实验用燃油喷雾检测系统的设计与开发

马宗正, 徐　平, 杨安杰, 刘豫喜

(1. 河南工程学院 机械工程学院, 河南 郑州　451191;2. 河南工程学院 土木工程学院, 河南 郑州　451191)



实验用燃油喷雾检测系统的设计与开发

马宗正1, 徐平2, 杨安杰1, 刘豫喜1

(1. 河南工程学院 机械工程学院, 河南 郑州451191;2. 河南工程学院 土木工程学院, 河南 郑州451191)

针对目前实验室能用于测量燃油喷雾的检测系统,不利于实践教学的问题,开发了一款实验用燃油喷雾检测系统。该系统基于散射法原理,以8位单片机为处理器、普通光耦芯片和场效应管为驱动芯片,完成了控制系统的开发,实现了对于喷油、CCD相机和频闪光源的控制,同时基于Matlab软件完成了图像处理程序的开发。经过测试验证,该系统可以实现喷雾过程的图像采集,同时还可以对喷雾过程进行定量处理。该系统对于提高学生对于理论知识的掌握有着积极作用。

燃油喷雾; 检测系统; 实验开发

对于内燃机,无论是汽油机还是柴油机,燃油都需要通过喷嘴进入发动机,燃油喷雾过程对于发动机有着重要的影响。已有研究表明,燃油雾化质量与发动机油耗、碳烟排放以及NOx排放有着直接的关系[1-3],同时还与燃烧初期的压力升高率和放热率有关、会影响机械负荷和燃烧噪声[4],特别是喷雾锥角对发动机性能的影响更为明显[5-6]。因此,燃油喷雾特性的研究是发动机领域较为重要的方面[7-9],也是发动机原理课程中比较重要的内容,但是在实验教学中,由于缺少有效的实验设备,用于实验研究的设备成本又过于昂贵[10-12],而且在实际应用中对于喷雾过程的主要参数的介绍只是停留在理论上,学生在学习过程中没有直观感,不利于学生对所学内容理解和掌握。因此研发相应的价格便宜又能够满足要求上的测试系统就显得尤为重要。

目前能够对喷雾进行测量的方法主要包括三角法、积水容器法和光学法,前两种方法虽然价格有优势,但是由于人工参与较多,使得测试精度较差、同时重复性也难以保证[13-15]。光学方法能够实现非接触测量,同时也不干扰喷雾过程。为此,本文基于光散射法原理建立了一套用于实验室测量燃油喷雾的系统。

1　检测系统结构

当燃油从喷嘴喷射出之后,会变成燃油粒子(此时燃油粒子直径大小会有差别),在外部光源的照射下,经过粒子的反射作用,人眼会看到燃油喷雾状态,本实验系统正是基于燃油粒子的反射作用原理来获取喷雾过程。

检测系统示意图见图1,该检测系统主要的实验设备包括光源、CCD相机、燃油喷射系统、控制系统和计算机,设备参数见表1。燃油喷射系统采用和实际发动机相同的油泵、燃油分配器等设备。

图1　散射法检测系统示意图

项 目参 数光源频闪仪相机/Basler601AC快门:1/50000s分辨率:656×490像素最大帧率30f/s镜头/AvenirTVSL08551f:8.5～51mm,F1.2

频闪仪作为光源,所发出的光照射到喷嘴和喷雾的平面内。CCD相机在与频闪仪所发出的光垂直方向布置。测试过程中,喷射过程开始后将CCD相机打开,此时频闪仪不产生光(实验过程中室内保持黑暗状态),CCD相机没有图像；当频闪仪产生光时,CCD相机才得到相应的图片。因此本系统的本质是通过频闪仪脉冲信号来控制拍照时刻。可见在此测试系统中最为关键的是喷油时刻、CCD相机开机信号和频闪仪光源之间的配合问题。

喷雾过程中由于时间非常短,比如汽油机喷射过程中常用的喷油时间为3ms,而采用的CCD相机的最大帧率为30f/s,在完成一次拍摄后要等大约33ms才能拍摄下一张照片,因此不能完整地记录整个喷油过程。为此在实际操作过程中采用一次喷油只拍摄某一特定时刻的照片,经过多次喷射才可能得到一次完整的喷雾过程。以图2为例简单介绍一下该过程：在第1次喷油过程中通过频闪仪脉冲信号拍摄△tms时刻的照片(假定喷雾开始时刻为0ms),在下一个喷雾过程时得到△t+0.1ms的照片,以此类推就会得到时间间隔为0.1ms的喷雾过程图像,然后将所拍摄得到的图片通过IEEE1394接口送入计算机,从而得到燃油喷射的整个过程。

图2　燃油喷射、CCD相机和频闪仪信号时序图

利用该方法的优点是可以降低对相机的要求,同时还可以消除不同喷射过程之间偶然因素的影响。

2　控制系统设计

该测试系统的本质是通过频闪仪脉冲信号来控制拍照时刻从而得到喷雾过程图像,因此控制系统的设计是本系统最为重要的部分。

控制系统框图见图3,由微处理器、驱动控制电路和执行器组成。微处理器的作用是控制整个系统的动作,主要包括相机、喷油器和频闪仪脉冲信号指令的发出。选用飞思卡尔8位单片机AT89C52[4],能够输出控制信号,同时还包括用于能够实现程序加载的通信接口。驱动控制电路主要的作用是将微处理器发出的控制指令传递到执行器。为了能够实现正常驱动,必须提升驱动能力,为此在本设计过程中采用驱动芯片实现。执行器是最终的控制部件,用于实现喷雾过程的记录。

图3　控制系统框图

2.1微处理器系统

本处理系统采用的单片机最小系统(见图4),由AT89C52单片机、复位电路和晶振电路构成。所选用的8位单片机AT89C52的控制端口有32个,同时有中断源5个、定时器2个,能够满足本设计的要求[16]；晶振电路采用11.059 2MHz晶振,从而使得指令的执行周期满足设计要求；本系统不需要长期独立运行,同时也不需要断电保护,为此复位模式采用上电复位模式。

图4　单片机最小系统

2.2驱动控制电路

图5为喷油控制信号驱动电路,从微处理器输出的控制信号经过2个非门芯片处理后,进入光电隔离处理器,此处理器的主要作用是隔离控制电路和执行电路,防止出现相互干扰；此后控制信号进入实际的执行器驱动电路场效应管。本设计中采用的场效应管是IRFP450,该芯片可是实现输出功率的放大,也即实现了驱动能力提升。

相机和频闪仪的驱动方法与喷油驱动基本一致,在此就不再重复说明。

图5　喷油驱动电路

3　图像处理

当采集到的图像进入计算机后,燃油喷雾过程可以直接观察,但是对于其他需要进一步计算的特性参数则需要对图像进一步处理。

图6为图像处理过程示意图,其基本原理是利用背景减法[17],具体过程是利用测试系统获取没有光源时的背景图像灰度Ibg,此时的照片必须在燃油喷射之前获取；然后分别读取对应的喷雾照片灰度Ii,利用I=Ii-Ibg得到去背景图像。在实际应用过程中利用Matlab编程实现,从而可以实现批量图像的处理。

图6　图像处理过程示意图

图7是使用背景减法得到的某一时刻喷雾过程图像,由于需要有参考用于确定实际喷射距离,因此在图像中有一块区域是亮显,但是整体图像与实际喷雾过程基本一致,可以用于后续计算。

图7　图像处理算例

4　实验应用

在完成系统设计后,进行了相应的测试。图8为单孔喷嘴不同时刻的喷雾图像,喷射过程持续时间是5ms,由于喷嘴开启有一定的时间,故喷雾图像从燃油喷射开始后2ms开始记录。

图8　不同时刻时的喷雾图像

由8图可知,对于单孔喷嘴,当燃油喷射开始后燃油迅速喷出,此时喷雾基本是柱状；随着时间的推移,喷雾周围开始呈现雾状,这说明燃油通过与周围空气的相互作用实现了雾化；当喷油停止后,燃油进一步挥发,雾化更加明显。

喷雾过程中需要定量测量的主要参数包括贯穿距离、喷雾锥角、投影喷雾面积、喷雾体积等,在此只对贯穿距离进行了测量。贯穿距离是指喷雾轮廓最远端到喷孔中心的距离,此数据会随着时间的变化而变化。图9是根据喷雾过程所得到的不同时刻喷雾贯穿距离随时间的变化曲线,由图9可知,贯穿距离基本随时间成正比例关系增加。

图9　贯穿距离随时间变化曲线

5　结语

本文介绍了一种基于光散射法的实验室用喷雾检测系统的设计与开发,分别从测量原理、控制系统设计、图像处理等内容进行了介绍,并且通过检测验证了所开发系统的可行性。该系统可以实现燃油喷雾过程

的采集,同时可以对喷雾参数进行定量测量,本系统在低成本的基础上,对于加深学生对燃油喷雾的了解有着积极的作用。

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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

河南省高等学校青年骨干教师资助项目(2014GGJS-120);2015年河南省教育技术装备和实践教育研究立项课题(GZS018);河南工程学院动力机械与车辆工程研究所资助项目(01)

马宗正(1981—),男,山东济南,博士,副教授,主要研究方向为发动机零部件的设计与试验研究.

E-mail：zongzhengma@163.com

TH74

A

1002-4956(2016)5- 0082- 05