柴油机喷油器雾化效果图像信息获取方法研究

谢　宇　高青风　申　鹏　刘衍平（华北电力大学能源动力与机械工程学院　北京　102206）



柴油机喷油器雾化效果图像信息获取方法研究

谢宇高青风申鹏刘衍平
（华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206）

摘要：柴油机喷油器雾化效果图像信息获取对研究柴油机燃烧效率和控制尾气排放有重要的作用。利用高速摄像技术与相机摄影技术相结合的方法，设计构建了一个柴油机喷油器雾化宏观特性和微观特性获取的试验平台；并通过大量对比实验，探讨了设备布局、拍摄环境、拍摄方法等方面对信息获取效果的影响和解决方法。结果表明：采用本试验平台和方法，其专业相机拍摄的高清图片，可以为分裂长度、喷雾粒子直径、油雾分布和喷雾气液相速度等喷雾微观特性信息提取，提供可靠保障；高速摄像机拍摄的视频图像可为喷雾锥角、贯穿距和雾束分布等宏观特性参数的获取提供可信依据。

关键词：喷油器雾化效果高速摄像相机摄影

引言

面对日益加剧的能源危机和严重的空气污染，人们对汽车发动机的燃烧效率和尾气排放的要求也不断提高。大量研究[1]表明，柴油机喷油雾化是影响柴油车燃烧效率和尾气排放的关键因素。柴油机喷雾特性的传统测试技术方法如阴影法、纹影法等，虽然操作简单、成本低，但是测试精度不高，并且只能记录雾场的两维空间。在现代测试技术中，主要有激光[2-3]和高速摄像法[4-8]。如激光诱导技术和激光粒子图像测速技术依靠在喷雾中加入其他介质，不可避免地会影响喷雾的特性，不能真正得到实际喷雾的情况；激光多普勒技术，不能对低速度的喷雾场测量；激光散射技术，受喷雾场密度影响较大；激光全息技术的视场范围不大，不能直接测量喷雾贯穿度等喷雾空间整体特性。可见激光法虽然可以实现精确测量，但都存在较为明显的局限性。

高速摄像法作为另一种重要的现代测试方法，具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放图像、直观清晰等突出优点，可以精确测量喷雾场中的各种喷雾宏观特性，包括液滴尺寸分布、喷雾锥角、贯穿度等。同时高速摄像法也存在一定的局限性。即不能对喷雾的微观特性包括分裂长度、喷雾粒子直径及分布等进行精确测量。基于上述情况，本文采用高速摄像法获取喷雾宏观信息视频图像与专业单反相机摄影获取微观信息高清图片相结合的方法，可有效获得数据分析所需信息，为柴油机喷油器雾化效果信息获取提供了一种可行方法，解决了喷雾过程中信息获取的技术难题。

1试验平台构建

柴油喷雾特性研究的试验装置主要包括：高压共轨喷射系统、同步控制系统、照明系统、压力容弹、高速摄像机和单反相机，如图1所示。

图1　试验平台示意图

1.1燃油喷射试验台选择

试验所用的高压共轨喷射系统是由德国BOSCH公司生产的EPS-200共轨试验台，可对CRI 和CRIN型号进行怠速和全负荷时的喷油量测量及回油量测量，如图2所示。通过固定适配器可以完成电磁阀控制式共轨喷油器、泵喷嘴、单/双弹簧喷油器、带有针阀升程传感器的喷油器和非博世牌的电磁阀喷油器的测试。喷油压力范围0～180MPa，可以自由修订控制持续时间和测试时间。另外机械式喷油器测试的保修评估可以和气密性测试、落座气密性测试以及喷油器开启压力测试同时进行。EPS-200共轨试验台完全可以满足喷射试验要求。

图2　博世共轨试验台

1.2高速摄像机性能要求和选择

高速共轨系统产生的喷雾速度一般可达200 m/s[9]，喷油从开始到喷孔喷出时间不超过1 ms，而对应的喷雾颗粒直径只有几um到几百um，要拍摄到清晰可用的喷雾图像对设备要求很高。

OLYMPUS i-SPEED 3高速摄像机是奥林巴斯i-SPEED系列的最新产品，如图3所示。它先进的设计规格提供了高分辨率、超低光照灵敏度、高达150 000帧/s的录制速度，1280×1024像素下分辨率可达2 000帧/s，具有确认镜头焦深和精确焦点的电子功能，快门最高速度1 μs，保存前通过自带编辑套件进行图像处理，0～5 V TTL、视频触发、ROC和BROC四种触发模式。自带分析功能，能测量距离、速度、加速度、角度和角速度，是用于高级研究的理想分析工具，可以拍摄到满足要求的喷雾图像。

图3　奥林巴斯高速摄像机

1.3单反相机性能要求和选择

佳能5D Mark II在图像传感器方面，采用了2110万像素全幅CMOS传感器；在图像数据处理方面，配备了DIGICⅣ图像处理器，连拍速度达到3.9 张/s；感光度方面，在照片模式下，其范围在ISO 100～6400，如果需要可扩展到ISO 50（L），ISO 12800（H1）或ISO 25600（H2）；对焦系统方面，EOS 5D Mark II拥有9个自动对焦点和6个辅助自动对焦点；测光方面，采用了35区TTL全开光圈测光；取景方面，视野率：垂直/水平方向约98%的眼平五棱镜；其它功能包括，5种多重曝光模式带来多彩表现力，实现全高清记录画质，高速拍摄高清画质短片的EOS短片功能，镁合金机身与防水滴防尘性能带来高耐久性。

1.4照明性能要求和选择

照明系统是1000 W钨丝聚光灯和金贝EF-200太阳灯。EF-200太阳灯采用高显亮指数的LED作为发光元件，色温标准，满足专业摄影、摄像的要求。200 W大功率LED光源为固体发光器件，照度超过传统卤钨石英灯2000 W的亮度，并且能耗降低90%，使用寿命超过100 000 h以上，是新一代绿色环保光源。灯体采用铝合金外壳，结构紧凑、坚固耐用；一体化设计的灯体和散热器，有效降低LED的工作温度，确保高强度工作需要。

1.5喷油器和喷油嘴性能要求和选择

针对商用车大量使用的BOSCH 0 445 120 213电磁阀式共轨喷油器进行试验，如图4所示。喷油嘴在原基础上，对喷孔个数、孔径、K系数进行重新设计，得到如图5所示的DLLA 150P 1768共轨喷油嘴。

图4　博世共轨喷油器

图5　直径0.15 mm、K系数为0的4孔共轨喷油嘴

2试验环境配置与设计

2.1试验装置同步方法

将共轨喷油器电磁阀的电信号作为基准信号，通过电压转化器，将转化电压后的基准信号引入同步器的输入端，同步器的输出端信号作为控制信号连接单反相机和高速摄像机，驱动相机和摄像机的快门工作。同步器可以调整控制信号相对于基准信号的时间，从而能够获取有一定的时间间隔的喷雾图像，实验证明同步系统的工作性能可以满足各项要求。

品色King Pro同步器支持电动变焦功能，分组控制功能，3个组别（7种模式）；前帘同步，后帘同步，高速同步；手动发射器上设置分组闪光；高速同步1/8000 s；一个发射器控制多个接收器工作；USB功能；试闪功能和发射器热靴支持输出功能；兼容机载闪光灯、影室灯、外拍灯。

2.2灯光的布置

布置灯光是为了获取清晰的拍摄画面，一般大光度容易产生大景深和清晰影像的效果；小光度则容易产生小景深和模糊的运动影像效果。其次，光源的照射方向以及光源相对于被摄体的位置称为光位。摄影中，光位决定着被摄体明暗所处的位置，同时也影响着被摄体的质感和形态。光位可以千变万化，但在被摄体与照相机位置相对固定的情况下，光位可分为顺光、侧光、逆光、顶光、脚光和散射光等六种。然而对被摄体而言，拍摄时所受到的照射光线往往不止一种，各种光线有着不同的作用和效果。光型就是指各种光线在拍摄时对被摄体所起的作用。光型通常分为主光、辅光、轮廓光、装饰光和背景光等五种。

根据实际情况，由于EF-200太阳灯的亮度是传统聚光灯的两倍以上，以EF-200作为主灯，聚光灯作为辅灯。试验主要采用顺光、侧光和逆光三种布置方法，顺光法，顾名思义即将灯光放置在摄像头两侧，摄像方向和灯光方向保持一致；侧光法比较常用，又可分为侧顺、侧光和侧逆三种，可以根据具体情况选择布置；使用逆光法一般会在灯光前加毛玻璃等透光材料，正对摄像头布置。试验表明大部分情况下，顺光和侧光的拍摄效果更好，但顺光往往和摄像的位置相冲突；而在灯光强度不足时，逆光显示很好的优越性。每种灯光布置都有其优点和局限性，实际应用中，应该根据各种布置方法的特点加以选择，并且可以将几种灯光布置结合起来。

应用传统聚光灯和EF-200太阳灯拍摄的喷雾图片分别如图6、7所示。

2.3背景的选择

图6　应用传统聚光灯拍摄的喷雾图片

图7　应用EF-200太阳灯拍摄的喷雾图片

背景又称后景[10]，是摄影画面中距离照相机镜头比主体更远或在主体两侧，且比较远离主体的一些景物或人物，是摄影画面环境的有机组成部分，主要起烘托、映衬主体的作用，所以背景的选取对拍摄起着举足轻重的作用。背景的使用必须有利于主题的体现，力求简洁，处理背景时应避免杂乱，或脱离主题孤立地表现背景。在色调、影调、虚实上，与主体保持既有所区分又不喧宾夺主的效果。

喷雾区别于其他被拍摄物体具有以下特点：速度快；颜色难区分，试验用的柴油是无色透明校准用油；体积小，喷雾油粒的数量大、直径小只有几μm到几百μm。这些都增加了拍摄的难度。

试验分别使用白色、蓝色、绿色、红色、黄色、绿色和黑色的背景测试。经过图片的比对，白色、绿色等浅色背景“中和”了喷雾，使画面模糊不清；而与蓝色、红色等深色背景颜色难以区分，如图8 a）所示；黑色背景的图片效果最佳。接着对黑色的黑纸、摄影黑布和PVC板进行测试，结果出现分歧。如图8 b）所示黑纸和黑布作为背景，使用相机都取得不错的效果，但PVC板由于反光太强，严重干扰了白色喷雾的观察，在反光区完全看不到喷雾，如图8 c）所示。最后撤去拍摄背景，应用背景虚化技术拍摄得到清晰的喷雾油粒图片，如图8 d）所示。

单色高速摄像机拍摄的结果和相机正相反。三种背景中，使用PVC板拍摄的效果最清晰，如图9所示。

图8　不同背景下拍摄的喷雾图片

图9　不同背景下的高速摄像图

3试验过程与结果

相机拍摄布局与高速摄像基本相同，又有所区别。利用同步器触发拍摄第一次喷射的瞬间；布局上，将喷油器喷嘴垂直正对镜头布置；灯光上，以LED灯作为主光，以聚光灯作为辅光，采用侧逆光和顺光综合的布置方法；拍摄上，正面拍摄和侧面捕捉相结合，选取喷雾最为浓密的中间部分加以拍摄，把拍摄焦点全部定在喷嘴孔前方距离喷嘴大概50～60 mm处的位置。

相机的具体参数为：快门速度调整为1/1000 s，物距24 mm，焦距调至最优，根据公式计算，快门捕捉瞬间的颗粒位移为200000/1000 = 200 mm，拍摄效果如图10所示。随后将快门速度提高到1/8000 s，即在定格图像的瞬间油滴会有200000/8000 = 25 mm位移，再次调焦，如图11所示。两次图片对比，第二次拍摄瞬间油滴颗粒的运动位移更小，喷雾颗粒更多，油粒轮廓也更清晰，颗粒感更强。

图10　快门1/1000 s时拍摄的雾化图片

图11　快门1/8000 s时拍摄的雾化图片

单色高速摄像机能够拍摄到整个喷射过程，在相机布置的基础上，对高速摄像机的焦距、光圈等参数调整。起始物距24 mm，拍摄频率为20 000帧/s，快门为2X，光圈最大f/2.8，焦距调整为最优，得到如图12所示的图片。

图12　高速摄像拍摄的喷雾过程

然后将镜头调整至与一束喷雾平行位置，喷射压力增至60 MPa，主灯灯光调整为逆侧光，其他参数不变。整个喷雾由下到上的层次更清晰，右面偏上区域的油粒效果最好，最易识别。如图13所示。

图13　平行拍摄一束喷雾

相机拍摄得到的图片和高速摄像的喷雾束图像，为包括分裂长度、喷雾粒子直径及分布、喷雾气液相速度和燃油浓度分布等在内的喷雾微观特性基础研究，提供了可信的指导和依据；而高速摄像机拍摄的一连串喷雾过程可以计算得到喷雾锥角、贯穿距等宏观特性参数。

4　结论

针对柴油机喷油器雾化信息获取设计搭建了一个试验平台，并进行了大量实验，有如下结论：

1）采用高速摄像技术和相机摄影技术配合可获得柴油机喷油器雾化效果宏观信息和微观信息图像，满足后续数据处理的需要。

2）一般情况下，采用顺光和侧光可达到预期效果；如灯光强度不足时，应用逆光可以收到较好的效果。在实际应用中，灯光可根据各种布置方法的特点加以修正。

3）高速摄像机获取宏观信息时，优先选择黑色PVC板等背景；而用单反相机获取微观特性时，宜调整景深使背景虚化可得到清晰的雾化图片。

参考文献

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9张齐龙.喷雾质量测试方法的比较研究[D].西安：长安大学，2013

10樊成，李伟.摄影中背景的处理与运用[J].南都学坛，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）

文章编号：2095-8234（2015）03-0028-05

文献标识码：A

中图分类号：TK421

作者简介：谢宇（1991-），男，硕士研究生，主要从事柴油机喷油器的结构设计与性能优化研究。