柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)的層析圖像診斷法*

張小帆　李禮夫　劉豐林

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.重慶大學(xué) 工業(yè)CT無損檢測(cè)教育部工程研究中心，

重慶 400044)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)的層析圖像診斷法*

張小帆1李禮夫1劉豐林2

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.重慶大學(xué) 工業(yè)CT無損檢測(cè)教育部工程研究中心，

重慶 400044)

摘要:針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)由于不可視和動(dòng)態(tài)而導(dǎo)致其難以無損在線測(cè)量的難題，提出了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)的層析圖像診斷方法.分析了運(yùn)用工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像系統(tǒng)獲取進(jìn)氣過程中的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)的層析圖像原理，討論了缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)中的氣體跡點(diǎn)、密度、流速及其變化在層析圖像上的行為規(guī)律，研究了最大平均互信息的缸內(nèi)進(jìn)氣系統(tǒng)層析圖像分割預(yù)處理方法，論述了基于隨機(jī)變量互信息的缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)多目標(biāo)特征圖像提取方法.通過單缸立式柴油機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)的高能工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像診斷實(shí)驗(yàn)，無損和實(shí)時(shí)地獲取受限空間內(nèi)的氣缸內(nèi)流場(chǎng)氣體跡點(diǎn)、密度、流速及其變化狀態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)了流動(dòng)過程中氣體與氣缸、氣體與氣體之間相互作用而形成的層析鏈結(jié)構(gòu)及其形態(tài).與現(xiàn)有缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)的其他診斷方法相比，文中方法具有無損、在線和多維診斷的特點(diǎn).

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸；進(jìn)氣流場(chǎng)；層析圖像；層析鏈；圖像系統(tǒng)

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)可知，缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)是內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣過程中的氣體所占空間，它是一個(gè)包含了氣體熱力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)的信息場(chǎng)[1]，可由氣體流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)組Ω組成的進(jìn)氣流場(chǎng)函數(shù)F(Ω)=f(r,u,ρ,T)來描述，其中Ω包括任一曲軸轉(zhuǎn)角φ下的氣體跡點(diǎn)r、氣體流速u、氣體密度ρ、氣體溫度T等.由于其狀態(tài)直接影響到內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和有害氣體排放[2]，因此，對(duì)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)的診斷研究一直是內(nèi)燃機(jī)理論研究中的熱點(diǎn)之一.

然而，由于進(jìn)氣過程是氣體在具有一定壓力和溫度的柴油機(jī)受限封閉缸內(nèi)所進(jìn)行的劇烈物理過程，迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)的氣體診斷主要集中在非受限空間和模擬受限空間，其中，非受限空間中的主要診斷方法有高速攝影法[3]、粒子成像測(cè)速法[4]、激光誘導(dǎo)熒光[5]、激光多普勒法[6]以及X射線法[7]等.在模擬受限空間中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用流場(chǎng)可視化技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)來對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行診斷研究.其中，典型流場(chǎng)可視化技術(shù)之一的“光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)”法是通過在已有實(shí)用內(nèi)燃機(jī)上開設(shè)透明可視窗口來獲取缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)信息[8]，由于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)非真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過它只能非真實(shí)地記錄柴油機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的局部區(qū)域的一維、兩維氣流流態(tài)變化信息；而數(shù)值模擬技術(shù)存在著由于內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的實(shí)際進(jìn)氣流場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)難以獲取、數(shù)值計(jì)算模型和邊界條件難以確定等問題[9].

為了解決內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)在線、實(shí)時(shí)、真實(shí)和非破壞性診斷難題，文中根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)和工業(yè)計(jì)算機(jī)層析圖像技術(shù)(簡(jiǎn)稱ICT)，以單缸立式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流場(chǎng)為對(duì)象，提出受限空間內(nèi)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)層析圖像診斷方法，即利用該方法來無損地獲取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)氣體狀態(tài)信息，從而為分析其進(jìn)氣階段中的氣體流動(dòng)及其變換規(guī)律等提供可靠的實(shí)驗(yàn)診斷方法.

1柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)層析圖像診斷方法

1.1柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)及其特點(diǎn)

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)原理，氣缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)可視為一個(gè)熱力系統(tǒng)，且該系統(tǒng)內(nèi)的氣體狀態(tài)可由進(jìn)氣流場(chǎng)函數(shù)F(Ω)描述，其中氣體狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系遵循著質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒定律，其變化關(guān)系可表示為[1]

(1)

式中：Φ為流場(chǎng)參數(shù)，如氣體的速度u、比焓h等，表示單位質(zhì)量的流體特性；rJ為氣體跡點(diǎn)坐標(biāo)，rj為其坐標(biāo)分量，j=1,2,3；方程左側(cè)第1項(xiàng)為瞬時(shí)變化項(xiàng)，ρΦ為單位體積的流體特性；第2項(xiàng)為界面的通量，其中，F(xiàn)Φ表示Φ的宏觀流量，ΓΦΦ表示流場(chǎng)不均勻?qū)е碌摩档臄U(kuò)散通量，ΓΦ為擴(kuò)散系數(shù)；SΦ為源項(xiàng)，表示流體內(nèi)的源導(dǎo)致的Φ的變化.

由于進(jìn)氣過程中的柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)速度通常不足10 m/s，而缸內(nèi)氣體分子運(yùn)動(dòng)的速度和氣體內(nèi)壓力波的傳播速度大于100 m/s，即缸內(nèi)氣體的變化過程比較接近準(zhǔn)平衡過程[10]，一般可將缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)中的氣體流動(dòng)過程視為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)過程，其狀態(tài)變化與時(shí)間無關(guān)[11].因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)缸內(nèi)受限空間中的進(jìn)氣流場(chǎng)F(Ω)的診斷，就應(yīng)解決缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)中的氣體狀態(tài)參數(shù)r、u、ρ、T及其變化信息的獲取問題.

1.2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣系統(tǒng)層析圖像獲取方法

為了實(shí)時(shí)、在線和無損地診斷進(jìn)氣流場(chǎng)的狀態(tài)，根據(jù)進(jìn)氣流場(chǎng)特點(diǎn)，提出了利用工業(yè)計(jì)算機(jī)層析圖像診斷系統(tǒng)來獲取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)及其變化信息的診斷方法.圖1為工業(yè)計(jì)算機(jī)層析圖像診斷系統(tǒng).

由圖1可知，該系統(tǒng)由X射線源、機(jī)械檢測(cè)臺(tái)、探測(cè)器、計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)和柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱進(jìn)氣系統(tǒng))組成.其中，進(jìn)氣系統(tǒng)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和缸內(nèi)空氣所組成，它位于圖示直角坐標(biāo)系∑OXYZ中.進(jìn)氣系統(tǒng)信息獲取基本原理為：當(dāng)具有一定能量強(qiáng)度I0的X射線源所形成的扇形入射光子流穿過曲軸轉(zhuǎn)角φ對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣系統(tǒng)的任意k(θ)截面時(shí)，將與該截面上的物質(zhì)(如氣缸和氣體)產(chǎn)生光電、康普頓和電子對(duì)等效應(yīng)，而使入射光子流能量發(fā)生衰減，其中，入射光子流能量強(qiáng)度與出射光子流能量強(qiáng)度之間的關(guān)系遵循Lambert-Beer’s定律，其表達(dá)式為

圖1　柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)層析圖像診斷系統(tǒng)

Fig.1Tomographic image diagnosis system of the flow field in diesel engine cylinder

Ik(θ)(x,y,Lk(θ))=I0e-μk(θ)(x,y)Lk(θ)

(2)

1.3柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)層析圖像診斷方法

圖2　系統(tǒng)圖像M及其像素和灰階圖

Fig.2Tomographic imageMof the intake system and the diagram of pixel and gray

由圖2可知，目標(biāo)圖像Q像素?cái)?shù)僅占進(jìn)氣系統(tǒng)圖像M像素?cái)?shù)的59.57%；同時(shí)，由于氣缸在工作過程中要承受高溫高壓，其材料常選用較高密度(ρ>7.8 g/cm3)的鋼材，而缸內(nèi)氣體(如空氣)密度ρ則小于0.024 g/cm3，兩者密度相差很大，這種區(qū)別在層析圖像上的反映是其對(duì)應(yīng)的灰階變化范圍太小.如圖2中的背景圖像N的灰階變化范圍為ΔgN=160，而目標(biāo)圖像Q的灰階變化范圍為ΔgQ=25.根據(jù)數(shù)字圖像所含信息量為像素?cái)?shù)與其對(duì)應(yīng)灰階變化范圍乘積的組成原理可知，目標(biāo)圖像Q相對(duì)背景圖像N所含的信息量少.因此，如何從系統(tǒng)圖像M中提取具有少信息量的進(jìn)氣流場(chǎng)目標(biāo)圖像Q，將是缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)層析圖像診斷的關(guān)鍵技術(shù)之一.

為此，根據(jù)信息論[14]，提出基于最大平均互信息的進(jìn)氣系統(tǒng)層析圖像分割預(yù)處理方法，來提取目標(biāo)圖像Q和提高其信息量.基本原理如下：依據(jù)基于信息論的計(jì)算機(jī)層析圖像成像原理可知，系統(tǒng)圖像M上所含有的被測(cè)目標(biāo)A的信息量可用平均互信息I(A;B)來表示，其表達(dá)式為

(3)

式中，A為被測(cè)目標(biāo)信號(hào)，H(A)為其對(duì)應(yīng)的信號(hào)熵；B為系統(tǒng)圖像M的信號(hào)，H(A|B)為條件熵，p(a,b)為目標(biāo)圖像的事件a與系統(tǒng)圖像事件b的聯(lián)合分布函數(shù)，p(b)為(a,b)關(guān)于目標(biāo)事件b出現(xiàn)的邊緣分布函數(shù).

由式(3)可知，I(A;B)越大表示通過對(duì)系統(tǒng)圖像M的處理所獲取的目標(biāo)圖像Q的信息量越大.在H(A)一定的條件下，可以通過降低p(b)來提高I(A;B)，而降低p(b)可采用旨在提高圖像信噪比的目標(biāo)與背景圖像分割、標(biāo)度變換和亞像素插補(bǔ)的預(yù)處理方法(簡(jiǎn)稱層析圖像分割預(yù)處理方法)來實(shí)現(xiàn).因此，層析圖像分割預(yù)處理方法能在一定范圍內(nèi)較大幅度地提高目標(biāo)圖像Q的信息量.圖3為按層析圖像分割的預(yù)處理方法對(duì)圖2中進(jìn)氣系統(tǒng)圖像M進(jìn)行處理所得到的灰階值和像素值均提高的目標(biāo)圖像Q.

然而，目標(biāo)像素幾何空間的增強(qiáng)并不能從根本上解決由于其灰階變化范圍較小而導(dǎo)致目標(biāo)圖像Q中的各區(qū)域特征難以識(shí)別的問題.為此，提出了基于隨機(jī)變量互信息的缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)多目標(biāo)特征圖像提取方法來提高目標(biāo)圖像特征信息的獲取量.該方法將目標(biāo)圖像Q視為由n個(gè)進(jìn)氣流場(chǎng)狀態(tài)信號(hào)變量A=(A1,A2,…,An)組成的圖像，其中，信號(hào)變量A與目標(biāo)圖像Q的信號(hào)C之間的平均互信息量I(A1,A2,…,An;C)可以表示為[15]

圖3　處理后的目標(biāo)圖像Q及其像素和灰階圖

Fig.3Post-treated target imageQand the diagram of pixel and gray

(4)

式中，H(Ai|Ai-1,…,A1,C)為在已知第i-1，i-2，…，1個(gè)進(jìn)氣流場(chǎng)狀態(tài)信號(hào)變量Ai-1，…，A1(i=1，2，…,n)和目標(biāo)圖像Q的信號(hào)C的條件下，第i個(gè)進(jìn)氣流場(chǎng)狀態(tài)變量Ai的平均不確定性，即條件熵.當(dāng)H(A)<∞時(shí)，其條件熵有如下性質(zhì):

H(An|A1,…,An-1)≤H(An-1|A1,…,An-2)≤

…≤H(A2,A1)

(5)

2實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)層析圖像診斷方法的可行性，以JD170立式單缸風(fēng)冷直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，其主要性能參數(shù)如表1所示.

表1　JD170發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)

利用4 MeV的高能ICT系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)氣過程中的氣缸內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了在線而無損診斷實(shí)驗(yàn).高能ICT系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如表2所示.

表2　高能ICT系統(tǒng)的主要性能參數(shù)

為了診斷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的進(jìn)氣流場(chǎng)信息，消除壓縮等其他沖程的影響，實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)其起動(dòng)減速裝置(減速比i為11)和飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪帶動(dòng)曲軸連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和連桿帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)移動(dòng)的動(dòng)力傳動(dòng)方式，來形成缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng).其中，進(jìn)氣流場(chǎng)的狀態(tài)可通過改變活塞運(yùn)動(dòng)速度和進(jìn)、排氣門大小來實(shí)現(xiàn).而活塞運(yùn)動(dòng)速度和位置的變化主要是由計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的大小來完成.同時(shí)，根據(jù)上述的“缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)中的氣體流動(dòng)過程視為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)過程”和ICT層析圖像成像的特點(diǎn)，以進(jìn)氣門全開、排氣門全關(guān)(對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角φ為120°CA)為氣門狀態(tài)、活塞勻速運(yùn)動(dòng)速度v為5×10-4m/s時(shí)的缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象.

圖4φ=120°CA、Z=5 mm截面上的缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)特征層析圖像

Fig.4Characteristics in the tomographic image of cylinder intake airflow field whenφ=120°CA andZ=5 mm

圖5φ=120°CA、Z=10 mm截面上的缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)特征層析圖像

Fig.5Characteristics in the tomographic image of cylinder intake airflow field whenφ=120°CA andZ=10 mm

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)和計(jì)算機(jī)層析成像原理，分析圖4和5各缸內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)特征層析圖像可知，這些特征層析圖像反映了在曲軸轉(zhuǎn)角φ為120°CA時(shí)缸內(nèi)進(jìn)氣氣流跡點(diǎn)r、密度ρ、流速u隨缸內(nèi)空間位置改變而變化的關(guān)系.從圖4可知，進(jìn)氣流場(chǎng)截面上的氣體密度ρ是不均勻的，氣體運(yùn)動(dòng)跡線呈螺旋曲線；在流動(dòng)過程中，由于氣體流團(tuán)之間相互作用而逐漸形成了氣體的鏈狀結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱層析鏈)，其主要有無規(guī)線團(tuán)和星形拓?fù)鋬煞N結(jié)構(gòu)形態(tài).根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)的進(jìn)氣原理可推知[16]，無規(guī)線團(tuán)層析鏈?zhǔn)切〕叨葰怏w渦流在層析圖像上的行為表現(xiàn)，而星形拓?fù)鋵游鲦準(zhǔn)谴蟪叨葰怏w渦流在層析圖像上的行為反映.該進(jìn)氣氣流的層析圖像特征與相關(guān)文獻(xiàn)的“進(jìn)氣射流在流入氣缸以后形成大小不一較復(fù)雜的進(jìn)氣渦流”的仿真結(jié)果相似[17].

同理，通過對(duì)圖5所示的進(jìn)氣流場(chǎng)特征層析圖像分析可知，該截面上的氣體密度也是不均勻的.進(jìn)氣氣流主要作以氣缸中心線為軸線的變加速螺旋轉(zhuǎn)動(dòng).在流動(dòng)過程中，氣體層析鏈主要以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主，即大尺度氣體渦流是該過程中的主要標(biāo)志之一.此進(jìn)氣氣流的層析圖像特征也與有關(guān)文獻(xiàn)的“氣體在向氣缸底部運(yùn)動(dòng)的過程中逐漸合并為統(tǒng)一的大尺度渦流”的仿真結(jié)構(gòu)相似[18].

因此，與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣過程數(shù)值模擬方法和高速攝影法、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)法等相比，進(jìn)氣流場(chǎng)層析圖像診斷方法所得出的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程中的進(jìn)氣流場(chǎng)氣體跡點(diǎn)、密度、速度等隨曲軸轉(zhuǎn)角和三維空間位置改變而變化的關(guān)系，不僅與這些現(xiàn)有方法所得出的對(duì)應(yīng)結(jié)論相似，而且還體現(xiàn)了進(jìn)氣過程中的氣體與氣缸、氣體與氣體之間相互作用而形成的層析鏈結(jié)構(gòu)及其形態(tài).

3結(jié)論

文中針對(duì)受限空間的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣流動(dòng)具有不可視、動(dòng)態(tài)和三維幾何空間的特點(diǎn)，提出了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)層析圖像診斷方法.該方法利用工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像診斷系統(tǒng)，通過對(duì)單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程中的缸內(nèi)氣體流場(chǎng)進(jìn)行層析成像診斷實(shí)驗(yàn)來攝取進(jìn)氣系統(tǒng)層析圖像.運(yùn)用基于平均互信息的圖像分割預(yù)處理技術(shù)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)層析圖像進(jìn)行圖像分割、目標(biāo)標(biāo)度變換和亞像素插補(bǔ)來提取進(jìn)氣流場(chǎng)層析圖像，運(yùn)用基于隨機(jī)變量互信息的多目標(biāo)特征圖像提取方法來對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)層析圖像進(jìn)行特征提取和分析，從而無損和在線地獲取受限空間內(nèi)的氣缸內(nèi)流場(chǎng)氣體的跡點(diǎn)、密度、流速及其變化狀態(tài)信息.當(dāng)采用定時(shí)數(shù)據(jù)采樣控制系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)層析圖像重建算法，該方法將能實(shí)時(shí)地獲取柴油機(jī)實(shí)際工況下的氣缸內(nèi)流場(chǎng)氣體跡點(diǎn)、密度、流速隨曲軸轉(zhuǎn)角和缸內(nèi)空間位置的變化關(guān)系，診斷出流動(dòng)過程中氣體與氣缸、氣體與氣體之間相互作用而形成的層析鏈結(jié)構(gòu)及其形態(tài)，因此，它為揭示進(jìn)氣流場(chǎng)與充氣效率、可燃?xì)饣旌虾腿紵^程之間的作用規(guī)律提供了一種新型的無損診斷方法.

參考文獻(xiàn)：

[1]范寶春,葉經(jīng)方.瞬態(tài)流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量 [M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007.

[2]李向榮,魏镕,孫柏剛,等.內(nèi)燃機(jī)燃燒科學(xué)與技術(shù) [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[3]汪亮.燃燒實(shí)驗(yàn)診斷學(xué) [M].2版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011.

[4]HAIDER S,SCHNIPPER T,OBEIDAT A,et al.PIV study of the effect of piston position on the in-cylinder swirling flow during the scavenging process in large two-stroke marine diesel engines [J]．Journal of Marine Science and Technology,2013,18(1):133- 143.

[5]BEN Petersen,JAAL Ghandhi.High-resolution turbulent scalar field measurements in an optically accessible internal combustion engine [J]．Experiments in Fluids，2011，51(6)：1695- 1708.

[6]DESANTES J M,PASTOR J V,DOUDOU A.Study of the steady flow produced by direct injection diesel engine intake ports [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D:Journal of Automobile Engineering,2001,15(2):285- 298.

[7]DUKE D,SWANTEK A,TILOCCO Z,et al.X-ray imaging of cavitation in diesel injectors [J].SAE Int J Engines,2014,7(2):1003- 1016.

[8]B?HM Benjamin,HEEGER Christof,GORDON Robert L,et al.New perspectives on turbulent combustion:multi-parameter high-speed planar laser diagnostics [J].Flow,Turbulence and Combustion,2011,86(3):313- 341.

[9]MICKLOW G J,GONG W D.Intake and in-cylinder flowfield modelling of a four-valve diesel engine [J].Journal of Automobile Engineering,2007,221(11):1425- 1440.

[10]沈維道,童鈞耕.工程熱力學(xué) [M].4版.北京:高等教育出版社,2007.

[11]周松,王銀燕,明平劍,等.內(nèi)燃機(jī)工作過程仿真技術(shù) [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[12]李禮夫.電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出機(jī)理的層析數(shù)字圖像化研究 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999,27(7):1- 5.

LI Li-fu.Study in computed digital tomography of mechanism of electromagnetic dynamic plasticating extrusion of polymers [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),1999,27(7):1- 5.

[13]陳樹越,程榮.基于X射線的溫度測(cè)量方法與實(shí)驗(yàn)分析 [J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2013,33(5):633- 636.

CHEN Shu-yue,CHENG Rong.Temperature measurement method based on X-ray and experimental analysis [J].Nuclear Electronics and Detection Technology,2013,33(5):633- 636.

[14]THOMAS M Cover,JOY A Thomas.信息論基礎(chǔ) [M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[15]李禮夫.面向擠出中聚合物形態(tài)的層析圖像處理方法的研究 [J].光學(xué)精密工程,2005,13(增刊1):212- 216.

LI Li-fu.Study on tomography image processing method for polymer configuration of extrusion [J].Optics and Precision Engineering,2005,13(Suppl 1):212- 216.

[16]解茂昭.內(nèi)燃機(jī)計(jì)算燃燒學(xué) [M].大連:大連理工大學(xué)出版社,2005.

[17]梁桂華.柴油機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)的PIV技術(shù)應(yīng)用研究及數(shù)值模擬 [D].遼寧:大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，2007.

[18]胡云萍,李秋霞.柴油機(jī)進(jìn)氣壓縮過程的三維瞬態(tài)數(shù)值模擬研究 [J].內(nèi)燃機(jī),2010(3):23- 27.

HU Yun-ping,LI Qiu-xia.Three-dimensional transient numerical simulation of the intake and the compression process in diesel engine [J].Internal Combustion Engines,2010(3):23- 27.

Tomographic Image Diagnosis of Intake Airflow Field in Diesel Engine Cylinder

ZHANGXiao-fan1LILi-fu1LIUFeng-lin2

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong,China; 2. Engineering Research Center of Industrial Computed Tomography Nondestructive Testing of the Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract:In order to overcome the difficulty in the online and non-destructive measurement of engine cylinder’s intake airflow field caused by its invisibility and dynamic characteristics, a tomographic image diagnosis method is proposed.In the investigation, first, the principles of industrial computer tomography(ICT) for obtaining the tomographic image of diesel engine cylinder’s intake airflow field are analyzed. Then, the behaviors of airflow field’s trace point, density, velocity and velocity variation in the tomographic image are discussed, and the segmentation pre-treatment methods of the cylinder intake system’s tomographic image are explored based on the maximum average mutual information. Moreover, an extraction method of multi-target image features ofthe intake airflow field is presented based on the mutual information of random variables. Finally, the information of the airflow field’s trace point, density, flow velocity and velocity variation status inside confined spaces are non-destructively extracted in realtime from the high-energy ICT images of a single-cylinder vertical diesel engine, and the tomographic chain structure and its shape formed by the gas-cylinder and gas-gas interactions in the flow process are discovered. It is found that the proposed tomographic image diagnosis method is more suitable for the nondestructive, online and multi-dimension diagnosis than the existing methods.

Key words:engine cylinders; intake airflow field; tomographic image; tomographic chain; image system

收稿日期:2015- 09- 24

*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471070)；廣州市戰(zhàn)略性主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展資金資助項(xiàng)目(20120801)

Foundation item:Supported by the National Natural Science Foundation of China(61471070)

作者簡(jiǎn)介:張小帆(1983-)，女，博士生，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)無損檢測(cè)研究.E-mail:pigfan0606606@163.com

文章編號(hào):1000- 565X(2016)04- 0015- 06

中圖分類號(hào)：TK 421+.3

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.04.003