射盘4 的反射率；Iwt为无碳烟的情况下光散射盘4散射光强度；I1。为入射单色光束强度；I1为穿 过碳烟区域9的单色光束强度；为碳烟生成区的消光系数hTSl为碳烟生成区厚度m;1 2 为有碳烟的情况下光散射盘4反射光强度；I为最终进入高速摄像机1的光强度；9为碳烟 生成密度（g/m3) ;Ar为256X256像素的碳烟图片中每一个像素区域的边长；A为单色光 波长；Ka为碳烟无量纲消光系数；a,。为散热吸收率；
[0031] 完成光源前置消光法碳烟的测量。
[0032] 本实用新型的有益效果在于：光源前置消光法不同于传统的需要两个光学检测窗 口的光源后置消光法，光源前置消光法只需要一个光学检测窗口和一个光散射盘；且光源 和摄像机能布置在碳烟区域的同一侧，拓展了该技术在传统柴油机上的应用；此外，后置消 光法的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；而光源前置消光法能够有效解决W上问题。
【附图说明】
[0033] 图1为光源前置消光法碳烟测量系统的结构示意图
[0034] 图2为光源前置消光法的原理图
[0035] 图3为光源前置消光法所测得的低硫柴油燃烧碳烟瞬时分布图
[0036] 其中；1.高速摄像机2.透镜3.激光光源4.光散射盘5.燃烧油束6.反光镜 7.ND减光镜头8.干设滤光镜头9.碳烟区域
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图进一步说明一种光源前置的消光法碳烟测量系统的结构及工作原 理。
[003引该测量方案由高速摄像机1、ND减光镜头7、干设滤光镜头8、反光镜6、激光光源 3、透镜2及光散射盘4组成；其相对布置位置为；干设滤光镜头8和ND减光镜头7组成光 学窗口并顺序置于高速摄像机1的镜头前端，反光镜6按45°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。
[0039] 在碳烟测量过程中，激光经激光光源3发出，经透镜2变为激光光束，再经过倾斜 45度放置的反光镜6垂直射入燃烧室内；由于反光镜6半径仅为2. 5mm，故可W当作点光源 使用，且其位于高速摄像机1镜头下方中轴线上，因此不会阻挡相机成像；
[0040] 激光经透镜2由点光源拓展为束光源，束光源再经过倾斜45度放置的反光镜6形 成垂直于光散射盘4的平行单色光，此单色平行光作为碳烟测量的实验光源，定义此时的 光强度为li。；
[0041] 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左右的迟滞，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 下光散射盘散射光强度laut;
[0042] 通过W上所定义的光源强度及光散射盘散射光强度I"ut定义光散射盘4的反射率 为a;
[00创曰=10化/1化
[0044] 上述反射率a受光散射盘4表面粗趟度和光学检测窗口透光率影响；通过上式计 算得到光散射盘4的反射率；
[0045] 燃烧室内喷入燃油后，混合气燃烧生成碳烟；经激光光源、透镜2及反光镜6生成 的单色束光源在到达光散射盘4过程中，部分单色平行单色光经过燃烧室内的碳烟区域9 时，碳烟区域9做为平行光吸收层，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:
[0046]
[0047] 为碳烟生成区的消光系数m4,L碳烟生成区厚度m;
[0048] 透过碳烟区域9的单色平行光再经光散射盘4反射后，光强度为：
[0049] 12=aI1;
[0化0] 反射光再次穿过碳烟生成区，经碳烟区域9吸光，最终进入高速摄像机1的光强度 为：
[0化1]
[0化2] 综合上述公式得到入射光和最终进入高速摄像机1的反射光关系：
[0053]
[0化4] 当入射光强度和光散射盘4反射率a确定时，碳烟生成区域是影响反射光强度的 唯一因素，其中碳烟生成区的消光系数K。^与颗粒的密度、大小和光学特性有关。
[0化5] 后处理程序对比无碳烟生成时反射光强度Iwt和有碳烟生成时反射光强度I，通 过后期图像后处理即可得到碳烟生成量。
【主权项】
1. 一种光源前置消光法碳烟测量系统，其特征在于由高速摄像机（I)、透镜（2)、激光 光源（3)、光散射盘（4)、反光镜^)、ND减光镜头（7)、干涉滤光镜头（8)组成，其中干涉滤 光镜头⑶和ND减光镜头（7)顺序置于高速摄像机⑴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。2. 按权利要求1所述的光源前置消光法碳烟测量系统，其特征在于所述的干涉滤光镜 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。3. 按权利要求1所述的光源前置消光法碳烟测量系统，其特征在于所述的反光镜（6) 的直径小于2. 5mm。
【专利摘要】光源前置消光法碳烟测量系统属内燃机技术领域，本实用新型的光源前置消光法碳烟测量系统中干涉滤光镜头和ND减光镜头顺序置于高速摄像机的镜头前端，反光镜按45°角置于ND减光镜头正前方，激光光源置于反光镜的水平入射角方向，透镜置于激光光源和反光镜之间，光散射盘固定于反光镜的垂直反射角方向的燃烧油束底部；光源前置消光法碳烟测量方法可利用本实用新型的光源前置消光法碳烟测量系统的独特结构，实现燃烧器内碳烟的测量，尤其能实现对传统柴油机、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的碳烟测量，可弥补光源后置消光法存在的缺陷。
【IPC分类】G01N15/06, G01N21/61, G01N21/01, G01N15/02, G01N21/49
【公开号】CN204694595
【申请号】CN201520390364
【发明人】刘宇, 李君 , 徐潘龙, 乔世杰, 王亚
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月8日