一步地，所述光信号采集模块为火花塞总成，包括中心电极、旁电极和主体金属部件。

进一步地，所述燃烧分析仪向信号处理模块发送的信号为电压信号。

进一步地，所述主体金属部件内设有信号采集通道，所述信号采集通道内填充有石英透镜，石英透镜通过光纤通讯线连接光纤放大器，火花塞总成通过该信号采集通道采集光信号，采集到的光信号通过与石英透镜连接的光纤通讯线传递给光纤放大器。

进一步地，所述石英透镜为16个，其均布在火花塞总成的四周。

进一步地，所述石英透镜成45度分布，且布置位置避开负电极。

进一步地，8个圆柱形石英透镜于端面上均匀分布且垂直于活塞顶面，其用于构成用于采集缸内燃烧后的火焰传播速度的第一观测窗口，8个具有倾向缸壁四周的斜面的石英透镜于侧面上均匀分布，其用于构成观测缸内各方位由于爆震产生的光信号的第二观测窗口，还包括光纤通道Ⅰ和光纤通道Ⅱ，所述第一观测窗口通过光纤通道Ⅰ连接至光纤导线，所述第二观测窗口通过光纤通道Ⅱ连接至光纤导线。

进一步地，所述石英透镜的材料是高纯度透明耐高温高压材料。

上述发动机缸内燃烧测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)光信号采集模块采集发动机燃烧室内火焰光信号；

(2)光纤放大器接收由光信号采集模块传递的光信号，将光信号转换成电信号，并进行放大处理；

(3)燃烧分析仪将由光纤放大器放大处理后的信号转化为电压信号；

(4)信号处理模块接收燃烧分析仪传递的电压信号，并对电压信号进行处理。

步骤(1)中，当发动机缸内活塞运行至压缩上止点附近时候，火花塞总成开始点火，此时火花塞总成端面的垂直于活塞顶面的观测窗口采集火焰传播的光信号；同时火花塞总成侧面的带有45°坡面的观测窗口采集爆震的光信号。

与目前现有技术相比，本发明为探测发动机燃烧过程中同一时刻下火焰核心传播速度、趋势和方向与爆震方位产生的对应关系，排查由于火焰传播异常等原因导致的发动机性能下降和发动机爆震，为后续制定优化方案提供试验数据支持。将16个光纤探测窗口集成在火花塞头部安装在发动机燃烧室内，通过火花塞端面圆柱状和带角度的石英透镜分别对竖直方向上的火焰光信号进行采集，采集的光信号通过光信号放大器及燃烧分析仪进行分析处理，可以准确测量缸内各个方向上的火焰传播瞬时速度、偏离角度、偏离方向和爆震发生方位的相关信息，可以准确分析火焰传播方向和速度对于爆震发生的影响，为后续设计和优化气道、燃烧室形状以及喷油策略等提供准确的试验数据支持。

具体来说：将光纤集成在火花塞头部，将测量火焰传播速度和爆震方位的光纤集成到同一火花塞头部，通过捕捉缸内不同区域的火焰亮度差异变化，有效测试火焰核心在缸内传播方向、速度、趋势对缸内爆震发生方位的影响，满足在同一循环内观测爆震产生和火焰传播之间的关系。可实时采集发动机连续循环工况下的火焰核心传播速度和趋势和确定缸内爆震发生的方位，可以结合爆震发生时火焰传播情况对缸内的燃烧异常情况进行综合分析，排查问题源头，设计和优化缸内气流运动方案，同时也可预判发动机由于火焰传播偏移、异常导致的发动机爆震，为进一步提高发动机性能和降低发动机油耗提供有力的支持。

附图说明

图1为火花塞总成的结构示意图；

图2为火花塞总成的下端部结构示意图；

图3石英透镜窗口的示意图；

图4为本发明测量系统的结构示意图；

图5为火花塞总成安装专用套筒的结构示意图；

上述图中的标记均为：101、光纤火花塞总成；102、光纤通道Ⅰ；103、光纤通道Ⅱ；104、中心电极；105、旁电极；106、石英透镜采光示意Ⅰ；107、石英透镜采光示意Ⅱ；201、石英透镜Ⅰ；202、石英透镜Ⅱ；301、气门；302、活塞；303、光纤通讯线；304、光纤放大器；305、燃烧分析仪；306、信号线；307、电脑；401、火焰核心示意；402、爆震火焰示意；403、缸内气流示意；501、安装套筒，502、套筒标记线。

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。

在一个优选实施例中，一种发动机缸内火焰传播速度测量和缸内爆震分析对标的测量系统和方法，采用上述测量系统，包括步骤：光信号采集模块采集发动机燃烧室内火焰光信号；光纤放大器接收由光信号采集模块传递的光信号，并对光信号进行放大和将光信号转换为电信号的处理；燃烧分析仪将由光纤放大器放大处理后的信号按照公式转换成需要的电压信号；信号处理模块接收燃烧分析仪传递的电压信号，并对电压信号进行处理。燃烧分析仪按照公式将信号转换成所需要的电压信号是指通过燃烧分析仪上的功能按钮，实现电压转换的，其转换的方法及功能是燃烧分析仪内部集成的，属于燃烧分析仪自身功能，这里不作详细说明。

所述光信号采集模块为火花塞总成，当发动机缸内活塞运行至压缩上止点附近时候，火花塞总成开始点火，正常火核开始传播，此时火花塞总成端面的垂直于活塞顶面的观测窗口采集火焰传播的光信号；同时火花塞总成侧面的带有45°坡面的观测窗口采集爆震的光信号。所述火花塞总成包括中心电极、旁电极和主体金属部件，并集火焰传播速度和爆震方位测量通道为一体；主体金属部件内设有用于采集火焰传播速度和爆震方位测量的信号采集通道，信号采集通道内填充有石英透镜；火花塞总成通过信号采集通道采集光信号，采集到的光信号通过与石英透镜连接的光纤通讯线传递给光纤放大器。

在另一个优选实施例中，可以采用如下方案：集成光纤的火花塞剖面结构示意图如图1所示，包括集成光纤火花塞总成101，光纤通道Ⅰ和光纤通道Ⅱ。旁电极105和中心电极104。其中有16个石英透镜观测窗口避开负电极均布在集成光纤的火花塞总成101的四周，成45度分布，如图2所示，端面上均分有8个垂直于活塞顶面的圆柱形石英透镜Ⅰ201观测窗口用于采集缸内燃烧后的火焰传播速度，与石英透镜Ⅰ201处于同一分区的还有设置在侧面并设计有倾向缸壁四周的斜面的石英透镜Ⅱ202用于观测缸内各方位由于爆震产生的光信号，由以上两类观测窗口采集的光信号通过光纤通道Ⅰ和光纤通道Ⅱ然后通过光纤导线303传输到信号分析单元。

本发明中的火花塞头部光纤观测窗口如图2所示，石英透镜Ⅰ为圆柱形，端面设计成圆柱型用于观测发动机点火后的火焰传播速度的差异；石英透镜Ⅱ的观测面为坡面，与缸径轴线呈45度角，通过此平面进行缸内爆震火焰的观测，从而确定爆震发生的准确位置。

图3中标识的石英透镜的材料是高纯度透明耐高温高压材料，用于采集缸内燃烧及爆震光亮信号输出给放大器。

图4是为本发明系统工作示意图，当活塞302运行至压缩上止点附近时候，发动机火花塞1开始点火，正常燃烧火焰401开始传播。假设火花塞周伟有较强的气流运动403存在，通过石英透镜Ⅰ中8个不同通道采集的火焰光亮信号会有时间和强度上的差异，从而可以判定发动机缸内火焰传播在各方向上的速度差异；如果火焰401传播过程中，缸内温度压力升高过快，达到了一定条件后，爆震火焰示意402出现自燃现象，火花塞上石英透镜采光示意Ⅱ中一个通道检测到爆震火焰示意402发出的光信号，从而获得缸内爆震的确切方位信息。分别将以上石英透镜Ⅰ和石英透镜Ⅱ采集的光信号从相应的光纤通道Ⅰ102和光纤通道Ⅱ103，经过光纤通讯线303将光信号传递给光纤放大器304，光纤放大器304接收到光信号，将信号进行放大和转换处理，输出给燃烧分析仪模组305,最终经过燃烧仪模组转化为电压信号后传递给电脑进行软件分析。从燃烧分析仪软件上通过对比同一时刻火焰传播速度的变化和爆震发生方位的关系，可以获取在发生爆震的循环各方位的火焰传播速度数据，可以全面掌握异常燃烧情况下的所有缸内火焰信息情况。

图5是火花塞安装专用套筒示意图，相对于普通套筒，专用套筒501上有特别加工标记线502，安装本发明集成火花塞时，需要将旁电极对准标记线卡紧，根据火花塞拧紧后标记线位置可以确定缸内火花塞旁电极的位置。

本发明为缸内燃烧分析提供一种详尽的分析手段，该方法可以直接获取缸内火焰传播速度和爆震位置，通过爆震位置和当时火焰传播速度情况判断，设计者可以分析出引起爆震的具体原因，如冷却系统设计、气流运行、燃烧室热点等影响因素，根据爆震原因进行设计改进，从而可以提高点火相位，提高发动机的输出性能和降低油耗。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。