CN111735632A - 一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法及测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于发动机测试技术领域，公开了一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法及测试装置。测试方法包括以下步骤：将燃料通过喷油嘴喷入定容装置形成喷雾；在距离喷油嘴不同位置处，通过激光装置产生的片光激光照射喷雾的截面，且同时通过成像装置对片光激光照射的喷雾截面进行成像，得到多组喷雾截面图像并合成三维喷雾形貌数据。测试装置包括定容装置、用于产生片光激光的激光装置、成像装置和用于将各喷雾截面图像合成三维喷雾形貌数据的控制处理装置。本发明所提供的通过一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法及测试装置，测试效率高、测试效果佳，可为发动机燃烧系统设计提供更为精确的边界条件，提高燃烧系统的开发工作效率。

Description

一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法及测试装置

技术领域

本发明属于发动机测试技术领域，尤其涉及一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法及测试装置。

背景技术

发动机是目前应用最为广泛的热功转化装置之一，由于发动机需要利用已混合好的燃油和空气的混合物自燃或点燃着火释放能量实现化学能向机械能的转化，燃油与空气混合过程是至关重要的步骤之一。在油气混合控制设计中，燃料喷雾的喷射状态又是主要影响因素。

由于发动机喷雾特性对油气混合气形成有直接影响，进而作用于燃烧及排放污染物生成过程，因此喷雾质量对发动机工作过程具有至关重要的影响。当前在发动机技术研究领域中，具体地在发动机喷雾特性研究方面，普遍采用高速摄影的方法来辨别喷油器喷雾特性设计的优劣，该测试方法具有较高的普适性和便利性，能够利用较低的成本及更为简洁的配置实现对喷射持续期短至0.8ms的喷雾进行宏观尺寸测量。由于发动机中的喷雾是处于一个快速变动的流动场环境中，喷雾的三维空间形貌对混合形成也必然产生显著影响。但对于传统高速摄影方法，受限于成像原理，只能实现喷雾的二维投影形状测量，不能对立体空间的形貌进行分析。

综上，传统喷雾设计开发过程常采用高速成像的方法快速获取喷雾的几何形态，但通过该方法获得的喷雾形态主要是二维的平面投影，若需要喷雾不同方向上的几何形态需要重新利用高速成像方法对不同方向上的形态进行重复测量，效率相对较低。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供了一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法及测试装置，其测试效率高、测试效果佳。

本发明的技术方案是：一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法，包括以下步骤：

制备用于测试的燃料和连接有喷油嘴的定容装置；

所述燃料通过喷油嘴喷入所述定容装置形成喷雾；

在距离所述喷油嘴不同位置处，通过激光装置产生的片光激光照射所述喷雾的截面，且同时通过成像装置对所述片光激光照射的喷雾截面进行成像，得到多组喷雾截面图像；

将多组所述喷雾截面图像合成三维喷雾形貌数据。

可选地，采用ICCD相机作为成像装置对所述片光激光照射的喷雾截面进行成像。

可选地，在距离所述喷油嘴不同位置处对喷雾截面进行成像的过程中，所述激光装置和所述成像装置同步沿远离所述喷油嘴的方向移动；或，所述定容装置移动使片光激光照射至不同位置的喷雾并使所述成像装置对相应不同位置的喷雾进行成像。

可选地，所述成像装置每次对喷雾截面成像时，所述激光片光始终处于所述成像装置的焦平面内。

可选地，所述喷油嘴喷油时触发同步控制信号，所述同步控制信号控制所述激光装置发射激光片光并控制所述成像装置对喷雾进行成像，然后，控制所述激光装置和成像装置同步向远离喷油嘴的方向移动设定步距，直至完成预定区间内的成像。

可选地，所述燃料为体积比9：1的异辛烷和丙酮混合物。

本发明还提供了一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置，包括定容装置，所述定容装置连接有用于喷射燃料并形成喷雾的喷油嘴；

所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括：用于产生片光激光并分别照射于所述喷雾距离所述喷油嘴不同位置处的激光装置；

所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括：用于对所述片光激光所照射不同位置处的喷雾进行同步成像以得到多组距离所述喷油嘴不同位置对应喷雾截面图像的成像装置；

所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括：用于将各喷雾截面图像合成三维喷雾形貌数据的控制处理装置。

可选地，所述成像装置包括像增强器和连接于所述像增强器的CCD相机。

可选地，所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括时序控制器；所述像增强器、所述CCD相机、所述激光装置及所述控制处理装置均电连接于所述时序控制器。

可选地，所述激光装置和所述成像装置分设于所述定容装置的两侧。

本发明所提供的通过一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法及测试装置，利用片光激光和ICCD(即CCD相机和像增强器的组合)配合获取不同喷雾距离位置处的喷雾截面的定量分布图像，通过叠加喷雾定量分布图像可以还原出喷雾喷射过程中任一时刻的三维空间形态分布，测试效率高、测试效果佳，可为发动机燃烧系统设计提供更为精确的边界条件，提高燃烧系统的开发工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置的原理示意图；

图2是本发明实施例提供的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法中片光激光和ICCD相机的移动过程示意图

图3是本发明实施例提供的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法中获得的喷雾三维空间形态测量结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。

另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法，包括以下步骤：

制备用于测试的燃料和连接有喷油嘴11的定容装置1(定容弹)，燃料可为普通燃料(例如规定标号的汽油或燃油)和示踪剂的混合物；

所述燃料通过喷油嘴11喷入所述定容装置1形成喷雾，定容装置1可具有封闭的内腔；

在距离所述喷油嘴11不同位置处，通过激光装置2产生的片光激光照射所述喷雾且同时通过成像装置3对所述片光激光照射的喷雾进行分别成像，得到多组喷雾截面图像(喷雾定量分布图像)；

将多组喷雾截面图像通过控制处理装置4合成三维喷雾形貌数据。

通过上述步骤，利用片光激光和成像装置3配合获取距离喷油嘴11不同位置喷雾位置处的喷雾截面的定量分布图像，通过控制处理装置4(电脑)叠加喷雾定量分布图像可以还原出喷雾喷射过程中任一时刻的三维空间形态(三维喷雾形貌数据)分布，测试效率高、测试效果佳。

具体地，可以采用ICCD相机作为成像装置3对所述片光激光照射的喷雾进行成像。ICCD综合了像增强器和CCD两项技术优势，像增强器获得光学信号二维分布或图像后，输出设定波长的光(例如550nm绿光)，经中继光学元件与可见光CCD耦合，CCD把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量。驱动器用一定频率的时钟脉冲驱动CCD，在CCD的输出端获得图像的电学信号。预处理对CCD输出信号进行放大处理后输出图像信号，信号中的每一离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序，ICCD相机其成像几何畸变极小，且对光的响应高度线性。

具体应用中，成像装置3每次对喷雾截面成像时，所述激光片光始终处于所述成像装置3(ICCD相机)的焦平面内。即，激光装置2发射的片光激光面与成像装置3的焦平面共面。激光装置2移动时，成像装置3也相应移动，使成像装置3的焦平面与激光装置2发射的片光激光保持共面。成像装置3和激光装置2可连接于控制处理装置4。本实施例中，成像装置3位于定容装置1外且朝向于所述喷油嘴11的方向，即成像装置3的光轴指向于喷油嘴11。激光装置2位于定容装置1外，激光装置2朝向于定容装置1，激光装置2的光轴垂直于成像装置3的光轴，这样，激光装置2发射的片光激光可与成像装置3的焦平面重合。

具体地，激光装置2所发射片光激光的平面始终和成像装置3上镜头的光轴在同一平面上，激光装置2和成像装置3可以固定于同一支架上并由驱动装置驱动而同步移动，当然，激光装置2和成像装置3也可以分设于不同的支架上并由对应的驱动装置驱动而同步移动。

具体地，在距离所述喷油嘴11不同位置处进行成像的过程中，所述激光装置2和所述成像装置3同步沿远离所述喷油嘴11的方向移动，即激光装置2发射片光激光照射喷雾的截面a，同时所述成像装置3对该截面a成像而获取该截面a对应的喷雾截面图像a。然后，激光装置2和成像装置3沿设定的方向移动设定的步距，激光装置2发射片光激光照射喷雾的另一位置的截面b，同时所述成像装置3对该截面b成像而获取该截面a对应的喷雾截面图像b；然后，激光装置2和成像装置3继续沿设定的方向移动设定的步距，激光装置2发射片光激光照射喷雾的另一位置的截面c，同时所述成像装置3对该截面c成像而获取该截面c对应的喷雾截面图像c，循环上述过程，获得喷雾截面图像d、e、f等，即所述激光装置2和所述成像装置3沿设定方向移动设定步距后，在喷雾空间范围内对相应的喷雾截面获取相应的喷雾截面图像，然后将各喷雾截面图像进行叠加合成处理成三维喷雾形貌数据。设定的方向可为向远离所述喷油嘴11的方向，即所述激光装置2和所述成像装置3同步沿成像装置3的轴线向远离所述喷油嘴11的方向移动。具体应用中，在初始状态下，成像装置3的焦平面和激光装置2的片光激光面调整至共面且距离喷油嘴11设定距离处，本实施例中，自距喷油器喷嘴10mm开始，所述激光装置2发射激光片光并控制所述成像装置3对喷雾进行成像，成像装置3和激光装置2同时沿成像装置3的光轴向远离喷油器喷嘴的方向移动设定的步距，设定的步距可为0.001mm至15mm,例如0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm、10mm等。具体可以根据需要选择、设定。图2所示为片光激光和ICCD的移动过程，图3为获得的喷雾三维空间形态测量结果图。

或者，作为替代方案，所述定容装置1移动使片光激光照射至不同位置的喷雾并使所述成像装置3对相应不同位置的喷雾进行成像，即所述激光装置2和所述成像装置3保持固定，通过移动定容装置1使喷油嘴11沿远离激光装置2和成像装置3光轴所在平面逐步移动，也可以形成对相应的喷雾截面获取相应的喷雾截面图像。

具体地，所述喷油嘴11喷油(燃料)时触发同步控制信号，所述同步控制信号控制所述激光装置2发射激光片光并控制所述成像装置3对喷雾进行成像，然后，控制所述激光装置2和成像装置3同步向远离喷油嘴11的方向移动设定步距，直至完成预定区间内的成像。喷油嘴11每喷油一次，激光装置2和成像装置3同步可沿设定的方向、设定的步距移动至少一次。

燃料可为异辛烷和丙酮的混合物，本实施例中，所述燃料为体积比9：1的异辛烷和丙酮混合物，异辛烷在激光激发情况下具有较弱的荧光效应，而丙酮则相反，因此可以利用丙酮的荧光位置判定喷雾的位置。

本发明实施例还提供了一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置，包括定容装置1，所述定容装置1连接有用于喷射燃料并形成喷雾的喷油嘴11，定容装置1的侧面可以设置有透明的窗口，以便于片光激光照射及通过成像装置3进行成像。

所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括：用于产生片光激光并分别照射于所述喷雾距离所述喷油嘴11不同位置处的激光装置2。

所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括：用于对所述片光激光所照射不同位置处的喷雾进行同步成像以得到多组距离所述喷油嘴11不同位置对应喷雾截面图像的成像装置3。

所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括：用于将各喷雾截面图像合成三维喷雾形貌数据的控制处理装置4，控制处理装置4可为电脑。

成像装置3和激光装置2可以同步移动，利用片光激光和成像装置3配合获取距离喷油嘴11不同位置喷雾位置处的喷雾截面的定量分布图像，通过计算装置(电脑)叠加喷雾定量分布图像可以还原出喷雾喷射过程中任一时刻的三维空间形态(三维喷雾形貌数据)分布，测试效率高、测试效果佳。

具体地，所述成像装置3可为ICCD相机(ICCD即Intens ified CCD，也称Intensified Charge-coupled Device，增强电荷耦合器件)，包括像增强器32和连接于所述像增强器32的CCD相机31(CCD，Charge-coupled Device，即电荷耦合器件，能够把光学影像转化为数字信号)，本实施例中，像增强器32通过光纤、电子管式或微通道板连接于CCD摄像机。ICCD相机31成像几何畸变极小，且对光的响应高度线性，利于精准记录喷雾截面图像。

具体地，激光装置2可包括激光器21的设置于激光器21前方的片光成型器22。激光器21可发射激光，激光的波长可为266nm的紫光。片光成型器22可将激光器21的激光处理为片光激光。

具体地，所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括时序控制器5；所述像增强器32、所述CCD相机31、所述激光装置2(激光器21)及所述控制处理装置4均电连接于所述时序控制器5。时序控制器5可以发送同步控制信号，所述喷油嘴11喷油(燃料)时触发同步控制信号，所述同步控制信号控制所述激光装置2发射激光片光并控制所述成像装置3对喷雾进行成像，然后，控制所述激光装置2和成像装置3同步向远离喷油嘴11的方向移动设定步距，直至完成预定区间内的成像。喷油嘴11每喷油一次，激光装置2和成像装置3同步可沿设定的方向、设定的步距移动至少一次。当然，时序控制器5可为独立器件，也可集成于控制处理装置4。

具体地，所述激光装置2和所述成像装置3分设于所述定容装置1的两侧，本实施例中，成像装置3位于定容装置1外且朝向于所述喷油嘴11的方向，即成像装置3的光轴指向于喷油嘴11。激光装置2位于定容装置1外，激光装置2朝向于定容装置1，激光装置2的光轴垂直于成像装置3的光轴，这样，激光装置2发射的片光激光可与成像装置3的焦平面重合。

激光装置2和成像装置3可以固定于同一支架上并由驱动装置驱动而同步移动，当然，激光装置2和成像装置3也可以分设于不同的支架上并由对应的驱动装置驱动而同步移动。驱动装置可为丝杆传动机构、直线电机、齿轮齿条机构等。

具体应用中，可先配制燃油和示踪剂成分，利用体积比9:1的异辛烷和丙酮混合物作为喷雾燃料成分；

再调节ICCD相机31焦平面处于激光片光平面上，使拍摄图像最为清晰；

将喷油器安装在定容装置1(定容弹)上，喷油器轴线方向垂直于激光方向，并自距喷油器喷嘴10mm开始，同时向远离喷油器喷嘴的方向移动ICCD相机31和片光激光，且保持片光激光始终处于ICCD相机31的焦平面上，若要提高空间形态的还原精度，可以调整移动步长低于10mm；

根据测量精度的不同，控制片光激光和ICCD相机31处于距喷嘴不同的位置；

控制喷油器喷油，利用控制处理装置4控制时序控制器5，设定不同设备的触发时序，分别触发激光装置2和ICCD相机31拍摄过程，捕捉距喷嘴不同位置处的喷雾截面形状的喷雾截面图像；

控制处理装置4将不同截面的喷雾截面图像进行叠加，可对喷雾喷射过程的三维空间结构进行还原，实现喷雾的空间形貌测量。

发动机喷雾喷射过程属于高压液体的快速射流范畴，往往会在几毫秒的时间内完成一次喷射过程，传统高速成像方法只能获得高速射流喷雾的二维投影图片。由于发动机燃烧系统设计是一个非常精密的过程，需要对喷油落点位置精确定位，以保证发动机燃烧室局部空间内混合气形成的效果，本发明所提供的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法及测试装置，与传统高速成像法喷雾测量过程相比，可以实现高速射流喷雾三维空间形态的准确测量，进而为发动机燃烧系统设计提供更为精确的边界条件，提高燃烧系统的开发工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备用于测试的燃料和连接有喷油嘴的定容装置；

所述燃料通过喷油嘴喷入所述定容装置形成喷雾；

在距离所述喷油嘴不同位置处，通过激光装置产生的片光激光照射所述喷雾的截面，且同时通过成像装置对所述片光激光照射的喷雾截面进行成像，得到多组喷雾截面图像；

将多组所述喷雾截面图像合成三维喷雾形貌数据。

2.如权利要求1所述的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法，其特征在于，采用ICCD相机作为成像装置对所述片光激光照射的喷雾截面进行成像。

3.如权利要求1所述的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法，其特征在于，在距离所述喷油嘴不同位置处对喷雾截面进行成像的过程中，所述激光装置和所述成像装置同步沿远离所述喷油嘴的方向移动；或，所述定容装置移动使片光激光照射至不同位置的喷雾并使所述成像装置对相应不同位置的喷雾进行成像。

4.如权利要求1所述的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法，其特征在于，所述成像装置每次对喷雾截面成像时，所述激光片光始终处于所述成像装置的焦平面内。

5.如权利要求1所述的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法，其特征在于，所述喷油嘴喷油时触发同步控制信号，所述同步控制信号控制所述激光装置发射激光片光并控制所述成像装置对喷雾进行成像，然后，控制所述激光装置和成像装置同步向远离喷油嘴的方向移动设定步距，直至完成预定区间内的成像。

6.如权利要求1至5中任一项所述的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试方法，其特征在于，所述燃料为体积比9：1的异辛烷和丙酮混合物。

7.一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置，其特征在于，包括定容装置，所述定容装置连接有用于喷射燃料并形成喷雾的喷油嘴；

所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括：用于产生片光激光并分别照射于所述喷雾距离所述喷油嘴不同位置处的激光装置；

所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括：用于对所述片光激光所照射不同位置处的喷雾进行同步成像以得到多组距离所述喷油嘴不同位置对应喷雾截面图像的成像装置；

所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括：用于将各喷雾截面图像合成三维喷雾形貌数据的控制处理装置。

8.如权利要求7所述的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置，其特征在于，所述成像装置包括像增强器和连接于所述像增强器的CCD相机。

9.如权利要求8所述的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置，其特征在于，所述发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置还包括时序控制器；所述像增强器、所述CCD相机、所述激光装置及所述控制处理装置均电连接于所述时序控制器。

10.如权利要求7至9中任一项所述的一种发动机用喷油器喷雾空间形貌测试装置，其特征在于，所述激光装置和所述成像装置分设于所述定容装置的两侧。

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