光源前置消光法碳烟测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于内燃机技术领域，具体设及一种利用光源前置的消光法，实现发 动机不同负荷、不同种类燃油碳烟随时间变化的定量测量及生成规律研究。
【背景技术】
[0002] 随尾气排放法规日益严格，单纯的机外净化技术难W满足需要，因此对缸内燃油 喷雾和燃烧过程提出了更高的要求。激光测试和高速成像技术的应用使观察燃油在缸内的 运动及燃烧变化情况成为可能，连续清晰的可视化结果可W使人们进一步了解高温高压环 境中燃油从喷射蒸发、着火燃烧到排放物生成的全过程，对从根本上提高燃油雾化效果、改 进燃烧模式、降低污染物排放具有十分重要的作用。
[0003] 柴油机具有比汽油机更高的动力性和经济性，但因不均匀混合气燃烧产生碳烟的 排放特性限制了其应用范围。虽然作为机外净化技术的微粒捕集器可W大幅减少碳烟排 放，但人们更希望通过优化改进缸内流动、燃烧过程实现高效清洁燃烧，从根本上降低碳烟 排放。缸内碳烟测试技术不仅可W对缸内燃烧过程中产生的碳烟进行精确的时间、空间解 析，为柴油机设计优化提供参考依据，实现更低的排放，而且为深入理解碳烟生成和排放机 理，建立更加精确的燃烧排放模型提供强有力的支持，具有重要的学术价值和应用前景。
[0004] 早期缸内碳烟研究主要采用瞬态缸内采样技术，可W测得采样体积内碳烟的数量 信息，具有良好的时间、空间分辨率，并可应用先进的测量设备对采样碳烟的粒子颗粒和体 积分布进行准确的测量统计。但此方法受区域限制不能获得全场数据，且插入采样口会对 燃烧过程产生干扰，从一定程度上影响碳烟结果的准确性。光学测量属于非接触式测量，对 测试区域干扰较小，具有良好的时间、空间分辨率。近年来，随CCDJCCD和高速摄像机等探 测器件的应用，消光法、散射法、双色法和激光诱导白巧光法等缸内碳烟光测试技术逐渐发 展、完善。
[0005] 其中，消光法为；当激光束穿过碳烟粒子区域时，由于碳烟颗粒对光的散射和吸收 作用使入射光强度降低，导致接收端探测到的能量有所减少。由于碳烟属于吸收能量很强 的介质，对光线的吸收能力远远大于散射能力，因此可W用Lambert Beer理论描述穿越粒 子区域的光强变化，可得出碳烟体积分数。
[0006] 作为消光法的一种延伸技术，光源后置消光法是基于消光原理，在单点消光法基 础上发展成的二维碳烟分布测量方法。该方法不仅可W实现碳烟的时间、空间二维分布 测量，而且可W进行定性、定量的碳烟生成瞬态质量测量。光源后置消光法需要两个光学 窗口，光源和摄像机必须水平布置在碳烟区域的两侧，限制了此方法在传统柴油机上的应 用。此外激光光源经过碳烟区域一次后进入采集设备，对于重碳烟工况比较适用，而对于生 物柴油、醇类燃料等清洁燃料，或低负荷、低温燃烧等轻碳烟工况，由于碳烟生成质量本身 较小，对入射光吸收能力有限，进入采集设备的光强度和入射光差别较小，因此实验误差较 大。
【发明内容】
[0007] 本实用新型的目的在于提供一种光源前置的消光法来实现定容燃烧器内燃料燃 烧过程中碳烟测量的系统。
[000引本实用新型的光源前置消光法碳烟测量系统，由高速摄像机1、透镜2、激光光源 3、光散射盘4、反光镜6、ND减光镜头7、干设滤光镜头8组成，其中干设滤光镜头8和ND减 光镜头7顺序置于高速摄像机1的镜头前端，反光镜6按450角置于ND减光镜头7正前方， 激光光源3置于反光镜6的水平入射角方向，透镜2置于激光光源3和反光镜6之间，光散 射盘4固定于反光镜6的垂直反射角方向的燃烧油束5底部。
[0009] 所述的ND减光镜头7用于限制进入高速摄像机1的反射强度变化梯度，保证感光 镜头不会受到强光照射而损坏。
[0010] 所述的反光镜6直径小于2. 5mm，可W作为点光源。
[0011] 所述的光散射盘4固定于燃烧油束5底部，其作用在于将透过碳烟区域9的光线 反射回碳烟区域9,再次穿过碳烟区域9后进入高速摄像机1。
[0012] 所述的干设滤光镜头8为具有滤除激光中578nm波长的光波、保留510nm波长的 光波的单色光滤光镜头。
[0013] 一种光源前置消光法碳烟测量方法，包括下列步骤：
[0014] 1.将干设滤光镜头8和ND减光镜头7顺序置于高速摄像机1的镜头前端，反光镜 6按450角置于ND减光镜头7正前方，激光光源3置于反光镜6的水平入射角方向，透镜2 置于激光光源3和反光镜6之间，光散射盘4固定于反光镜6的垂直反射角方向的燃烧油 束5底部，完成光源前置消光法碳烟测量系统的布置；
[0015] 2.调节激光光源3、透镜2、反光镜6的相对位置，将点光源转换为束光源；
[0016] 3.当燃烧器内温度和压力达到目标值时，主控制器同时触发喷油器和高速摄像机 1 ;从喷油器触发信号发出到喷油器真正开始喷油之间有0.9ms的迟滞，该段时间高速摄像 机1已经开始工作，拍摄12张无碳烟生成阶段的图片，取平均值用于计算无碳烟的情况下 光散射盘4的散射光强度Iwt，并计算得到光散射盘4的反射率a;
[0017] 4.向燃烧室内喷入燃油后，混合气燃烧生成碳烟，经激光光源3、透镜2和反光镜 6生成单色束光源，单色束光源在到达光散射盘4过程中，部分平行单色光经过燃烧室内的 碳烟区域9时，碳烟区域9作为平行光吸收层，吸收部分平行光；此时因碳烟区域9对平行 单色光的吸收作用，仅部分平行单色光透过碳烟区域9到达光散射盘4,定义此时透过碳烟 区域9的光强度为Ii;
[0018] 5.透过碳烟区域9的单色光经光散射盘4形成反射光，定义反射光强度为I2;
[0019] 6.经光散射盘4形成的反射光再次穿过碳烟生成区，经碳烟区域9吸光，定义最终 进入高速摄像机1的光强度为I;
[0020]7.步骤3计算所得光散射盘4的反射率a、步骤4所定义的透过碳烟区域9的光 强度Ii、步骤5所定义的反射光强度I,、步骤6所定义的最终进入高速摄像机1的光强度I 具有如下关系式：
[0021] 曰=1。化/1化 (1)
[0022]
(2)
[0023]l2=aI1(3)
[0024]
(^4)
[0025] 8.通过步骤7得到的高速摄像机1在不同状态下所测得的光强度，并结合下列公 式（5)和公式（6)得到碳烟的体积分数Cv和碳烟质量m,;
[0026] 碳烟的体积分数Cv表达式为：
[0027]
例
[002引碳烟质量m,表达式为；
[0029]
[0030]步骤7的关系式（1)、（2)、（3)、（4)和步骤8的公式巧）、做中；a为光散