汽油機(jī)噴油器光學(xué)油盤測(cè)試方法研究

冶麟，陳泓，杜家坤，李鈺懷

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

汽油機(jī)油耗和排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛對(duì)噴油器噴霧形態(tài)和油氣混合提出了更高的要求，這同樣需要更加準(zhǔn)確地測(cè)量各噴霧形態(tài)參數(shù)。目前汽油機(jī)噴油器噴霧類型分為多點(diǎn)噴射(PFI)和缸內(nèi)直噴(GDI)兩種。PFI噴油器的主要功能是將汽油按設(shè)計(jì)的噴霧角度噴入進(jìn)氣道，制備符合需求的燃油混合氣[1]。對(duì)于GDI噴油器，油束布置則對(duì)缸內(nèi)燃燒起著至關(guān)重要的作用。合理的油束落點(diǎn)可以有效減少濕壁現(xiàn)象，減少機(jī)油稀釋并改善排放[2]。目前，對(duì)PFI和GDI噴油器油束的測(cè)量通常使用傳統(tǒng)油盤(油盤法)測(cè)試[3]。該方法簡(jiǎn)單易行，但設(shè)備分辨率比較低。而且，GDI噴油器噴霧顆粒較小，蒸發(fā)速度快，不適合用油盤進(jìn)行測(cè)試[4-5]?，F(xiàn)在各研究機(jī)構(gòu)開始嘗試使用光學(xué)診斷法對(duì)噴霧進(jìn)行測(cè)試[6-12]。其中光學(xué)油盤法使用平面激光誘導(dǎo)熒光原理，對(duì)噴霧油束在某一平面的油斑進(jìn)行拍攝，然后依靠圖像處理方法進(jìn)行噴霧特性分析。激光誘導(dǎo)熒光的光強(qiáng)與燃油濃度成正比，因此可以根據(jù)熒光的強(qiáng)度來判斷燃油含量的多少。相比油盤法，光學(xué)油盤法最大特點(diǎn)就是分辨率高(分辨率依據(jù)相機(jī)像素而定)，并且完全不干擾噴霧油束，可以得到測(cè)試平面內(nèi)所有的噴霧形態(tài)特征[11-14]。

由于光學(xué)油盤法需要一定的測(cè)試設(shè)備作為支撐，并且要求測(cè)試者對(duì)光學(xué)設(shè)備的操作具有一定的經(jīng)驗(yàn)，所以目前有關(guān)于光學(xué)油盤測(cè)試方法的研究較少。Michael G. Minnich,John A. McLean等[11]利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，測(cè)試了一款氣溶膠噴嘴的噴霧，并根據(jù)熒光強(qiáng)度的分布測(cè)量了噴霧截面的質(zhì)量分布和粒徑分布。由于該方法具有較高的分辨率，從測(cè)得的截面圖像可以很清楚地看到油束的旋轉(zhuǎn)形態(tài)。John A. McLean,Michael G. Minnich[12]等利用平面激光方法研究了距噴嘴不同距離處的油斑圖像，并由此來分析整個(gè)噴霧的空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析了整個(gè)霧束的直徑變化以及粒徑、質(zhì)量分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，目前該類研究?jī)H限于光學(xué)油盤法本身，并沒有涉及到光學(xué)油盤法和油盤法之間測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，而且沒有針對(duì)汽油機(jī)噴油器的測(cè)試結(jié)果。

本研究基于一套噴霧試驗(yàn)臺(tái)和激光誘導(dǎo)熒光設(shè)備組合，分別對(duì)汽油機(jī)PFI和GDI噴油器噴霧特性的光學(xué)油盤法進(jìn)行了研究，對(duì)比了光學(xué)油盤法和油盤法的測(cè)試結(jié)果，同時(shí)探究了拍攝時(shí)間、圖像張數(shù)以及噴孔數(shù)量對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本研究使用的光學(xué)油盤系統(tǒng)由噴霧定容彈系統(tǒng)和激光誘導(dǎo)熒光系統(tǒng)組成。其中主要設(shè)備包括定容彈系統(tǒng)、噴油器控制系統(tǒng)、紫外脈沖激光器(Nd:YAG)、紫外片光成型器LSO-UV(Light sheet optics for ultraviolet)、CCD相機(jī)、像增強(qiáng)器IRO(Intensified relay optics)以及同步器PTU(programmable timing unit)等，設(shè)備的主要參數(shù)見表1，控制參數(shù)見表2。測(cè)試所得的圖像結(jié)果使用激光設(shè)備自帶的后處理軟件進(jìn)行處理。

表1 光學(xué)油盤系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)

表2 光學(xué)油盤系統(tǒng)設(shè)備主要控制參數(shù)

測(cè)試噴油器為多孔PFI和GDI噴油器。其中，PFI噴油器噴孔數(shù)量有4孔、6孔、8孔3種，其外觀見圖1。GDI噴油器有6孔(落點(diǎn)形狀為三角形)、5孔(落點(diǎn)形狀五邊形)兩種，外觀見圖2。

圖1 PFI噴油器外觀及噴孔數(shù)量示意

圖2 GDI噴油器外觀及噴嘴示意

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中噴油壓力由氮?dú)馄刻峁?，氮?dú)庠诮?jīng)過調(diào)壓后通往蓄能器，使燃油加壓并提供穩(wěn)定的壓力。噴油過程由噴油器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以選擇噴油時(shí)刻及噴射脈寬，同時(shí)輸出噴油起始信號(hào)。PTU接收此信號(hào)，并且將噴油器、CCD相機(jī)和激光器工作狀態(tài)進(jìn)行同步，確保拍攝時(shí)刻的正確。表3和表4分別為對(duì)PFI和GDI噴油器進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)參數(shù)。噴霧參數(shù)各角度關(guān)系見圖3。為進(jìn)一步量化對(duì)比不同測(cè)試方法對(duì)PFI噴油器噴霧油束的測(cè)試結(jié)果，本研究針對(duì)噴霧油束特征作如下定義：

噴霧錐角α(Cone angle)：以噴霧落點(diǎn)為圓心，做90%灰度質(zhì)量分?jǐn)?shù)圓，此圓與噴嘴所成圓錐的錐角即為α角。

油束分離角β(Separation angle)：兩油束落點(diǎn)與噴嘴連線所成的夾角。

油束偏離角γ(Bend angle)：噴霧落點(diǎn)與噴嘴連線和噴油器軸線在Y方向上投影所成的角。

對(duì)于GDI噴油器，由于可以從陰影法獲得錐角和分離角，因此，本研究重點(diǎn)針對(duì)不同測(cè)試方法對(duì)油束落點(diǎn)情況進(jìn)行對(duì)比研究。

表3 PFI噴油器試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

表4 GDI噴油器試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

光學(xué)油盤法光路布置(見圖4)與平面激光誘導(dǎo)熒光試驗(yàn)布局相同。從激光器發(fā)出的圓形紫外激光束經(jīng)過片光成型器后變成1 mm厚的片光，片光所在平面與噴油器軸線垂直。對(duì)于PFI和GDI噴油器，片光與噴嘴之間的距離分別為100 mm和30 mm。本研究在測(cè)試前自行設(shè)計(jì)了片光標(biāo)定板，用于片光位置和角度的精確調(diào)節(jié)。該標(biāo)定板不僅可以標(biāo)定片光距離噴油器頭部的距離，而且可以在無需移動(dòng)標(biāo)定板位置的情況下標(biāo)定相機(jī)視窗大小，提高了測(cè)試效率和精度。在記錄圖像前，拍攝標(biāo)定板和噴嘴位置圖像，以便后期進(jìn)行圖像處理。

圖3 油束各角度關(guān)系

圖4 光學(xué)油盤法光路布置

對(duì)于PFI噴油器，本試驗(yàn)首先選取4孔噴油器進(jìn)行測(cè)試。從最初拍得的結(jié)果中觀察得到，噴油開始后(ASOI，After start of injection)5～15 ms范圍之外的油霧圖像十分微弱，即在距離噴油器頭部100 mm位置時(shí)，油束圖像信息主要集中在5～15 ms ASOI這個(gè)時(shí)間段內(nèi)。所以取拍攝時(shí)間段為5～10 ms ASOI，時(shí)間分辨率選擇0.5 ms，即實(shí)際拍攝時(shí)刻為5，5.5，…14.5，15 ms ASOI。同時(shí)，為了研究拍攝時(shí)間段對(duì)結(jié)果的影響，另外選取了5～10 ms ASOI和5～20 ms ASOI兩個(gè)拍攝時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于每個(gè)拍攝時(shí)刻記錄5張圖像信息進(jìn)行分析，所有測(cè)試噴射頻率為1 Hz。

為了研究圖像記錄時(shí)間分辨率(記錄一組圖像的時(shí)間間隔)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在研究了不同拍攝時(shí)間段的基礎(chǔ)上，對(duì)比了不同拍攝時(shí)間分辨率(0.1 ms，0.5 ms，1 ms)的方案，以便找到最合適的測(cè)試方法。最后，根據(jù)4孔噴油器測(cè)試得到的最優(yōu)方案，對(duì)6孔、8孔噴油器進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。此外，所有測(cè)試方案的測(cè)試結(jié)果與使用油盤法的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

對(duì)于GDI噴油器，測(cè)試流程與PFI噴油器類似，但由于GDI噴油器噴射脈寬短，并且油束邊界較為清晰，所以拍攝時(shí)間段較短。經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)噴霧圖像信息主要集中在1～1.6 ms內(nèi)，測(cè)試也在此范圍內(nèi)進(jìn)行。同時(shí)，記錄分辨率取0.1 ms。測(cè)試時(shí)先選取6孔三角形油束噴油器進(jìn)行研究，再依照此方法對(duì)5孔五邊形噴油器測(cè)試，查看測(cè)試效果。每種孔數(shù)的噴油器各兩只，分別標(biāo)號(hào)為6孔1號(hào)、6孔2號(hào)和5孔1號(hào)、5孔2號(hào)。

2 測(cè)試圖像后處理方法

本研究使用的圖像后處理方法包括圖像平均、圖像比例尺標(biāo)定、圖像輪廓計(jì)算、圖像灰度重心計(jì)算以及簡(jiǎn)單的三角函數(shù)計(jì)算。首先，平均所有時(shí)刻的圖片，得到最終的油斑圖像。其次，標(biāo)定圖像的大小和噴嘴位置。此過程利用前期片光標(biāo)定板得到的尺寸圖像，定義拍攝畫面的大小，從而得到每個(gè)像素代表的真實(shí)尺寸。同時(shí)，將噴嘴所在的位置標(biāo)記為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)。再次，根據(jù)SAE標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于油束邊界選取方法，計(jì)算油斑的輪廓，從而得到油斑的尺寸數(shù)據(jù)。之后，使用圖像灰度計(jì)算油斑的質(zhì)心。在GDI噴油器中，此質(zhì)心即為油束的落點(diǎn)。本研究中質(zhì)心坐標(biāo)是根據(jù)后處理軟件中面積與像素灰度值加權(quán)計(jì)算得到的。最后，根據(jù)噴嘴、質(zhì)心的坐標(biāo)和油斑的大小，由圖3中各角度的定義及三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出所需的各參數(shù)值。

3 PFI噴油器測(cè)試結(jié)果

3.1 不同拍攝時(shí)間段結(jié)果對(duì)比

圖5示出4孔噴油器在3個(gè)不同的拍攝時(shí)間段(5 ms，10 ms，15 ms)記錄圖像經(jīng)過后處理得到的結(jié)果。其中，每個(gè)拍攝時(shí)刻記錄5張圖?？梢钥吹?，隨著拍攝時(shí)間段的增加，處理后的圖像邊界逐漸變得光滑，這樣便于直觀觀察油斑輪廓的變化。圖6示出拍攝時(shí)間段對(duì)噴霧油束測(cè)試結(jié)果影響的對(duì)比，其中光學(xué)油盤法分別選取5 ms，10 ms及15 ms下α，β，γ的角度值進(jìn)行比較，并將此結(jié)果與油盤法結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照。

可以看到，3種光學(xué)油盤法拍攝方案的結(jié)果和油盤法結(jié)果吻合得較好，除了拍攝時(shí)間段為5 ms的方案結(jié)果偏差較大外，其他兩種方案與對(duì)照組結(jié)果偏差很小。從圖中得知，拍攝時(shí)間段在10 ms后，測(cè)量值趨向穩(wěn)定,表示此種方法具有較好的重復(fù)性。

圖5 不同拍攝時(shí)間段下的圖像后處理結(jié)果

圖6 拍攝時(shí)間段對(duì)噴霧油束測(cè)試結(jié)果的影響對(duì)比

3.2 不同時(shí)間分辨率結(jié)果對(duì)比

圖7示出4孔噴油器在10 ms拍攝時(shí)間段，時(shí)間分辨率分別為0.1 ms，0.5 ms，1 ms下的圖像后處理結(jié)果。從圖中可見，隨著拍攝分辨率的增加，平均后的圖像邊緣越來越清晰，這便于直觀判斷油束油斑情況。

圖7 不同拍攝時(shí)間分辨率下的圖像后處理結(jié)果

圖8示出拍攝時(shí)間分辨率對(duì)噴霧油束測(cè)試結(jié)果的影響對(duì)比，其中光學(xué)油盤法分別選取1 ms，0.5 ms及0.1 ms下α，β，γ角度值進(jìn)行比較，并將此結(jié)果與油盤法結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照。

可以看到，3種光學(xué)油盤法拍攝方案的結(jié)果和油盤法結(jié)果吻合得較好。除了時(shí)間分辨率為1 ms的方案結(jié)果與其他結(jié)果偏差較大外，其他2種方案與油盤法結(jié)果偏差很小。由此可見，在此類光學(xué)油盤法測(cè)試中，當(dāng)拍攝時(shí)間段選取10 ms時(shí)，可選取0.5 ms為時(shí)間分辨率進(jìn)行測(cè)試，以便優(yōu)化測(cè)試時(shí)間。

圖8 不同拍攝時(shí)間分辨率對(duì)噴霧油束測(cè)試結(jié)果的影響對(duì)比

3.3 不同噴油器孔數(shù)結(jié)果對(duì)比

圖9示出采用4孔、6孔、8孔噴油器利用上述測(cè)試方法得到的α，β，γ數(shù)據(jù)結(jié)果，并依次將其與油盤法結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照?？梢钥吹?，兩種方法的測(cè)試結(jié)果的變化趨勢(shì)和數(shù)值都很接近。同時(shí)也可看出，拍攝時(shí)間段為10 ms，記錄時(shí)間分辨率取0.5 ms的測(cè)試方法適用于不同孔數(shù)PFI噴油器測(cè)試。

圖9 多孔PFI噴油器光學(xué)油盤法與油盤法測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 GDI噴油器測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖10a示出6孔1號(hào)、6孔2號(hào)噴油器分別在油盤和光學(xué)油盤的落點(diǎn)測(cè)試結(jié)果?？梢钥吹剑瑑煞N方法的測(cè)試結(jié)果吻合較好。由此可知，此種光學(xué)油盤測(cè)試方法可以用于6孔三角形油束噴油器的測(cè)試。

圖10b示出5孔1號(hào)、5孔2號(hào)噴油器分別在油盤和光學(xué)油盤的測(cè)試結(jié)果。可以看到，兩種方法的測(cè)試結(jié)果吻合較好。由此可以知，此種方法對(duì)于5孔五邊形油束噴油器同樣適用。

圖10 多孔GDI噴油器光學(xué)油盤法與油盤法測(cè)試結(jié)果對(duì)比

綜上可知，對(duì)于GDI噴油器，可以采用0.6 ms拍攝時(shí)間段、0.1 ms的分辨率進(jìn)行測(cè)試。該方法下測(cè)試結(jié)果與油盤法測(cè)試結(jié)果十分相近。此外，該方法適用于不同孔數(shù)、不同落點(diǎn)形狀的GDI噴油器。

5 結(jié)論

a) PFI和GDI噴油器由于噴霧特性的不同，在進(jìn)行光學(xué)油盤法測(cè)試時(shí)，對(duì)測(cè)試參數(shù)選取存在一定差異；

b) 光學(xué)油盤法在噴霧特性測(cè)中存在普適性，能夠滿足PFI及GDI噴霧特性測(cè)試的要求；

c) 隨著拍攝時(shí)間段的延長(zhǎng)與記錄時(shí)間分辨率的增加，測(cè)試數(shù)據(jù)趨于統(tǒng)一，不同測(cè)試下的結(jié)果具有較好的重復(fù)性，此時(shí)，繼續(xù)延長(zhǎng)拍攝時(shí)間、提高測(cè)試分辨率對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)意義不大；

d) 光學(xué)油盤法測(cè)試結(jié)果與油盤法測(cè)試結(jié)果十分吻合，可以在一定條件代替油盤法進(jìn)行測(cè)試；

e) 光學(xué)油盤法結(jié)果在噴霧角度與落點(diǎn)的測(cè)定中具有較好的重復(fù)性及較高的測(cè)試分辨率，能夠作為一種新型的噴霧分析手段使用。