CN103344339A - 一种基于内燃机缸内燃烧火焰摄影照片计算温度场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算温度场分布的方法，根据内燃机缸内高速摄影得到的照片和压力示功图计算修正缸内温度场分布的方法，主要用于分析内燃机缸内燃烧过程中温度场的分布，以及不同温度区域的面积，为进一步分析内燃机燃烧和排放特性提供定量数据参考。本发明的优点是：不需要复杂的测试硬件，能批量处理各曲轴转角对应的燃烧图像，能很简便快速的得出温度场的分布，并能很好的验证计算的准确性。

Description

一种基于内燃机缸内燃烧火焰摄影照片计算温度场的方法

技术领域

本发明专利涉及计算温度场分布的方法，特指一种根据内燃机缸内高速摄影得到的照片和压力示功图计算修正缸内温度场分布的方法，主要用于分析内燃机缸内燃烧过程中温度场的分布，以及不同温度区域的面积，为进一步分析内燃机燃烧和排放特性提供定量数据参考。

背景技术

内燃机燃烧过程中温度场的分布情况对内燃机的燃烧效率、零部件热负荷的分布和燃烧产物的生成等有重要影响，因此，温度场的测量和计算已经成为内燃机研究领域的一个热点。随着计算机和光学测量技术的进步，高速摄影技术已经广泛的应用于内燃机的可视化研究中，可以较为方便的获取内燃机缸内燃烧过程的视频。现有的专利大多倾向于搭建温度场测量的平台以及提出与之配套的测量方法，如200910077463.7“一种双CCD温度场测量装置及方法”，200910077464.1“一种三CCD温度场测量装置及方法”、02292184.2“发动机燃烧室温度场旋转测试装置”、94111569.0“电站锅炉炉膛燃烧温度分布检测方法及其装置”、01118260.1“测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法及其系统”等，没有涉及利用高速摄影照片来获取温度场分布的问题。

利用燃烧分析仪可以测得内燃机缸内燃烧压力，并获得示功图，该示功图能够反映燃烧温度与曲轴转角的关系曲线，即内燃机缸内压力随曲轴转角的变化关系，燃烧分析仪的后处理软件，可在缸内压力曲线的基础上，通过设定燃料特性、初始条件、边界条件，得到缸内平均温度随曲轴转角的变化关系。该方法得到的是缸内的平均温度，不能获得缸内温度场的分布情况。

发明内容

本发明的旨在提供一种基于内燃机缸内高速摄影照片计算温度场分布的方法。

本发明是利用内窥镜高速摄影装置，获取内燃机缸内燃烧火焰的照片，提取燃烧过程高速摄影照片上各点的灰度值，根据灰度值与温度的对于关系，计算出各点的温度值，从而得出照片区域温度场的分布。

本发明的基于内燃机缸内燃烧火焰摄影照片计算温度场的方法，包括如下步骤：

步骤1、拍摄内燃机缸内燃烧火焰并获得彩色照片，记录照片对应的曲轴转角度数为

通过燃烧分析仪测得内燃机缸内燃烧压力，获得示功图，根据示功图的燃烧温度与曲轴转角的关系曲线，得到曲轴转角

所对应的温度，记为T_mc；

步骤2、在彩色照片中，像素点的数量为n，记像素点的灰度值为N，记灰度值最大点的灰度值为N_H，则N_H＝256；

步骤3、将灰度值最大点对应的温度值在1800k～2300k区间内取任意值，记为T_H；

步骤4、根据公式（1），

式中：N_L为低温点的灰度值，N_H为灰度值最大点的灰度值，F_(N)为修正系数；

当

时，根据步骤2中的N_H＝256，计算获得N_L＝64，此时F_(N)＝1.11；

步骤5、根据公式（2）计算低温点的温度值T_L：

$T_L=T_H{\left(\frac{N_L}{N_H}\right)}^{\frac{1}{4}}{F}_{\left(N\right)}\·\·\·\left(2\right)$

式中：T_L为低温点的温度值，T_H为灰度值最大点的温度值；

根据公式（2）计算获得T_L，至此获得两组数据（N_H，T_H）、（N_L，T_L）；

步骤6、根据公式（3)计算：

T＝a×N^b   …………（3）

式中：N为像素点的灰度值，T为像素点灰度值对应的温度值，a、b分别为常数，

将步骤5获得的两组数据（N_H，T_H）、（N_L，T_L）代入公式（3），求解公式（3）获得a和b的值；

步骤7，将步骤2中的n个像素点的灰度值N逐一代入公式（3），计算获得像素点灰度值对应的温度值T，共获得n组灰度值及其对应的温度值数据（N，T）；

步骤8、将n个温度值数据分为I个温度区域，记每个温度区域的平均温度为T_i，i＝1,2,……I，通过图像处理软件获得每个温度区域内像素点的面积，并根据公式（4）计算获得平均温度T_m：

$T_m=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i{S}_i}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}\·\·\·\left(4\right)$

式中：i为温度区域的序号，i＝1,2,……I，I为温度区域的个数，T_m为平均温度，T_i为温度区域的平均温度，S_i为温度区域的面积；

步骤9、计算|T_m-T_mc|，若|T_m-T_mc|≥20K，则步骤2中T_H在1800k～2300k区间的取值错误，返回步骤2重新取值，若|T_m-T_mc|＜20K，则认为步骤2中T_H取值正确，进入步骤10；

步骤10、根据公式（3）T＝a×N^b，实现彩色照片中任意像素点的灰度值计算获得对应的温度值。

本发明的优点是不需要复杂的测试硬件，能批量处理各曲轴转角对应的燃烧图像，能很简便快速的得出温度场的分布，并能很好的验证计算的准确性。

可将内燃机缸内火焰的辐射当作灰体处理，根据全辐射定律，燃烧火焰的全辐射亮度与其本身的辐射温度存在线性关系，而内燃机燃烧过程高速摄影照片的像素点与亮度灰度值是对应的，因此，可根据高速摄影照片计算出各点的灰度值，进而得到其对应的温度值。这种方法得到的是温度场的分布。

附图说明

图1为本发明引入光源拍摄照片示意图。

图2为本发明拍摄照片时内窥镜在气缸盖上的位置图。

图3为不同曲轴转角拍摄获得的彩色照片。

图4为本发明方法流程图。

图5为采用本发明方法计算后获得的火焰照片和计算的温度场分布拟合效果图。

图中，1、气缸中心，2、燃烧室中心，3、汽缸套，4、引入光源，5、引出光源，6、喷嘴中心，7、内窥镜中心，8、燃烧室中心，9、缸盖底平面。

具体实施方式

本发明是基于内燃机缸内燃烧火焰摄影照片计算温度的方法，以490Q柴油机缸内燃烧火焰的分析来说明本发明的具体实施方式。具体实施包括以下步骤：

步骤1、拍摄内燃机缸内燃烧火焰并获得彩色照片，记录照片对应的曲轴转角度数为

通过燃烧分析仪测得内燃机缸内燃烧压力，获得示功图，根据示功图的燃烧温度与曲轴转角的关系曲线，得到曲轴转角

所对应的温度，记为T_mc；

如图1所示，本实施例在缸盖上布置了两个内窥镜，向燃烧室内引入光源，能够同时拍摄到喷油油束和燃烧火焰的图像。引入光源为70°视角，引出光源为30°视角。

内窥镜在气缸盖上的位置图如图2所示。摄影装置的主要技术参数如表1所示。试验所用发动机为常州柴油机有限公司生产的CC490Q柴油机，其主要性能参数见表2所示。选择的发动机空载且转速为1500r/min的工况。拍摄得到的部分曲轴转角对应的照片如图3所示。

本实施例中，选取曲轴转角7.9°CA对应的照片为例进行计算。

表1高速摄影装置的主要技术参数

表2柴油机的主要性能参数

步骤2、在彩色照片中，像素点的数量为n，记像素点的灰度值为N，记灰度值最大点的灰度值为N_H，则N_H＝256。

步骤3、将灰度值最大点对应的温度值在1800k～2300k区间内取任意值，记为T_H；本实施例中T_H＝2000k。

步骤4、根据公式（1），

式中：N_L为低温点的灰度值，N_H为灰度值最大点的灰度值，F_(N)为修正系数；

当

时，根据步骤2中的N_H＝256，计算获得N_L＝64，此时F_(N)＝1.11。

步骤5、根据公式（2）计算低温点的温度值T_L：

$T_L=T_H{\left(\frac{N_L}{N_H}\right)}^{\frac{1}{4}}{F}_{\left(N\right)}\·\·\·\left(2\right)$

式中：T_L为低温点的温度值，T_H为灰度值最大点的温度值；

根据公式（2）计算获得T_L，T_L＝1570k，至此获得两组数据（N_H，T_H）为（256,2000k）、（N_L，T_L）为（64,1570k）；

步骤6、根据公式（3)计算：

T＝a×N^b    …………（3）

式中：N为像素点的灰度值，T为像素点灰度值对应的温度值，a、b分别为常数，

将步骤5获得的两组数据（N_H，T_H）、（N_L，T_L）代入公式（3），求解公式（3）得到a=759.5408，b=0.1746。

步骤7，将步骤2中的n个像素点的灰度值N逐一代入公式（3），计算获得像素点灰度值对应的温度值T，共获得n组灰度值及其对应的温度值数据（N，T）；

步骤8、将n个温度值数据分为I个温度区域，记每个温度区域的平均温度为T_i，i＝1,2,……I，通过图像处理软件获得每个温度区域内像素点的面积，并根据公式（4）计算获得平均温度T_m：

$T_m=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i{S}_i}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}\·\·\·\left(4\right)$

式中：i为温度区域的序号，i＝1,2,……I，I为温度区域的个数，T_m为平均温度，T_i为温度区域的平均温度，S_i为温度区域的面积，单位为mm²。

本实施例中，最低温度从600k开始，最高温度为2300k，以100k为间隔，将温度区域划分为17个，图像处理软件为：MATLAB，美国MathWorks公司出品，2010版，通过软件计算获得温度区域的面积S_i，即可通过公式（4）计算得到T_m。

步骤9、计算|T_m-T_mc|，若|T_m-T_mc|≥20K，则认为步骤2中T_H在1800k～2300k区间的取值错误，返回步骤2重新取值，若|T_m-T_mc|＜20K，则认为步骤2中T_H取值正确，进入步骤10；

本实施例中，最后计算得到满足约束条件的灰度值与温度值的关系式如下：

T＝754.3278N^0.1832        …………（10）整个过程的循环计算流程图如图4所示。

步骤10、根据公式（10）T＝754.3278N^0.1832，实现彩色照片中任意像素点的灰度值计算获得对应的温度值。火焰照片和计算的温度场分布效果图如图5所示。

Claims (1)

1.一种基于内燃机缸内燃烧火焰摄影照片计算温度场的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、拍摄内燃机缸内燃烧火焰并获得彩色照片，记录照片对应的曲轴转角度数为

通过燃烧分析仪测得内燃机缸内燃烧压力，获得示功图，根据示功图的燃烧温度与曲轴转角的关系曲线，得到曲轴转角

所对应的温度，记为T_mc；

步骤2、在彩色照片中，像素点的数量为n，记像素点的灰度值为N，记灰度值最大点的灰度值为N_H，则N_H＝256；

步骤3、将灰度值最大点对应的温度值在1800k～2300k区间内取任意值，记为T_H；

步骤4、根据公式（1），

式中：N_L为低温点的灰度值，N_H为灰度值最大点的灰度值，F_(N)为修正系数；

当

时，根据步骤2中的N_H＝256，计算获得N_L＝64，此时F_(N)＝1.11；

步骤5、根据公式（2）计算低温点的温度值T_L：

$T_L=T_H{\left(\frac{N_L}{N_H}\right)}^{\frac{1}{4}}{F}_{\left(N\right)}\·\·\·\left(2\right)$

式中：T_L为低温点的温度值，T_H为灰度值最大点的温度值；

根据公式（2）计算获得T_L，至此获得两组数据（N_H，T_H）、（N_L，T_L）；

步骤6、根据公式（3)计算：

T＝a×N^b    …………（3）

式中：N为像素点的灰度值，T为像素点灰度值对应的温度值，a、b分别为常数，

将步骤5获得的两组数据（N_H，T_H）、（N_L，T_L）代入公式（3），求解公式（3）获得a和b的值；

步骤7，将步骤2中的n个像素点的灰度值N逐一代入公式（3），计算获得像素点灰度值对应的温度值T，共获得n组灰度值及其对应的温度值数据（N，T）；

步骤8、将n个温度值数据分为I个温度区域，记每个温度区域的平均温度为T_i，i＝1,2,……I，通过图像处理软件获得每个温度区域内像素点的面积，并根据公式（4）计算获得平均温度T_m：

$T_m=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i{S}_i}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}\·\·\·\left(4\right)$

式中：i为温度区域的序号，i＝1,2,……I，I为温度区域的个数，T_m为平均温度，T_i为温度区域的平均温度，S_i为温度区域的面积；

步骤9、计算|T_m-T_mc|，若|T_m-T_mc|≥20K，则步骤2中T_H在1800k～2300k区间的取值错误，返回步骤2重新取值，若|T_m-T_mc|＜20K，则认为步骤2中T_H取值正确，进入步骤10；

步骤10、根据公式（3）T＝a×N^b，实现彩色照片中任意像素点的灰度值计算获得对应的温度值。

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