薛繼業(yè)，　李向榮，　高浩卜

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

?

柴油噴霧特性試驗(yàn)研究

薛繼業(yè)，李向榮，高浩卜

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

基于高速攝影直拍和紋影法對(duì)較高背景溫度和背景壓力狀態(tài)下的柴油噴霧特性進(jìn)行了研究.通過(guò)MATLAB的圖像處理功能對(duì)試驗(yàn)圖片進(jìn)行處理.其中,高速攝影直拍圖片采用閾值將油束與背景分離，得到噴霧液相發(fā)展過(guò)程；紋影圖片采用相鄰兩圖做差并累加得到含有氣相的總的霧注發(fā)展過(guò)程，并將液相油束輪廓導(dǎo)入，得到最終的處理結(jié)果圖.最后,根據(jù)得到的氣液相邊界點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算出噴霧宏觀特性.采用該試驗(yàn)以及圖片處理方法，研究了噴油壓力對(duì)噴霧特性的影響，為燃燒系統(tǒng)匹配與數(shù)值計(jì)算模型標(biāo)定提供更為全面的數(shù)據(jù)支持.

燃油噴霧；高速攝影；紋影；MATLAB

在內(nèi)燃機(jī)中，噴入缸內(nèi)燃油的霧化特性與蒸發(fā)特性會(huì)直接影響著火和燃燒品質(zhì)[1].光學(xué)技術(shù)特別是激光、高速攝影、紋影等技術(shù)的出現(xiàn)，極大地推動(dòng)了對(duì)燃油噴霧特性的研究.

日本的廣安博之教授[2]提出了貫穿距離等的計(jì)算公式.法國(guó)的E.Delacourt、B.Desmet[3]等人利用高速相機(jī)得到高噴射壓力下的噴霧數(shù)據(jù)，對(duì)廣安公式進(jìn)行了修正.韓國(guó)的Chang Sik Lee、Sung Wook Park[4]等人研究了高噴射壓力下燃油的霧化特性.史紹熙、趙奎翰[5]等人在定容燃燒裝置中進(jìn)行柴油機(jī)噴霧特性的研究.白冰[6]利用傳熱傳質(zhì)中的場(chǎng)協(xié)同原理制定了針對(duì)噴油霧化效果的評(píng)價(jià)方法.侯緒超、申海、牛振乾[7-9]等人，基于MATLAB軟件平臺(tái)對(duì)噴霧圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴霧油束的噴霧錐角、貫穿距離等的測(cè)量.總結(jié)發(fā)現(xiàn)，之前的研究多是在常溫或常壓下進(jìn)行，紋影照片相對(duì)較為清晰，便于結(jié)果處理.但這樣的工況并不符合發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部高溫、高壓的實(shí)際情形.

總結(jié)前人的方法和經(jīng)驗(yàn)，利用高速攝影技術(shù)，在定容燃燒彈周圍，搭建了一套反射式紋影系統(tǒng).對(duì)于同一個(gè)工況，直拍圖像與紋影圖像均作了采集，獲得高溫高壓下柴油噴入容彈后噴霧液相與含有氣相的總的霧注的變化情況.針對(duì)高溫高壓下紋影圖像背景雜亂的情形，提出了新的處理方法.利用MATLAB編寫(xiě)程序，將霧注與背景分離，進(jìn)一步計(jì)算獲得氣液相噴霧的宏觀特性.

高溫高壓的背景工況更符合發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情形，有利于指導(dǎo)燃燒系統(tǒng)匹配.此外，發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程通常需要CFD數(shù)值模擬.在噴霧模型標(biāo)定時(shí)，同時(shí)進(jìn)行液相宏觀參數(shù)與含有氣相的霧注整體宏觀參數(shù)的標(biāo)定，使得標(biāo)定結(jié)果更為精確.本文的研究為發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬提供更加詳細(xì)的標(biāo)定數(shù)據(jù).

1　試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由定容燃燒彈系統(tǒng)、紋影光路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)(ECU)、燃油供給系統(tǒng)、高速攝像機(jī)等組成.紋影拍攝布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1.去掉圖1中的紋影光路系統(tǒng)，即為高速攝影直拍系統(tǒng).定容燃燒彈內(nèi)有加熱裝置，溫度可升至900 K，壓力可充至6 MPa，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮到上止點(diǎn)時(shí)的工作環(huán)境.溫度、壓力通過(guò)外部單片機(jī)加以控制，見(jiàn)圖2.定容燃燒彈周圍有4個(gè)直徑為100 mm的視窗，用來(lái)觀測(cè)燃料的噴霧、燃燒狀況.實(shí)驗(yàn)使用左右兩個(gè)視窗作為紋影光路，正前方視窗用于高速攝影直拍.

圖1　紋影采集試驗(yàn)裝置布置簡(jiǎn)圖

圖2　定容燃燒彈裝置

燃油供給系統(tǒng)為高壓共軌系統(tǒng)，經(jīng)單孔噴油器噴入到定容燃燒彈內(nèi)，噴油壓力可調(diào)；通過(guò)由容彈頂部的充氣閥充入高壓氮?dú)鈦?lái)調(diào)整噴射環(huán)境背壓；試驗(yàn)中,高速攝像機(jī)采用美國(guó)TRI公司的PHANTOM v7.3 CMOS相機(jī)，拍攝速度為20 000 幀/s，單幀像素為255×504，最大曝光時(shí)間0.05 ms.

1.2試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)選用0號(hào)柴油，噴孔直徑為0.22 mm，噴油脈寬為1 050 μs，選取N2為背景氣，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　試驗(yàn)工況參數(shù)設(shè)置

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)高速攝影直拍技術(shù)與紋影技術(shù)的結(jié)合，直拍得到未蒸發(fā)部分的發(fā)展圖片，紋影技術(shù)則得到包含氣相的總的霧注發(fā)展圖片.采用MATLAB圖像處理功能對(duì)試驗(yàn)中采集到的噴霧圖片進(jìn)行處理.每組試驗(yàn)在進(jìn)行之前拍攝一張清晰的標(biāo)定圖片，用于計(jì)算每一像素點(diǎn)所代表的實(shí)際尺寸.在紋影圖像處理中，標(biāo)定圖片還用于噴孔位置的確定.

2.1高速攝影直拍圖片處理方法

高速攝影直拍圖片清晰，液滴可見(jiàn)，氣態(tài)燃油不可見(jiàn).霧注和背景之間灰度值有明顯的差別，基于圖像的灰度分布直方圖，通過(guò)取閾值將液相噴霧分離出來(lái).

由于噴孔以上存在與油束像素接近的圖元，而噴孔以下部分，背景與油束有明顯的分界.因此，為了準(zhǔn)確選取分離背景的灰度閾值，先將噴孔以上部分灰度值設(shè)為0.圖3所示即為原始圖像去掉噴孔以上部分的灰度分布直方圖.從圖中可以看到，背景的灰度值集中分布在前端.為盡量多地保留油束有效信息，利用“雙峰法”將背景點(diǎn)灰度值“峰”后的第一個(gè)波谷點(diǎn)所代表的灰度值設(shè)定為閾值[10].

圖3　灰度分布直方圖

將油束與背景分離后，提取油束邊界像素點(diǎn)的坐標(biāo)值，并在坐標(biāo)系中描出所提取的邊界點(diǎn)即得到處理結(jié)果圖.圖4所示為原始圖片和最終結(jié)果圖.對(duì)比兩圖可知，利用灰度分布直方圖求得的閾值能較好地將油束分離出來(lái).圖5所示為高速攝影圖片的處理流程.

圖4　原始圖片與處理結(jié)果圖對(duì)比

圖5　高速攝影圖片處理流程

2.2紋影圖片處理方法

在高溫高壓條件下，定容彈內(nèi)氣體狀態(tài)非常不均勻，因此，紋影圖片背景清晰度不夠.考慮到任意相鄰的兩張圖其背景變化最小，因此，采用后一張圖與前一張圖做差，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)娜ピ胩幚?，能夠較好地得到霧注在此時(shí)間段內(nèi)的增長(zhǎng)的區(qū)域.然后將所有的差值累加，便得到所求噴霧時(shí)間內(nèi)的霧注形態(tài).接著采用Canny算子對(duì)油束圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，獲得較為連續(xù)的油束邊緣.Canny算子是一種比較新的邊緣檢測(cè)算子，具有很好的抗噪性，并且能同時(shí)檢測(cè)出具有很小誤差的真邊緣點(diǎn)[11].最后將高速攝影得到的液相噴霧邊緣依照實(shí)際尺寸比例添加到紋影圖片中，得到最終的處理結(jié)果圖.此外，在紋影結(jié)果中添加液相油束，更為直觀全面地呈現(xiàn)噴霧發(fā)展過(guò)程中氣液兩相的變化情況.

2.3噴霧宏觀特性參數(shù)處理

通過(guò)以上步驟，得到油束邊界點(diǎn)的坐標(biāo)值.對(duì)噴霧宏觀特性參數(shù)的處理基于油束邊界點(diǎn)坐標(biāo)展開(kāi).高速攝影直拍圖片記錄液相噴霧的發(fā)展過(guò)程，紋影圖片記錄霧注整體的發(fā)展過(guò)程，包含了氣、液兩相.二者做差得到氣相噴霧的相關(guān)參量.貫穿距離通過(guò)油束最末端端點(diǎn)與噴孔位置點(diǎn)縱坐標(biāo)做差得到；霧注錐角由霧注前50%部分兩側(cè)邊緣擬合所得直線的夾角定義；投影面積由油束邊界所包含的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)與每個(gè)像素點(diǎn)所代表的實(shí)際面積相乘得到.

2.4噴油壓力對(duì)噴霧特性的影響

基于上述方法，研究了不同噴油壓力下的噴霧特性.表2為不同噴油壓力下0.1～0.9 ms柴油噴霧的發(fā)展過(guò)程.圖右側(cè)的比例尺每格代表25 mm.表中外部白線為總的霧注的邊界，內(nèi)部白線為液相部分的邊界.從圖中可以看出隨著噴油壓力的升高，噴霧加速向前發(fā)展，貫穿距離有所增大，蒸發(fā)速度加快.

表2　不同噴油壓力下柴油噴霧發(fā)展過(guò)程

圖6所示為不同噴射壓力下霧注總的貫穿距離與液相貫穿距離的對(duì)比圖.從圖中可以看到，霧注貫穿距離隨時(shí)間的增加而持續(xù)增加，液相貫穿距離隨時(shí)間的發(fā)展過(guò)程則存在明顯的轉(zhuǎn)折時(shí)間點(diǎn).在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之前，液相貫穿距離與霧注貫穿距離基本相同，隨時(shí)間的增加而增加；過(guò)了轉(zhuǎn)折時(shí)間點(diǎn)后，霧注貫穿距離繼續(xù)增加，液相貫穿距離則不再增加，兩條曲線開(kāi)始分開(kāi).另外,從圖中可以看出噴油壓力越高，霧注貫穿距離越長(zhǎng)，這是因?yàn)閲娪蛪毫Ω?，噴孔?nèi)外壓力差增加，動(dòng)能較大，射速高，燃油可以到達(dá)較遠(yuǎn)的地方.而噴油壓力越大，液相速度越快，到達(dá)最大長(zhǎng)度的時(shí)間越短.但是不同噴油壓力下，液核的最大貫穿距離變化不大，均在50 mm上下波動(dòng)，因此,在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)噴油壓力對(duì)液核的最大貫穿距離基本沒(méi)有影響.

圖6　不同噴射壓力下霧注貫穿距離與液相貫穿距離

圖7所示為不同噴油壓力下的氣相長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化，噴油壓力對(duì)氣相長(zhǎng)度影響較大.從圖中可以看到，噴油壓力增加，霧注總的貫穿距離與液相貫穿距離的分離時(shí)刻提前，而且氣相長(zhǎng)度隨噴油壓力的增加而增加.說(shuō)明噴油壓力越高，燃油蒸發(fā)速度變快，蒸發(fā)量增加.

圖7　不同噴射壓力下氣相長(zhǎng)度

圖8所示為噴霧趨于穩(wěn)定后對(duì)霧注錐角值取平均所得到的數(shù)據(jù).從圖中可以看到，隨噴油壓力的增加，霧注錐角在逐漸增加，這是因?yàn)閲娪蛪毫υ酱?，霧注越容易擴(kuò)散和卷吸，形成的錐角也越大，但是差距并不明顯.噴油壓力從120 MPa上升到 160 MPa，平均霧注錐角增加2°左右.

圖8　不同噴射壓力下噴霧趨于穩(wěn)定后平均霧注錐角

圖9～11所示分別為不同噴油壓力下霧注、液相以及氣相的投影面積隨噴油時(shí)間的發(fā)展情況.從圖中可以看到噴油壓力越高，霧注投影面積越大，而液相投影面積基本保持不變，因此，氣相部分面積越大.說(shuō)明提高噴油壓力可以增大柴油的氣相部分的面積，提高混合速度，改善混合均勻性，這對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低碳煙的排放有著重要意義.

文中所研究的工況下，不同噴油壓力下的液相噴霧會(huì)存在一段平衡態(tài)，如圖6和圖10所示.進(jìn)入平衡態(tài)后，液相油束的宏觀特性參數(shù)基本維持在某一數(shù)值.因此，忽略此過(guò)程中液相油束內(nèi)燃油濃度的變化，可視為噴入的油量近似等于蒸發(fā)量.因此，單位時(shí)間從噴油器噴入定容彈的燃油量可表征在平衡期內(nèi)的燃油蒸發(fā)速度.

圖9　不同噴射壓力下的霧注投影面積

圖10　不同噴射壓力下的液相投影面積

圖11　不同噴射壓力下的氣相投影面積

圖12所示即為液相噴霧進(jìn)入平衡期，不同噴油壓力下噴油速率隨時(shí)間的變化曲線，亦即燃油蒸發(fā)速率曲線.從圖12中可以看到，進(jìn)入平衡期后，隨著噴油壓力的增加，燃油蒸發(fā)速度增加.其中噴油速率曲線通過(guò)EFS測(cè)定，噴油器與EFS對(duì)接.噴油器中噴出的油推動(dòng)裝置中的活塞運(yùn)動(dòng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)活塞的運(yùn)動(dòng)情況得到噴油速率.由于油束運(yùn)動(dòng)快、沖擊力大，再加上活塞自身的慣性，形成的噴油速率曲線是波動(dòng)的.因此，140 MPa與160 MPa所對(duì)應(yīng)的兩跳波動(dòng)曲線在大約1.1 ms出現(xiàn)了交叉.

圖12　不同噴油壓力下的噴油速率

圖13為對(duì)數(shù)據(jù)取平均值后做出的平均噴油速率曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合.從圖中可以看到平均燃油蒸發(fā)速度隨噴油壓力的變化基本成正比.

圖13　平衡期內(nèi)平均噴油速率

3　結(jié)　論

1)基于灰度分布直方圖能夠選定合適閾值將液相油束分離；采用前后兩圖做減法并結(jié)合去孤點(diǎn)及Canny算子邊緣檢測(cè)能夠較為完整地將霧注范圍與背景分離，最終得到高溫高壓背景下噴霧的氣液相發(fā)展過(guò)程及宏觀特性值.為燃燒系統(tǒng)匹配與數(shù)值計(jì)算模型標(biāo)定提供詳盡的氣液相數(shù)據(jù)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果更為精確，使得燃燒系統(tǒng)匹配更為有效.

2)噴油壓力越高，霧注總的貫穿距離、錐角和投影面積越大，但液相的最大貫穿距離和投影面積變化不大.因此，在匹配發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)過(guò)程中，可以根據(jù)液相貫穿距離不隨噴油壓力變化的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)燃燒室徑向尺寸，這樣可以減少液相柴油與壁面接觸，避免“濕壁”現(xiàn)象的發(fā)生.

3)根據(jù)高溫高壓下，液相噴霧存在平衡期的特點(diǎn)，提出通過(guò)噴油速率判斷平衡期內(nèi)噴霧的蒸發(fā)

速度的思想.隨著噴油壓力的增加，噴油速率增加，進(jìn)而可以得知蒸發(fā)速度增加.在文中研究范圍內(nèi)，噴霧平衡期內(nèi)蒸發(fā)速度隨噴油壓力的增加成正比.

[1]李向榮，魏镕，孫柏剛,等.內(nèi)燃機(jī)燃燒科學(xué)與技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2]Hiroyasu H,Arai M.Structure of Fuel Sprays in Diesel Engines[C].SAE paper,1990，doi:10.4271/900475.

[3]Delacourt E,Desmet B,Besson B. Characterisation of Very High Pressure Diesel Sprays Using Digital Imaging Techniques[J]. Fuel，2005，84(7-8)：859-867.

[4]Lee CS, Park SW. An experimental and numerical study on fuel atomization characteristics of high pressure diesel injection sprays[J]. Fuel，2002，81(18)：2417 -2423.

[5]史紹熙，趙奎翰,張惠明，等，在定容燃燒裝置中進(jìn)行柴油機(jī)噴霧特性的研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，1988，2(9)：172-179.

[6]白冰，柴油機(jī)混合機(jī)制及場(chǎng)效應(yīng)控制方法研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2009.

[7]侯緒超，基于MATLAB的噴霧圖像測(cè)量系統(tǒng)的研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[8]申海，基于MATLAB/GUI測(cè)量分析噴霧油束的特性[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[9]牛振乾，柴油機(jī)噴霧特性的圖像處理算法分析及優(yōu)化[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[10]王耀南，李樹(shù)濤，毛建旭.計(jì)算機(jī)圖像處理與識(shí)別技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[11]滕光輝，李長(zhǎng)纓.計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在工廠化農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，7(2)：62-67.

Experiment Study on Diesel Spray Characteristics

XUE Ji-ye,LI Xiang-rong,GAO Hao-bo

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

By means of a high-speed photography and the schlieren method, its diesel spray characteristics of an engine were studied under the conditions of higher temperature and larger pressure. The image processing functions in MATLAB were used to deal with the testing images. For the images from the high-speed photography, the threshold was used to separate the oil beam with its background for getting the development process of the liquid spray. For the schlieren images, the subtractions of the adjacent figure were accumulated for obtaining the development process of the total spray with gaseous phase and then the liquid spray profile was added for acquiring a final figure processing result. Finanly the macroscopic characteristics of the spray was calculated according to the coordinates from the gas-liquid boundary point. By using the experiment and the above mentioned method, the influence of the injection pressure on the spray characteristics was studied, providing a comprehensive data support for the matching of a combustion system and the calibration of its numerical model.

oil spray; high-speed photography; schlieren; MATLAB

1009-4687(2016)02-0008-05

2015-10-31

薛繼業(yè)(1990-)，碩士，研究方向?yàn)椴裼蛧婌F燃燒特性.

U464.172

A