柴油機(jī)噴霧試驗(yàn)閃光同步延時(shí)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董衛(wèi)濤，高永強(qiáng)，王科未

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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柴油機(jī)噴霧試驗(yàn)閃光同步延時(shí)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董衛(wèi)濤，高永強(qiáng)，王科未

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

摘要：為觀察柴油機(jī)噴嘴孔內(nèi)燃油流動(dòng)及孔外霧化狀態(tài)，設(shè)計(jì)噴油信號處理電路進(jìn)行噴油驅(qū)動(dòng)信號濾波及電平轉(zhuǎn)換，以輸入給單片機(jī)進(jìn)行噴油起始點(diǎn)檢測，并編譯延時(shí)程序，搭建了一套可實(shí)現(xiàn)頻閃儀同步延時(shí)閃光的可視化試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明，該同步延時(shí)裝置滿足響應(yīng)時(shí)間快、工作可靠、同步精度高、延時(shí)時(shí)間按鍵可控的要求，為柴油機(jī)孔內(nèi)流動(dòng)及孔外霧化的研究提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：同步延時(shí)閃光裝置；信號處理電路；孔內(nèi)流動(dòng)；孔外霧化

在柴油機(jī)中，燃油的噴射、霧化、蒸發(fā)及與空氣的混合會對發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放性能產(chǎn)生影響[1]。燃油的霧化質(zhì)量影響著柴油機(jī)工作性能和廢氣排放。柴油機(jī)噴霧是一個(gè)復(fù)雜過程，具有瞬態(tài)、兩相流的特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)十分發(fā)達(dá)的今天，噴霧模型仍需借助噴霧試驗(yàn)的一些研究結(jié)果，而噴霧試驗(yàn)研究的進(jìn)展在很大程度上依賴于噴霧測量技術(shù)的進(jìn)步[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多先進(jìn)的噴霧測量技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來[3-8]。

筆者采用高速閃光攝像技術(shù)，閃光時(shí)刻即為拍攝時(shí)刻，只有閃光與要拍攝的噴霧同步，相機(jī)才能捕捉到希望得到的圖像，因此，同步延時(shí)閃光的控制對噴霧試驗(yàn)至關(guān)重要。筆者采用CRI200噴油器測試儀作為燃油供給與噴射的平臺，采用COMS高速照相機(jī)進(jìn)行圖像采集，以透明樹脂材料制作噴油嘴，以Freescale MC9S12XDP512為主控芯片，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的閃光同步延時(shí)控制模塊，對噴孔內(nèi)部流動(dòng)及孔外霧化狀態(tài)進(jìn)行拍攝。編譯的程序較其他延時(shí)程序響應(yīng)精度高，解決了頻閃儀閃光觸發(fā)的脈沖寬度須在50 μs以上所導(dǎo)致的延時(shí)滯后問題，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)噴射過程的實(shí)時(shí)拍攝，達(dá)到預(yù)期效果。

1試驗(yàn)裝置

1.1實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成

試驗(yàn)裝置由噴油泵實(shí)驗(yàn)臺、可視化照相系統(tǒng)、閃光同步延時(shí)模塊組成，試驗(yàn)裝置簡圖如圖1所示。

1—噴油泵實(shí)驗(yàn)臺；2—數(shù)碼相機(jī)；3—頻閃儀燈管；4—頻閃儀；5—電腦；6—閃光同步延時(shí)控制板；7—ECU；8—共軌管；9—噴油器；10—透明噴嘴；11—噴油泵；12—顯微鏡頭；a—噴油器控制信號；b—軌壓傳感器信號；c—頻閃儀控制信號；d—相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸與控制信號；A、B、C、D—輸油管路與回油管路圖1　試驗(yàn)裝置簡圖

噴油泵實(shí)驗(yàn)臺使用CRI200高壓共軌噴油器測試儀，通過ECU控制軌壓，可提供博世、德爾福等共軌噴油器的控制信號。

可視化照相系統(tǒng)的相機(jī)為曝光控制方便的佳能EOS700D，光源為瞬間閃光時(shí)間滿足要求的高速頻閃儀，相機(jī)鏡頭為經(jīng)適當(dāng)改裝的顯微鏡。透明噴油嘴使用透明樹脂材料(丙烯酸樹脂)制作，對噴孔內(nèi)部流動(dòng)及孔外霧化進(jìn)行拍攝。

閃光同步延時(shí)模塊采用Freescale MC9S12X-DP512作為主控芯片，通過按鍵輸入調(diào)整頻閃儀同步延時(shí)時(shí)間，并通過8段數(shù)碼管顯示當(dāng)前延時(shí)時(shí)間。

1.2可視化照相系統(tǒng)

可視化照相系統(tǒng)主要包括佳能EOS700D相機(jī)、QM-100顯微鏡頭及高速光源頻閃儀。

1.2.1數(shù)碼相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)為佳能 EOS700D機(jī)身，有效像素為1 800萬，具有高精細(xì)度CMOS圖像感應(yīng)器、高精度和高速9點(diǎn)自動(dòng)對焦、DIGIC 5、5張/s的連拍功能，支持B快門。

將相機(jī)的鏡頭換成顯微鏡頭，可較好地拍攝噴孔內(nèi)及噴孔外情況。QM-100顯微鏡頭試驗(yàn)時(shí)對焦距離為150～350 mm，能將物體放大300倍。

1.2.2高速光源頻閃儀

高速光源頻閃儀NP-1A是曝光持續(xù)時(shí)間非常短的脈沖光源，可用于超高速現(xiàn)象的瞬時(shí)拍攝,可接收3～10 V的同步電壓信號(正脈沖或負(fù)脈沖都可，脈沖寬度須在50 μs以上)，單次閃光持續(xù)時(shí)間約為180 ns。

1.3控制模塊主控芯片

閃光同步延時(shí)模塊采用32 MHz時(shí)鐘頻率的Freescale MC9S12XDP512作為主控芯片。閃光的延時(shí)時(shí)間編程可控。按下相應(yīng)的按鍵，能調(diào)整頻閃儀的閃光延時(shí)時(shí)間。

試驗(yàn)時(shí)用增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器(enhanced capture timer，ECT)模塊輸入捕捉通道0端口獲取噴油信號，然后通過定時(shí)計(jì)數(shù)器輸出比較通道1端口控制頻閃儀延時(shí)閃光。延時(shí)控制模塊所能達(dá)到的硬件要求為：可即時(shí)增加或減少閃光延時(shí)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間按鍵可控，并且能通過數(shù)碼管顯示出來。

試驗(yàn)時(shí)用到的MC9S12XDP512內(nèi)部資源包括：端口PH0、PH2、PH4、PH6、PH7、PJ0、PJ1、PE4，以及ECT模塊的通道0和通道1。

2控制模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1噴油信號處理電路

圖2　噴油信號處理電路

圖3　處理前后噴油信號

噴油信號處理電路如圖2所示，噴油驅(qū)動(dòng)信號峰值(24 V)較大，超出了單片機(jī)所能承受的范圍，且存在較大的峰值波動(dòng)，通過添加光電耦合器和電容來解決上述問題。當(dāng)噴油信號低于20 V時(shí)，光電耦合器閉合，右側(cè)電路未導(dǎo)通，單片機(jī)的PT0端口置為0。而當(dāng)噴油信號高于20 V時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，右側(cè)電路導(dǎo)通，輸出峰值為5 V的電壓信號給單片機(jī)。處理前后的噴油信號如圖3所示，可以看出，峰值明顯減小到5 V且沒有雜波。經(jīng)測量，由于電容的存在，響應(yīng)時(shí)間相較于噴油驅(qū)動(dòng)信號有1 μs的延遲，即t2-t1=1 μs。

2.2按鍵電路

按鍵電路由3個(gè)按鍵組成，按鍵1、按鍵2、按鍵3分別對應(yīng)單片機(jī)端口PJ0、PJ1和PH7，初始化設(shè)定為輸入，捕捉下降沿。未按下按鍵時(shí)，PJ口與PH口對應(yīng)5 V的高電平，按下按鍵，電路接通，PJ口與PH口對應(yīng)0 V的低電平，捕捉到下降沿，進(jìn)入按鍵中斷函數(shù)。

2.3數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，可組成0到9的數(shù)字。數(shù)碼管顯示電路主要由4位8段數(shù)碼管、4個(gè)NPN三極管和4個(gè)電阻組成。其中三極管(8050)用來作片選，增加驅(qū)動(dòng)，電阻起限流作用。

3控制模塊程序設(shè)計(jì)

3.1控制模塊程序流程

圖4　程序流程圖

控制模塊程序采用的編譯環(huán)境為CodeWorrior IDE，編程時(shí)先在CodeWorrior IDE編寫C語言代碼，然后使用BDM下載器將程序下載到單片機(jī)中。圖4所示為控制模塊程序流程圖，可分為3個(gè)工作狀態(tài)，分別為延時(shí)時(shí)間遞增(按鍵1)、延時(shí)時(shí)間遞減(按鍵2)和閃光延時(shí)(按鍵3)。

電源接通后，按下按鍵3進(jìn)入閃光延時(shí)程序，當(dāng)檢測到噴油信號(上升沿)后，開啟閃光延時(shí)，一定延時(shí)時(shí)間后，頻閃儀閃光。閃光后，關(guān)閉相機(jī)B快門，采集相應(yīng)時(shí)刻的噴油圖像。只有按下按鍵3才會激活閃光延時(shí)，如果沒有按下按鍵3，即使有噴油信號，頻閃儀也不會閃光。當(dāng)按下按鍵1時(shí)，延時(shí)時(shí)間增加10 μs。當(dāng)按下按鍵2時(shí)，延時(shí)時(shí)間減少10 μs。

3.2端口初始化

程序開始運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行按鍵中斷初始化、數(shù)碼管顯示初始化，并關(guān)閉定時(shí)計(jì)數(shù)器比較中斷。ECT模塊通道0設(shè)為輸入捕捉，通道1設(shè)為輸出比較，以實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。驅(qū)動(dòng)頻閃儀的PE4端口設(shè)定為輸出，初始時(shí)PE4端口為低電平。

3.3按鍵中斷與閃光同步延時(shí)模塊

按下按鍵1后，進(jìn)入按鍵1的中斷函數(shù)，PJ0端口由高電平變?yōu)榈碗娖?，延時(shí)時(shí)間相應(yīng)地增加10 μs。同理，按下按鍵2后，進(jìn)入按鍵2的中斷函數(shù)，此時(shí)PJ1端口由高電平變?yōu)榈碗娖剑訒r(shí)時(shí)間相應(yīng)地減少10 μs。

需注意的是，由于頻閃儀閃光信號之前的脈沖寬度須在50 μs以上，即實(shí)際情況下，在所設(shè)置的延時(shí)時(shí)間基礎(chǔ)上仍有50 μs的延時(shí)。通過兩次進(jìn)入輸出比較中斷函數(shù)，可使其在噴油驅(qū)動(dòng)信號之后50 μs內(nèi)閃光，克服了難以觀察噴油初始50 μs的難題。

按下按鍵3后，首先，使能ECT模塊通道0輸入捕捉功能，開始捕捉噴油信號的上升沿，當(dāng)捕捉到上升沿時(shí)，進(jìn)入通道0輸入捕捉中斷函數(shù)，根據(jù)所需延時(shí)時(shí)間設(shè)置通道1計(jì)數(shù)器寄存器值，并使通道1輸出比較功能，經(jīng)過相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間后，進(jìn)入輸出比較中斷函數(shù)，輸出頻閃儀閃光所需的正脈沖(即PE4端口置為1)。然后，設(shè)置通道1計(jì)數(shù)器寄存器值為100，則在100 μs以后再次進(jìn)入輸出比較中斷函數(shù)，將PE4端口置為0，完成一次延時(shí)閃光工作。

3.4數(shù)碼管顯示模塊

所謂8段數(shù)碼管是指數(shù)碼管里面有8個(gè)LED發(fā)光二極管，通過點(diǎn)亮不同的LED發(fā)光二極管顯示出不同的數(shù)字。首先進(jìn)行片選，CONT1、CONT2、CONT3和CONT4分別對應(yīng)單片機(jī)端口PH0、PH2、PH4和PH6，分別用于顯示延時(shí)時(shí)間的千位、百位、十位及個(gè)位數(shù)。該處要用到數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，即在多位數(shù)碼管顯示時(shí)，可令單片機(jī)快速依次輪流點(diǎn)亮每位數(shù)碼管，在顯示過程中，每位數(shù)碼管的顯示時(shí)間約為1～2 ms，由于人的視覺暫留及發(fā)光二極管的余暉效應(yīng)，盡管各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但給人的感覺為一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，并不會有閃爍感[9]。

4試驗(yàn)分析

將顯微鏡頭與數(shù)碼相機(jī)連接好后，運(yùn)行相機(jī)的配套程序，固定好裝有透明噴嘴的噴油器，連接好噴油器信號線，用備用光源作為相機(jī)鏡頭的背光進(jìn)行相機(jī)對焦，當(dāng)噴孔管道清晰可見時(shí)，對焦完成。用頻閃儀作為光源，使頻閃儀、噴嘴、顯微鏡頭在同一等高線上，進(jìn)行試拍。調(diào)節(jié)頻閃儀到最佳位置，試拍時(shí)，相機(jī)調(diào)整到B快門，采用相機(jī)軟件實(shí)時(shí)拍攝控制，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室燈光，打開B快門，頻閃儀閃光后關(guān)閉B快門，試拍結(jié)束。

因需捕捉電壓信號的正脈沖，將頻閃儀的信號轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到POS擋，同步信號輸入插座連接控制模塊的輸出信號線，將連閃-單閃轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到SINGLE-FLASH，并將輸入信號同步閃光觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)置為SYNC.INPUT，然后打開頻閃儀的電源開關(guān)。如果頻閃儀已如上述設(shè)置，則為其提供輸入信號，若未按下單閃觸發(fā)按鈕，頻閃儀不會閃光。

上述準(zhǔn)備工作完成后，即可進(jìn)行試驗(yàn)拍攝。啟動(dòng)CRI200，調(diào)節(jié)相應(yīng)的噴油頻率、共軌壓力及噴油脈寬，噴油器開始噴油；按下按鍵1或按鍵2設(shè)置相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間后，打開B快門；按下按鍵3，當(dāng)捕捉到某次噴油信號后，頻閃儀即在相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間后閃光；關(guān)掉B快門，延時(shí)拍攝工作完成。若需要再次拍攝，重復(fù)上述步驟即可。

圖5　未設(shè)置延時(shí)時(shí)間各信號時(shí)序圖

試驗(yàn)測得的噴油信號與閃光控制信號的時(shí)序圖如圖5所示，t為針閥開啟時(shí)刻，t1為噴油驅(qū)動(dòng)信號觸發(fā)時(shí)刻，t2為控制模塊響應(yīng)時(shí)刻，t3為閃光延時(shí)時(shí)刻。為有效捕捉到孔內(nèi)外情況，對各信號時(shí)序有較高的要求。其中，硬件與軟件造成的滯后延時(shí)時(shí)間應(yīng)小于噴油器針閥開啟的滯后延時(shí)時(shí)間，即未設(shè)置延時(shí)，t3應(yīng)小于t。

經(jīng)測量，由于軟件延時(shí)中斷的跳轉(zhuǎn)延時(shí)，若未設(shè)置延時(shí)，t3與t2存在4 μs的誤差，t3-t2=4 μs。針閥開啟滯后時(shí)間(t-t1)一般為250～350 μs，又因響應(yīng)時(shí)間相較于噴油驅(qū)動(dòng)信號有1 μs的延遲，則t3-t1=5 μs，顯然滿足t3小于t的要求。

圖6所示為閃光延時(shí)200 μs后的信號時(shí)序圖，即t3-t2=200 μs。由圖6可知，單片機(jī)捕捉到噴油信號(上升沿)后，經(jīng)過200 μs的延時(shí)時(shí)間，輸出閃光信號(延時(shí)信號)給頻閃儀，延時(shí)精度高(約5 μs)，實(shí)際延時(shí)時(shí)間為205 μs。

圖6　閃光延時(shí)200 μs信號時(shí)序圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證延時(shí)效果，進(jìn)行孔內(nèi)流動(dòng)及孔外霧化延時(shí)拍攝，試驗(yàn)圖像是通過多次噴射以及不同的延時(shí)時(shí)間采集得到的，試驗(yàn)裝置示意圖如圖7所示。

圖7　試驗(yàn)裝置示意圖

圖8　試驗(yàn)效果圖

圖8所示為試驗(yàn)得到的孔內(nèi)流動(dòng)及孔外霧化圖像，每張圖像的間隔時(shí)間為20 μs。圖9所示為多次拍攝的延時(shí)時(shí)間1 000 μs時(shí)孔內(nèi)流動(dòng)及孔外霧化的圖像。噴孔直徑為0.2 mm，噴射壓力為20 MPa，噴孔軸線與壓力室軸線的角度為120°。在噴孔內(nèi)，由于光線穿過噴嘴材料再照射到氣泡表面后發(fā)生散射，氣泡及空穴區(qū)域最終在圖像上顯示黑色。而對于噴孔外的噴霧則恰好相反，燃油在空氣中由于光的散射，在圖像上顯示為黑色。

圖9　多次拍攝同一延時(shí)時(shí)間(1 000 μs)的試驗(yàn)效果圖

由圖8可知，每張圖像較前一張有明顯的延時(shí)，可以清楚地觀察到噴孔內(nèi)外燃油流動(dòng)的變化過程?？變?nèi)燃油將初始?xì)馀萃瞥霾⒅饾u充滿整個(gè)噴孔，隨著噴射的進(jìn)行，噴孔入口處有空穴產(chǎn)生并進(jìn)一步延伸至噴孔出口附近。同時(shí)，可明顯地觀察到孔外噴霧從無到有再到擴(kuò)散的過程。從圖9可看出，多次拍攝閃光延時(shí)1 000 μs噴孔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)基本一致，說明設(shè)計(jì)的柴油機(jī)噴霧試驗(yàn)閃光同步延時(shí)裝置可達(dá)到預(yù)期延時(shí)以及定時(shí)效果。

5結(jié)論

(1)所設(shè)計(jì)的噴油信號處理電路能有效地進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以輸入給單片機(jī)合適的信號，且對雜波有較好的過濾效果，響應(yīng)精度高。

(2)編譯的延時(shí)程序解決了頻閃儀閃光前高電平或低電平脈寬不低于50 μs的問題，可觀察噴油初始時(shí)刻的狀況。

(3)經(jīng)試驗(yàn)分析，所設(shè)計(jì)的同步延時(shí)裝置滿足響應(yīng)時(shí)間快、工作可靠、同步精度高、延時(shí)時(shí)間按鍵可控、定時(shí)時(shí)間精確可靠的要求，拍攝的試驗(yàn)圖像達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅馬吉，向梁山，李雄.計(jì)算網(wǎng)絡(luò)對柴油機(jī)噴霧數(shù)值模擬的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版)，2011，33(3)：400-403.

[2]汪洋,胡春明,蘇萬華,等.Nd:YAG激光器在柴油機(jī)噴霧測量中的應(yīng)用[J].中國激光,2002,29(6):561-564.

[3]ZENG W,XU M,ZHANG Y,et al.Laser sheet dropsizing of evaporating sprays using simultaneous LIEF/MIE techniques[J].Proceedings of the Combustion Institute,2013,34(12):1677-1685.

[4]BAUM E,PETERSON B,SURMANN C,et al.Investigation of the 3D flow field in an IC engine using tomographic PIV[J].Proceedings of the Combustion Institute,2013,34(1):2903-2910.

[5]張高明.基于先進(jìn)激光診斷技術(shù)解明高速液體射流的霧化和蒸發(fā)機(jī)理[D].上海：上海交通大學(xué),2014.

[6]劉宇.生物柴油燃料噴霧、燃燒及碳煙生成過程可視化研究[D].長春：吉林大學(xué),2011.

[7]PAYRI F,PAYRI R,SALVADOR F J,et al.A contribution to the understanding of cavitation effects in diesel injector nozzles through a combined experimental and computational investigation[J].Computers & Fluids,2012,58(4):88-101.

[8]PARRISH S E,ZINK R J.Development and application of a high-speed planar laser-induced fluorescence imaging system to evaluate liquid and vapor phases of sprays from a multi-hole diesel fuel injector[J].Measurement Science & Technology,2013,24(2):870-878.

[9]徐振，時(shí)維鐸.數(shù)碼管的使用研究總結(jié)[J].科技視界，2012(25)：194-195.

DONG Weitao:Postgraduate; School of Automotive Engineering,WUT,Wuhan 430070， China.

[編輯：王志全]

文章編號：2095-3852(2016)01-0136-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-08-30.

作者簡介：董衛(wèi)濤(1990-)，男，山東濰坊人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院碩士研究生.

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20130143110009).

中圖分類號：TP29

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.030

Design and Application of Flash Sync and Delay Device about Diesel Spray Experiment

DONG Weitao， GAO Yongqiang， WANG Kewei

Abstract：In order to observe the internal nozzle flow and spray pattern outside the nozzle,a set of visualization devices is built,and those devices can achieve stroboscopic synchronization and delay flash.A signal processing circuit is designed to filter the input signal and reduce the input single.The experimental results show that this set of devices can meet the requirements of fast time response,reliable work,high synchronization accuracy and delay time controlled.

Key words：flash sync and delay device; signal processing circuit; internal nozzle flow; spray pattern