CN112540045B - 一种喷雾截面液相浓度的测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喷雾截面液相浓度测试系统，包括燃油供给模块、温度压力边界条件设定模块、光路组织布局模块、图像信号后处理模块等。其中燃油供给模块迅速精准地建立喷油压力，信号触发模块灵活调整激光触发和喷油触发的时序关系，温度边界条件设定模块解耦燃油温度与环境气体温度的控制，同时调节定容气体内的环境背压，光路组织模块产生1mm厚度片光在宽广空间尺度上切割喷雾体，并由图像信号后处理模块在线存储并处理喷雾截面的液相燃油浓度的几何信息。本发明提供的一种喷雾截面液相浓度测试系统，该测试系统采样时间短、响应速度快、测量精度高、实验工况条件控制精准、适用燃料种类广泛、可实现宽时间空间范围内的实时在线反馈测试。
Description
技术领域
本发明属于喷雾光学诊断领域，具体涉及一种喷雾截面液相浓度的测试系统。
背景技术
雾化是燃油在惯性力、空气剪切力、表面张力等内外力共同作用下的破碎成小液滴，进而加速液相燃料蒸发形成可燃混合气的过程，是诸如内燃机、航空发动机、火箭冲压发动机等动力机械中重要的物理过程。高热效率、低排放的现代发动机设计需要更加清晰地认识并理解缸内燃油的雾化过程以及燃油的详细空间分布信息，进而开发并改进喷雾蒸发模型，为仿真模拟工作提供坚实的理论指导。目前进气道燃料喷射(PFI)和缸内直喷(GDI)汽油机广泛应用压力雾化式多孔喷油器来实现燃油在宽广空间内的均匀分布，可以在不需要对喷油器结构做较大改进的前提下实现和旋流式喷嘴，空气辅助雾化喷嘴类似的良好雾化效果。
米氏散射是广泛应用于喷雾宏观形态可视化的诊断手段，散射光的强度与液滴表面积显著线性相关，可以用来定性表征喷雾蒸发过程中液相燃料浓度的时空分布。目前工业界和科研机构普遍采用连续宽广波段光源(如白炽灯、卤素灯、LED灯)来照亮喷雾，并用高速摄像机记录喷雾连续发展图像。但是通过宽光谱光源采集的图像亮度无法准确定量表征液相浓度，只能获得喷雾贯穿距、锥角等几何形态参数。且喷油器多采用顶置安装方案，难以通过合理简洁的光路布置获得多孔喷雾的瞬态时空浓度分布。
发明内容
鉴于以上所提到的喷雾光学诊断中存在的缺陷，本发明提供了一种喷雾截面液相浓度的测试系统，采用单色单脉冲激光片光照明+喷油器侧置安装方案，用于定量诊断喷雾过程中液相燃油在宽广时间空间范围内的分布情况。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种喷雾截面液相浓度的测试系统，包括燃油箱，滤清器，电动燃油泵，喷油器驱动器，信号延迟触发器，CCD相机，图像采集后处理上位机，Nd:YAG激光器，片光成形器，定容腔体，温控适配器，以及喷油器；其中，储存于燃油箱中的燃油，经过滤清器过滤杂质后并由电动燃油泵加压至设定工况的燃油压力，输送至喷油器进油口；喷油器由环形法兰固定在温控适配器上，并安装于定容腔体上；喷油器驱动器接受到信号延迟触发器产生的触发信号，产生标定的电流信号驱动喷油器内置电磁阀开启，触发喷油过程；信号延迟触发器同时给Nd:YAG激光器、CCD相机输出同步触发信号，产生纳秒级激光冻结喷雾过程；Nd:YAG激光器出口激光光束经由片光成形器整形调谐后生成1mm后的薄片激光，用于切割喷雾指定空间位置，从而获得宽广空间范围内瞬态喷雾信息；采集的宽时空范围内的喷雾图像由图像采集后处理上位机记录，并基于后处理程序获得喷雾截面液相浓度分布信息。
本发明进一步的改进在于，电动燃油泵的出口处设置有质量流量计。
本发明进一步的改进在于，激光器采用单色532nm高能Nd:YAG激光光源和纳秒级时间尺度的激光内置Q开关，能够冻结喷雾图像，获得喷雾瞬态空间分布信息。
本发明进一步的改进在于，片光成形器安装在电动三维位移台上，能够灵活调节片光和喷嘴出口的相对位置，获得宽广空间内的瞬态喷雾信息。
本发明进一步的改进在于，CCD相机采用百万像素级高分辨率CCD相机，CCD相机能够过滤掉实验环境中的杂光信号以及燃油由激发态回到基态发出的微弱荧光信号，保证相机采集到的信号主要是喷雾截面的米氏散射信号。
本发明进一步的改进在于，Nd:YAG激光器、片光成形器、CCD相机和定容腔体均安装于光学平台上。
本发明进一步的改进在于，定容腔体内置有4根对称布置的加热棒，并配套内嵌式热电偶和PID温度控制策略，根据实验工况灵活调整定容腔体内环境温度在±1K。
本发明进一步的改进在于，定容腔体入口处安装球阀连接高压瓶，且出口有三通接口外接真空泵，以建立定容腔体内部宽范围准稳态的初始环境气体压力在0.01-5MPa。
本发明进一步的改进在于，采用恒温水浴箱控制的喷油器驱动器，通过PID控制调节恒温水浴箱的水温，能够灵活精准地控制适配器的温度，进而调控适配器内的燃油温度，实现0-100℃宽工况范围内的燃油温度设定。
本发明进一步的改进在于，采用图像采集后处理上位机耦合CCD相机信号输出端，并记录存储拍摄图像，结合图像后处理程序实时在线提取喷雾截面液相信息。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种喷雾截面液相浓度的测试系统，该测试系统时间响应快，测量精度高，实验工况控制精准，适用于宽广时间空间的尺度范围内片光截面信息的采集。
本发明通过采用喷油器侧置式的安装方式，可以在不借助导光臂等复杂光学设备的前提下，采用简单快捷的光路实现对多孔喷雾喷射过程中瞬态截面液相浓度信号的采集和分析，降低了对于实验光路布置以及操作员的要求。
本发明结合定容腔体和温控适配器的优点，可以解耦燃油温度和环境温度的分级调控，实现不同油温和气温喷射组合下的喷雾宏观形态观测，可以对截面液相浓度开展更加丰富的参数化研究。
本发明选用的高温高压定容腔体，可以实现宽广压力范围(0.01-5MPa)准稳态气体环境，达到部分燃料的临界工况点，将测试工况拓展至亚/超临界范围，可以探究临界状态附近参数附近喷雾截面的液相浓度信息
本发明利用信号延迟触发器灵活调节喷油信号，激光发射信号以及相机拍摄信号三者间的时序关系，将高速瞬态的喷雾过程在时间尺度上切割，可以获得全喷雾发展阶段截面液相浓度信息的采集。
本发明将自编写的图像后处理软件耦合进图像采集上位机，可以实时在线地获得测定工况条件下的喷雾截面信号，并基于操作员的经验快速地调整实验工况，提高了测试过程的效率，缩短了实验所需的耗费的人力物力。
综上所述，本发明提供的一种喷雾截面液相浓度的测试系统，片光成形器将单色瞬态激光转变成1mm厚度片光，通过燃油供给系统建立喷油器预设压力后，信号延迟触发器协调喷油信号、激光信号以及相机采集信号的时序关系，可以获得在宽广时间空间范围内的喷雾截面液相浓度信息。结合水浴温控适配器以及温度压力可控定容腔体，可以精准控制实验工况条件，实现了冷态、蒸发态以及亚/超临界点附近的雾化物理过程研究。
附图说明
图1为本发明一种喷雾截面液相浓度的测试系统的结构示意图。
图2为本发明定容腔体的分解爆炸图。
图3为本发明温控适配器的零件图以及剖面图，图3(a)为零件图，图3(b)为剖面图。
附图标记说明：
1-燃油箱，2-滤清器，3-电动燃油泵，4-质量流量计，5-喷油器驱动器，6-信号延迟触发器，7-CCD相机，8-图像采集后处理上位机，9-Nd:YAG激光器，10-片光成形器，11-定容腔体，12-温控适配器，13-喷油器；
1101-喷油器安装端盖，1102-定容腔壳体，1103-侧端盖a，1104-石英玻璃a，1105-侧端盖b，1106-石英玻璃b，1107-侧端盖c，1108-石英玻璃c，1109-侧端盖d，1110-石英玻璃d。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种喷雾截面液相浓度的测试系统，包括燃油箱1，滤清器2，电动燃油泵3，质量流量计4，喷油器驱动器5，信号延迟触发器6，CCD相机7，图像采集后处理上位机8，Nd:YAG激光器9，片光成形器10，定容腔体11，温控适配器12，喷油器13。可以按照具体使用功能分为：燃油供给模块，信号触发控制模块、温度压力边界条件设定模块、光路组织布局模块以及图像信号采集后处理模块。
燃油供给模块部分，待测试燃油存储于燃油箱1，封闭式的油箱设计可以容许测试饱和蒸气压较大的燃料，同时避免测试环境被挥发出的燃料污染，保护实验室清洁和操作人员安全。电动燃油泵3通过柱塞运动产生负压将燃油从油箱中抽出，并经过滤清器2过滤后，加压输送至喷油器13，用以建立初始压力。滤清器2采用滤纸型滤芯，将燃油里面的氧化铁、粉尘等杂志过滤掉，适用于GDI汽油喷油器等对喷油压力要求不高的应用场景，可以有效降低实验成本。安装于燃油入口管路中的质量流量计4采用科氏质量流量计用于检测燃油喷射过程中喷油质量。
信号触发模块由信号延迟触发器6、喷油器驱动器5、Nd:YAG激光器9、CCD相机7构成。信号延迟触发器6选用DG 645脉冲信号延迟发生器，同步输出4通道的方波触发信号，信号的幅值以及脉宽可以根据待触发元器件设计要求调节。4个通道的信号的时序关系可以灵活调整，从而将激光的触发时间设定在喷油触发后的任意时刻，相机触发时间与激光触发时间同步，获得喷雾形态在宽广时间尺度上的瞬态信息。
温度压力边界条件设定模块主要包含两个子模块，分别为燃油温度边界条件设定和定容腔体11温度压力边界条件设定子模块。燃油温度边界条件由温控适配器12实现。喷油器13通过环形压块固定于温控适配器12上，图3为温控适配器的零件图(a)和剖面图(b)。温控适配器12上端面留有水浴管路接口，可以外接水浴箱让恒温水在适配器和水浴箱之间循环流动起来，从而通过控制恒温水的温度来调控适配器温度，进而控制燃油温度。温控适配器12内部加工有循环水道，可以让恒温水在适配器内部充分流动达到准稳态热平衡，保证可以准确快速地调控燃油温度。
图2为定容腔体的爆炸视图，由喷油器安装端盖1101，定容腔壳体1102，侧端盖a-1103，石英玻璃a-1104，侧端盖b-1105，石英玻璃b-1106，侧端盖c-1107，石英玻璃c-1108，侧端盖d-1109，石英玻璃d-1110。喷油器13通过温控适配器12侧面安装与定容腔体端盖1101上，端盖1101与定容腔壳体1102通过8个紧固螺栓固定并用铜垫密封，可以实现高温高压条件下的可靠密封效果，耐久效果好。腔体侧面由3套大尺寸侧面视窗套件(侧端盖+石英玻璃，1103-1104，1107-1108，1109-1110)和一套小尺寸侧面视窗套件(1105-1106)构成。腔体底面安装有进排气管路接口和阀门，可以通过高压气瓶充气和真空泵抽气来控制定容腔体内部准稳态压力，管路接口采用1/4NPT螺纹连接并辅以生胶带密封，可以实现0.01-5MPa宽工况范围下的容腔压力调节。定容腔体内部侧面(侧端盖b-1105)位置处对称安装有4根200W加热棒，并内置PT100热电偶探头对容腔内部温度进行PID调节，可以实现容弹内20-300℃温度范围调节。实践证明，定容腔体11内部的极端高温高压工况可以达到部分燃料的临界工况点，从而可以实现跨临界喷雾燃烧的基础理论研究。
光路组织布局模块由Nd:YAG激光器9和片光成形器10构成。Nd:YAG激光器9在接收到信号延迟触发器6的触发信号后，内部的Q开关开启，经过倍频晶体调谐的532nm波长的光束(5mm)由Nd:YAG激光器9出口发射出，经过片光成形器10整形为约1mm厚度的激光片光。片光成形器10由一组不同焦距的凹面柱面镜组合而成。Nd:YAG激光器9和片光成形器10均安装于三维位移台上，并固定于减震光学平台，可以实现稳定可靠的准直光源，同时调节片光中心面与喷孔的轴向位置，从而可以在宽广的空间范围内捕获喷雾截面的液相浓度信息。
图像信号采集后处理模块由CCD相机7和图像采集后处理上位机8构成。相机接收到喷雾截面的米氏散射光强信号，通过内置的电荷耦合器转化成电压信号，由上位机内置程序转变成对应喷雾图像，再由自行编写的图像后处理代码进行视窗边框校正、并提取喷雾油束落点质心位置分布、油束截面面积大小等几何参数信息。相机采用百万像素级高分辨率CCD相机，相较于传统高速摄像机，可以捕捉更加小尺寸范围内的几何结构。相机镜头前安装有532nm(±10nm)的窄带滤波片，能够过滤掉实验环境中的杂光信号以及燃油由激发态回到基态发出的微弱荧光信号，保证相机采集到的信号主要是喷雾截面的米氏散射信号。
下面对该喷雾截面液相浓度的测试系统进行详细描述。
实验开始前准备工作的第一步就是将喷油器13、温控适配器12、定容腔体通过螺栓固定连接起来，将喷油器13安装在定容腔体侧面安装端盖。连接燃油箱1出口、滤清器2、电动燃油泵3和质量流量计4，并通过快速接头插件将喷油器13进油口与质量流量计4出口管路密封组装，喷油器13回油口将过量燃油重新倒回燃油箱1。开启电动燃油泵3，建议预设定的喷油压力，等待喷油器驱动器5信号触发开启喷油过程。需要更换不同测试燃料时，无需将喷油器13整体从定容腔体11拆装下来，只需要拔开快速接头插件，更换燃油箱1中的燃油，然后再通过快速接头插件连接质量流量计4和喷油器13进油口，避免了拆卸喷油器13过程中，喷油器13径向安装位置改变对实验结果带来的负面影响。
第二步是将温控适配器12的恒温水进出口与恒温水箱通过软管连接，连接口处用卡箍固定密封，防止恒温水向外渗出泄露。通过PID负反馈调节水箱的恒温水温度，从而控制适配器温度和喷油器13内的燃油温度。当需要改变燃油温度时，通过调节恒温水箱加热功率控制水箱出口水温，经过30分钟循环后，可以保证适配器温度与恒温水达到热交换平衡状态。
第三步是布置Nd:YAG激光器9、片光成形器10、喷油器13以及CCD相机7的空间位置，使得片光成形器10出口的片光方向垂直于喷油器13轴线，且平行于CCD相机7的焦平面位置。旋转片光成形器10的调焦旋钮，将片光厚度控制在1mm左右。操纵电控位置台，将片光位置调节至喷油器13出口一定轴向位置处，可以获得特定喷油截面的液相燃油分布信息。调节相机安装三脚架的支架高度，使相机中心线与喷油器13轴向处于同一高度位置。通过观察三脚架上端的安装云台的水平仪气泡偏移，将相机的空间位置调至水平。
第四步是调节信号延迟触发器6的触发信号时序，可以灵活控制激光发射时刻与喷油开始时刻之间的时序关系，获得喷油开始后特定时刻的液相燃油截面信息。通过软件模块远程控制将激光光强控制在合适的范围内，避免超过CCD相机7的光强测量阈值，永久损坏相机的内部感光芯片。
第五步是信号延迟触发器6同时给喷油器驱动器5、激光和相机同时输出方波触发信号，喷油器驱动器5将方波信号调制解调成喷油器13标定的驱动电流信号，从而触发喷油过程。激光延迟时刻可以灵活调节，相机感光CCD芯片记录下不同触发延迟下的喷雾截面液相燃油浓度分布信号并在线传输至图像采集后处理上位机8。通过图像后处理软件实现原始图片去边界、边缘检测质心位置分布、以及液相截面面积计算可以获得宽时间空间范围内的喷雾截面液相浓度的瞬态分布。并且实时在线地根据图像后处理的结果灵活迅速地调节实验边界条件工况，大大加快时间进度以及操作便捷性。
Claims (5)
1.一种喷雾截面液相浓度的测试系统，其特征在于，包括燃油箱（1），滤清器（2），电动燃油泵（3），喷油器驱动器（5），信号延迟触发器（6），CCD相机（7），图像采集后处理上位机（8），Nd:YAG 激光器（9），片光成形器（10），定容腔体（11），温控适配器（12），以及喷油器（13）；其中，
储存于燃油箱（1）中的燃油，经过滤清器（2）过滤杂质后并由电动燃油泵（3）加压至设定工况的燃油压力，输送至喷油器（13）进油口；喷油器（13）由环形法兰固定在温控适配器（12）上，并侧面安装于定容腔体（11），喷油器与CCD相机（7）同轴布置，方便直接观测油束底面截面；喷油器驱动器（5）接受到信号延迟触发器（6）产生的触发信号，产生标定的电流信号驱动喷油器（13）内置电磁阀开启，触发喷油过程；信号延迟触发器（6）同时给Nd:YAG 激光器（9）、CCD相机（7）输出同步触发信号，产生纳秒级激光冻结喷雾过程；Nd:YAG 激光器（9）出口激光光束经由片光成形器（10）整形调谐后生成1 mm后的薄片激光，用于切割喷雾指定空间位置，从而获得宽广空间范围内瞬态油束底面截面信息；采集的宽时空范围内的喷雾图像由图像采集后处理上位机（8）记录，并基于后处理程序获得喷雾截面液相浓度分布信息；
激光器（9）采用单色532 nm高能Nd:YAG激光光源和纳秒级时间尺度的激光内置Q开关，能够冻结喷雾图像，获得油束底面截面的瞬态空间分布信息；
采用图像采集后处理上位机（8）耦合CCD相机（7）信号输出端，并记录存储拍摄图像，结合图像后处理程序实时在线提取油束底面截面液相信息；
定容腔体（11）内置有4根对称布置的加热棒，并配套内嵌式热电偶和PID温度控制策略，根据实验工况灵活调整定容腔体（11）内环境温度在±1 K；
定容腔体（11）入口处安装球阀连接高压瓶，且出口有三通接口外接真空泵，以建立定容腔体（11）内部宽范围准稳态的初始环境气体压力在0.01-5 MPa；
采用恒温水浴箱控制的喷油器驱动器（5），通过PID控制调节恒温水浴箱的水温，能够灵活精准地控制适配器的温度，进而调控适配器内的燃油温度，实现0-100℃宽工况范围内的燃油温度设定。
2.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相浓度的测试系统，其特征在于，电动燃油泵（3）的出口处设置有质量流量计（4）。
3.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相浓度的测试系统，其特征在于，片光成形器（10）安装在电动三维位移台上，能够灵活调节片光和喷嘴出口的相对位置，获得宽广空间内的瞬态喷雾信息。
4.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相浓度的测试系统，其特征在于，CCD相机（7）采用百万像素级高分辨率CCD相机，CCD相机（7）能够过滤掉实验环境中的杂光信号以及燃油由激发态回到基态发出的微弱荧光信号，保证相机采集到的信号主要是喷雾截面的米氏散射信号。
5.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相浓度的测试系统，其特征在于，Nd:YAG 激光器（9）、片光成形器（10）、CCD相机（7）和定容腔体（11）均安装于光学平台上。
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