付樂中,陳宇清,習(xí)綱
(聯(lián)合汽車電子有限公司,上海 201206)
全球汽車排放法規(guī)的加嚴(yán)對汽車的減排技術(shù)提出了更高的要求,特別是《國家第六階段機動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱為“國六”)對汽車排放的顆粒物數(shù)量(Particulate Number,PN )有著較高的要求,而即將實行的RDE(Real Drive Emission)測試對發(fā)動機要求更高。因此如何降低PN排放成為汽車行業(yè)的研究重點。
顆粒物的產(chǎn)生機制比較復(fù)雜,顆粒物主要分為核態(tài)顆粒物和聚積態(tài)顆粒物[1-2]。核態(tài)顆粒物主要由有機物、含硫的化合物、金屬顆粒、非金屬固體單質(zhì)以及鹽類化合物組成。聚積態(tài)顆粒物則是由燃燒產(chǎn)生的不定型碳和表面吸附物(硫酸鹽,HC等)組成。影響顆粒物排放的因素較多,發(fā)動機水溫、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、燃油、噴油時刻、廢氣再循環(huán)等邊界條件都對顆粒物的排放有明顯的影響[3-8],且顆粒物的生成非常不穩(wěn)定,因此對其優(yōu)化難度也非常高。
內(nèi)窺鏡常用在發(fā)動機燃燒開發(fā)中,1983年CARTELLIERI和WERLBERGER[9]首次在單缸柴油機中采用石英玻璃配合內(nèi)窺鏡,同時利用膠片及光源進行拍攝。之后CCD攝像機代替膠片進行內(nèi)窺拍攝[10]。BAECKER[11]利用內(nèi)窺鏡研究單缸機的噴霧過程。LOHFINK[12]采用內(nèi)窺鏡對中置和側(cè)置發(fā)動機噴油和催化器加熱策略進行了研究。這些內(nèi)窺鏡系統(tǒng)都是利用安裝在內(nèi)窺鏡上的小型攝像機,一個循環(huán)捕獲一張圖片,然后將不同燃燒循環(huán)的圖片組合成一個完整的燃燒循環(huán)圖片。
本文作者基于自主開發(fā)的可連續(xù)拍照的內(nèi)窺鏡系統(tǒng),開發(fā)了一套火焰圖像識別方法,對直噴發(fā)動機顆粒物排放進行研究。研究了不同噴油時刻及不同循環(huán)間顆粒物排放與黃色火焰之間的關(guān)系和規(guī)律,除此以外本文作者還研究了噴油器積碳試驗中PN的表現(xiàn)規(guī)律。
發(fā)動機內(nèi)窺鏡臺架系統(tǒng)如圖1所示,主要由試驗發(fā)動機、高速相機系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、ETU信號同步系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、發(fā)動機控制器系統(tǒng)等組成。該內(nèi)窺鏡可進行連續(xù)拍照且能夠在不同發(fā)動機負(fù)荷下工作。
高速相機組件由高速攝影相機以及內(nèi)窺鏡管路組成,用于記錄發(fā)動機內(nèi)部燃燒/噴霧等圖像。光源組件由光源、光纖以及導(dǎo)光管路組成,用于給燃燒室提供外部光源,便于相機拍攝。為了便于布置,高速相機/光源組件從發(fā)動機4缸側(cè)面伸入缸內(nèi),觀測發(fā)動機燃燒/噴霧情況。ETU信號同步系統(tǒng)用于生成相機拍攝的觸發(fā)信號,實現(xiàn)曲軸轉(zhuǎn)角和拍攝照片同步進行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括臺架信號及排放采集系統(tǒng)、燃燒分析儀以及發(fā)動機控制信號采集系統(tǒng)等。發(fā)動機控制系統(tǒng)主要由發(fā)動機控制器(ECU)組成。文中試驗發(fā)動機主要基本參數(shù)如表1所示。
圖1 發(fā)動機內(nèi)窺鏡臺架系統(tǒng)
表1 試驗發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)
缸內(nèi)燃燒圖像由高速相機系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集,文中圖像采集頻率為1張/°CA。圖2為典型的內(nèi)窺鏡拍攝的缸內(nèi)燃燒照片,此圖為燃燒沖程過程的照片。
圖2 內(nèi)窺鏡拍攝的缸內(nèi)燃燒照片
火花塞已經(jīng)點火完畢,活塞下移且缸內(nèi)混合氣正在燃燒。圖中藍(lán)色火焰部分為均勻的預(yù)混合燃燒形成的,火焰中黃色部分為不完全燃燒產(chǎn)生的碳顆粒物所產(chǎn)生的熱輻射,因此圖中的黃色火焰區(qū)域可以表示碳顆粒物的生成。
盡管內(nèi)窺鏡所拍攝的發(fā)動機缸內(nèi)燃燒圖像/視頻能直觀地看出顆粒物的產(chǎn)生區(qū)域,但只能進行定性分析,無法使數(shù)據(jù)數(shù)值化。本文作者采用圖像處理的方式對內(nèi)窺鏡采集的圖像進行處理和識別,從而挖掘內(nèi)窺鏡圖片中更多有用的信息。圖片處理主要流程如圖3所示。
圖3 圖片處理主要流程
缸內(nèi)燃燒顆粒物主要分布區(qū)域如圖4所示,分別為活塞表面、缸套端、火力岸、噴油器、進氣閥、氣相區(qū)域。
由于文中的內(nèi)窺鏡位于缸體側(cè)面,視野受到影響,只能區(qū)分活塞表面、缸套端、噴油器處的黃色火焰區(qū)域。因此將內(nèi)窺鏡圖像分為圖5中的4個區(qū)域,分別對這4個區(qū)域內(nèi)的火焰進行識別,從而獲取這4個區(qū)域顆粒物排放的分布情況。
原始圖片中有很多背景和反光等干擾噪聲信息,因此采用圖像與基準(zhǔn)圖像對照等方法過濾干擾噪聲信息,以提高下一步的火焰顏色信息提取效率。去噪前后對比如圖6所示。
圖5 內(nèi)窺鏡圖片燃燒室分區(qū)
圖6 內(nèi)窺鏡原始圖片去噪前后對比
濾掉噪聲后對圖片中的火焰顏色進行提取,如圖7所示。因為HSV(Hue Saturation Value)能更好地反映圖片中的顏色信息,所以本文作者將獲得的內(nèi)窺鏡RBG照片化后轉(zhuǎn)入HSV空間,通過定義相應(yīng)的色調(diào)(Hue)、飽和度(Saturation)和明度(Value)范圍閾值識別火焰的黃色,如圖8所示。
黃色的火焰信息被提取后,將圖片信息灰度化,轉(zhuǎn)化為二維圖片矩陣,將整個燃燒過程中的圖片矩陣整體積分后,進行分析。
圖7 內(nèi)窺鏡去噪后圖片提取黃色火焰示意
圖8 RGB與HSV對比示意
圖9為不同噴油時刻下PN排放數(shù)值與黃色火焰面積積分圖。工況為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min,平均有效壓力(BMEP)為1 MPa,噴油時刻SOI分別為250、290、330°CA BTDC(上止點前)。從圖中可以看出噴油時刻提前以及延后都會導(dǎo)致PN排放量增加。從內(nèi)窺鏡圖像中可以看到,當(dāng)噴油時刻延后至330°CA BTDC時,代表PN的黃色火焰明顯增多。除此以外,通過對比PN的數(shù)值水平和黃色火焰的積分面積也可以發(fā)現(xiàn),PN數(shù)值水平和黃色火焰面積呈現(xiàn)很好的對應(yīng)關(guān)系。
圖9 不同噴油時刻下PN值與黃色火焰的對比
圖10為不同噴油時刻下黃色火焰分布對比圖,其工況和圖9一致。從圖10可以看出,不同的噴油時刻黃色火焰的分布情況。當(dāng)噴油時刻為250°CA BTDC時,黃色火焰主要分布在發(fā)動機缸套及噴油器/進氣閥端。這說明噴油時刻提前,會導(dǎo)致
噴油器噴出的噴霧接觸正在關(guān)閉的進氣閥門,從而導(dǎo)致進氣閥濕壁,而缸套端的黃色火焰是噴油器噴到缸套上所導(dǎo)致的;當(dāng)噴油時刻為290°CA BTDC時,可以看到4個區(qū)域都有黃色火焰的分布且缸套端的黃色火焰相對更多一點,但在290°CA BTDC噴油時刻下整體的PN及黃色火焰積分是最小的;當(dāng)噴油時刻為330°CA BTDC時,可以看到代表活塞頂部的區(qū)域2占據(jù)了90%左右的黃色火焰。這是因為330°CA BTDC時,活塞離上止點位置距離很近,大量的汽油噴霧直接噴到活塞上面導(dǎo)致嚴(yán)重的活塞濕壁,附著在活塞上的油燃燒,在活塞上端區(qū)域產(chǎn)生大量的PN。通過上述分析可知,噴油時刻過早容易導(dǎo)致進氣道濕壁,噴油時刻太遲容易導(dǎo)致活塞濕壁。因此可以通過標(biāo)定,選取一個合適的噴油時刻,使PN排放最低。因此,利用火焰識別技術(shù)結(jié)合發(fā)動機內(nèi)窺鏡技術(shù),能很好地定量化分析顆粒物的產(chǎn)生和分布情況,從而因地制宜地找出最合適的解決方案。
圖10 不同噴油時刻下黃色火焰分布對比
圖11為噴油器積碳試驗的PN排放結(jié)果,噴油器積碳試驗工況為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min,BMEP為1 MPa,噴油時刻SOI為290°CA BTDC,發(fā)動機在該工況下一直穩(wěn)定運行。
圖11 噴油器積碳試驗的PN排放
從圖中可以看出,隨著發(fā)動機運行時間的增加,PN排放量一直增加,從內(nèi)窺鏡圖片也可以發(fā)現(xiàn),PN排放主要在噴油器頭部。圖12為噴油器積碳試驗的PN排放與火焰積分對比,選取了圖11中的6個采集點,結(jié)合火焰識別結(jié)果可以看出,火焰積分面積和PN排放有著相同的趨勢:隨著時間的增加,缸內(nèi)黃色火焰面積也逐漸增加。說明隨著發(fā)動機運行時間的增加,噴油器頭部積碳逐漸增加,導(dǎo)致PN排放增加。
圖12 噴油器積碳試驗的PN排放與火焰積分對比
通常采用PN排放儀對發(fā)動機PN排放進行檢測,而PN排放儀只能檢測出發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況的PN平均值。PN排放在不同循環(huán)中波動比較大,因此通過排放儀器很難分析瞬態(tài)工況下不同循環(huán)間的PN排放。
而通過內(nèi)窺鏡的連續(xù)拍照結(jié)合火焰識別技術(shù)可以對循環(huán)間的PN排放進行研究與分析。圖13為不同循環(huán)間的黃色火焰積分面積及分布,工況為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min,BMEP為1 MPa,噴油時刻SOI為330 °CA BTDC,連續(xù)10個發(fā)動機循環(huán)。圖中可以看出火焰積分面積在不同發(fā)動機循環(huán)間波動比較大,說明PN排放量在不同發(fā)動機循環(huán)間的波動較大。除此以外,圖中還可以看出,盡管黃色火焰積分面積波動較大,但是不同循環(huán)中的黃色火焰分布規(guī)律還是非常相似的,基本都集中在區(qū)域2(活塞表面)。說明盡管PN排放在不同循環(huán)間波動較大,但是顆粒物都來源于活塞表面區(qū)域。
圖13 不同循環(huán)間的黃色火焰積分面積及分布
通過采用發(fā)動機內(nèi)窺鏡結(jié)合火焰識別技術(shù),對發(fā)動機PN排放進行分析,主要結(jié)論如下:
(1)利用火焰識別技術(shù)結(jié)合發(fā)動機內(nèi)窺鏡技術(shù),能很好地定量化分析顆粒物的產(chǎn)生、分布及排放情況;
(2)噴油時刻過早容易造成進氣閥濕壁,噴油時刻過遲容易造成活塞濕壁,從而導(dǎo)致PN排放增加。因此,選擇一個合適的噴油時刻有利于獲得較低的PN排放。
(3)噴油器長時間運行會導(dǎo)致噴油器頭部積碳情況加重,從而導(dǎo)致PN排放增加。
(4)不同發(fā)動機循環(huán)間的黃色火焰積分面積波動較大,說明PN排放波動較大。盡管如此,不同循環(huán)間PN排放的主要來源都是活塞表面區(qū)域。