柴油機噴油器霧化效果圖像信息獲取方法研究

謝　宇　高青風　申　鵬　劉衍平（華北電力大學能源動力與機械工程學院　北京　102206）

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柴油機噴油器霧化效果圖像信息獲取方法研究

謝宇高青風申鵬劉衍平
（華北電力大學能源動力與機械工程學院北京102206）

摘要：柴油機噴油器霧化效果圖像信息獲取對研究柴油機燃燒效率和控制尾氣排放有重要的作用。利用高速攝像技術與相機攝影技術相結合的方法，設計構建了一個柴油機噴油器霧化宏觀特性和微觀特性獲取的試驗平臺；并通過大量對比實驗，探討了設備布局、拍攝環境、拍攝方法等方面對信息獲取效果的影響和解決方法。結果表明：采用本試驗平臺和方法，其專業相機拍攝的高清圖片，可以為分裂長度、噴霧粒子直徑、油霧分布和噴霧氣液相速度等噴霧微觀特性信息提取，提供可靠保障；高速攝像機拍攝的視頻圖像可為噴霧錐角、貫穿距和霧束分布等宏觀特性參數的獲取提供可信依據。

關鍵詞：噴油器霧化效果高速攝像相機攝影

引言

面對日益加劇的能源危機和嚴重的空氣污染，人們對汽車發動機的燃燒效率和尾氣排放的要求也不斷提高。大量研究[1]表明，柴油機噴油霧化是影響柴油車燃燒效率和尾氣排放的關鍵因素。柴油機噴霧特性的傳統測試技術方法如陰影法、紋影法等，雖然操作簡單、成本低，但是測試精度不高，并且只能記錄霧場的兩維空間。在現代測試技術中，主要有激光[2-3]和高速攝像法[4-8]。如激光誘導技術和激光粒子圖像測速技術依靠在噴霧中加入其他介質，不可避免地會影響噴霧的特性，不能真正得到實際噴霧的情況；激光多普勒技術，不能對低速度的噴霧場測量；激光散射技術，受噴霧場密度影響較大；激光全息技術的視場范圍不大，不能直接測量噴霧貫穿度等噴霧空間整體特性。可見激光法雖然可以實現精確測量，但都存在較為明顯的局限性。

高速攝像法作為另一種重要的現代測試方法，具有實時目標捕獲、圖像快速記錄、即時回放圖像、直觀清晰等突出優點，可以精確測量噴霧場中的各種噴霧宏觀特性，包括液滴尺寸分布、噴霧錐角、貫穿度等。同時高速攝像法也存在一定的局限性。即不能對噴霧的微觀特性包括分裂長度、噴霧粒子直徑及分布等進行精確測量。基于上述情況，本文采用高速攝像法獲取噴霧宏觀信息視頻圖像與專業單反相機攝影獲取微觀信息高清圖片相結合的方法，可有效獲得數據分析所需信息，為柴油機噴油器霧化效果信息獲取提供了一種可行方法，解決了噴霧過程中信息獲取的技術難題。

1試驗平臺構建

柴油噴霧特性研究的試驗裝置主要包括：高壓共軌噴射系統、同步控制系統、照明系統、壓力容彈、高速攝像機和單反相機，如圖1所示。

圖1　試驗平臺示意圖

1.1燃油噴射試驗臺選擇

試驗所用的高壓共軌噴射系統是由德國BOSCH公司生產的EPS-200共軌試驗臺，可對CRI 和CRIN型號進行怠速和全負荷時的噴油量測量及回油量測量，如圖2所示。通過固定適配器可以完成電磁閥控制式共軌噴油器、泵噴嘴、單/雙彈簧噴油器、帶有針閥升程傳感器的噴油器和非博世牌的電磁閥噴油器的測試。噴油壓力范圍0～180MPa，可以自由修訂控制持續時間和測試時間。另外機械式噴油器測試的保修評估可以和氣密性測試、落座氣密性測試以及噴油器開啟壓力測試同時進行。EPS-200共軌試驗臺完全可以滿足噴射試驗要求。

圖2　博世共軌試驗臺

1.2高速攝像機性能要求和選擇

高速共軌系統產生的噴霧速度一般可達200 m/s[9]，噴油從開始到噴孔噴出時間不超過1 ms，而對應的噴霧顆粒直徑只有幾um到幾百um，要拍攝到清晰可用的噴霧圖像對設備要求很高。

OLYMPUS i-SPEED 3高速攝像機是奧林巴斯i-SPEED系列的最新產品，如圖3所示。它先進的設計規格提供了高分辨率、超低光照靈敏度、高達150 000幀/s的錄制速度，1280×1024像素下分辨率可達2 000幀/s，具有確認鏡頭焦深和精確焦點的電子功能，快門最高速度1 μs，保存前通過自帶編輯套件進行圖像處理，0～5 V TTL、視頻觸發、ROC和BROC四種觸發模式。自帶分析功能，能測量距離、速度、加速度、角度和角速度，是用于高級研究的理想分析工具，可以拍攝到滿足要求的噴霧圖像。

圖3　奧林巴斯高速攝像機

1.3單反相機性能要求和選擇

佳能5D Mark II在圖像傳感器方面，采用了2110萬像素全幅CMOS傳感器；在圖像數據處理方面，配備了DIGICⅣ圖像處理器，連拍速度達到3.9 張/s；感光度方面，在照片模式下，其范圍在ISO 100～6400，如果需要可擴展到ISO 50（L），ISO 12800（H1）或ISO 25600（H2）；對焦系統方面，EOS 5D Mark II擁有9個自動對焦點和6個輔助自動對焦點；測光方面，采用了35區TTL全開光圈測光；取景方面，視野率：垂直/水平方向約98%的眼平五棱鏡；其它功能包括，5種多重曝光模式帶來多彩表現力，實現全高清記錄畫質，高速拍攝高清畫質短片的EOS短片功能，鎂合金機身與防水滴防塵性能帶來高耐久性。

1.4照明性能要求和選擇

照明系統是1000 W鎢絲聚光燈和金貝EF-200太陽燈。EF-200太陽燈采用高顯亮指數的LED作為發光元件，色溫標準，滿足專業攝影、攝像的要求。200 W大功率LED光源為固體發光器件，照度超過傳統鹵鎢石英燈2000 W的亮度，并且能耗降低90%，使用壽命超過100 000 h以上，是新一代綠色環保光源。燈體采用鋁合金外殼，結構緊湊、堅固耐用；一體化設計的燈體和散熱器，有效降低LED的工作溫度，確保高強度工作需要。

1.5噴油器和噴油嘴性能要求和選擇

針對商用車大量使用的BOSCH 0 445 120 213電磁閥式共軌噴油器進行試驗，如圖4所示。噴油嘴在原基礎上，對噴孔個數、孔徑、K系數進行重新設計，得到如圖5所示的DLLA 150P 1768共軌噴油嘴。

圖4　博世共軌噴油器

圖5　直徑0.15 mm、K系數為0的4孔共軌噴油嘴

2試驗環境配置與設計

2.1試驗裝置同步方法

將共軌噴油器電磁閥的電信號作為基準信號，通過電壓轉化器，將轉化電壓后的基準信號引入同步器的輸入端，同步器的輸出端信號作為控制信號連接單反相機和高速攝像機，驅動相機和攝像機的快門工作。同步器可以調整控制信號相對于基準信號的時間，從而能夠獲取有一定的時間間隔的噴霧圖像，實驗證明同步系統的工作性能可以滿足各項要求。

品色King Pro同步器支持電動變焦功能，分組控制功能，3個組別（7種模式）；前簾同步，后簾同步，高速同步；手動發射器上設置分組閃光；高速同步1/8000 s；一個發射器控制多個接收器工作；USB功能；試閃功能和發射器熱靴支持輸出功能；兼容機載閃光燈、影室燈、外拍燈。

2.2燈光的布置

布置燈光是為了獲取清晰的拍攝畫面，一般大光度容易產生大景深和清晰影像的效果；小光度則容易產生小景深和模糊的運動影像效果。其次，光源的照射方向以及光源相對于被攝體的位置稱為光位。攝影中，光位決定著被攝體明暗所處的位置，同時也影響著被攝體的質感和形態。光位可以千變萬化，但在被攝體與照相機位置相對固定的情況下，光位可分為順光、側光、逆光、頂光、腳光和散射光等六種。然而對被攝體而言，拍攝時所受到的照射光線往往不止一種，各種光線有著不同的作用和效果。光型就是指各種光線在拍攝時對被攝體所起的作用。光型通常分為主光、輔光、輪廓光、裝飾光和背景光等五種。

根據實際情況，由于EF-200太陽燈的亮度是傳統聚光燈的兩倍以上，以EF-200作為主燈，聚光燈作為輔燈。試驗主要采用順光、側光和逆光三種布置方法，順光法，顧名思義即將燈光放置在攝像頭兩側，攝像方向和燈光方向保持一致；側光法比較常用，又可分為側順、側光和側逆三種，可以根據具體情況選擇布置；使用逆光法一般會在燈光前加毛玻璃等透光材料，正對攝像頭布置。試驗表明大部分情況下，順光和側光的拍攝效果更好，但順光往往和攝像的位置相沖突；而在燈光強度不足時，逆光顯示很好的優越性。每種燈光布置都有其優點和局限性，實際應用中，應該根據各種布置方法的特點加以選擇，并且可以將幾種燈光布置結合起來。

應用傳統聚光燈和EF-200太陽燈拍攝的噴霧圖片分別如圖6、7所示。

2.3背景的選擇

圖6　應用傳統聚光燈拍攝的噴霧圖片

圖7　應用EF-200太陽燈拍攝的噴霧圖片

背景又稱后景[10]，是攝影畫面中距離照相機鏡頭比主體更遠或在主體兩側，且比較遠離主體的一些景物或人物，是攝影畫面環境的有機組成部分，主要起烘托、映襯主體的作用，所以背景的選取對拍攝起著舉足輕重的作用。背景的使用必須有利于主題的體現，力求簡潔，處理背景時應避免雜亂，或脫離主題孤立地表現背景。在色調、影調、虛實上，與主體保持既有所區分又不喧賓奪主的效果。

噴霧區別于其他被拍攝物體具有以下特點：速度快；顏色難區分，試驗用的柴油是無色透明校準用油；體積小，噴霧油粒的數量大、直徑小只有幾μm到幾百μm。這些都增加了拍攝的難度。

試驗分別使用白色、藍色、綠色、紅色、黃色、綠色和黑色的背景測試。經過圖片的比對，白色、綠色等淺色背景“中和”了噴霧，使畫面模糊不清；而與藍色、紅色等深色背景顏色難以區分，如圖8 a）所示；黑色背景的圖片效果最佳。接著對黑色的黑紙、攝影黑布和PVC板進行測試，結果出現分歧。如圖8 b）所示黑紙和黑布作為背景，使用相機都取得不錯的效果，但PVC板由于反光太強，嚴重干擾了白色噴霧的觀察，在反光區完全看不到噴霧，如圖8 c）所示。最后撤去拍攝背景，應用背景虛化技術拍攝得到清晰的噴霧油粒圖片，如圖8 d）所示。

單色高速攝像機拍攝的結果和相機正相反。三種背景中，使用PVC板拍攝的效果最清晰，如圖9所示。

圖8　不同背景下拍攝的噴霧圖片

圖9　不同背景下的高速攝像圖

3試驗過程與結果

相機拍攝布局與高速攝像基本相同，又有所區別。利用同步器觸發拍攝第一次噴射的瞬間；布局上，將噴油器噴嘴垂直正對鏡頭布置；燈光上，以LED燈作為主光，以聚光燈作為輔光，采用側逆光和順光綜合的布置方法；拍攝上，正面拍攝和側面捕捉相結合，選取噴霧最為濃密的中間部分加以拍攝，把拍攝焦點全部定在噴嘴孔前方距離噴嘴大概50～60 mm處的位置。

相機的具體參數為：快門速度調整為1/1000 s，物距24 mm，焦距調至最優，根據公式計算，快門捕捉瞬間的顆粒位移為200000/1000 = 200 mm，拍攝效果如圖10所示。隨后將快門速度提高到1/8000 s，即在定格圖像的瞬間油滴會有200000/8000 = 25 mm位移，再次調焦，如圖11所示。兩次圖片對比，第二次拍攝瞬間油滴顆粒的運動位移更小，噴霧顆粒更多，油粒輪廓也更清晰，顆粒感更強。

圖10　快門1/1000 s時拍攝的霧化圖片

圖11　快門1/8000 s時拍攝的霧化圖片

單色高速攝像機能夠拍攝到整個噴射過程，在相機布置的基礎上，對高速攝像機的焦距、光圈等參數調整。起始物距24 mm，拍攝頻率為20 000幀/s，快門為2X，光圈最大f/2.8，焦距調整為最優，得到如圖12所示的圖片。

圖12　高速攝像拍攝的噴霧過程

然后將鏡頭調整至與一束噴霧平行位置，噴射壓力增至60 MPa，主燈燈光調整為逆側光，其他參數不變。整個噴霧由下到上的層次更清晰，右面偏上區域的油粒效果最好，最易識別。如圖13所示。

圖13　平行拍攝一束噴霧

相機拍攝得到的圖片和高速攝像的噴霧束圖像，為包括分裂長度、噴霧粒子直徑及分布、噴霧氣液相速度和燃油濃度分布等在內的噴霧微觀特性基礎研究，提供了可信的指導和依據；而高速攝像機拍攝的一連串噴霧過程可以計算得到噴霧錐角、貫穿距等宏觀特性參數。

4　結論

針對柴油機噴油器霧化信息獲取設計搭建了一個試驗平臺，并進行了大量實驗，有如下結論：

1）采用高速攝像技術和相機攝影技術配合可獲得柴油機噴油器霧化效果宏觀信息和微觀信息圖像，滿足后續數據處理的需要。

2）一般情況下，采用順光和側光可達到預期效果；如燈光強度不足時，應用逆光可以收到較好的效果。在實際應用中，燈光可根據各種布置方法的特點加以修正。

3）高速攝像機獲取宏觀信息時，優先選擇黑色PVC板等背景；而用單反相機獲取微觀特性時，宜調整景深使背景虛化可得到清晰的霧化圖片。

參考文獻

1徐家龍.柴油機電控噴油技術（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2011

2楊永廣，刁艷濤，尹政，等.柴油機噴霧特性常用測試技術[J].內燃機與動力裝置，2010（5）：1-6

3廖春明.柴油機噴霧場可視化研究及數值模擬[D].大連：大連理工大學，2006

4王德忠，黃震，童澄教，等.應用高速攝像技術研究柴油機的噴霧過程[J].上海交通大學學報，2000，34（4）：453-457

5陳漢玉，袁銀南，張春豐.基于高速攝像技術的生物柴油粒徑的研究[J].小型內燃機與摩托車，2009，38（1）：8-10

6 Ethan Eagle W，Morris S B，Wooldridge M S. High-speed imaging of transient diesel spray behavior during high pressure injection of a multi-hole fuel injector[J]. fuel，2014，（116）：299-309

7張軍.柴油機噴嘴內空化效應的機理及射流破碎特征的研究[D].天津：天津大學，2010

8牛振乾.柴油機噴霧特性的圖像處理算法分析及優化[D].西安：長安大學，2012

9張齊龍.噴霧質量測試方法的比較研究[D].西安：長安大學，2013

10樊成，李偉.攝影中背景的處理與運用[J].南都學壇，1995，15（6）：118-119

Research on the Method of Image Information Acquisition of Diesel Injector Atomization Effect

Xie Yu，Gao Qingfeng，Shen Peng，Liu Yanping
Mechanical Engineering Department，North China Electric Power University（Beijing，102206，China）

Abstract：Atomization effect image information acquisition of the diesel engine was of great significance to research the combustion efficiency and control exhaust emission. Combining high-speed video camera technology with camera photography，an experimental platform of acquiring macroscopic and microscopic cha-racteristics of diesel injector atomization was designed. And the influence on the effect of information acqui-sition and solutions of equipment layout, photographing circumstance and photographing method were ex-plored through a lot of comparative experiments. The results of research show that the highdefinition pic-tures of professional SLR camera，using the experimental platform and experimental method, provide reliable security for information acquisition of spray microscopic characteristics of the split length, the spray particle diameter，spray distribution and gas-liquid spray speed；And video images of highspeed video camera provide trusted basis for information acquisition of the macroscopic parameters of the spray cone angle，spray penetration and the distribution of spray beam.

Keywords：Injector，Atomization effect，High-speed video camera，Camera photography

收稿日期：（2015-03-18）

文章編號：2095-8234（2015）03-0028-05

文獻標識碼：A

中圖分類號：TK421

作者簡介：謝宇（1991-），男，碩士研究生，主要從事柴油機噴油器的結構設計與性能優化研究。