一种燃烧温度场及碳烟浓度场同步测量的方法及装置与流程

本发明属于内燃机技术领域，更具体地，涉及一种燃烧温度场及碳烟浓度场同步测量的方法及装置。

背景技术：

内燃机在热效率、排放水平、动力性能、可靠性等方面已经具有独特优势，成为当今社会不可或缺的原动机。但是日益严格的排放法规，对内燃机节能减排提出了更高要求，虽然机外净化能够一定程度上减少排放，但是只有通过优化缸内燃烧才能从根本上解决问题，使内燃机更清洁的同时更加高效。

随着激光诊断和高速成像技术的发展，光学测量在燃烧温度场和碳烟浓度场测量中的应用越来越广泛，为内燃机缸内燃烧的合理组织提供了强有力的技术支持。其中双色法和消光法系统相对简单，测量精度较高，目前应用较为普遍。

双色法可以在非接触情况下，连续同步测量火焰厚度较薄或者碳烟浓度较小的燃烧火焰的燃烧温度场及碳烟浓度场。双色法的基本原理是通过高速彩色ccd相机拍摄获得燃烧过程的彩色图像，从彩色图像中得到rgb值(红、绿、蓝基色值)矩阵，根据固体热辐射理论，结合高温黑体炉标定数据，能找出rgb值矩阵与燃烧温度的对应关系，从而能依次计算出燃烧温度场和碳烟浓度场。但在内燃机喷雾燃烧的双色法测量中，测量光路下游的较浓碳烟会对光路上游的碳烟辐射光进行吸收，从而使得高碳烟浓度下，双色法测量误差较大，故而，双色法并不非常适合喷雾燃烧的碳烟浓度场测量。

消光法可以在非接触的情况下，连续测量喷雾燃烧实验中的碳烟浓度场。消光法的基本原理是当一束光穿过碳烟生成区域时，入射光穿过碳烟区域后，由于碳烟对入射光线的吸收和散射，入射光强会逐步减弱。并且此过程中，碳烟对入射光线的吸收作用远大于散射作用。可用beer-lambert理论描述入射光线穿过碳烟区域前后光强变化与碳烟浓度的关系，从而通过光强的测量来计算得到碳烟浓度。与双色法相比，在高碳烟浓度下，消光法的碳烟测量浓度误差较小。目前，消光法不能得到温度场分布；同时存在忽略碳烟自发光的存在而造成的测量误差；并且一般使用激光作为光源，系统较为昂贵。

因此，本领域亟待提出一种能实现内燃机喷雾燃烧温度场和碳烟浓度场同步测量、精度更高、并且价格低廉的测量方法和装置。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种燃烧温度场及碳烟浓度场同步测量的方法及装置，其中通过对双色法和消光法的工艺条件进行研究和设计，相应的能够结合双色法和消光法各自的优点，以实现同步准确的测得喷雾燃烧实验中燃烧温度场和碳烟浓度场；此外，本发明还通过对非平行单色光照射待测喷雾燃烧区域的时段和彩色ccd相机拍摄时段进行相应的设计和研究，使得极短时内所获取的非平行单色光透过待测燃烧喷雾区域后的照片和没有非平行单色光透过待测燃烧喷雾区域的照片成为有效对比，随后，采用消光法计算碳烟浓度场，采用双色法计算温度场，能够同步准确的测得喷雾燃烧实验中燃烧温度场和碳烟浓度场，以解决消光法不能计算温度场问题和双色法在高碳烟浓度下计算碳烟浓度场误差大的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种燃烧温度场及碳烟浓度场同步测量的方法，包括以下步骤：

s1采用彩色ccd相机拍摄非平行单色光透过未进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片a0；

s2采用脉冲频率为x的非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域，同时，采用拍摄频率为y的彩色ccd相机对待测喷雾燃烧区域进行连续拍照,其中y为x的n倍,n为不小于2的整数；

s3获取t2m时刻，有非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片b2m以及t2m-1时刻和t2m+1时刻没有非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片c2m-1和照片c2m+1；

s4获取照片a0、照片b2m、照片c2m-1和照片c2m+1中各个像素点的光强，获取照片c2m-1和照片c2m+1中各个像素点的rgb值；

s5根据照片a0、照片b2m、照片c2m-1和照片c2m+1中各个像素点的光强建立各个像素点的碳烟浓度的kl因子，以此来构建喷雾燃烧的碳烟浓度场；

s6标定照片c2m-1或照片c2m+1中各个像素点的rgb值所对应的亮度温度，并根据该亮度温度建立照片c2m-1或照片c2m+1中各个像素点的温度模型，并以此建立喷雾燃烧的温度场。

作为进一步优选的，步骤s5中，各个像素点处的碳烟浓度的kl因子模型为：

或者

或者

其中，kl值为表示碳烟浓度的kl因子，i0,i为照片a0中像素点i的光强，i2m-1,i为照片c2m-1中像素点i的光强，i2m+1,i为照片c2m+1中像素点i的光强，i2m,i为照片b2m中像素点i的光强。

作为进一步优选的，步骤s5中，步骤s5中，通过将各个像素点的kl因子与各个像素点的位置一一对应起来，从而构建喷雾燃烧的碳烟浓度场。

作为进一步优选的，步骤s6中，rgb值包括构成各个像素点的红色光信号强度、绿色光信号强度以及蓝色光信号强度；采用高温黑体炉来标定rgb值矩阵中各个值对应的亮度温度；

所述温度模型为：

或者

其中，λ1、λ2为红色光、绿色光、蓝色光中任意两色光所对应波长；c2为已知常数；ta1为λ1所对应的色光的亮度温度，ta2为λ2所对应的色光的亮度温度，t2m-1,i为照片c2m-1中像素点i的温度，t2m+1,i为照片c2m+1中像素点i的温度。

作为进一步优选的，步骤s6中，通过将照片c2m-1或照片c2m+1中各个像素点的温度与各个像素点的位置一一对应起来，从而构建喷雾燃烧的温度场。

作为进一步优选的，y为x的2倍。

按照本发明的另一个方面，提供一种燃烧温度场及碳烟浓度场同步测量装置，包括脉冲光发射模块、彩色ccd相机以及脉冲发生器，其中，

所述脉冲光发射模块和所述彩色ccd相机分别设于待测喷雾燃烧区域相对的两端，所述脉冲光发射模块用于发出非平行单色光，所述彩色ccd相机用于根据需要拍摄待测喷雾燃烧区域的照片；

所述脉冲发生器具有两个输出端，其中一个输出端与所述脉冲光发射模块连接，另外一个输出端与所述彩色ccd相机连接，所述彩色ccd相机的信号输出端与电脑连接，工作时，所述脉冲发生器控制所述脉冲光发射模块发射非平行单色光，同时所述脉冲发生器控制所述彩色ccd相机拍摄t2m时刻非平行单色光照射待测燃烧喷雾区域后的照片b2m、t2m-1时刻和t2m+1时刻没有非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片c2m-1和照片c2m+1，并将照片b2m、照片c2m-1和照片c2m+1传输给电脑，电脑对照片b2m、照片c2m-1和照片c2m+1进行处理，以获取照片b2m中各像素点的光强、照片c2m-1和照片c2m+1中各像素点的光强，并对对应照片的光强进行处理，以构建喷雾燃烧的碳烟浓度场和温度场。

作为进一步优选的，所述脉冲光发射模块与所述彩色ccd相机布置在同一条轴线上。

作为进一步优选的，所述脉冲光发射模块包括脉冲led光源、散射透镜组和菲涅尔透镜，其中，所述led光源和散射透镜组连接设置，散射透镜组和菲涅尔透镜间隔设置，所述菲涅尔透镜设置于靠近待测喷雾燃烧区域的一侧，所述脉冲led光源、散射透镜组和菲涅尔透镜的中心轴共线。

作为进一步优选的，所述脉冲光发射模块还包括设于所述脉冲led光源上的散热装置；所述菲涅尔透镜散射出的非平行单色光完全覆盖待测喷雾燃烧区域。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过对非平行单色光照射待测喷雾燃烧区域的时段和彩色ccd相机拍摄时段进行相应的设计和研究，使得极短时内所获取的非平行单色光透过待测燃烧喷雾区域后的照片和没有非平行单色光透过待测燃烧喷雾区域的照片成为有效对比，同时，采用消光法原理计算碳烟浓度场，采用双色法原理计算温度场，能够同步准确的测得喷雾燃烧实验中不同喷雾燃烧时刻下(即喷雾燃烧过程中各个时刻)的燃烧温度场和碳烟浓度场，以解决消光法不能计算温度场问题和双色法在高碳烟浓度下计算碳烟浓度场误差大的问题。

2.传统消光法因为忽略燃烧自发光的存在会带来系统误差，而本发明利用连续两帧图片做差从而算得碳烟浓度场。相比传统消光法，直接消除了燃烧自发光导致的系统误差，进一步提高了碳烟浓度场的测量精度。

3.本发明利用脉冲led光源具有高功率、低成本和高频闪的特点，取代消光法常用的昂贵复杂的激光光源，可以简化系统，降低成本。

4.本发明能同步较为精确测量实验中燃烧温度场和碳烟浓度场，实验效率大大提升。

5.本发明装置通过对脉冲光发射模块、彩色ccd相机、脉冲发生器以及电脑进行相应的设计和研究，相应的使得短时内所获取的非平行单色光透过待测燃烧喷雾区域后的照片和没有非平行单色光透过待测燃烧喷雾区域的照片成为有效对比，同时，电脑对所述彩色ccd相机拍摄的照片和对应照片的光强进行处理，以获取碳烟浓度的kl因子和碳烟的温度场，具有操作简单，成本低、测量精确等特点。

附图说明

图1是本发明涉及的一种燃烧温度场及碳烟浓度场同步测量装置的结构示意图；

图2是图1中脉冲发生器发出的触发信号时序示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-散热装置，2-脉冲led光源，3-散射透镜组，4-菲涅尔透镜，5-待测燃烧喷雾区域，6-彩色ccd相机，7-脉冲发生器。

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。

本发明一种燃烧温度场及碳烟浓度场同步测量的方法包括以下步骤：

步骤一，采用彩色ccd相机拍摄非平行单色光透过待测燃烧喷雾区域后的照片a0，此时，该待测燃烧喷雾区域未进行喷雾燃烧。同时，提取照片a0中各个像素点的光强(i0，1，…，i0，i)，此处的光强将作为对比，同时，此时彩色ccd相机拍摄的频闪频率不受限制。

步骤二，待测喷雾燃烧区域进行喷雾燃烧的过程中，在t2m时刻，采用脉冲频率为x的非平行单色光照射待测喷雾燃烧区域，同时采用脉冲频率为y的彩色ccd相机拍摄t2m时刻非平行单色光透过待测燃烧喷雾区域后的照片b2m，并获取b2m中各个像素点的光强(i2m，1，…，i2m，i)，该光强为非平行单色光透过待测燃烧喷雾区域后剩余光强和待测燃烧喷雾区域碳烟炽光光强的和；在t2m-1时刻，采用彩色ccd相机拍摄没有非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片c2m-1，并获取照片c2m-1中各个像素点的光强(i2m-1，1，…，i2m-1，i)和rgb值，该光强为待测燃烧喷雾区域的碳烟炽光光强；在t2m+1时刻，采用彩色ccd相机拍摄没有非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片c2m+1，并获取照片c2m+1中各个像素点的光强(i2m+1，1，…，i2m+1，i)和rgb值，该光强为待测燃烧喷雾区域的碳烟炽光光强；其中，i为不小于0的整数。

在本步骤中，所述彩色ccd相机拍摄的频闪频率至少为所述非平行单色光照射频率的2倍及以上，即y为x的n倍,n为不小于2的整数，同时，作为本发明的优选方案，彩色ccd相机拍摄的频闪频率为所述非平行单色光照射频率的2倍，即y为x的2倍。

步骤三，获取照片a0、照片b2m、照片c2m-1和照片c2m+1中各个像素点的光强，获取照片c2m-1和照片c2m+1中各个像素点的rgb值。

步骤四，根据照片a0、照片b2m以及照片c2m-1和照片c2m+1中各个像素点的光强建立各个像素点的碳烟浓度的kl因子，将各个像素点的kl因子与各个像素点的位置一一对应起来，从而构建喷雾燃烧的碳烟浓度场。

其中，各个像素点处的碳烟浓度的kl因子模型为：

或者

或者

其中，kl值为表示碳烟浓度的kl因子；i0为照片a0中像素点i的光强，i2m,i为照片b2m中像素点i的光强，i2m-1,i为t2m-1刻没有非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片c2m-1中像素点i的光强,i2m+1,i为t2m+1时刻没有非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片c2m+1中像素点i的光强。

步骤五，标定照片c2m-1或者照片c2m+1中各个像素点的rgb值所对应的亮度温度，并根据该亮度温度建立照片c2m-1或者照片c2m+1中各个像素点的温度模型，并以此建立喷雾燃烧的温度场。具体而言，各个像素点的rgb值包括红色光信号强度、绿色光信号强度以及蓝色光信号强度，在红色光、绿色光以及蓝色光中任选两个光色，采用高温黑体炉来标定rgb值矩阵中各个值对应的亮度温度曲线，该曲线上给出了不同波长下的单色光光强和亮度温度之间的关系，从而获取照片c2m-1或照片c2m+1中各个像素点的rgb值所对应的亮度温度，并根据该亮度温度建立照片c2m-1或者照片c2m+1中各个像素点的温度模型，并以此建立喷雾燃烧的温度场。

温度模型为：

或者

其中，λ1、λ2为红色光、绿色光、蓝色光中任意两色光所对应波长；c2为已知常数；ta1为λ1所对应的色光的亮度温度，ta2为λ2所对应的色光的亮度温度，t2m-1,i为照片c2m-1中像素点i的温度，t2m+1,i为照片c2m+1中像素点i的温度。

如图1和图2所示，本发明一种燃烧温度场及碳烟浓度场同步测量装置包括脉冲光发射模块、彩色ccd相机6、脉冲发生器7以及电脑。脉冲光发射模块包括散热装置1、脉冲led光源2、散射透镜组3以及菲涅尔透镜4，脉冲led光源2直接照射或通过光学视窗照射待测燃烧喷雾区域5，所述led光源2和散射透镜组3连接设置，散射透镜组3和菲涅尔透镜4间隔设置，所述菲涅尔透镜4设置于靠近待测喷雾燃烧区域的一侧，所述脉冲led光源2、散射透镜组3和菲涅尔透镜4的中心轴共线。散热装置1设于脉冲led光源2上，用于给脉冲led光源2散热。

脉冲led光源2可发出单色可见光，脉冲频率和脉冲宽度由脉冲发生器7控制，脉冲宽度最低1微秒，脉冲频率超过2万hz。菲涅尔透镜4直径大于待测燃烧喷雾区域5最大长度，其作用是扩散匀化入射光，使出射的非平行光覆盖整个待测区域且亮度分布均匀。

彩色ccd相机6曝光时间和拍摄频率由脉冲发生器7控制，曝光时间最短为1微秒，最高拍摄频率超过4万帧每秒，分辨率最高为1024*1024。同时彩色ccd相机6的信号输出端与电脑连接，用于将其拍摄的照片传递给电脑。工作时，所述脉冲发生器控制所述脉冲光发射模块发射非平行单色光，同时所述脉冲发生器控制所述彩色ccd相机拍摄t2m时刻非平行单色光照射待测燃烧喷雾区域后的照片b2m、t2m-1时刻没有非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片c2m-1和t2m-1时刻没有非平行单色光照射的进行喷雾燃烧的待测喷雾燃烧区域的照片c2m+1，并将照片b2m、照片c2m-1和照片c2m+1传输给电脑，电脑对照片b2m、照片c2m-1和照片c2m+1进行处理，以获取照片b2m中各像素点的光强、照片c2m-1和照片c2m+1中各像素点的光强，并对对应照片的光强进行处理，以构建喷雾燃烧的碳烟浓度场和温度场。

具体而言，如图2所示，脉冲led光源2由脉冲发生器7控制触发，产生高频脉冲单色可见强光，该单色可见强光经散射透镜组3，菲涅尔透镜4生成均匀的非平行单色光，该非平行单色光穿过待测喷雾燃烧区域5，彩色ccd相机6的拍摄频率为脉冲led光源2频闪频率的2两倍，所以连续两张照片中，前一张(即2m-1时刻)为led光源透2过待测燃烧喷雾区域5吸收后的剩余光强和待测燃烧喷雾区域5中碳烟炽光光强之和，后一张(即2m时刻)为仅待测燃烧喷雾区域5中碳烟炽光光强。用前一张照片(即2m-1时刻)的光强减去后一张照片(即2m时刻)的光强，即可得到led光源透过待测燃烧喷雾区域5吸收后的剩余光强，根据beer-lambert理论即可得到代表碳烟浓度的kl因子，即

(i2m-1-i2m)/i0＝exp(-kl)

式中：i2m-1为前一张照片接受到的光强；i2m为后一张照片接受到的光强；i0为喷雾开始前相机接收到的led原始背景光强度。

进一步的，也可获取2m-2时刻，led光源透2过待测燃烧喷雾区域5吸收后的剩余光强和待测燃烧喷雾区域5中碳烟炽光光强之和，根据beer-lambert理论即可得到代表碳烟浓度的kl因子，即

(i2m-1-i2m-2)/i0＝exp(-kl)

或者根据beer-lambert理论即可得到代表碳烟浓度的kl因子，即

利用待测燃烧喷雾区域5中碳烟炽光彩色照片(即2m时刻)，可以分解得到rgb值矩阵(红、绿、蓝三波长信号强度)，结合热辐射理论和高温黑体炉标定结果即可计算得到温度场分布，即：

式子中，λ1、λ2为红色光、绿色光、蓝色光中任意两色光所对应波长；c2为已知常数；ta1为λ1所对应的色光的亮度温度，ta2为λ2所对应的色光的亮度温度，其均由高温黑体炉标定曲线给出。

为了确保测量精度，就需要确保前后两张照片的时间间隔足够小，即要求led脉冲光源2和彩色ccd相机6的频率足够高。同时，足够高的频率能更准确地体现喷雾燃烧过程中燃烧温度场和碳烟浓度场的瞬变特征。

本发明结合双色法和消光法各自的优，利用设计的高频光源和高频照相，用消光法原理计算碳烟浓度场，用双色法原理计算温度场，能够同步准确的测得喷雾燃烧实验中燃烧温度场和碳烟浓度场。解决消光法不能计算温度场问题和双色法在高碳烟浓度下计算碳烟浓度场误差大的问题，具有高功率、低成本和高频闪的特点，取代消光法常用的昂贵复杂的激光光源，可以简化系统，降低成本。

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。