柴油喷雾特性试验研究

薛继业，　李向荣，　高浩卜

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)



柴油喷雾特性试验研究

薛继业，李向荣，高浩卜

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

基于高速摄影直拍和纹影法对较高背景温度和背景压力状态下的柴油喷雾特性进行了研究.通过MATLAB的图像处理功能对试验图片进行处理.其中,高速摄影直拍图片采用阈值将油束与背景分离，得到喷雾液相发展过程；纹影图片采用相邻两图做差并累加得到含有气相的总的雾注发展过程，并将液相油束轮廓导入，得到最终的处理结果图.最后,根据得到的气液相边界点坐标，计算出喷雾宏观特性.采用该试验以及图片处理方法，研究了喷油压力对喷雾特性的影响，为燃烧系统匹配与数值计算模型标定提供更为全面的数据支持.

燃油喷雾；高速摄影；纹影；MATLAB

在内燃机中，喷入缸内燃油的雾化特性与蒸发特性会直接影响着火和燃烧品质[1].光学技术特别是激光、高速摄影、纹影等技术的出现，极大地推动了对燃油喷雾特性的研究.

日本的广安博之教授[2]提出了贯穿距离等的计算公式.法国的E.Delacourt、B.Desmet[3]等人利用高速相机得到高喷射压力下的喷雾数据，对广安公式进行了修正.韩国的Chang Sik Lee、Sung Wook Park[4]等人研究了高喷射压力下燃油的雾化特性.史绍熙、赵奎翰[5]等人在定容燃烧装置中进行柴油机喷雾特性的研究.白冰[6]利用传热传质中的场协同原理制定了针对喷油雾化效果的评价方法.侯绪超、申海、牛振乾[7-9]等人，基于MATLAB软件平台对喷雾图像进行处理，实现了对喷雾油束的喷雾锥角、贯穿距离等的测量.总结发现，之前的研究多是在常温或常压下进行，纹影照片相对较为清晰，便于结果处理.但这样的工况并不符合发动机内部高温、高压的实际情形.

总结前人的方法和经验，利用高速摄影技术，在定容燃烧弹周围，搭建了一套反射式纹影系统.对于同一个工况，直拍图像与纹影图像均作了采集，获得高温高压下柴油喷入容弹后喷雾液相与含有气相的总的雾注的变化情况.针对高温高压下纹影图像背景杂乱的情形，提出了新的处理方法.利用MATLAB编写程序，将雾注与背景分离，进一步计算获得气液相喷雾的宏观特性.

高温高压的背景工况更符合发动机的实际情形，有利于指导燃烧系统匹配.此外，发动机研发过程通常需要CFD数值模拟.在喷雾模型标定时，同时进行液相宏观参数与含有气相的雾注整体宏观参数的标定，使得标定结果更为精确.本文的研究为发动机数值模拟提供更加详细的标定数据.

1　试验方法和试验方案

1.1试验装置

试验装置由定容燃烧弹系统、纹影光路系统、控制系统(ECU)、燃油供给系统、高速摄像机等组成.纹影拍摄布置简图见图1.去掉图1中的纹影光路系统，即为高速摄影直拍系统.定容燃烧弹内有加热装置，温度可升至900 K，压力可充至6 MPa，模拟发动机在压缩到上止点时的工作环境.温度、压力通过外部单片机加以控制，见图2.定容燃烧弹周围有4个直径为100 mm的视窗，用来观测燃料的喷雾、燃烧状况.实验使用左右两个视窗作为纹影光路，正前方视窗用于高速摄影直拍.

图1　纹影采集试验装置布置简图

图2　定容燃烧弹装置

燃油供给系统为高压共轨系统，经单孔喷油器喷入到定容燃烧弹内，喷油压力可调；通过由容弹顶部的充气阀充入高压氮气来调整喷射环境背压；试验中,高速摄像机采用美国TRI公司的PHANTOM v7.3 CMOS相机，拍摄速度为20 000 帧/s，单帧像素为255×504，最大曝光时间0.05 ms.

1.2试验参数设置

试验选用0号柴油，喷孔直径为0.22 mm，喷油脉宽为1 050 μs，选取N2为背景气，试验参数见表1.

表1　试验工况参数设置

2　试验结果分析

通过高速摄影直拍技术与纹影技术的结合，直拍得到未蒸发部分的发展图片，纹影技术则得到包含气相的总的雾注发展图片.采用MATLAB图像处理功能对试验中采集到的喷雾图片进行处理.每组试验在进行之前拍摄一张清晰的标定图片，用于计算每一像素点所代表的实际尺寸.在纹影图像处理中，标定图片还用于喷孔位置的确定.

2.1高速摄影直拍图片处理方法

高速摄影直拍图片清晰，液滴可见，气态燃油不可见.雾注和背景之间灰度值有明显的差别，基于图像的灰度分布直方图，通过取阈值将液相喷雾分离出来.

由于喷孔以上存在与油束像素接近的图元，而喷孔以下部分，背景与油束有明显的分界.因此，为了准确选取分离背景的灰度阈值，先将喷孔以上部分灰度值设为0.图3所示即为原始图像去掉喷孔以上部分的灰度分布直方图.从图中可以看到，背景的灰度值集中分布在前端.为尽量多地保留油束有效信息，利用“双峰法”将背景点灰度值“峰”后的第一个波谷点所代表的灰度值设定为阈值[10].

图3　灰度分布直方图

将油束与背景分离后，提取油束边界像素点的坐标值，并在坐标系中描出所提取的边界点即得到处理结果图.图4所示为原始图片和最终结果图.对比两图可知，利用灰度分布直方图求得的阈值能较好地将油束分离出来.图5所示为高速摄影图片的处理流程.

图4　原始图片与处理结果图对比

图5　高速摄影图片处理流程

2.2纹影图片处理方法

在高温高压条件下，定容弹内气体状态非常不均匀，因此，纹影图片背景清晰度不够.考虑到任意相邻的两张图其背景变化最小，因此，采用后一张图与前一张图做差，并经过适当的去噪处理，能够较好地得到雾注在此时间段内的增长的区域.然后将所有的差值累加，便得到所求喷雾时间内的雾注形态.接着采用Canny算子对油束图像进行边缘检测，获得较为连续的油束边缘.Canny算子是一种比较新的边缘检测算子，具有很好的抗噪性，并且能同时检测出具有很小误差的真边缘点[11].最后将高速摄影得到的液相喷雾边缘依照实际尺寸比例添加到纹影图片中，得到最终的处理结果图.此外，在纹影结果中添加液相油束，更为直观全面地呈现喷雾发展过程中气液两相的变化情况.

2.3喷雾宏观特性参数处理

通过以上步骤，得到油束边界点的坐标值.对喷雾宏观特性参数的处理基于油束边界点坐标展开.高速摄影直拍图片记录液相喷雾的发展过程，纹影图片记录雾注整体的发展过程，包含了气、液两相.二者做差得到气相喷雾的相关参量.贯穿距离通过油束最末端端点与喷孔位置点纵坐标做差得到；雾注锥角由雾注前50%部分两侧边缘拟合所得直线的夹角定义；投影面积由油束边界所包含的像素点个数与每个像素点所代表的实际面积相乘得到.

2.4喷油压力对喷雾特性的影响

基于上述方法，研究了不同喷油压力下的喷雾特性.表2为不同喷油压力下0.1～0.9 ms柴油喷雾的发展过程.图右侧的比例尺每格代表25 mm.表中外部白线为总的雾注的边界，内部白线为液相部分的边界.从图中可以看出随着喷油压力的升高，喷雾加速向前发展，贯穿距离有所增大，蒸发速度加快.

表2　不同喷油压力下柴油喷雾发展过程

图6所示为不同喷射压力下雾注总的贯穿距离与液相贯穿距离的对比图.从图中可以看到，雾注贯穿距离随时间的增加而持续增加，液相贯穿距离随时间的发展过程则存在明显的转折时间点.在这个时间点之前，液相贯穿距离与雾注贯穿距离基本相同，随时间的增加而增加；过了转折时间点后，雾注贯穿距离继续增加，液相贯穿距离则不再增加，两条曲线开始分开.另外,从图中可以看出喷油压力越高，雾注贯穿距离越长，这是因为喷油压力高，喷孔内外压力差增加，动能较大，射速高，燃油可以到达较远的地方.而喷油压力越大，液相速度越快，到达最大长度的时间越短.但是不同喷油压力下，液核的最大贯穿距离变化不大，均在50 mm上下波动，因此,在试验研究范围内喷油压力对液核的最大贯穿距离基本没有影响.

图6　不同喷射压力下雾注贯穿距离与液相贯穿距离

图7所示为不同喷油压力下的气相长度随时间的变化，喷油压力对气相长度影响较大.从图中可以看到，喷油压力增加，雾注总的贯穿距离与液相贯穿距离的分离时刻提前，而且气相长度随喷油压力的增加而增加.说明喷油压力越高，燃油蒸发速度变快，蒸发量增加.

图7　不同喷射压力下气相长度

图8所示为喷雾趋于稳定后对雾注锥角值取平均所得到的数据.从图中可以看到，随喷油压力的增加，雾注锥角在逐渐增加，这是因为喷油压力越大，雾注越容易扩散和卷吸，形成的锥角也越大，但是差距并不明显.喷油压力从120 MPa上升到 160 MPa，平均雾注锥角增加2°左右.

图8　不同喷射压力下喷雾趋于稳定后平均雾注锥角

图9～11所示分别为不同喷油压力下雾注、液相以及气相的投影面积随喷油时间的发展情况.从图中可以看到喷油压力越高，雾注投影面积越大，而液相投影面积基本保持不变，因此，气相部分面积越大.说明提高喷油压力可以增大柴油的气相部分的面积，提高混合速度，改善混合均匀性，这对提高燃油经济性和降低碳烟的排放有着重要意义.

文中所研究的工况下，不同喷油压力下的液相喷雾会存在一段平衡态，如图6和图10所示.进入平衡态后，液相油束的宏观特性参数基本维持在某一数值.因此，忽略此过程中液相油束内燃油浓度的变化，可视为喷入的油量近似等于蒸发量.因此，单位时间从喷油器喷入定容弹的燃油量可表征在平衡期内的燃油蒸发速度.

图9　不同喷射压力下的雾注投影面积

图10　不同喷射压力下的液相投影面积

图11　不同喷射压力下的气相投影面积

图12所示即为液相喷雾进入平衡期，不同喷油压力下喷油速率随时间的变化曲线，亦即燃油蒸发速率曲线.从图12中可以看到，进入平衡期后，随着喷油压力的增加，燃油蒸发速度增加.其中喷油速率曲线通过EFS测定，喷油器与EFS对接.喷油器中喷出的油推动装置中的活塞运动，通过监测活塞的运动情况得到喷油速率.由于油束运动快、冲击力大，再加上活塞自身的惯性，形成的喷油速率曲线是波动的.因此，140 MPa与160 MPa所对应的两跳波动曲线在大约1.1 ms出现了交叉.

图12　不同喷油压力下的喷油速率

图13为对数据取平均值后做出的平均喷油速率曲线，并对曲线进行线性拟合.从图中可以看到平均燃油蒸发速度随喷油压力的变化基本成正比.

图13　平衡期内平均喷油速率

3　结　论

1)基于灰度分布直方图能够选定合适阈值将液相油束分离；采用前后两图做减法并结合去孤点及Canny算子边缘检测能够较为完整地将雾注范围与背景分离，最终得到高温高压背景下喷雾的气液相发展过程及宏观特性值.为燃烧系统匹配与数值计算模型标定提供详尽的气液相数据，数值计算结果更为精确，使得燃烧系统匹配更为有效.

2)喷油压力越高，雾注总的贯穿距离、锥角和投影面积越大，但液相的最大贯穿距离和投影面积变化不大.因此，在匹配发动机燃烧系统过程中，可以根据液相贯穿距离不随喷油压力变化的特点来设计燃烧室径向尺寸，这样可以减少液相柴油与壁面接触，避免“湿壁”现象的发生.

3)根据高温高压下，液相喷雾存在平衡期的特点，提出通过喷油速率判断平衡期内喷雾的蒸发

速度的思想.随着喷油压力的增加，喷油速率增加，进而可以得知蒸发速度增加.在文中研究范围内，喷雾平衡期内蒸发速度随喷油压力的增加成正比.

[1]李向荣，魏镕，孙柏刚,等.内燃机燃烧科学与技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

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[3]Delacourt E,Desmet B,Besson B. Characterisation of Very High Pressure Diesel Sprays Using Digital Imaging Techniques[J]. Fuel，2005，84(7-8)：859-867.

[4]Lee CS, Park SW. An experimental and numerical study on fuel atomization characteristics of high pressure diesel injection sprays[J]. Fuel，2002，81(18)：2417 -2423.

[5]史绍熙，赵奎翰,张惠明，等，在定容燃烧装置中进行柴油机喷雾特性的研究[J].工程热物理学报，1988，2(9)：172-179.

[6]白冰，柴油机混合机制及场效应控制方法研究[D].北京：北京理工大学，2009.

[7]侯绪超，基于MATLAB的喷雾图像测量系统的研究[D]. 西安：长安大学，2009.

[8]申海，基于MATLAB/GUI测量分析喷雾油束的特性[D].西安：长安大学，2010.

[9]牛振乾，柴油机喷雾特性的图像处理算法分析及优化[D].西安：长安大学，2012.

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Experiment Study on Diesel Spray Characteristics

XUE Ji-ye,LI Xiang-rong,GAO Hao-bo

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

By means of a high-speed photography and the schlieren method, its diesel spray characteristics of an engine were studied under the conditions of higher temperature and larger pressure. The image processing functions in MATLAB were used to deal with the testing images. For the images from the high-speed photography, the threshold was used to separate the oil beam with its background for getting the development process of the liquid spray. For the schlieren images, the subtractions of the adjacent figure were accumulated for obtaining the development process of the total spray with gaseous phase and then the liquid spray profile was added for acquiring a final figure processing result. Finanly the macroscopic characteristics of the spray was calculated according to the coordinates from the gas-liquid boundary point. By using the experiment and the above mentioned method, the influence of the injection pressure on the spray characteristics was studied, providing a comprehensive data support for the matching of a combustion system and the calibration of its numerical model.

oil spray; high-speed photography; schlieren; MATLAB

1009-4687(2016)02-0008-05

2015-10-31

薛继业(1990-)，硕士，研究方向为柴油喷雾燃烧特性.

U464.172

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