薛繼業(yè)，　李向榮，　高浩卜

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081)

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柴油噴霧特性試驗研究

薛繼業(yè)，李向榮，高浩卜

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081)

基于高速攝影直拍和紋影法對較高背景溫度和背景壓力狀態(tài)下的柴油噴霧特性進行了研究.通過MATLAB的圖像處理功能對試驗圖片進行處理.其中,高速攝影直拍圖片采用閾值將油束與背景分離，得到噴霧液相發(fā)展過程；紋影圖片采用相鄰兩圖做差并累加得到含有氣相的總的霧注發(fā)展過程，并將液相油束輪廓導入，得到最終的處理結(jié)果圖.最后,根據(jù)得到的氣液相邊界點坐標，計算出噴霧宏觀特性.采用該試驗以及圖片處理方法，研究了噴油壓力對噴霧特性的影響，為燃燒系統(tǒng)匹配與數(shù)值計算模型標定提供更為全面的數(shù)據(jù)支持.

燃油噴霧；高速攝影；紋影；MATLAB

在內(nèi)燃機中，噴入缸內(nèi)燃油的霧化特性與蒸發(fā)特性會直接影響著火和燃燒品質(zhì)[1].光學技術(shù)特別是激光、高速攝影、紋影等技術(shù)的出現(xiàn)，極大地推動了對燃油噴霧特性的研究.

日本的廣安博之教授[2]提出了貫穿距離等的計算公式.法國的E.Delacourt、B.Desmet[3]等人利用高速相機得到高噴射壓力下的噴霧數(shù)據(jù)，對廣安公式進行了修正.韓國的Chang Sik Lee、Sung Wook Park[4]等人研究了高噴射壓力下燃油的霧化特性.史紹熙、趙奎翰[5]等人在定容燃燒裝置中進行柴油機噴霧特性的研究.白冰[6]利用傳熱傳質(zhì)中的場協(xié)同原理制定了針對噴油霧化效果的評價方法.侯緒超、申海、牛振乾[7-9]等人，基于MATLAB軟件平臺對噴霧圖像進行處理，實現(xiàn)了對噴霧油束的噴霧錐角、貫穿距離等的測量.總結(jié)發(fā)現(xiàn)，之前的研究多是在常溫或常壓下進行，紋影照片相對較為清晰，便于結(jié)果處理.但這樣的工況并不符合發(fā)動機內(nèi)部高溫、高壓的實際情形.

總結(jié)前人的方法和經(jīng)驗，利用高速攝影技術(shù)，在定容燃燒彈周圍，搭建了一套反射式紋影系統(tǒng).對于同一個工況，直拍圖像與紋影圖像均作了采集，獲得高溫高壓下柴油噴入容彈后噴霧液相與含有氣相的總的霧注的變化情況.針對高溫高壓下紋影圖像背景雜亂的情形，提出了新的處理方法.利用MATLAB編寫程序，將霧注與背景分離，進一步計算獲得氣液相噴霧的宏觀特性.

高溫高壓的背景工況更符合發(fā)動機的實際情形，有利于指導燃燒系統(tǒng)匹配.此外，發(fā)動機研發(fā)過程通常需要CFD數(shù)值模擬.在噴霧模型標定時，同時進行液相宏觀參數(shù)與含有氣相的霧注整體宏觀參數(shù)的標定，使得標定結(jié)果更為精確.本文的研究為發(fā)動機數(shù)值模擬提供更加詳細的標定數(shù)據(jù).

1　試驗方法和試驗方案

1.1試驗裝置

試驗裝置由定容燃燒彈系統(tǒng)、紋影光路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)(ECU)、燃油供給系統(tǒng)、高速攝像機等組成.紋影拍攝布置簡圖見圖1.去掉圖1中的紋影光路系統(tǒng)，即為高速攝影直拍系統(tǒng).定容燃燒彈內(nèi)有加熱裝置，溫度可升至900 K，壓力可充至6 MPa，模擬發(fā)動機在壓縮到上止點時的工作環(huán)境.溫度、壓力通過外部單片機加以控制，見圖2.定容燃燒彈周圍有4個直徑為100 mm的視窗，用來觀測燃料的噴霧、燃燒狀況.實驗使用左右兩個視窗作為紋影光路，正前方視窗用于高速攝影直拍.

圖1　紋影采集試驗裝置布置簡圖

圖2　定容燃燒彈裝置

燃油供給系統(tǒng)為高壓共軌系統(tǒng)，經(jīng)單孔噴油器噴入到定容燃燒彈內(nèi)，噴油壓力可調(diào)；通過由容彈頂部的充氣閥充入高壓氮氣來調(diào)整噴射環(huán)境背壓；試驗中,高速攝像機采用美國TRI公司的PHANTOM v7.3 CMOS相機，拍攝速度為20 000 幀/s，單幀像素為255×504，最大曝光時間0.05 ms.

1.2試驗參數(shù)設(shè)置

試驗選用0號柴油，噴孔直徑為0.22 mm，噴油脈寬為1 050 μs，選取N2為背景氣，試驗參數(shù)見表1.

表1　試驗工況參數(shù)設(shè)置

2　試驗結(jié)果分析

通過高速攝影直拍技術(shù)與紋影技術(shù)的結(jié)合，直拍得到未蒸發(fā)部分的發(fā)展圖片，紋影技術(shù)則得到包含氣相的總的霧注發(fā)展圖片.采用MATLAB圖像處理功能對試驗中采集到的噴霧圖片進行處理.每組試驗在進行之前拍攝一張清晰的標定圖片，用于計算每一像素點所代表的實際尺寸.在紋影圖像處理中，標定圖片還用于噴孔位置的確定.

2.1高速攝影直拍圖片處理方法

高速攝影直拍圖片清晰，液滴可見，氣態(tài)燃油不可見.霧注和背景之間灰度值有明顯的差別，基于圖像的灰度分布直方圖，通過取閾值將液相噴霧分離出來.

由于噴孔以上存在與油束像素接近的圖元，而噴孔以下部分，背景與油束有明顯的分界.因此，為了準確選取分離背景的灰度閾值，先將噴孔以上部分灰度值設(shè)為0.圖3所示即為原始圖像去掉噴孔以上部分的灰度分布直方圖.從圖中可以看到，背景的灰度值集中分布在前端.為盡量多地保留油束有效信息，利用“雙峰法”將背景點灰度值“峰”后的第一個波谷點所代表的灰度值設(shè)定為閾值[10].

圖3　灰度分布直方圖

將油束與背景分離后，提取油束邊界像素點的坐標值，并在坐標系中描出所提取的邊界點即得到處理結(jié)果圖.圖4所示為原始圖片和最終結(jié)果圖.對比兩圖可知，利用灰度分布直方圖求得的閾值能較好地將油束分離出來.圖5所示為高速攝影圖片的處理流程.

圖4　原始圖片與處理結(jié)果圖對比

圖5　高速攝影圖片處理流程

2.2紋影圖片處理方法

在高溫高壓條件下，定容彈內(nèi)氣體狀態(tài)非常不均勻，因此，紋影圖片背景清晰度不夠.考慮到任意相鄰的兩張圖其背景變化最小，因此，采用后一張圖與前一張圖做差，并經(jīng)過適當?shù)娜ピ胩幚?，能夠較好地得到霧注在此時間段內(nèi)的增長的區(qū)域.然后將所有的差值累加，便得到所求噴霧時間內(nèi)的霧注形態(tài).接著采用Canny算子對油束圖像進行邊緣檢測，獲得較為連續(xù)的油束邊緣.Canny算子是一種比較新的邊緣檢測算子，具有很好的抗噪性，并且能同時檢測出具有很小誤差的真邊緣點[11].最后將高速攝影得到的液相噴霧邊緣依照實際尺寸比例添加到紋影圖片中，得到最終的處理結(jié)果圖.此外，在紋影結(jié)果中添加液相油束，更為直觀全面地呈現(xiàn)噴霧發(fā)展過程中氣液兩相的變化情況.

2.3噴霧宏觀特性參數(shù)處理

通過以上步驟，得到油束邊界點的坐標值.對噴霧宏觀特性參數(shù)的處理基于油束邊界點坐標展開.高速攝影直拍圖片記錄液相噴霧的發(fā)展過程，紋影圖片記錄霧注整體的發(fā)展過程，包含了氣、液兩相.二者做差得到氣相噴霧的相關(guān)參量.貫穿距離通過油束最末端端點與噴孔位置點縱坐標做差得到；霧注錐角由霧注前50%部分兩側(cè)邊緣擬合所得直線的夾角定義；投影面積由油束邊界所包含的像素點個數(shù)與每個像素點所代表的實際面積相乘得到.

2.4噴油壓力對噴霧特性的影響

基于上述方法，研究了不同噴油壓力下的噴霧特性.表2為不同噴油壓力下0.1～0.9 ms柴油噴霧的發(fā)展過程.圖右側(cè)的比例尺每格代表25 mm.表中外部白線為總的霧注的邊界，內(nèi)部白線為液相部分的邊界.從圖中可以看出隨著噴油壓力的升高，噴霧加速向前發(fā)展，貫穿距離有所增大，蒸發(fā)速度加快.

表2　不同噴油壓力下柴油噴霧發(fā)展過程

圖6所示為不同噴射壓力下霧注總的貫穿距離與液相貫穿距離的對比圖.從圖中可以看到，霧注貫穿距離隨時間的增加而持續(xù)增加，液相貫穿距離隨時間的發(fā)展過程則存在明顯的轉(zhuǎn)折時間點.在這個時間點之前，液相貫穿距離與霧注貫穿距離基本相同，隨時間的增加而增加；過了轉(zhuǎn)折時間點后，霧注貫穿距離繼續(xù)增加，液相貫穿距離則不再增加，兩條曲線開始分開.另外,從圖中可以看出噴油壓力越高，霧注貫穿距離越長，這是因為噴油壓力高，噴孔內(nèi)外壓力差增加，動能較大，射速高，燃油可以到達較遠的地方.而噴油壓力越大，液相速度越快，到達最大長度的時間越短.但是不同噴油壓力下，液核的最大貫穿距離變化不大，均在50 mm上下波動，因此,在試驗研究范圍內(nèi)噴油壓力對液核的最大貫穿距離基本沒有影響.

圖6　不同噴射壓力下霧注貫穿距離與液相貫穿距離

圖7所示為不同噴油壓力下的氣相長度隨時間的變化，噴油壓力對氣相長度影響較大.從圖中可以看到，噴油壓力增加，霧注總的貫穿距離與液相貫穿距離的分離時刻提前，而且氣相長度隨噴油壓力的增加而增加.說明噴油壓力越高，燃油蒸發(fā)速度變快，蒸發(fā)量增加.

圖7　不同噴射壓力下氣相長度

圖8所示為噴霧趨于穩(wěn)定后對霧注錐角值取平均所得到的數(shù)據(jù).從圖中可以看到，隨噴油壓力的增加，霧注錐角在逐漸增加，這是因為噴油壓力越大，霧注越容易擴散和卷吸，形成的錐角也越大，但是差距并不明顯.噴油壓力從120 MPa上升到 160 MPa，平均霧注錐角增加2°左右.

圖8　不同噴射壓力下噴霧趨于穩(wěn)定后平均霧注錐角

圖9～11所示分別為不同噴油壓力下霧注、液相以及氣相的投影面積隨噴油時間的發(fā)展情況.從圖中可以看到噴油壓力越高，霧注投影面積越大，而液相投影面積基本保持不變，因此，氣相部分面積越大.說明提高噴油壓力可以增大柴油的氣相部分的面積，提高混合速度，改善混合均勻性，這對提高燃油經(jīng)濟性和降低碳煙的排放有著重要意義.

文中所研究的工況下，不同噴油壓力下的液相噴霧會存在一段平衡態(tài)，如圖6和圖10所示.進入平衡態(tài)后，液相油束的宏觀特性參數(shù)基本維持在某一數(shù)值.因此，忽略此過程中液相油束內(nèi)燃油濃度的變化，可視為噴入的油量近似等于蒸發(fā)量.因此，單位時間從噴油器噴入定容彈的燃油量可表征在平衡期內(nèi)的燃油蒸發(fā)速度.

圖9　不同噴射壓力下的霧注投影面積

圖10　不同噴射壓力下的液相投影面積

圖11　不同噴射壓力下的氣相投影面積

圖12所示即為液相噴霧進入平衡期，不同噴油壓力下噴油速率隨時間的變化曲線，亦即燃油蒸發(fā)速率曲線.從圖12中可以看到，進入平衡期后，隨著噴油壓力的增加，燃油蒸發(fā)速度增加.其中噴油速率曲線通過EFS測定，噴油器與EFS對接.噴油器中噴出的油推動裝置中的活塞運動，通過監(jiān)測活塞的運動情況得到噴油速率.由于油束運動快、沖擊力大，再加上活塞自身的慣性，形成的噴油速率曲線是波動的.因此，140 MPa與160 MPa所對應(yīng)的兩跳波動曲線在大約1.1 ms出現(xiàn)了交叉.

圖12　不同噴油壓力下的噴油速率

圖13為對數(shù)據(jù)取平均值后做出的平均噴油速率曲線，并對曲線進行線性擬合.從圖中可以看到平均燃油蒸發(fā)速度隨噴油壓力的變化基本成正比.

圖13　平衡期內(nèi)平均噴油速率

3　結(jié)　論

1)基于灰度分布直方圖能夠選定合適閾值將液相油束分離；采用前后兩圖做減法并結(jié)合去孤點及Canny算子邊緣檢測能夠較為完整地將霧注范圍與背景分離，最終得到高溫高壓背景下噴霧的氣液相發(fā)展過程及宏觀特性值.為燃燒系統(tǒng)匹配與數(shù)值計算模型標定提供詳盡的氣液相數(shù)據(jù)，數(shù)值計算結(jié)果更為精確，使得燃燒系統(tǒng)匹配更為有效.

2)噴油壓力越高，霧注總的貫穿距離、錐角和投影面積越大，但液相的最大貫穿距離和投影面積變化不大.因此，在匹配發(fā)動機燃燒系統(tǒng)過程中，可以根據(jù)液相貫穿距離不隨噴油壓力變化的特點來設(shè)計燃燒室徑向尺寸，這樣可以減少液相柴油與壁面接觸，避免“濕壁”現(xiàn)象的發(fā)生.

3)根據(jù)高溫高壓下，液相噴霧存在平衡期的特點，提出通過噴油速率判斷平衡期內(nèi)噴霧的蒸發(fā)

速度的思想.隨著噴油壓力的增加，噴油速率增加，進而可以得知蒸發(fā)速度增加.在文中研究范圍內(nèi)，噴霧平衡期內(nèi)蒸發(fā)速度隨噴油壓力的增加成正比.

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Experiment Study on Diesel Spray Characteristics

XUE Ji-ye,LI Xiang-rong,GAO Hao-bo

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

By means of a high-speed photography and the schlieren method, its diesel spray characteristics of an engine were studied under the conditions of higher temperature and larger pressure. The image processing functions in MATLAB were used to deal with the testing images. For the images from the high-speed photography, the threshold was used to separate the oil beam with its background for getting the development process of the liquid spray. For the schlieren images, the subtractions of the adjacent figure were accumulated for obtaining the development process of the total spray with gaseous phase and then the liquid spray profile was added for acquiring a final figure processing result. Finanly the macroscopic characteristics of the spray was calculated according to the coordinates from the gas-liquid boundary point. By using the experiment and the above mentioned method, the influence of the injection pressure on the spray characteristics was studied, providing a comprehensive data support for the matching of a combustion system and the calibration of its numerical model.

oil spray; high-speed photography; schlieren; MATLAB

1009-4687(2016)02-0008-05

2015-10-31

薛繼業(yè)(1990-)，碩士，研究方向為柴油噴霧燃燒特性.

U464.172

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