一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置及测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置及其测试方法，主要由数字CCD摄像机、计算机图像采集处理系统、氮气瓶、稳压桶、压缩空气瓶、减压阀、发光单元、角标仪、倍频器、频闪枪、柴油机测试缸及内窥镜和频闪观测仪组成，测试时首先要找出与柴油机的机械上止点相对应的光学系统上止点，然后初始化参数设定，进行动态喷雾图像采集和缸内燃烧动态摄影，最后利用计算机图像采集与处理系统13的系统软件对采集的图像进行处理，利用计算机图像采集与处理系统13的系统软件对采集的图像进行处理。本发明的可视化装置与方法可以为开展柴油机进气组织、喷雾及燃烧室结构的改进研究提供依据，装置精确度较高，操作方便。
【专利说明】一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于内燃机缸内燃烧【技术领域】，主要涉及一种柴油机缸内喷雾与燃烧特性动态可视化测试装置及其测试方法，尤其是涉及一种电控高压共轨柴油机缸内无氧条件下的多次喷雾和燃烧特性可视化测试装置及测试方法。
【背景技术】
[0002]柴油机喷雾与燃烧过程是其工作循环的核心，直接影响柴油机的动力性、经济性和排放指标。由于内燃机的喷雾与燃烧过程十分复杂，测试相当困难，因此测试工作长期以来一直深受世界各国内燃机研究者及生产部门的重视。柴油机喷雾与燃烧可视化是研究其燃烧过程最先进、最有效的试验手段之一。一方面可以系统、深入地了解燃烧发生、发展的特征规律，进一步加深对柴油机燃烧过程的理解；另一方面结合实际柴油机进气组织、喷雾及燃烧室结构来开展这方面的研究，能够为柴油机燃烧系统的评价和改进提供依据。
[0003]早期的可视化研究是通过在气缸盖周围的孔道里面安装数个光学传感器，对缸内工作过程进行点测量，通过传感器和放大器将收集到的光信号转换为电信号，再进行相应的处理和分析。这种方法无法直接得到缸内燃烧过程图像，而且测量得到的信息有限，无法进行场测量和场量分析。随着光学技术、计算机和图像处理技术的不断发展，目前比较成熟的可视化研究主要是基于光学发动机和内窥镜摄像系统进行的。光学发动机技术是采用耐高温的石英玻璃制造活塞，并增加整个活塞的长度，在活塞的下方放置一块反射镜，利用光的折射原理获取整个燃烧室内的工作过程图片。这种方法对发动机的改动较大，造价昂贵，研究工作也受到发动机型号的限制。活塞加长后其运转惯量增加，活塞动态强度降低，而且为了获得良好的透光性，减少折射，无法在石英玻璃上加工出真实的燃烧室凹坑。内窥镜摄像技术主要由CCD彩色摄像机、图像采集卡、照明光源、角标仪、频闪器编码器及减压阀和计算机组成，它是将尺寸很小的工业内窥镜和冷光源深入到燃烧室内部，把缸内喷雾与燃烧的光学图像传输到柴油机外部，由数字相机直接进行拍摄得到缸内喷雾与燃烧图片。这种方法的主要优点是对柴油机的改动很小，基本不影响燃烧室内部的结构，从而对气流运动和燃烧过程无影响，可以动态直观地观察共轨柴油机实际工作过程中的喷雾与燃烧情况。以上两种方法均是在有氧燃烧条件下测得缸内燃烧过程图片，没有涉及到无氧不燃烧条件下的喷雾过程测试。
[0004]柴油机缸内燃烧过程中温度和碳烟的测量技术主要包括激光片光诊断法、消光法、散射法。以激光诱导炽光法为代表的激光片光诊断技术适合测量碳烟生成集中区域某一平面的瞬时空间二维浓度分布，并可以随时跟踪火焰结构、着火、火焰传播一系列过程，但是系统复杂且昂贵。消光法是针对碳烟颗粒对光的散射和吸收会衰减光强的特点，通过比较穿过碳烟粒子云前后的光强得出碳烟的体积分数，虽然这种方法的试验装置简单，但是测试结果会受油滴散射影响，对温度场分析不够准确。散色法则是增加一个散射光探测器，利用散色和消光的比值获得碳烟微粒直径。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是设计一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置及其测试方法，主要用于柴油机无氧条件下缸内喷油雾化情况以及燃烧过程的可视化，并利用图像处理技术，计算分析缸内燃烧火焰温度与碳烟分布情况，为开展柴油机进气组织、喷雾及燃烧室结构的改进研究提供依据。
[0006]为解决上述问题，本发明采用的技术方案:一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置，包括数字CXD摄像机、计算机图像采集处理系统、氮气瓶、稳压桶、压缩空气瓶、减压阀、发光单元、角标仪、倍频器、频闪枪、柴油机测试缸及安装在柴油机测试缸缸盖上的内窥镜和频闪观测仪；所述数字CCD摄像机通过数据线与计算机图像采集处理系统相连，所述摄影设备用于观测柴油机测试缸内周期变化情况；所述氮气瓶通过稳压桶与所述柴油机测试缸的进气管道相连，所述氮气瓶的氮气为缸内不燃烧情况下的喷雾可视化提供无氧条件，防止进气倒吸，所述稳压桶可以为柴油机的氮气输入提供稳定的压力；所述压缩空气瓶与减压阀相连，所述压缩空气瓶分别为所述发光单元和所述内窥镜提供空冷气源；所述内窥镜通过快速接头与所述数字CCD摄像机相连；所述频闪观测仪通过耐高温的光纤与发光单元相连，所述发光单元通过频闪观测仪为柴油机缸内喷雾摄影提供光源；所述发光单元还通过数据线与计算机图像采集处理系统相连，所述计算机图像采集处理系统同时将触发信号传给发光单元和数字CCD摄像机，当频闪观测仪闪烁的同时数字CCD摄像机同步拍摄柴油机缸内的图片；所述角标仪安装在柴油机曲轴自由端的皮带轮上，所述角标仪通过数据线与倍频器和发光单元相串连，角标仪以脉冲的形式向发光单元输出触发信号和曲轴转角刻度，发光单元再通过数据线将脉冲触发信号传送给计算机图像采集处理系统；所述倍频器通过设置其上的码盘，可以对角标仪的信号频率进行调节。所述频闪枪通过光纤连接至发光单元，用于实现发光单元发出的频闪光频率与柴油机曲轴转速同步。
[0007]上述方案中，所述内窥镜是直径为4mm的光学硬镜，为了获得更加宽广、易于观测缸内喷雾燃烧过程的图片，所述内窥镜3的镜头角度分为0°、30°、60°三种规格。
[0008]上述方案中，所述内窥镜的光纤束顶端与冷却空气进口接头连接，所述内窥镜的光纤束底端设有出气口，所述内窥镜的光纤束整体位于保护套管内，所述保护套管通过其外壁上的螺纹旋入到柴油机缸盖内，所述保护套管在与柴油机缸盖水腔接触部位的螺纹上涂有耐高温的密封胶，所述保护套管的底端设有透明且耐高温的石英玻璃窗，所述石英玻璃窗既可以密封燃烧室内的燃气，又可以保护内窥镜的底端镜头，所述保护套管的顶端开有排气口。
[0009]上述方案中，所述数字CXD摄像机通过减震处理固定在发动机实验台架旁边的支架上，通过一个光学交接点和所述内窥镜相连。
[0010]上述方案中，所述计算机图像采集处理系统包含有参数设备模块、数据采集模块、存储模块、图像处理模块、火焰温度与碳烟计算模块；所述参数设置模块用来接收键盘输入的相关测试参数；所述数据采集模块用来采集缸内喷雾与燃烧随曲轴转角变化的图像信息数据；所述存储模块用来将试验数据、图像信息分别存储到存储器的相应数据文件中；所述图像处理模块用来对图像大小、色调等进行编缉与处理；所述火焰温度与碳烟计算模块用来利用双色法的计算公式计算温度与碳烟浓度分布。
[0011]一种柴油机缸内喷雾与燃烧动态可视化测试方法，包括如下步骤: 第一步，找出与柴油机的机械上止点相对应的光学系统上止点:在发动机飞轮壳上设有固定标记箭头即飞轮指针，发动机飞轮上有一标记为“O”的零刻度线，用粉笔涂上白色标记，当指针对准飞轮上的“O”的零刻度线时，柴油机的活塞刚好处于上止点位置。利用发动机测功台架，倒拖柴油机至1500rpm,用频闪枪对准飞轮指针，同时调节频闪枪的闪光频率，使其每当“O”刻度线标记对准飞轮指针时，频闪枪正好闪亮，以保证频闪枪的闪光频率与柴油机转速保持同步，此时计算机图像采集处理系统上的光学上止点刚好与柴油机的机械上止点对应，即固定在柴油机自由端曲轴皮带轮上的角标仪指示的上止点与柴油机机械上止点对应，曲轴角度一致。
[0012]第二步，初始化参数设定，此操作由参数设置模块完成，参数设置模块主要通过计算机键盘输入各种试验参数，包括图像采集频率、采集时间、触发方式、拍摄速度、曝光率参数。
[0013]第三步，动态喷雾图像采集:将柴油机的进气管与空气隔离，将氮气瓶I及稳压桶2所在的管路与柴油机的进气管道相连，使柴油机进气由氮气替代空气，在无氧不着火的条件下，利用本发明装置动态拍摄采集柴油机缸内喷雾图像。
[0014]第四步，缸内燃烧动态摄影:关闭氮气，恢复为原增压空气，开启计算机图像采集与处理系统和压缩空气瓶，设置试验基本参数:转速1500r/min，50%负荷，曝光速率为IOkHz,图像分辨率为640X480像素，曝光时间为80 μ S，拍摄缸内燃烧动态图片并储存。
[0015]第五步，利用计算机图像采集与处理系统13的系统软件对采集的图像进行处理，该软件是基于双色法对缸内扩散火焰图片进行图像处理，从而获得燃烧火焰温度场和碳烟分布场。
[0016]第六步，以温度场和碳烟浓度分布形式输出测试数据，用双色法所测得的温度是碳烟的温度，而不是直接的空间温度场，但是碳烟与环境在极短的时间内即达到热平衡，可以认为碳烟粒子的温度就代表了周围气体火焰的温度。同时，计算得到的KL因子可以用来表征碳烟粒子在缸内的浓度。
[0017]本发明的有益效果主要体现在以下几个方面。
[0018]一是将柴油机进气管与空气隔离，并在其上接入氮气，使柴油机在缸内无氧不着火的条件下，利用所发明的可视化测试装置动态拍摄柴油机缸内喷雾图像，实时记录柴油机工作过程中的真实喷雾情况。与现有技术相比，没有改变缸内进气组织形式，避免了着火对后期喷雾的影响，实现了整个循环喷雾过程的可视化。
[0019]二是本发明提供的可视化测试装置既可以对柴油机工作过程中缸内喷雾时间、锥角、贯穿距、雾化情况进行可视动态化测试，又可以对燃烧过程进行测量。与现有技术相比，没有改变柴油机结构及燃烧室形状，既保证了测试数据的真实性又满足了测试装置的通用性，可以实现资源共享，节约科研经费。
[0020]三是该测试装置精确度较高，可以精确到0.1° CA，并首次应用于电控高压共轨柴油机多次喷雾的可视化测量，为解决柴油机分层燃烧、均质压燃以及低温燃烧等技术难题提供了大量的缸内信息与实验测量手段。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明喷雾与燃烧动态可视化测试装置的组成示意图。[0022]图2是柴油机气缸盖上内窥镜光学通道布置方案。
[0023]图3是数据采集与处理系统工作流程图。
[0024]图4是电控高压共轨柴油机单缸不着火条件下多次喷雾图片。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图及优选实例对本发明作进一步详述。
[0026]正如附图1所示，本发明的优选实施例主要包括氮气瓶1、稳压桶2、内窥镜3、频闪观测仪4、柴油机5、压缩空气瓶6、减压阀7、发光单元8、频闪枪9、角标仪10、倍频器11、数字CXD摄像机12、计算机图像采集与处理系统13。首先需要在柴油机5的气缸盖上加工2个光学通路，一路安装频闪观测仪4，另一路用于安装内窥镜3。频闪观测仪4具有照明的功能，用于获取喷射过程中燃油油束分布图像时提供照明光源，它每次闪烁能产生40MJ的光纤，闪烁间隔为20微秒；内窥镜3为外径4mm带冷却通道的光学硬镜，由11520个单独的光纤组成，这些光纤组成一个光纤束。镜头前端由石英保护，螺旋拧进开凿出来的通道内。内窥镜3的观察角度分为0°、30°和60°三种，根据拍摄的内容和角度不同，选择不同角度的内窥镜。为了防止受燃气高温损坏，内窥镜通过空气管路和快速接头与压缩空气瓶6所在的管路相连，压缩空气瓶内的空气压力通过减压阀?设置为0.6MPa，内窥镜的目镜通过快速接头与数字CXD摄像机12对接，数字CXD摄像机采用具有1360*1024像素的PixelFly摄像机。该摄像机分辨率高而且曝光时间较短。由于尺寸和体积的原因，摄像机12不能直接装在发动机上，它需要通过减震处理固定在发动机实验台架旁边的支架上，通过一个光学交接点和内窥镜3相连。
[0027]第一步,找出与柴油机的机械上止点相对应的光学系统上止点:在发动机飞轮壳上设有固定标记箭头即飞轮指针，发动机飞轮上有一标记为“O”的零刻度线，用粉笔涂上白色标记，当指针对准飞轮上的“O”的零刻度线时，柴油机测试缸的活塞刚好处于上止点位置。利用发动机测功台架，倒拖柴油机至1500rpm，用频闪枪9对准飞轮指针，同时调节频闪枪9的闪光频率，使其每当“O”刻度线标记对准飞轮指针时，频闪枪正好闪亮，以保证频闪枪的闪光频率与柴油机转速保持同步，此时计算机图像采集处理系统13上的光学上止点刚好与柴油机的机械上止点对应，即固定在柴油机自由端曲轴皮带轮上的角标仪10指示的上止点与柴油机机械上止点对应，曲轴角度一致。
[0028]第二步，初始化参数设定，此操作由参数设置模块完成，参数设置模块主要通过计算机键盘输入各种试验参数，包括图像采集频率、采集时间、触发方式、拍摄速度、曝光率参数。
[0029]第三步，动态喷雾图像采集:将柴油机测试缸的进气气管与空气隔离，将氮气瓶I及稳压桶2所在的管路与柴油机测试缸的进气管道相连，使柴油机测试缸进气由氮气替代空气，在无氧不着火的条件下，利用本发明装置动态拍摄采集柴油机缸内喷雾图像。
[0030]第四步，缸内燃烧动态摄影:关闭氮气，恢复为原增压空气，开启计算机图像采集与处理系统13和压缩空气瓶6，设置试验基本参数:转速1500r/min，50%负荷，曝光速率为10kHz，图像分辨率为640X480像素，曝光时间为80 μ S，拍摄缸内燃烧动态图片并储存。
[0031]第五步，利用计算机图像采集与处理系统13的系统软件对采集的图像进行处理，该软件是基于双色法对缸内扩散火焰图片进行图像处理，从而获得燃烧火焰温度场和碳烟分布场。
[0032]双色法是根据固体热辐射的原理，可以同时进行缸内火焰温度场和碳烟浓度场的测量。由于柴油机燃烧过程中的高温碳烟粒子会发出强烈的热辐射，测出燃烧火焰发射出的福射光在某两个波长上的强度，建立两个强度与温度的方程，消去一个代表福射率的未知因子，便可计算出温度和表征碳烟分布的KL因子。
[0033]对于黑体而言，其光谱辐射亮度或频谱亮度遵循普朗克(Planck)辐射定律，如公式:
【权利要求】
1.一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置，其特征在于:包括数字CCD摄像机(12)、计算机图像采集处理系统(13)、氮气瓶(I)、稳压桶(2)、压缩空气瓶(6)、减压阀(7)、发光单元(8)、角标仪(10)、倍频器(11)、频闪枪(9)、柴油机测试缸(5)及安装在所述柴油机测试缸缸盖上的内窥镜(3)和频闪观测仪(4);所述数字CXD摄像机(12)通过数据线与计算机图像采集处理系统(13)相连；所述氮气瓶(I)通过稳压桶(2)与所述柴油机的进气管道相连，所述氮气瓶(I)的氮气为缸内不燃烧情况下的喷雾可视化提供无氧条件，防止进气倒吸，所述稳压桶(2)为柴油机(5)的氮气输入提供稳定的压力；所述压缩空气瓶(6)与减压阀(7)相连，所述压缩空气瓶(6)分别为所述发光单元(8)和所述内窥镜(3)提供空冷气源；所述内窥镜(3)通过快速接头与所述数字CXD摄像机(12)相连；所述频闪观测仪(4)通过耐高温的光纤与发光单元(8)相连，所述发光单元(8)通过频闪观测仪(4)为柴油机缸内喷雾摄影提供光源；所述发光单元(8)还通过数据线与计算机图像采集处理系统(13)相连，所述计算机图像采集处理系统(13)同时将触发信号传给发光单元(8)和数字CCD摄像机(12)，当频闪观测仪(4)闪烁的同时数字CCD摄像机(12)同步拍摄柴油机缸内的图片；所述角标仪(10)安装在柴油机曲轴自由端的皮带轮上，所述角标仪(10)通过数据线与倍频器和发光单元相串连，用于测定柴油机的曲轴转角；所述倍频器通过设置其上的码盘，可以对角标仪(10)的信号频率进行调节，所述频闪枪(9)通过光纤连接至发光单元(8)，用于实现发光单元(8 )发出的频闪光频率与柴油机曲轴转速同步。
2.根据权利要求1所述的一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置，其特征在于:所述内窥镜(3)是直径为4mm的光学硬镜，所述内窥镜(3)的镜头角度分为0°、30°、60°三种规格。
3.根据权利要求1所述的一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置，其特征在于:所述内窥镜3的光纤束顶端与冷却空气进口接头(33)连接，所述内窥镜(3)的光纤束底端设有出气口(34)，所述内窥镜3的光纤束整体位于保护套管(32)内，所述保护套管(32)通过其外壁上的螺纹旋入到柴油机测试缸缸盖内，所述保护套管(32)在与柴油机测试缸缸盖水腔(35)接触部位的螺纹上涂有耐高温的密封胶(36)，所述保护套管(32)的底端设有透明且耐高温的石英玻璃窗(37)，所述石英玻璃窗(37)既可以密封燃烧室(53)内的燃气，又可以保护内窥镜的底端镜头，所述`保护套管(32)的顶端开有排气口(38)。
4.根据权利要求1所述的一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置，其特征在于:所述数字CXD摄像机(12)通过减震处理固定在发动机实验台架旁边的支架上，通过一个光学交接点和所述内窥镜3相连。
5.根据权利要求1所述的一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试装置，其特征在于:所述计算机图像采集处理系统包含有参数设备模块、数据采集模块、存储模块、图像处理模块、火焰温度与碳烟计算模块；所述参数设置模块用来接收键盘输入的相关测试参数；所述数据采集模块用来采集缸内喷雾与燃烧随曲轴转角变化的图像信息数据；所述存储模块用来将试验数据、图像信息分别存储到存储器的相应数据文件中；所述图像处理模块用来对图像大小、色调等进行编缉与处理；所述火焰温度与碳烟计算模块用来利用双色法的计算公式计算温度与碳烟浓度分布。
6.一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试方法，包括如下步骤: 第一步，找出与柴油机的机械上止点相对应的光学系统上止点:在发动机飞轮壳上设有固定标记箭头即飞轮指针，发动机飞轮上有一标记为“O”的零刻度线，用粉笔涂上白色标记，当指针对准飞轮上的“O”的零刻度线时，柴油机测试缸的活塞刚好处于上止点位置；利用发动机测功台架，倒拖柴油机至1500rpm,用频闪枪(9)对准飞轮指针，同时调节频闪枪(9)的闪光频率，使其每当“O”刻度线标记对准飞轮指针时，频闪枪正好闪亮，以保证频闪枪的闪光频率与柴油机转速保持同步，此时计算机图像采集处理系统(13)上的光学上止点刚好与柴油机的机械上止点对应，即固定在柴油机自由端曲轴皮带轮上的角标仪(10)指示的上止点与柴油机机械上止点对应，曲轴角度一致； 第二步，初始化参数设定，此操作由参数设置模块完成，参数设置模块主要通过计算机键盘输入各种试验参数，包括图像采集频率、采集时间、触发方式、拍摄速度、曝光率参数；第三步，动态喷雾图像采集:将柴油机测试缸的进气管与空气隔离，将氮气瓶I及稳压桶2所在的管路与柴油机测试缸的进气管道相连，使柴油机测试缸进气由氮气替代空气，在无氧不着火的条件下，利用本发明装置动态拍摄采集柴油机缸内喷雾图像； 第四步，缸内燃烧动态摄影:关闭氮气，恢复为原增压空气，开启计算机图像采集与处理系统(13)和压缩空气瓶(6)，设置试验基本参数:转速1500r/min，50%负荷，曝光速率为IOkHz,图像分辨率为640X480像素，曝光时间为80 μ S，拍摄缸内燃烧动态图片并储存；第五步，利用计算机图像采集与处理系统13的系统软件对采集的图像进行处理，该软件是基于双色法对缸内扩散火焰图片进行图像处理，从而获得燃烧火焰温度场和碳烟分布场； 第六步，利用计算机图像采集与处理系统13的系统软件对采集的图像进行处理，用双色法所测得的温度是碳烟的温度，而不是直接的空间温度场，但是碳烟与环境在极短的时间内即达到热平衡，可以认为碳烟粒子的温度就代表了周围气体火焰的温度；同时，计算得到的KL因子用来表征碳烟粒子在缸内的浓度。
7.根据权利要求6 所述的一种柴油机缸内喷雾与燃烧可视化测试方法，其特征在于:基于双色法在对缸内扩散火焰图片进行图像处理时，首先需要测出燃烧火焰发射出的辐射光在某两个波长上的强度，然后再建立两个强度与温度的方程，消去一个代表辐射率的未知因子，最后计算出温度和表征碳烟分布的KL因子。
【文档编号】G01M15/05GK103792090SQ201310293341
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年7月12日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】宁海强, 孙平, 梅德清, 胡鹏, 肖淑梅, 邬齐敏, 贾和坤 申请人:江苏大学