直噴汽油機(jī)噴霧過程圖像采集和處理

杜宏飛，劉江唯，付 磊

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011)

2016186

直噴汽油機(jī)噴霧過程圖像采集和處理

杜宏飛，劉江唯，付 磊

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011)

基于直噴汽油機(jī)和高速相機(jī)，搭建汽油機(jī)缸內(nèi)可視化平臺，拍攝噴霧過程圖像，利用Matlab對圖像進(jìn)行后處理和分析，去除背景噪聲、壁面反射光和個(gè)別亮點(diǎn)的影響，提取了噴霧的貫穿度、噴霧面積信息。該方法是研究汽油噴霧貫穿度、噴霧形態(tài)的有效手段。

直噴汽油機(jī)；噴霧；圖像處理；Matlab

前言

近年來隨著汽油機(jī)排放和油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，越來越多的學(xué)者開始對直噴汽油機(jī)進(jìn)行深入研究[1-2]。直噴汽油機(jī)缸內(nèi)噴霧過程直接影響混合氣形成，進(jìn)而影響燃燒效率和污染物排放。因此開展直噴汽油機(jī)缸內(nèi)噴霧可視化研究非常必要[3-4]。

目前缸內(nèi)噴霧可視化測量采用的方法主要包括激光輔助測量和高速攝像。激光輔助測量方法是在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上引入激光，結(jié)合高速相機(jī)和濾鏡，測量噴霧濃度和噴霧速度。高速攝像方法是在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上利用高速相機(jī)從燃燒室底部和側(cè)面拍攝噴霧過程，從而獲得噴霧錐角、噴霧面積、噴霧貫穿、噴霧撞壁和火焰?zhèn)鞑サ刃畔5]。近年來采用高速攝像的方法進(jìn)行缸內(nèi)噴霧和燃燒過程的研究較多。文獻(xiàn)[6]中對混合燃料燃燒可視化進(jìn)行了研究，為了表明不同燃料燃燒過程的差異，不同程度地采用圖片信息量化和與缸內(nèi)壓力分析相結(jié)合的方法，分析了火焰發(fā)展過程。文獻(xiàn)[7]中在光學(xué)可視化發(fā)動(dòng)機(jī)上, 采用高速攝影法,對不同摻混比例的柴油/生物柴油混合燃料進(jìn)行研究, 獲取缸內(nèi)燃燒火焰圖像；文獻(xiàn)[8]中在單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用可視化技術(shù)研究缸內(nèi)CNG 直噴稀薄燃燒過程中噴射方式和點(diǎn)火方式對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響；文獻(xiàn)[9]中在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上,用高速相機(jī)研究了在進(jìn)氣中加入不同體積分?jǐn)?shù)的N2后柴油機(jī)油束的發(fā)展和混合氣的形成、著火與燃燒過程。

本文中基于光學(xué)汽油單缸機(jī)，利用高速相機(jī)對汽油機(jī)噴霧過程進(jìn)行拍攝，得到了不同曲軸轉(zhuǎn)角下的噴霧圖像，并開發(fā)了一套Matlab圖像處理程序，對噴霧圖片進(jìn)行處理分析，提取了缸內(nèi)噴霧貫穿度、噴霧面積和噴霧濃度分布信息，通過標(biāo)定對上述信息進(jìn)行量化，為研究噴霧撞壁和噴霧擴(kuò)散提供了有效手段。

1 圖像采集系統(tǒng)

圖1為試驗(yàn)采用的光學(xué)單缸機(jī)，其主要參數(shù)見表1。發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃燒室全可視設(shè)計(jì)，由延長活塞、延長缸體和石英缸套組成。采用的高速相機(jī)詳細(xì)參數(shù)見表2。圖像采集原理如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)由角標(biāo)儀輸出觸發(fā)信號，高速相機(jī)在此信號的觸發(fā)下拍攝圖像。選取的試驗(yàn)工況參數(shù)如表3所示。

圖1 光學(xué)汽油單缸機(jī)

參數(shù)數(shù)值缸徑/mm84沖程/mm90壓縮比9石英缸套高度/mm55

表2 高速相機(jī)主要參數(shù)

圖2 圖像采集原理

名稱數(shù)值轉(zhuǎn)速/(r·min-1)2000燃油噴射壓力/MPa10平均指示壓力/MPa0.2

2 圖像預(yù)處理

試驗(yàn)中采用兩個(gè)LED光源照明，布置在氣缸兩側(cè)，該方法可以增強(qiáng)油束的亮度，但同時(shí)也增加了氣缸壁面反射光的強(qiáng)度，難以識別油束的邊界，影響圖像特征的提取。為清晰反映出壁面反射光的影響，將原始圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像進(jìn)行對比，如圖3所示，由圖可見，在氣缸左側(cè)的反射光較強(qiáng)，圖像右上角噴油器位置也有強(qiáng)反射光，進(jìn)氣門和右側(cè)壁面的反射光面積較小，從原始噴霧圖像上無法區(qū)分噴霧圖像。因此處理的重點(diǎn)在于去除壁面反射光，保留噴霧區(qū)域。噴霧區(qū)域是感興趣的區(qū)域，編寫Matlab程序?qū)Ω信d趣區(qū)域進(jìn)行選擇，去除反射光和背景。 預(yù)處理流程如圖4所示。在Matlab程序中由軟件讀取原始圖像到程序中，人工選擇反射光區(qū)域并保存為背景圖像，由原始圖像減去該背景圖像，就只保留了噴霧部分圖像。

圖3 原始圖像與對應(yīng)的二值圖像

圖4 去除反射光處理流程

但是對于某些工況點(diǎn)，噴油較少，噴霧圖像對比度不高，不能明顯區(qū)分噴霧區(qū)域。在此之前還應(yīng)進(jìn)行圖像對比度增強(qiáng)處理，利用直方圖均衡化提高對比度。直方圖均衡化是指將圖像的像素值均勻的分布在圖像的各個(gè)區(qū)間上，從而增加對比度，使圖像的視覺效果得到改善，在Matlab中采用histeq函數(shù)[10]對直方圖進(jìn)行均衡化。圖5給出了均衡化前后的直方圖對比。

圖5 均衡化前后直方圖對比

在進(jìn)行對比度增強(qiáng)以后即可進(jìn)行感興趣區(qū)域選擇和濾波處理?？臻g濾波是通過像元與周圍相鄰像元的關(guān)系，采用空間域中的鄰域處理方法，突出圖像上的某些特征。在數(shù)字圖像中往往存在各種噪聲，Matlab圖像處理工具箱提供了線性濾波、中值濾波和自適應(yīng)濾波等方法去除噪聲。本程序中結(jié)合實(shí)際情況選擇了中值濾波，采用了Matlab中的函數(shù)medfilt2來實(shí)現(xiàn)。中值濾波對異常值不敏感，可在不降低圖像對比度的情況下減小異常值的影響[11]。圖像預(yù)處理流程如圖6所示。

圖6 圖像處理流程

經(jīng)過對比度增強(qiáng)、去除反射光、濾波和其它處理以后，圖像中的噴霧油束已清晰可見，將其轉(zhuǎn)化為偽彩圖即可看出噴霧的濃度梯度；轉(zhuǎn)化為二值圖像，則可識別油束邊界，采用Matlab軟件中的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)edge，利用canny算子提取邊界。

3 噴霧貫穿度提取

在完成圖像預(yù)處理之后即可進(jìn)行噴霧貫穿度的提取和標(biāo)定。首先進(jìn)行噴霧傳播方向的定義。由鼠標(biāo)在圖像上選擇噴油器頂點(diǎn)(xc,yc)作為噴油始點(diǎn)，由軟件尋找油束質(zhì)心(mean_x,mean_y)，油束質(zhì)心與噴油始點(diǎn)連線作為噴霧傳播方向。在軟件中將該兩點(diǎn)坐標(biāo)記錄并保存在硬盤，以后在批量處理時(shí)直接調(diào)用。噴油器頂點(diǎn)與油束質(zhì)心如圖7所示。

圖7 噴霧質(zhì)心與噴油器頂點(diǎn)

程序中定義的貫穿度為：沿著噴霧傳播方向上的最遠(yuǎn)距離。在軟件中由Matlab程序讀取一張?jiān)紙D像，確定油束質(zhì)心與噴油始點(diǎn)連線，確定該連線與油束遠(yuǎn)端邊界的交點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算該交點(diǎn)與噴油始點(diǎn)的距離。計(jì)算邏輯圖如圖8所示。

圖8 噴霧貫穿度計(jì)算框圖

但此時(shí)計(jì)算提取的貫穿度數(shù)值只是在圖像中的像素值，為了獲得貫穿度實(shí)際值，要對圖像進(jìn)行標(biāo)定，將像素值轉(zhuǎn)化為實(shí)際距離。 本程序中選取火花塞頭部進(jìn)行標(biāo)定。圖9中在圖像中點(diǎn)擊火花塞頭部左側(cè)和右側(cè)邊緣，計(jì)算圖像上的距離(像素)記為Lm，并將數(shù)值保存，批量處理時(shí)調(diào)用。

圖9 標(biāo)定圖像

標(biāo)定公式為

D=Dm·L/Lm

(1)

式中:D為噴霧貫穿度，mm；Dm為圖像中貫穿度的數(shù)值，pixels；L為火花塞頭部實(shí)際寬度，6.7mm；Lm為圖像中火花塞頭部寬度，pixels。

本研究中選擇采樣間隔為2°CA。采用批量處理后的圖像如圖10所示。圖中的偽彩圖給出了噴霧的濃度梯度。提取的貫穿度結(jié)果如圖11所示。須要指出的是，噴霧傳播方向隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化而有所不同，噴霧的質(zhì)心也稍有改變。導(dǎo)致了起始點(diǎn)與油束質(zhì)心連線方向有所變化?？傮w來看隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，貫穿度增加。油束中央?yún)^(qū)域的液態(tài)燃油濃度較大，對于外界光源的散射效果明顯，導(dǎo)致光線強(qiáng)，由偽彩圖可以看出，從油束中央到邊緣，液態(tài)濃度逐漸降低。

圖10 處理后的圖像

圖11 噴霧貫穿度計(jì)算結(jié)果

4 噴霧面積

為了表征噴霧面積大小，本研究中選用噴霧區(qū)域的像素點(diǎn)總和與圖片像素點(diǎn)總和的比值來描述。該比值在各個(gè)工況之間具有可比性，可以表征噴霧發(fā)展過程，公式為

S=Sspray/ST

(2)

式中：S為噴霧面積比例；Sspray為噴霧區(qū)域像素點(diǎn)總和，pixels；圖像分辨率ST=1280×800，pixels。

對圖片進(jìn)行處理，獲得噴霧區(qū)域像素點(diǎn)總和。程序中在二值圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，二值圖像中油束亮度為1，其他區(qū)域?yàn)?。部分程序?qū)α炼葹?的像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)算結(jié)果如圖12所示。由圖可知，隨著噴霧的進(jìn)行，面積逐漸擴(kuò)大。

圖12 噴霧面積百分比

為了表征噴霧擴(kuò)散速度，定義噴霧面積變化速度為：單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，兩幅圖像噴霧區(qū)域像素點(diǎn)總和之差。

Sv=(Si+1-Si)/△deg

(3)

式中：Sv為噴霧擴(kuò)散速度，pixels/(°CA)；Si+1為第i+1幅圖像噴霧區(qū)域像素點(diǎn)總和，pixels；Si為第i幅圖像噴霧區(qū)域像素點(diǎn)總和，pixels；△deg為第i幅圖像與第i+1幅圖像間隔的曲軸轉(zhuǎn)角，°CA。

計(jì)算結(jié)果如圖13所示。由圖可見，噴霧初期噴霧面積變化速度較大，說明此時(shí)噴霧擴(kuò)散較快，后期變化速度減小，噴霧擴(kuò)散速度減慢。

圖13 噴霧面積變化速度

5 結(jié)論

(1)通過搭建的汽油機(jī)可視化平臺可以拍攝缸內(nèi)直噴過程，經(jīng)過Matlab軟件進(jìn)行預(yù)處理可以得到清晰的噴霧圖像。

(2)對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行信息提取，可以獲得噴霧邊界、噴霧濃度梯度、噴霧貫穿度、噴霧面積百分比和噴霧面積變化速度等信息。

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Image Acquisition and Processing of the Spraying Processin a Direct Injection Gasoline Engine

Du Hongfei, Liu Jiangwei & Fu Lei

R&DCenter,ChinaFAWCo.,Ltd.,Changchun130011

A cylinder visualized platform is constructed, consisting of an optical engine with direct fuel injection and a high speed camera to take the photo images of fuel spraying process, and the images are then post-processed and analyzed with Matlab to eliminate the effects of background noise, the reflective light from wall surface and bright spots, and to extract the information of the penetration and the longitudinal sectional area of spray. The method adopted is an effective means for studying the penetration and the morphology of gasoline spray.

direct injection gasoline engine; spray; image processing; Matlab

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月8日。