實驗用燃油噴霧檢測系統的設計與開發

馬宗正, 徐　平, 楊安杰, 劉豫喜

(1. 河南工程學院 機械工程學院, 河南 鄭州　451191;2. 河南工程學院 土木工程學院, 河南 鄭州　451191)

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實驗用燃油噴霧檢測系統的設計與開發

馬宗正1, 徐平2, 楊安杰1, 劉豫喜1

(1. 河南工程學院 機械工程學院, 河南 鄭州451191;2. 河南工程學院 土木工程學院, 河南 鄭州451191)

針對目前實驗室能用于測量燃油噴霧的檢測系統,不利于實踐教學的問題,開發了一款實驗用燃油噴霧檢測系統。該系統基于散射法原理,以8位單片機為處理器、普通光耦芯片和場效應管為驅動芯片,完成了控制系統的開發,實現了對于噴油、CCD相機和頻閃光源的控制,同時基于Matlab軟件完成了圖像處理程序的開發。經過測試驗證,該系統可以實現噴霧過程的圖像采集,同時還可以對噴霧過程進行定量處理。該系統對于提高學生對于理論知識的掌握有著積極作用。

燃油噴霧; 檢測系統; 實驗開發

對于內燃機,無論是汽油機還是柴油機,燃油都需要通過噴嘴進入發動機,燃油噴霧過程對于發動機有著重要的影響。已有研究表明,燃油霧化質量與發動機油耗、碳煙排放以及NOx排放有著直接的關系[1-3],同時還與燃燒初期的壓力升高率和放熱率有關、會影響機械負荷和燃燒噪聲[4],特別是噴霧錐角對發動機性能的影響更為明顯[5-6]。因此,燃油噴霧特性的研究是發動機領域較為重要的方面[7-9],也是發動機原理課程中比較重要的內容,但是在實驗教學中,由于缺少有效的實驗設備,用于實驗研究的設備成本又過于昂貴[10-12],而且在實際應用中對于噴霧過程的主要參數的介紹只是停留在理論上,學生在學習過程中沒有直觀感,不利于學生對所學內容理解和掌握。因此研發相應的價格便宜又能夠滿足要求上的測試系統就顯得尤為重要。

目前能夠對噴霧進行測量的方法主要包括三角法、積水容器法和光學法,前兩種方法雖然價格有優勢,但是由于人工參與較多,使得測試精度較差、同時重復性也難以保證[13-15]。光學方法能夠實現非接觸測量,同時也不干擾噴霧過程。為此,本文基于光散射法原理建立了一套用于實驗室測量燃油噴霧的系統。

1　檢測系統結構

當燃油從噴嘴噴射出之后,會變成燃油粒子(此時燃油粒子直徑大小會有差別),在外部光源的照射下,經過粒子的反射作用,人眼會看到燃油噴霧狀態,本實驗系統正是基于燃油粒子的反射作用原理來獲取噴霧過程。

檢測系統示意圖見圖1,該檢測系統主要的實驗設備包括光源、CCD相機、燃油噴射系統、控制系統和計算機,設備參數見表1。燃油噴射系統采用和實際發動機相同的油泵、燃油分配器等設備。

圖1　散射法檢測系統示意圖

項 目參 數光源頻閃儀相機/Basler601AC快門:1/50000s分辨率:656×490像素最大幀率30f/s鏡頭/AvenirTVSL08551f:8.5～51mm,F1.2

頻閃儀作為光源,所發出的光照射到噴嘴和噴霧的平面內。CCD相機在與頻閃儀所發出的光垂直方向布置。測試過程中,噴射過程開始后將CCD相機打開,此時頻閃儀不產生光(實驗過程中室內保持黑暗狀態),CCD相機沒有圖像；當頻閃儀產生光時,CCD相機才得到相應的圖片。因此本系統的本質是通過頻閃儀脈沖信號來控制拍照時刻。可見在此測試系統中最為關鍵的是噴油時刻、CCD相機開機信號和頻閃儀光源之間的配合問題。

噴霧過程中由于時間非常短,比如汽油機噴射過程中常用的噴油時間為3ms,而采用的CCD相機的最大幀率為30f/s,在完成一次拍攝后要等大約33ms才能拍攝下一張照片,因此不能完整地記錄整個噴油過程。為此在實際操作過程中采用一次噴油只拍攝某一特定時刻的照片,經過多次噴射才可能得到一次完整的噴霧過程。以圖2為例簡單介紹一下該過程：在第1次噴油過程中通過頻閃儀脈沖信號拍攝△tms時刻的照片(假定噴霧開始時刻為0ms),在下一個噴霧過程時得到△t+0.1ms的照片,以此類推就會得到時間間隔為0.1ms的噴霧過程圖像,然后將所拍攝得到的圖片通過IEEE1394接口送入計算機,從而得到燃油噴射的整個過程。

圖2　燃油噴射、CCD相機和頻閃儀信號時序圖

利用該方法的優點是可以降低對相機的要求,同時還可以消除不同噴射過程之間偶然因素的影響。

2　控制系統設計

該測試系統的本質是通過頻閃儀脈沖信號來控制拍照時刻從而得到噴霧過程圖像,因此控制系統的設計是本系統最為重要的部分。

控制系統框圖見圖3,由微處理器、驅動控制電路和執行器組成。微處理器的作用是控制整個系統的動作,主要包括相機、噴油器和頻閃儀脈沖信號指令的發出。選用飛思卡爾8位單片機AT89C52[4],能夠輸出控制信號,同時還包括用于能夠實現程序加載的通信接口。驅動控制電路主要的作用是將微處理器發出的控制指令傳遞到執行器。為了能夠實現正常驅動,必須提升驅動能力,為此在本設計過程中采用驅動芯片實現。執行器是最終的控制部件,用于實現噴霧過程的記錄。

圖3　控制系統框圖

2.1微處理器系統

本處理系統采用的單片機最小系統(見圖4),由AT89C52單片機、復位電路和晶振電路構成。所選用的8位單片機AT89C52的控制端口有32個,同時有中斷源5個、定時器2個,能夠滿足本設計的要求[16]；晶振電路采用11.059 2MHz晶振,從而使得指令的執行周期滿足設計要求；本系統不需要長期獨立運行,同時也不需要斷電保護,為此復位模式采用上電復位模式。

圖4　單片機最小系統

2.2驅動控制電路

圖5為噴油控制信號驅動電路,從微處理器輸出的控制信號經過2個非門芯片處理后,進入光電隔離處理器,此處理器的主要作用是隔離控制電路和執行電路,防止出現相互干擾；此后控制信號進入實際的執行器驅動電路場效應管。本設計中采用的場效應管是IRFP450,該芯片可是實現輸出功率的放大,也即實現了驅動能力提升。

相機和頻閃儀的驅動方法與噴油驅動基本一致,在此就不再重復說明。

圖5　噴油驅動電路

3　圖像處理

當采集到的圖像進入計算機后,燃油噴霧過程可以直接觀察,但是對于其他需要進一步計算的特性參數則需要對圖像進一步處理。

圖6為圖像處理過程示意圖,其基本原理是利用背景減法[17],具體過程是利用測試系統獲取沒有光源時的背景圖像灰度Ibg,此時的照片必須在燃油噴射之前獲取；然后分別讀取對應的噴霧照片灰度Ii,利用I=Ii-Ibg得到去背景圖像。在實際應用過程中利用Matlab編程實現,從而可以實現批量圖像的處理。

圖6　圖像處理過程示意圖

圖7是使用背景減法得到的某一時刻噴霧過程圖像,由于需要有參考用于確定實際噴射距離,因此在圖像中有一塊區域是亮顯,但是整體圖像與實際噴霧過程基本一致,可以用于后續計算。

圖7　圖像處理算例

4　實驗應用

在完成系統設計后,進行了相應的測試。圖8為單孔噴嘴不同時刻的噴霧圖像,噴射過程持續時間是5ms,由于噴嘴開啟有一定的時間,故噴霧圖像從燃油噴射開始后2ms開始記錄。

圖8　不同時刻時的噴霧圖像

由8圖可知,對于單孔噴嘴,當燃油噴射開始后燃油迅速噴出,此時噴霧基本是柱狀；隨著時間的推移,噴霧周圍開始呈現霧狀,這說明燃油通過與周圍空氣的相互作用實現了霧化；當噴油停止后,燃油進一步揮發,霧化更加明顯。

噴霧過程中需要定量測量的主要參數包括貫穿距離、噴霧錐角、投影噴霧面積、噴霧體積等,在此只對貫穿距離進行了測量。貫穿距離是指噴霧輪廓最遠端到噴孔中心的距離,此數據會隨著時間的變化而變化。圖9是根據噴霧過程所得到的不同時刻噴霧貫穿距離隨時間的變化曲線,由圖9可知,貫穿距離基本隨時間成正比例關系增加。

圖9　貫穿距離隨時間變化曲線

5　結語

本文介紹了一種基于光散射法的實驗室用噴霧檢測系統的設計與開發,分別從測量原理、控制系統設計、圖像處理等內容進行了介紹,并且通過檢測驗證了所開發系統的可行性。該系統可以實現燃油噴霧過程

的采集,同時可以對噴霧參數進行定量測量,本系統在低成本的基礎上,對于加深學生對燃油噴霧的了解有著積極的作用。

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Designsanddevelopmentoffuelspaymeasurementsystemforexperiments

MaZongzheng1,XuPing2,YangAnjie1,LiuYuxi1

(1.DepartmentofMechanicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China;2.DepartmentofCivilEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191China)

Aimingatthehighpriceforthefuelspraymeasurementsysteminthelaboratorywhichisharmfultothepracticalteaching,onefuelspraymeasurementsystemfortheexperimentisdesignedanddeveloped.Thissystemisbasedonlightscatteringprincipleanditconsistsof8bitsingle-chipprocessor,commonoptcouplerchipandfield-effecttubedrivenchip.Thenthecontrolsystemisdesignedbasedonthehardware,anditcanrealizetheinjection,CCDcameraandstrobelightautomaticcontrol.Meanwhile,theimageprocessingsoftwareiscompletedbasedonMatlabplatform.Itisprovedbytheexperimentthatthefuelsprayprocessimagecanbeachievedandthesprayalsocanbeprocessedquantitativelybasedontheimage.Soitishelpfultoimprovetheunderstandingofthetheoreticalknowledge.

fuelspray;measurementsystem;experimentdevelopment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.022

2015- 10- 20修改日期：2016- 02- 01

河南省高等學校青年骨干教師資助項目(2014GGJS-120);2015年河南省教育技術裝備和實踐教育研究立項課題(GZS018);河南工程學院動力機械與車輛工程研究所資助項目(01)

馬宗正(1981—),男,山東濟南,博士,副教授,主要研究方向為發動機零部件的設計與試驗研究.

E-mail：zongzhengma@163.com

TH74

A

1002-4956(2016)5- 0082- 05