一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置及測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置及其測試方法，主要由數(shù)字CCD攝像機(jī)、計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)、氮?dú)馄俊⒎€(wěn)壓桶、壓縮空氣瓶、減壓閥、發(fā)光單元、角標(biāo)儀、倍頻器、頻閃槍、柴油機(jī)測試缸及內(nèi)窺鏡和頻閃觀測儀組成，測試時首先要找出與柴油機(jī)的機(jī)械上止點(diǎn)相對應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)上止點(diǎn)，然后初始化參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行動態(tài)噴霧圖像采集和缸內(nèi)燃燒動態(tài)攝影，最后利用計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)13的系統(tǒng)軟件對采集的圖像進(jìn)行處理，利用計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)13的系統(tǒng)軟件對采集的圖像進(jìn)行處理。本發(fā)明的可視化裝置與方法可以為開展柴油機(jī)進(jìn)氣組織、噴霧及燃燒室結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究提供依據(jù)，裝置精確度較高，操作方便。
【專利說明】一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒特性動態(tài)可視化測試裝置及其測試方法，尤其是涉及一種電控高壓共軌柴油機(jī)缸內(nèi)無氧條件下的多次噴霧和燃燒特性可視化測試裝置及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柴油機(jī)噴霧與燃燒過程是其工作循環(huán)的核心，直接影響柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)。由于內(nèi)燃機(jī)的噴霧與燃燒過程十分復(fù)雜，測試相當(dāng)困難，因此測試工作長期以來一直深受世界各國內(nèi)燃機(jī)研究者及生產(chǎn)部門的重視。柴油機(jī)噴霧與燃燒可視化是研究其燃燒過程最先進(jìn)、最有效的試驗(yàn)手段之一。一方面可以系統(tǒng)、深入地了解燃燒發(fā)生、發(fā)展的特征規(guī)律，進(jìn)一步加深對柴油機(jī)燃燒過程的理解；另一方面結(jié)合實(shí)際柴油機(jī)進(jìn)氣組織、噴霧及燃燒室結(jié)構(gòu)來開展這方面的研究，能夠?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒系統(tǒng)的評價和改進(jìn)提供依據(jù)。
[0003]早期的可視化研究是通過在氣缸蓋周圍的孔道里面安裝數(shù)個光學(xué)傳感器，對缸內(nèi)工作過程進(jìn)行點(diǎn)測量，通過傳感器和放大器將收集到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析。這種方法無法直接得到缸內(nèi)燃燒過程圖像，而且測量得到的信息有限，無法進(jìn)行場測量和場量分析。隨著光學(xué)技術(shù)、計算機(jī)和圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，目前比較成熟的可視化研究主要是基于光學(xué)發(fā)動機(jī)和內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)進(jìn)行的。光學(xué)發(fā)動機(jī)技術(shù)是采用耐高溫的石英玻璃制造活塞，并增加整個活塞的長度，在活塞的下方放置一塊反射鏡，利用光的折射原理獲取整個燃燒室內(nèi)的工作過程圖片。這種方法對發(fā)動機(jī)的改動較大，造價昂貴，研究工作也受到發(fā)動機(jī)型號的限制?；钊娱L后其運(yùn)轉(zhuǎn)慣量增加，活塞動態(tài)強(qiáng)度降低，而且為了獲得良好的透光性，減少折射，無法在石英玻璃上加工出真實(shí)的燃燒室凹坑。內(nèi)窺鏡攝像技術(shù)主要由CCD彩色攝像機(jī)、圖像采集卡、照明光源、角標(biāo)儀、頻閃器編碼器及減壓閥和計算機(jī)組成，它是將尺寸很小的工業(yè)內(nèi)窺鏡和冷光源深入到燃燒室內(nèi)部，把缸內(nèi)噴霧與燃燒的光學(xué)圖像傳輸?shù)讲裼蜋C(jī)外部，由數(shù)字相機(jī)直接進(jìn)行拍攝得到缸內(nèi)噴霧與燃燒圖片。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是對柴油機(jī)的改動很小，基本不影響燃燒室內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，從而對氣流運(yùn)動和燃燒過程無影響，可以動態(tài)直觀地觀察共軌柴油機(jī)實(shí)際工作過程中的噴霧與燃燒情況。以上兩種方法均是在有氧燃燒條件下測得缸內(nèi)燃燒過程圖片，沒有涉及到無氧不燃燒條件下的噴霧過程測試。
[0004]柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中溫度和碳煙的測量技術(shù)主要包括激光片光診斷法、消光法、散射法。以激光誘導(dǎo)熾光法為代表的激光片光診斷技術(shù)適合測量碳煙生成集中區(qū)域某一平面的瞬時空間二維濃度分布，并可以隨時跟蹤火焰結(jié)構(gòu)、著火、火焰?zhèn)鞑ヒ幌盗羞^程，但是系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。消光法是針對碳煙顆粒對光的散射和吸收會衰減光強(qiáng)的特點(diǎn)，通過比較穿過碳煙粒子云前后的光強(qiáng)得出碳煙的體積分?jǐn)?shù)，雖然這種方法的試驗(yàn)裝置簡單，但是測試結(jié)果會受油滴散射影響，對溫度場分析不夠準(zhǔn)確。散色法則是增加一個散射光探測器，利用散色和消光的比值獲得碳煙微粒直徑。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是設(shè)計一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置及其測試方法，主要用于柴油機(jī)無氧條件下缸內(nèi)噴油霧化情況以及燃燒過程的可視化，并利用圖像處理技術(shù)，計算分析缸內(nèi)燃燒火焰溫度與碳煙分布情況，為開展柴油機(jī)進(jìn)氣組織、噴霧及燃燒室結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究提供依據(jù)。
[0006]為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案:一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置，包括數(shù)字CXD攝像機(jī)、計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)、氮?dú)馄?、穩(wěn)壓桶、壓縮空氣瓶、減壓閥、發(fā)光單元、角標(biāo)儀、倍頻器、頻閃槍、柴油機(jī)測試缸及安裝在柴油機(jī)測試缸缸蓋上的內(nèi)窺鏡和頻閃觀測儀；所述數(shù)字CCD攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)相連，所述攝影設(shè)備用于觀測柴油機(jī)測試缸內(nèi)周期變化情況；所述氮?dú)馄客ㄟ^穩(wěn)壓桶與所述柴油機(jī)測試缸的進(jìn)氣管道相連，所述氮?dú)馄康牡獨(dú)鉃楦變?nèi)不燃燒情況下的噴霧可視化提供無氧條件，防止進(jìn)氣倒吸，所述穩(wěn)壓桶可以為柴油機(jī)的氮?dú)廨斎胩峁┓€(wěn)定的壓力；所述壓縮空氣瓶與減壓閥相連，所述壓縮空氣瓶分別為所述發(fā)光單元和所述內(nèi)窺鏡提供空冷氣源；所述內(nèi)窺鏡通過快速接頭與所述數(shù)字CCD攝像機(jī)相連；所述頻閃觀測儀通過耐高溫的光纖與發(fā)光單元相連，所述發(fā)光單元通過頻閃觀測儀為柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧攝影提供光源；所述發(fā)光單元還通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)相連，所述計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)同時將觸發(fā)信號傳給發(fā)光單元和數(shù)字CCD攝像機(jī)，當(dāng)頻閃觀測儀閃爍的同時數(shù)字CCD攝像機(jī)同步拍攝柴油機(jī)缸內(nèi)的圖片；所述角標(biāo)儀安裝在柴油機(jī)曲軸自由端的皮帶輪上，所述角標(biāo)儀通過數(shù)據(jù)線與倍頻器和發(fā)光單元相串連，角標(biāo)儀以脈沖的形式向發(fā)光單元輸出觸發(fā)信號和曲軸轉(zhuǎn)角刻度，發(fā)光單元再通過數(shù)據(jù)線將脈沖觸發(fā)信號傳送給計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)；所述倍頻器通過設(shè)置其上的碼盤，可以對角標(biāo)儀的信號頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。所述頻閃槍通過光纖連接至發(fā)光單元，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)光單元發(fā)出的頻閃光頻率與柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速同步。
[0007]上述方案中，所述內(nèi)窺鏡是直徑為4mm的光學(xué)硬鏡，為了獲得更加寬廣、易于觀測缸內(nèi)噴霧燃燒過程的圖片，所述內(nèi)窺鏡3的鏡頭角度分為0°、30°、60°三種規(guī)格。
[0008]上述方案中，所述內(nèi)窺鏡的光纖束頂端與冷卻空氣進(jìn)口接頭連接，所述內(nèi)窺鏡的光纖束底端設(shè)有出氣口，所述內(nèi)窺鏡的光纖束整體位于保護(hù)套管內(nèi)，所述保護(hù)套管通過其外壁上的螺紋旋入到柴油機(jī)缸蓋內(nèi)，所述保護(hù)套管在與柴油機(jī)缸蓋水腔接觸部位的螺紋上涂有耐高溫的密封膠，所述保護(hù)套管的底端設(shè)有透明且耐高溫的石英玻璃窗，所述石英玻璃窗既可以密封燃燒室內(nèi)的燃?xì)猓挚梢员Ｗo(hù)內(nèi)窺鏡的底端鏡頭，所述保護(hù)套管的頂端開有排氣口。
[0009]上述方案中，所述數(shù)字CXD攝像機(jī)通過減震處理固定在發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架旁邊的支架上，通過一個光學(xué)交接點(diǎn)和所述內(nèi)窺鏡相連。
[0010]上述方案中，所述計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)包含有參數(shù)設(shè)備模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、存儲模塊、圖像處理模塊、火焰溫度與碳煙計算模塊；所述參數(shù)設(shè)置模塊用來接收鍵盤輸入的相關(guān)測試參數(shù)；所述數(shù)據(jù)采集模塊用來采集缸內(nèi)噴霧與燃燒隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的圖像信息數(shù)據(jù)；所述存儲模塊用來將試驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像信息分別存儲到存儲器的相應(yīng)數(shù)據(jù)文件中；所述圖像處理模塊用來對圖像大小、色調(diào)等進(jìn)行編緝與處理；所述火焰溫度與碳煙計算模塊用來利用雙色法的計算公式計算溫度與碳煙濃度分布。
[0011]一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒動態(tài)可視化測試方法，包括如下步驟: 第一步，找出與柴油機(jī)的機(jī)械上止點(diǎn)相對應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)上止點(diǎn):在發(fā)動機(jī)飛輪殼上設(shè)有固定標(biāo)記箭頭即飛輪指針，發(fā)動機(jī)飛輪上有一標(biāo)記為“O”的零刻度線，用粉筆涂上白色標(biāo)記，當(dāng)指針對準(zhǔn)飛輪上的“O”的零刻度線時，柴油機(jī)的活塞剛好處于上止點(diǎn)位置。利用發(fā)動機(jī)測功臺架，倒拖柴油機(jī)至1500rpm,用頻閃槍對準(zhǔn)飛輪指針，同時調(diào)節(jié)頻閃槍的閃光頻率，使其每當(dāng)“O”刻度線標(biāo)記對準(zhǔn)飛輪指針時，頻閃槍正好閃亮，以保證頻閃槍的閃光頻率與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速保持同步，此時計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)上的光學(xué)上止點(diǎn)剛好與柴油機(jī)的機(jī)械上止點(diǎn)對應(yīng)，即固定在柴油機(jī)自由端曲軸皮帶輪上的角標(biāo)儀指示的上止點(diǎn)與柴油機(jī)機(jī)械上止點(diǎn)對應(yīng)，曲軸角度一致。
[0012]第二步，初始化參數(shù)設(shè)定，此操作由參數(shù)設(shè)置模塊完成，參數(shù)設(shè)置模塊主要通過計算機(jī)鍵盤輸入各種試驗(yàn)參數(shù)，包括圖像采集頻率、采集時間、觸發(fā)方式、拍攝速度、曝光率參數(shù)。
[0013]第三步，動態(tài)噴霧圖像采集:將柴油機(jī)的進(jìn)氣管與空氣隔離，將氮?dú)馄縄及穩(wěn)壓桶2所在的管路與柴油機(jī)的進(jìn)氣管道相連，使柴油機(jī)進(jìn)氣由氮?dú)馓娲諝猓跓o氧不著火的條件下，利用本發(fā)明裝置動態(tài)拍攝采集柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧圖像。
[0014]第四步，缸內(nèi)燃燒動態(tài)攝影:關(guān)閉氮?dú)猓謴?fù)為原增壓空氣，開啟計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)和壓縮空氣瓶，設(shè)置試驗(yàn)基本參數(shù):轉(zhuǎn)速1500r/min，50%負(fù)荷，曝光速率為IOkHz,圖像分辨率為640X480像素，曝光時間為80 μ S，拍攝缸內(nèi)燃燒動態(tài)圖片并儲存。
[0015]第五步，利用計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)13的系統(tǒng)軟件對采集的圖像進(jìn)行處理，該軟件是基于雙色法對缸內(nèi)擴(kuò)散火焰圖片進(jìn)行圖像處理，從而獲得燃燒火焰溫度場和碳煙分布場。
[0016]第六步，以溫度場和碳煙濃度分布形式輸出測試數(shù)據(jù)，用雙色法所測得的溫度是碳煙的溫度，而不是直接的空間溫度場，但是碳煙與環(huán)境在極短的時間內(nèi)即達(dá)到熱平衡，可以認(rèn)為碳煙粒子的溫度就代表了周圍氣體火焰的溫度。同時，計算得到的KL因子可以用來表征碳煙粒子在缸內(nèi)的濃度。
[0017]本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
[0018]一是將柴油機(jī)進(jìn)氣管與空氣隔離，并在其上接入氮?dú)?，使柴油機(jī)在缸內(nèi)無氧不著火的條件下，利用所發(fā)明的可視化測試裝置動態(tài)拍攝柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧圖像，實(shí)時記錄柴油機(jī)工作過程中的真實(shí)噴霧情況。與現(xiàn)有技術(shù)相比，沒有改變缸內(nèi)進(jìn)氣組織形式，避免了著火對后期噴霧的影響，實(shí)現(xiàn)了整個循環(huán)噴霧過程的可視化。
[0019]二是本發(fā)明提供的可視化測試裝置既可以對柴油機(jī)工作過程中缸內(nèi)噴霧時間、錐角、貫穿距、霧化情況進(jìn)行可視動態(tài)化測試，又可以對燃燒過程進(jìn)行測量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，沒有改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)及燃燒室形狀，既保證了測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性又滿足了測試裝置的通用性，可以實(shí)現(xiàn)資源共享，節(jié)約科研經(jīng)費(fèi)。
[0020]三是該測試裝置精確度較高，可以精確到0.1° CA，并首次應(yīng)用于電控高壓共軌柴油機(jī)多次噴霧的可視化測量，為解決柴油機(jī)分層燃燒、均質(zhì)壓燃以及低溫燃燒等技術(shù)難題提供了大量的缸內(nèi)信息與實(shí)驗(yàn)測量手段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明噴霧與燃燒動態(tài)可視化測試裝置的組成示意圖。[0022]圖2是柴油機(jī)氣缸蓋上內(nèi)窺鏡光學(xué)通道布置方案。
[0023]圖3是數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)工作流程圖。
[0024]圖4是電控高壓共軌柴油機(jī)單缸不著火條件下多次噴霧圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0026]正如附圖1所示，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例主要包括氮?dú)馄?、穩(wěn)壓桶2、內(nèi)窺鏡3、頻閃觀測儀4、柴油機(jī)5、壓縮空氣瓶6、減壓閥7、發(fā)光單元8、頻閃槍9、角標(biāo)儀10、倍頻器11、數(shù)字CXD攝像機(jī)12、計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)13。首先需要在柴油機(jī)5的氣缸蓋上加工2個光學(xué)通路，一路安裝頻閃觀測儀4，另一路用于安裝內(nèi)窺鏡3。頻閃觀測儀4具有照明的功能，用于獲取噴射過程中燃油油束分布圖像時提供照明光源，它每次閃爍能產(chǎn)生40MJ的光纖，閃爍間隔為20微秒；內(nèi)窺鏡3為外徑4mm帶冷卻通道的光學(xué)硬鏡，由11520個單獨(dú)的光纖組成，這些光纖組成一個光纖束。鏡頭前端由石英保護(hù)，螺旋擰進(jìn)開鑿出來的通道內(nèi)。內(nèi)窺鏡3的觀察角度分為0°、30°和60°三種，根據(jù)拍攝的內(nèi)容和角度不同，選擇不同角度的內(nèi)窺鏡。為了防止受燃?xì)飧邷負(fù)p壞，內(nèi)窺鏡通過空氣管路和快速接頭與壓縮空氣瓶6所在的管路相連，壓縮空氣瓶內(nèi)的空氣壓力通過減壓閥?設(shè)置為0.6MPa，內(nèi)窺鏡的目鏡通過快速接頭與數(shù)字CXD攝像機(jī)12對接，數(shù)字CXD攝像機(jī)采用具有1360*1024像素的PixelFly攝像機(jī)。該攝像機(jī)分辨率高而且曝光時間較短。由于尺寸和體積的原因，攝像機(jī)12不能直接裝在發(fā)動機(jī)上，它需要通過減震處理固定在發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架旁邊的支架上，通過一個光學(xué)交接點(diǎn)和內(nèi)窺鏡3相連。
[0027]第一步,找出與柴油機(jī)的機(jī)械上止點(diǎn)相對應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)上止點(diǎn):在發(fā)動機(jī)飛輪殼上設(shè)有固定標(biāo)記箭頭即飛輪指針，發(fā)動機(jī)飛輪上有一標(biāo)記為“O”的零刻度線，用粉筆涂上白色標(biāo)記，當(dāng)指針對準(zhǔn)飛輪上的“O”的零刻度線時，柴油機(jī)測試缸的活塞剛好處于上止點(diǎn)位置。利用發(fā)動機(jī)測功臺架，倒拖柴油機(jī)至1500rpm，用頻閃槍9對準(zhǔn)飛輪指針，同時調(diào)節(jié)頻閃槍9的閃光頻率，使其每當(dāng)“O”刻度線標(biāo)記對準(zhǔn)飛輪指針時，頻閃槍正好閃亮，以保證頻閃槍的閃光頻率與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速保持同步，此時計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)13上的光學(xué)上止點(diǎn)剛好與柴油機(jī)的機(jī)械上止點(diǎn)對應(yīng)，即固定在柴油機(jī)自由端曲軸皮帶輪上的角標(biāo)儀10指示的上止點(diǎn)與柴油機(jī)機(jī)械上止點(diǎn)對應(yīng)，曲軸角度一致。
[0028]第二步，初始化參數(shù)設(shè)定，此操作由參數(shù)設(shè)置模塊完成，參數(shù)設(shè)置模塊主要通過計算機(jī)鍵盤輸入各種試驗(yàn)參數(shù)，包括圖像采集頻率、采集時間、觸發(fā)方式、拍攝速度、曝光率參數(shù)。
[0029]第三步，動態(tài)噴霧圖像采集:將柴油機(jī)測試缸的進(jìn)氣氣管與空氣隔離，將氮?dú)馄縄及穩(wěn)壓桶2所在的管路與柴油機(jī)測試缸的進(jìn)氣管道相連，使柴油機(jī)測試缸進(jìn)氣由氮?dú)馓娲諝?，在無氧不著火的條件下，利用本發(fā)明裝置動態(tài)拍攝采集柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧圖像。
[0030]第四步，缸內(nèi)燃燒動態(tài)攝影:關(guān)閉氮?dú)?，恢?fù)為原增壓空氣，開啟計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)13和壓縮空氣瓶6，設(shè)置試驗(yàn)基本參數(shù):轉(zhuǎn)速1500r/min，50%負(fù)荷，曝光速率為10kHz，圖像分辨率為640X480像素，曝光時間為80 μ S，拍攝缸內(nèi)燃燒動態(tài)圖片并儲存。
[0031]第五步，利用計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)13的系統(tǒng)軟件對采集的圖像進(jìn)行處理，該軟件是基于雙色法對缸內(nèi)擴(kuò)散火焰圖片進(jìn)行圖像處理，從而獲得燃燒火焰溫度場和碳煙分布場。
[0032]雙色法是根據(jù)固體熱輻射的原理，可以同時進(jìn)行缸內(nèi)火焰溫度場和碳煙濃度場的測量。由于柴油機(jī)燃燒過程中的高溫碳煙粒子會發(fā)出強(qiáng)烈的熱輻射，測出燃燒火焰發(fā)射出的福射光在某兩個波長上的強(qiáng)度，建立兩個強(qiáng)度與溫度的方程，消去一個代表福射率的未知因子，便可計算出溫度和表征碳煙分布的KL因子。
[0033]對于黑體而言，其光譜輻射亮度或頻譜亮度遵循普朗克(Planck)輻射定律，如公式:
【權(quán)利要求】
1.一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置，其特征在于:包括數(shù)字CCD攝像機(jī)(12)、計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)(13)、氮?dú)馄?I)、穩(wěn)壓桶(2)、壓縮空氣瓶(6)、減壓閥(7)、發(fā)光單元(8)、角標(biāo)儀(10)、倍頻器(11)、頻閃槍(9)、柴油機(jī)測試缸(5)及安裝在所述柴油機(jī)測試缸缸蓋上的內(nèi)窺鏡(3)和頻閃觀測儀(4);所述數(shù)字CXD攝像機(jī)(12)通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)(13)相連；所述氮?dú)馄?I)通過穩(wěn)壓桶(2)與所述柴油機(jī)的進(jìn)氣管道相連，所述氮?dú)馄?I)的氮?dú)鉃楦變?nèi)不燃燒情況下的噴霧可視化提供無氧條件，防止進(jìn)氣倒吸，所述穩(wěn)壓桶(2)為柴油機(jī)(5)的氮?dú)廨斎胩峁┓€(wěn)定的壓力；所述壓縮空氣瓶(6)與減壓閥(7)相連，所述壓縮空氣瓶(6)分別為所述發(fā)光單元(8)和所述內(nèi)窺鏡(3)提供空冷氣源；所述內(nèi)窺鏡(3)通過快速接頭與所述數(shù)字CXD攝像機(jī)(12)相連；所述頻閃觀測儀(4)通過耐高溫的光纖與發(fā)光單元(8)相連，所述發(fā)光單元(8)通過頻閃觀測儀(4)為柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧攝影提供光源；所述發(fā)光單元(8)還通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)(13)相連，所述計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)(13)同時將觸發(fā)信號傳給發(fā)光單元(8)和數(shù)字CCD攝像機(jī)(12)，當(dāng)頻閃觀測儀(4)閃爍的同時數(shù)字CCD攝像機(jī)(12)同步拍攝柴油機(jī)缸內(nèi)的圖片；所述角標(biāo)儀(10)安裝在柴油機(jī)曲軸自由端的皮帶輪上，所述角標(biāo)儀(10)通過數(shù)據(jù)線與倍頻器和發(fā)光單元相串連，用于測定柴油機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)角；所述倍頻器通過設(shè)置其上的碼盤，可以對角標(biāo)儀(10)的信號頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述頻閃槍(9)通過光纖連接至發(fā)光單元(8)，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)光單元(8 )發(fā)出的頻閃光頻率與柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置，其特征在于:所述內(nèi)窺鏡(3)是直徑為4mm的光學(xué)硬鏡，所述內(nèi)窺鏡(3)的鏡頭角度分為0°、30°、60°三種規(guī)格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置，其特征在于:所述內(nèi)窺鏡3的光纖束頂端與冷卻空氣進(jìn)口接頭(33)連接，所述內(nèi)窺鏡(3)的光纖束底端設(shè)有出氣口(34)，所述內(nèi)窺鏡3的光纖束整體位于保護(hù)套管(32)內(nèi)，所述保護(hù)套管(32)通過其外壁上的螺紋旋入到柴油機(jī)測試缸缸蓋內(nèi)，所述保護(hù)套管(32)在與柴油機(jī)測試缸缸蓋水腔(35)接觸部位的螺紋上涂有耐高溫的密封膠(36)，所述保護(hù)套管(32)的底端設(shè)有透明且耐高溫的石英玻璃窗(37)，所述石英玻璃窗(37)既可以密封燃燒室(53)內(nèi)的燃?xì)?，又可以保護(hù)內(nèi)窺鏡的底端鏡頭，所述`保護(hù)套管(32)的頂端開有排氣口(38)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置，其特征在于:所述數(shù)字CXD攝像機(jī)(12)通過減震處理固定在發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架旁邊的支架上，通過一個光學(xué)交接點(diǎn)和所述內(nèi)窺鏡3相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試裝置，其特征在于:所述計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)包含有參數(shù)設(shè)備模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、存儲模塊、圖像處理模塊、火焰溫度與碳煙計算模塊；所述參數(shù)設(shè)置模塊用來接收鍵盤輸入的相關(guān)測試參數(shù)；所述數(shù)據(jù)采集模塊用來采集缸內(nèi)噴霧與燃燒隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的圖像信息數(shù)據(jù)；所述存儲模塊用來將試驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像信息分別存儲到存儲器的相應(yīng)數(shù)據(jù)文件中；所述圖像處理模塊用來對圖像大小、色調(diào)等進(jìn)行編緝與處理；所述火焰溫度與碳煙計算模塊用來利用雙色法的計算公式計算溫度與碳煙濃度分布。
6.一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試方法，包括如下步驟: 第一步，找出與柴油機(jī)的機(jī)械上止點(diǎn)相對應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)上止點(diǎn):在發(fā)動機(jī)飛輪殼上設(shè)有固定標(biāo)記箭頭即飛輪指針，發(fā)動機(jī)飛輪上有一標(biāo)記為“O”的零刻度線，用粉筆涂上白色標(biāo)記，當(dāng)指針對準(zhǔn)飛輪上的“O”的零刻度線時，柴油機(jī)測試缸的活塞剛好處于上止點(diǎn)位置；利用發(fā)動機(jī)測功臺架，倒拖柴油機(jī)至1500rpm,用頻閃槍(9)對準(zhǔn)飛輪指針，同時調(diào)節(jié)頻閃槍(9)的閃光頻率，使其每當(dāng)“O”刻度線標(biāo)記對準(zhǔn)飛輪指針時，頻閃槍正好閃亮，以保證頻閃槍的閃光頻率與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速保持同步，此時計算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)(13)上的光學(xué)上止點(diǎn)剛好與柴油機(jī)的機(jī)械上止點(diǎn)對應(yīng)，即固定在柴油機(jī)自由端曲軸皮帶輪上的角標(biāo)儀(10)指示的上止點(diǎn)與柴油機(jī)機(jī)械上止點(diǎn)對應(yīng)，曲軸角度一致； 第二步，初始化參數(shù)設(shè)定，此操作由參數(shù)設(shè)置模塊完成，參數(shù)設(shè)置模塊主要通過計算機(jī)鍵盤輸入各種試驗(yàn)參數(shù)，包括圖像采集頻率、采集時間、觸發(fā)方式、拍攝速度、曝光率參數(shù)；第三步，動態(tài)噴霧圖像采集:將柴油機(jī)測試缸的進(jìn)氣管與空氣隔離，將氮?dú)馄縄及穩(wěn)壓桶2所在的管路與柴油機(jī)測試缸的進(jìn)氣管道相連，使柴油機(jī)測試缸進(jìn)氣由氮?dú)馓娲諝?，在無氧不著火的條件下，利用本發(fā)明裝置動態(tài)拍攝采集柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧圖像； 第四步，缸內(nèi)燃燒動態(tài)攝影:關(guān)閉氮?dú)?，恢?fù)為原增壓空氣，開啟計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)(13)和壓縮空氣瓶(6)，設(shè)置試驗(yàn)基本參數(shù):轉(zhuǎn)速1500r/min，50%負(fù)荷，曝光速率為IOkHz,圖像分辨率為640X480像素，曝光時間為80 μ S，拍攝缸內(nèi)燃燒動態(tài)圖片并儲存；第五步，利用計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)13的系統(tǒng)軟件對采集的圖像進(jìn)行處理，該軟件是基于雙色法對缸內(nèi)擴(kuò)散火焰圖片進(jìn)行圖像處理，從而獲得燃燒火焰溫度場和碳煙分布場； 第六步，利用計算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng)13的系統(tǒng)軟件對采集的圖像進(jìn)行處理，用雙色法所測得的溫度是碳煙的溫度，而不是直接的空間溫度場，但是碳煙與環(huán)境在極短的時間內(nèi)即達(dá)到熱平衡，可以認(rèn)為碳煙粒子的溫度就代表了周圍氣體火焰的溫度；同時，計算得到的KL因子用來表征碳煙粒子在缸內(nèi)的濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6 所述的一種柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧與燃燒可視化測試方法，其特征在于:基于雙色法在對缸內(nèi)擴(kuò)散火焰圖片進(jìn)行圖像處理時，首先需要測出燃燒火焰發(fā)射出的輻射光在某兩個波長上的強(qiáng)度，然后再建立兩個強(qiáng)度與溫度的方程，消去一個代表輻射率的未知因子，最后計算出溫度和表征碳煙分布的KL因子。
【文檔編號】G01M15/05GK103792090SQ201310293341
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月12日
【發(fā)明者】寧海強(qiáng), 孫平, 梅德清, 胡鵬, 肖淑梅, 鄔齊敏, 賈和坤 申請人:江蘇大學(xué)