柴油机喷雾试验闪光同步延时装置设计与应用

董卫涛，高永强，王科未

(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070)



柴油机喷雾试验闪光同步延时装置设计与应用

董卫涛，高永强，王科未

(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070)

摘要：为观察柴油机喷嘴孔内燃油流动及孔外雾化状态，设计喷油信号处理电路进行喷油驱动信号滤波及电平转换，以输入给单片机进行喷油起始点检测，并编译延时程序，搭建了一套可实现频闪仪同步延时闪光的可视化试验装置。试验结果表明，该同步延时装置满足响应时间快、工作可靠、同步精度高、延时时间按键可控的要求，为柴油机孔内流动及孔外雾化的研究提供了可靠的试验数据。

关键词：同步延时闪光装置；信号处理电路；孔内流动；孔外雾化

在柴油机中，燃油的喷射、雾化、蒸发及与空气的混合会对发动机的燃烧和排放性能产生影响[1]。燃油的雾化质量影响着柴油机工作性能和废气排放。柴油机喷雾是一个复杂过程，具有瞬态、两相流的特点，在计算机模拟技术十分发达的今天，喷雾模型仍需借助喷雾试验的一些研究结果，而喷雾试验研究的进展在很大程度上依赖于喷雾测量技术的进步[2]。随着技术的发展，越来越多先进的喷雾测量技术不断涌现出来[3-8]。

笔者采用高速闪光摄像技术，闪光时刻即为拍摄时刻，只有闪光与要拍摄的喷雾同步，相机才能捕捉到希望得到的图像，因此，同步延时闪光的控制对喷雾试验至关重要。笔者采用CRI200喷油器测试仪作为燃油供给与喷射的平台，采用COMS高速照相机进行图像采集，以透明树脂材料制作喷油嘴，以Freescale MC9S12XDP512为主控芯片，设计了相应的闪光同步延时控制模块，对喷孔内部流动及孔外雾化状态进行拍摄。编译的程序较其他延时程序响应精度高，解决了频闪仪闪光触发的脉冲宽度须在50 μs以上所导致的延时滞后问题，实现对整个喷射过程的实时拍摄，达到预期效果。

1试验装置

1.1实验装置构成

试验装置由喷油泵实验台、可视化照相系统、闪光同步延时模块组成，试验装置简图如图1所示。

1—喷油泵实验台；2—数码相机；3—频闪仪灯管；4—频闪仪；5—电脑；6—闪光同步延时控制板；7—ECU；8—共轨管；9—喷油器；10—透明喷嘴；11—喷油泵；12—显微镜头；a—喷油器控制信号；b—轨压传感器信号；c—频闪仪控制信号；d—相机数据传输与控制信号；A、B、C、D—输油管路与回油管路图1　试验装置简图

喷油泵实验台使用CRI200高压共轨喷油器测试仪，通过ECU控制轨压，可提供博世、德尔福等共轨喷油器的控制信号。

可视化照相系统的相机为曝光控制方便的佳能EOS700D，光源为瞬间闪光时间满足要求的高速频闪仪，相机镜头为经适当改装的显微镜。透明喷油嘴使用透明树脂材料(丙烯酸树脂)制作，对喷孔内部流动及孔外雾化进行拍摄。

闪光同步延时模块采用Freescale MC9S12X-DP512作为主控芯片，通过按键输入调整频闪仪同步延时时间，并通过8段数码管显示当前延时时间。

1.2可视化照相系统

可视化照相系统主要包括佳能EOS700D相机、QM-100显微镜头及高速光源频闪仪。

1.2.1数码相机

数码相机为佳能 EOS700D机身，有效像素为1 800万，具有高精细度CMOS图像感应器、高精度和高速9点自动对焦、DIGIC 5、5张/s的连拍功能，支持B快门。

将相机的镜头换成显微镜头，可较好地拍摄喷孔内及喷孔外情况。QM-100显微镜头试验时对焦距离为150～350 mm，能将物体放大300倍。

1.2.2高速光源频闪仪

高速光源频闪仪NP-1A是曝光持续时间非常短的脉冲光源，可用于超高速现象的瞬时拍摄,可接收3～10 V的同步电压信号(正脉冲或负脉冲都可，脉冲宽度须在50 μs以上)，单次闪光持续时间约为180 ns。

1.3控制模块主控芯片

闪光同步延时模块采用32 MHz时钟频率的Freescale MC9S12XDP512作为主控芯片。闪光的延时时间编程可控。按下相应的按键，能调整频闪仪的闪光延时时间。

试验时用增强型捕捉定时器(enhanced capture timer，ECT)模块输入捕捉通道0端口获取喷油信号，然后通过定时计数器输出比较通道1端口控制频闪仪延时闪光。延时控制模块所能达到的硬件要求为：可即时增加或减少闪光延时时间，延时时间按键可控，并且能通过数码管显示出来。

试验时用到的MC9S12XDP512内部资源包括：端口PH0、PH2、PH4、PH6、PH7、PJ0、PJ1、PE4，以及ECT模块的通道0和通道1。

2控制模块硬件设计

2.1喷油信号处理电路

图2　喷油信号处理电路

图3　处理前后喷油信号

喷油信号处理电路如图2所示，喷油驱动信号峰值(24 V)较大，超出了单片机所能承受的范围，且存在较大的峰值波动，通过添加光电耦合器和电容来解决上述问题。当喷油信号低于20 V时，光电耦合器闭合，右侧电路未导通，单片机的PT0端口置为0。而当喷油信号高于20 V时，发光二极管导通，右侧电路导通，输出峰值为5 V的电压信号给单片机。处理前后的喷油信号如图3所示，可以看出，峰值明显减小到5 V且没有杂波。经测量，由于电容的存在，响应时间相较于喷油驱动信号有1 μs的延迟，即t2-t1=1 μs。

2.2按键电路

按键电路由3个按键组成，按键1、按键2、按键3分别对应单片机端口PJ0、PJ1和PH7，初始化设定为输入，捕捉下降沿。未按下按键时，PJ口与PH口对应5 V的高电平，按下按键，电路接通，PJ口与PH口对应0 V的低电平，捕捉到下降沿，进入按键中断函数。

2.3数码管显示电路

数码管由8个发光二极管构成，可组成0到9的数字。数码管显示电路主要由4位8段数码管、4个NPN三极管和4个电阻组成。其中三极管(8050)用来作片选，增加驱动，电阻起限流作用。

3控制模块程序设计

3.1控制模块程序流程

图4　程序流程图

控制模块程序采用的编译环境为CodeWorrior IDE，编程时先在CodeWorrior IDE编写C语言代码，然后使用BDM下载器将程序下载到单片机中。图4所示为控制模块程序流程图，可分为3个工作状态，分别为延时时间递增(按键1)、延时时间递减(按键2)和闪光延时(按键3)。

电源接通后，按下按键3进入闪光延时程序，当检测到喷油信号(上升沿)后，开启闪光延时，一定延时时间后，频闪仪闪光。闪光后，关闭相机B快门，采集相应时刻的喷油图像。只有按下按键3才会激活闪光延时，如果没有按下按键3，即使有喷油信号，频闪仪也不会闪光。当按下按键1时，延时时间增加10 μs。当按下按键2时，延时时间减少10 μs。

3.2端口初始化

程序开始运行时，首先进行按键中断初始化、数码管显示初始化，并关闭定时计数器比较中断。ECT模块通道0设为输入捕捉，通道1设为输出比较，以实现延时功能。驱动频闪仪的PE4端口设定为输出，初始时PE4端口为低电平。

3.3按键中断与闪光同步延时模块

按下按键1后，进入按键1的中断函数，PJ0端口由高电平变为低电平，延时时间相应地增加10 μs。同理，按下按键2后，进入按键2的中断函数，此时PJ1端口由高电平变为低电平，延时时间相应地减少10 μs。

需注意的是，由于频闪仪闪光信号之前的脉冲宽度须在50 μs以上，即实际情况下，在所设置的延时时间基础上仍有50 μs的延时。通过两次进入输出比较中断函数，可使其在喷油驱动信号之后50 μs内闪光，克服了难以观察喷油初始50 μs的难题。

按下按键3后，首先，使能ECT模块通道0输入捕捉功能，开始捕捉喷油信号的上升沿，当捕捉到上升沿时，进入通道0输入捕捉中断函数，根据所需延时时间设置通道1计数器寄存器值，并使通道1输出比较功能，经过相应的延时时间后，进入输出比较中断函数，输出频闪仪闪光所需的正脉冲(即PE4端口置为1)。然后，设置通道1计数器寄存器值为100，则在100 μs以后再次进入输出比较中断函数，将PE4端口置为0，完成一次延时闪光工作。

3.4数码管显示模块

所谓8段数码管是指数码管里面有8个LED发光二极管，通过点亮不同的LED发光二极管显示出不同的数字。首先进行片选，CONT1、CONT2、CONT3和CONT4分别对应单片机端口PH0、PH2、PH4和PH6，分别用于显示延时时间的千位、百位、十位及个位数。该处要用到数码管的动态显示，即在多位数码管显示时，可令单片机快速依次轮流点亮每位数码管，在显示过程中，每位数码管的显示时间约为1～2 ms，由于人的视觉暂留及发光二极管的余晖效应，尽管各位数码管并非同时点亮，但给人的感觉为一组稳定的显示数据，并不会有闪烁感[9]。

4试验分析

将显微镜头与数码相机连接好后，运行相机的配套程序，固定好装有透明喷嘴的喷油器，连接好喷油器信号线，用备用光源作为相机镜头的背光进行相机对焦，当喷孔管道清晰可见时，对焦完成。用频闪仪作为光源，使频闪仪、喷嘴、显微镜头在同一等高线上，进行试拍。调节频闪仪到最佳位置，试拍时，相机调整到B快门，采用相机软件实时拍摄控制，关闭实验室灯光，打开B快门，频闪仪闪光后关闭B快门，试拍结束。

因需捕捉电压信号的正脉冲，将频闪仪的信号转换开关转到POS挡，同步信号输入插座连接控制模块的输出信号线，将连闪-单闪转换开关拨到SINGLE-FLASH，并将输入信号同步闪光触发信号转换开关设置为SYNC.INPUT，然后打开频闪仪的电源开关。如果频闪仪已如上述设置，则为其提供输入信号，若未按下单闪触发按钮，频闪仪不会闪光。

上述准备工作完成后，即可进行试验拍摄。启动CRI200，调节相应的喷油频率、共轨压力及喷油脉宽，喷油器开始喷油；按下按键1或按键2设置相应的延时时间后，打开B快门；按下按键3，当捕捉到某次喷油信号后，频闪仪即在相应的延时时间后闪光；关掉B快门，延时拍摄工作完成。若需要再次拍摄，重复上述步骤即可。

图5　未设置延时时间各信号时序图

试验测得的喷油信号与闪光控制信号的时序图如图5所示，t为针阀开启时刻，t1为喷油驱动信号触发时刻，t2为控制模块响应时刻，t3为闪光延时时刻。为有效捕捉到孔内外情况，对各信号时序有较高的要求。其中，硬件与软件造成的滞后延时时间应小于喷油器针阀开启的滞后延时时间，即未设置延时，t3应小于t。

经测量，由于软件延时中断的跳转延时，若未设置延时，t3与t2存在4 μs的误差，t3-t2=4 μs。针阀开启滞后时间(t-t1)一般为250～350 μs，又因响应时间相较于喷油驱动信号有1 μs的延迟，则t3-t1=5 μs，显然满足t3小于t的要求。

图6所示为闪光延时200 μs后的信号时序图，即t3-t2=200 μs。由图6可知，单片机捕捉到喷油信号(上升沿)后，经过200 μs的延时时间，输出闪光信号(延时信号)给频闪仪，延时精度高(约5 μs)，实际延时时间为205 μs。

图6　闪光延时200 μs信号时序图

为进一步验证延时效果，进行孔内流动及孔外雾化延时拍摄，试验图像是通过多次喷射以及不同的延时时间采集得到的，试验装置示意图如图7所示。

图7　试验装置示意图

图8　试验效果图

图8所示为试验得到的孔内流动及孔外雾化图像，每张图像的间隔时间为20 μs。图9所示为多次拍摄的延时时间1 000 μs时孔内流动及孔外雾化的图像。喷孔直径为0.2 mm，喷射压力为20 MPa，喷孔轴线与压力室轴线的角度为120°。在喷孔内，由于光线穿过喷嘴材料再照射到气泡表面后发生散射，气泡及空穴区域最终在图像上显示黑色。而对于喷孔外的喷雾则恰好相反，燃油在空气中由于光的散射，在图像上显示为黑色。

图9　多次拍摄同一延时时间(1 000 μs)的试验效果图

由图8可知，每张图像较前一张有明显的延时，可以清楚地观察到喷孔内外燃油流动的变化过程。孔内燃油将初始气泡推出并逐渐充满整个喷孔，随着喷射的进行，喷孔入口处有空穴产生并进一步延伸至喷孔出口附近。同时，可明显地观察到孔外喷雾从无到有再到扩散的过程。从图9可看出，多次拍摄闪光延时1 000 μs喷孔内的流动状态基本一致，说明设计的柴油机喷雾试验闪光同步延时装置可达到预期延时以及定时效果。

5结论

(1)所设计的喷油信号处理电路能有效地进行电平转换以输入给单片机合适的信号，且对杂波有较好的过滤效果，响应精度高。

(2)编译的延时程序解决了频闪仪闪光前高电平或低电平脉宽不低于50 μs的问题，可观察喷油初始时刻的状况。

(3)经试验分析，所设计的同步延时装置满足响应时间快、工作可靠、同步精度高、延时时间按键可控、定时时间精确可靠的要求，拍摄的试验图像达到了预期效果。

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DONG Weitao:Postgraduate; School of Automotive Engineering,WUT,Wuhan 430070， China.

[编辑：王志全]

文章编号：2095-3852(2016)01-0136-05

文献标志码:A

收稿日期：2015-08-30.

作者简介：董卫涛(1990-)，男，山东潍坊人，武汉理工大学汽车工程学院硕士研究生.

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20130143110009).

中图分类号：TP29

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.030

Design and Application of Flash Sync and Delay Device about Diesel Spray Experiment

DONG Weitao， GAO Yongqiang， WANG Kewei

Abstract：In order to observe the internal nozzle flow and spray pattern outside the nozzle,a set of visualization devices is built,and those devices can achieve stroboscopic synchronization and delay flash.A signal processing circuit is designed to filter the input signal and reduce the input single.The experimental results show that this set of devices can meet the requirements of fast time response,reliable work,high synchronization accuracy and delay time controlled.

Key words：flash sync and delay device; signal processing circuit; internal nozzle flow; spray pattern