基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统和方法技术方案

本发明专利技术基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统和方法，该系统包括激光诱导击穿光谱系统、喷射系统和进排气系统；激光诱导击穿光谱系统包括计算机、增强型电耦合器ICCD、光谱仪、滤波片、凸透镜、反射镜、聚焦透镜、分光片、能量探头、激光器和能量计；喷射系统包括单次喷射控制仪、喷油器和手摇液压泵；进排气系统包括定容装置、真空泵和惰性气体；该方法实现了对液体喷雾过程中局部当量比的测量，基于激光诱导击穿光谱的测量方法基本都在单相物质中，本发明专利技术实现了由液相转向气相过程中的测量，且对喷雾形态物性特征的研究可以有效的给喷油器以及直喷式发动机的设计提供依据。本发明专利技术具有测量快速、系统简单、成本较低等优势。

【技术实现步骤摘要】
基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统和方法
本专利技术涉及一种燃烧器内部当量比检测方法，具体涉及一种基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统和方法。
技术介绍
汽油机缸内直喷技术作为一种广泛应用于汽车发动机中的油气混合技术，相比于比传统的进气道喷射能够更加精确的控制混合气空燃比，提高发动机的燃烧效率和动力表现。对于喷射过程中的局部当量比测定能够加强发动机的喷射点火调控设计基础，因此对于提高喷射燃烧的内燃机具有重要意义。传统的接触式测量方式由于会严重的影响喷雾形态而使得测试结果偏差较大。喷油器喷射过程中局部当量比变化目前主要通过非接触式的光学诊断方式如激光诱导击穿光谱(Laser-InducedBreakdownSpectroscopy,LIBS)，火花塞诱导击穿光谱方式测量。其中火花塞诱导击穿光谱对测点位置限制较大，且对燃烧器改造要求较高。LIBS作为一种原子发射光谱分析技术，主要通过高能脉冲激光聚焦在物质局部位置，通过激发产生等离子体用光谱分析捕捉等离子体的发射谱线，利用光谱数据对其进行定性、定量分析。现有的方式对喷射过程中局部当量比测定局限于对气体燃料的测试，而对液体燃料测试则十分空缺。这是由于液体燃料在喷射过程中涉及到气化问题，会使光学信息发生变动。在实际应用中，发动机中主要使用均为液体燃料，因此对于液体燃料喷射的当量比测定方法的补足与优化具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统和方法，对研究喷雾形态和物理特征提供进一步的技术支持。本专利技术采用如下技术方案来实现的：基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统，包括激光诱导击穿光谱系统、喷射系统和进排气系统；激光诱导击穿光谱系统包括计算机、增强型电耦合器ICCD、光谱仪、滤波片、凸透镜、反射镜、聚焦透镜、分光片、第一能量探头、激光器、第一能量计、第二能量探头和第二能量计；喷射系统包括单次喷射控制仪、喷油器和手摇液压泵；进排气系统包括定容装置、真空泵和惰性气体；其中，激光诱导击穿光谱系统由激光器发射出的激光经过分光片后光路分为两束，其中一束反射至第一能量探头，该装置连接的第一能量计对激光出射能量进行检测，另一束投射能量经过反射镜反射后由聚焦透镜聚焦，通过定容装置水平横向的一侧的石英玻璃并在中心位置产生击穿，击穿后的光束通过定容装置另一侧的石英玻璃后由第二能量探头采集，通过连接的第二能量计读取出射后的激光能量；激光击穿后产生的信号和其他激光散射光通过定容装置水平纵向的一侧石英玻璃后，由凸透镜聚焦，再经过滤波片滤掉激光产生的光信号后进入光谱仪；计算机连接增强型电耦合器ICCD，输出的光信号通过光谱仪的采集与分解经由增强型电耦合器ICCD转化，通过计算机对光电信号进行采集记录；喷射系统喷油器密封接于定容装置顶部，喷射由单次喷射控制仪控制喷油脉宽，手摇液压泵控制喷油压力；进排气系统的真空泵与惰性气体通过高压管路接于定容装置上，测量喷雾当量比前，打开惰性气体管路阀门，使定容装置内部达到指定背压后关闭，测量结束后，打开真空泵管路阀门，将定容装置抽至真空状态以备下次测试；单次喷射控制仪与激光器的外触发接口均接于信号同步发生器，激光诱导击穿光谱系统的探测和喷射系统的喷油时序由信号同步发生器控制。本专利技术进一步的改进在于，定容装置具有水平横纵向两对石英玻璃视窗，用以通过激光和采集击穿后的光谱信息。本专利技术进一步的改进在于，信号同步发生器的时序控制级别能够达到微秒级别。本专利技术进一步的改进在于，单次喷射控制仪与激光器均可实现外触发。本专利技术进一步的改进在于，管路阀门为单向球阀。基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量方法，该方法基于所述的基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统，包括以下步骤：1)步骤一、根据测量对象选取，；根据激光诱导击穿光谱理论，当激光击穿能量、环境温度、压力不变时，可燃气的当量比与LIBS特征峰值强度比PIR比具线性相关关系；因此通过LIBS测出已知当量比的预混气体对应PIR值得到一一对应关系，为避免在LIBS使用过程中预混气体燃烧，可燃预混气中的氧气应使用惰性气体替代；2)步骤二、测量激光击穿能量；测量激光击穿能量之前，首先测试分光片分光比及定容装置激光入射出射口的石英玻璃透射率；石英玻璃的透射率通过将撤走聚焦镜测出，此时激光在定容装置中无法击穿，根据入射出舍能量计算透射率，计算公式如下：其中，λ为石英玻璃透射率，Ein和Eout分别对应无聚焦镜情况下激光入射和出射能量；激光击穿能量通过如下公式计算：其中，Eb为激光击穿能量；λ’为对应工况下测出的透射率值，该值的计算方式和石英玻璃透射率方式相同；Ein和Eout分别为实际击穿情况下的激光入射和出射能量；3)步骤三、标定不同击穿能量下的拟合曲线；在测得激光击穿能量Eb后对PIR与当量比关系进行测试，保持背压与温度不变，在定容装置中通入已知当量比的混合气，通过线性回归建立不同激光能量下的拟合曲线，根据激光击穿理论可知，当燃料当量比为0时，PIR值为0，即可建立该击穿能量下的标定曲线：其中，Eb为激光击穿能量，为已知当量比的值，k为拟合正比例曲线的斜率，该斜率与激光击穿能量有关；4)步骤四、拟合不同击穿能量与拟合曲线斜率关系；在液体燃料喷射过程中，激光击穿能量会随燃料气化过程变化，故以实际测量使用的激光能量为基准上下选取多个能量大小，拟合不同激光能量下的激光击穿能量与标定曲线关系，基于步骤一，对不同激光能量下的曲线进行标定后，根据测得的激光击穿能量与对应的斜率，选用二次反比例函数拟合激光击穿能量与标定曲线斜率关系：其中，A,B,C为拟合公式对应的常量；在测量喷雾局部当量比时，依据该公式求出实验点的激光击穿能量对应的标定曲线斜率，再根据标定曲线和实际所得PIR值求出该实验点的当量比；综合上述说明，当量比与PIR值的关系为：5)步骤五、实际检测过程中的击穿点调整与激光能量检测；在液体燃料喷射过程中，由于燃料气化的问题会使得激光击穿位置有一定变化，对于激光击穿位置的变化，通过重复多次同工况实验，依据肉眼观察或纹影系统成像对击穿位置进行调整，在调整激光击穿位置的过程中同步记录击穿和未击穿条件下的激光能量变化，依据平均数求出激光击穿能量并建立对应的标定曲线；6)步骤六、重复实验求喷雾局部当量比；调节好激光系统的能量，并在定容装置内充入惰性气体，单次喷射控制仪调好测量所需的喷射脉宽，用手摇液压泵使管路压力增至测量压力，用信号同步发生器调节好LIBS测点与喷射之间的时间间隔，并触发，计算机记录下该测点的光谱信息，通过步骤四所得结果，求出该测点的对应当量比。本专利技术进一步的改进在于，步骤一中，特征信号的选取与测量过程中用到的燃料与惰性气体有关，特征谱线的选取以该燃料或稀释气激发态原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统，其特征在于，包括激光诱导击穿光谱系统、喷射系统和进排气系统；/n激光诱导击穿光谱系统包括计算机(1)、增强型电耦合器ICCD(2)、光谱仪(3)、滤波片(4)、凸透镜(5)、反射镜(7)、聚焦透镜(8)、分光片(9)、第一能量探头(10)、激光器(12)、第一能量计(13)、第二能量探头(17)和第二能量计(18)；喷射系统包括单次喷射控制仪(6)、喷油器(15)和手摇液压泵(16)；进排气系统包括定容装置(14)、真空泵(19)和惰性气体(20)；/n其中，激光诱导击穿光谱系统由激光器(12)发射出的激光经过分光片(9)后光路分为两束，其中一束反射至第一能量探头(10)，该装置连接的第一能量计(13)对激光出射能量进行检测，另一束投射能量经过反射镜(7)反射后由聚焦透镜(8)聚焦，通过定容装置(14)水平横向的一侧的石英玻璃并在中心位置产生击穿，击穿后的光束通过定容装置(14)另一侧的石英玻璃后由第二能量探头(17)采集，通过连接的第二能量计(18)读取出射后的激光能量；激光击穿后产生的信号和其他激光散射光通过定容装置(14)水平纵向的一侧石英玻璃后，由凸透镜(5)聚焦，再经过滤波片(4)滤掉激光产生的光信号后进入光谱仪(3)；计算机(1)连接增强型电耦合器ICCD(2)，输出的光信号通过光谱仪(3)的采集与分解经由增强型电耦合器ICCD(2)转化，通过计算机(1)对光电信号进行采集记录；/n喷射系统喷油器(15)密封接于定容装置(14)顶部，喷射由单次喷射控制仪(6)控制喷油脉宽，手摇液压泵(16)控制喷油压力；进排气系统的真空泵(19)与惰性气体(20)通过高压管路接于定容装置(14)上，测量喷雾当量比前，打开惰性气体(20)管路阀门，使定容装置(14)内部达到指定背压后关闭，测量结束后，打开真空泵(19)管路阀门，将定容装置(14)抽至真空状态以备下次测试；/n单次喷射控制仪(6)与激光器(12)的外触发接口均接于信号同步发生器(11)，激光诱导击穿光谱系统的探测和喷射系统的喷油时序由信号同步发生器(11)控制。/n...

【技术特征摘要】
1.基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统，其特征在于，包括激光诱导击穿光谱系统、喷射系统和进排气系统；
激光诱导击穿光谱系统包括计算机(1)、增强型电耦合器ICCD(2)、光谱仪(3)、滤波片(4)、凸透镜(5)、反射镜(7)、聚焦透镜(8)、分光片(9)、第一能量探头(10)、激光器(12)、第一能量计(13)、第二能量探头(17)和第二能量计(18)；喷射系统包括单次喷射控制仪(6)、喷油器(15)和手摇液压泵(16)；进排气系统包括定容装置(14)、真空泵(19)和惰性气体(20)；
其中，激光诱导击穿光谱系统由激光器(12)发射出的激光经过分光片(9)后光路分为两束，其中一束反射至第一能量探头(10)，该装置连接的第一能量计(13)对激光出射能量进行检测，另一束投射能量经过反射镜(7)反射后由聚焦透镜(8)聚焦，通过定容装置(14)水平横向的一侧的石英玻璃并在中心位置产生击穿，击穿后的光束通过定容装置(14)另一侧的石英玻璃后由第二能量探头(17)采集，通过连接的第二能量计(18)读取出射后的激光能量；激光击穿后产生的信号和其他激光散射光通过定容装置(14)水平纵向的一侧石英玻璃后，由凸透镜(5)聚焦，再经过滤波片(4)滤掉激光产生的光信号后进入光谱仪(3)；计算机(1)连接增强型电耦合器ICCD(2)，输出的光信号通过光谱仪(3)的采集与分解经由增强型电耦合器ICCD(2)转化，通过计算机(1)对光电信号进行采集记录；
喷射系统喷油器(15)密封接于定容装置(14)顶部，喷射由单次喷射控制仪(6)控制喷油脉宽，手摇液压泵(16)控制喷油压力；进排气系统的真空泵(19)与惰性气体(20)通过高压管路接于定容装置(14)上，测量喷雾当量比前，打开惰性气体(20)管路阀门，使定容装置(14)内部达到指定背压后关闭，测量结束后，打开真空泵(19)管路阀门，将定容装置(14)抽至真空状态以备下次测试；
单次喷射控制仪(6)与激光器(12)的外触发接口均接于信号同步发生器(11)，激光诱导击穿光谱系统的探测和喷射系统的喷油时序由信号同步发生器(11)控制。


2.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统，其特征在于，定容装置(14)具有水平横纵向两对石英玻璃视窗，用以通过激光和采集击穿后的光谱信息。


3.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统，其特征在于，信号同步发生器(11)的时序控制级别能够达到微秒级别。


4.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统，其特征在于，单次喷射控制仪(6)与激光器(12)均可实现外触发。


5.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统，其特征在于，管路阀门为单向球阀。


6.基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至5中任一项所述的基于激光诱导击穿光谱的喷雾局部当量比测量系统，包括以下步骤：
1)步骤一、根据测量对象选取，；
根据激光诱导击穿光谱理论，当激光击穿能量、环境温度、压力不变时，可燃气的当量比与LIBS特征峰值强度比PIR比具线性相关关系；因此通过LIBS测出已知当量比的预混气体对应PIR值得到一一对应关系，为避免在L...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄佐华，葛睿涵，胡二江，张俊杰，高群飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61