CN112683853B - 一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统。喷油器侧面安装于定容腔体，双脉冲激光片光切割喷雾体截面，并由双曝光相机采集米氏散射信号。信号延迟触发器协调喷油、激光和相机时序关系。利用Zeuch压磁法测量计算脉冲间隔内的喷油质量，结合截面光强分布获得液相燃料当量比的定量空间分布。本发明提供的一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，该测试系统时间响应速度快，空间测量范围广，光路布置简单快捷，适用于诊断非蒸发态多孔喷雾雾化效果的空间分布。

Description

一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统

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燃料当量比的定量测试系统。

背景技术

喷雾是液态燃料在气动力、惯性力以及表面张力等共同作用主导下的液柱破碎，小尺寸液滴生成，加快燃料蒸发最终形成可燃混合气的过程，是动力机械的燃烧室内部直接决定燃烧效率和污染物排放水平的先导过程。燃料的当量比是反映雾化形成的可燃混合气燃料与氧化剂的相对含量关系，定义为完全燃烧理论所需要的空气量与实际供给得空气量之比，当量比小于1表示空气量过剩。准确地测量燃烧室内部不同空间位置的燃料当量比分布，以及当量比随时间发展的演化关系，对于合理设计优化燃烧机几何结构，调整合适的喷油策略用以匹配油束空间分布和燃烧室结构有着重大科学意义和理论指导价值。

目前多采用相关经验公式来预测当量比的空间分布关系，缺乏准确的实验数据来验证不同工况条件下经验模型的可靠性。激光吸收散射(LAS)可以同时获得气相和液相的燃料当量比，但该测试技术是基于单束理想喷雾圆锥体的假设来对喷雾图片进行后处理，适用的实验对象比较单一且有很大的局限性。实际发动机中多采用多油束，非理想对称的喷雾结构来拓宽喷雾油束在燃烧室内部的空间分布范围，目前还缺乏有效的光学诊断手段来针对上述实际复杂喷雾结构进行定量的喷雾截面液相燃料当量比的测试系统。

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燃料当量比的定量测试系统，采用单色双脉冲Nd:YAG激光片光照明+喷油器侧置安装方案，配合Zeuch压磁法喷油速率仪测得相应喷射工况下喷油率曲线，用于定量诊断非蒸发喷雾过程中液相燃料当量比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：

一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，包括燃油箱，滤清器，电动燃油泵，压力变送器，喷油器驱动器，信号延迟触发器，CCD双曝光相机，图像后处理上位机，Zeuch喷油速率测量仪，Nd:YAG双脉冲激光器，片光成形器，定容腔体，温控适配器，以及喷油器；其中，电动燃油泵将燃油从燃油箱中抽出，经过滤清器过滤杂质后，通过电动燃油泵加压并输送至喷油器入口端，安装于管路中的压力变送器用于监控燃油喷射过程中管路压力波动；喷油器通过温控适配器匹配安装于定容腔体侧面；信号延迟触发器调谐Nd:YAG双脉冲激光器，Nd:YAG双脉冲激光器接收到信号延迟触发器传输的短延迟两帧脉冲触发信号后，Nd:YAG双脉冲激光器内部Q开关开启，两束激光光束从Nd:YAG双脉冲激光器出口先后射出，经过片光成形器整形后转变成1mm后的激光片光，调节片光成形器的位置、焦距以及偏转角度，使片光面垂直于喷油器轴线方向；调节Nd:YAG双脉冲激光器和喷油器驱动器的触发信号时序关系，获得喷油后特定延迟时刻的连续两帧曝光喷雾截面图像，并由CCD双曝光相机采集两帧图像信号，存储于图像后处理上位机中；通过Zeuch喷油速率测量仪测出相同喷油策略下的燃料质量流率，进一步通过梯形数值积分计算连续两帧图像曝光过程中的总燃油喷射量。

本发明进一步的改进在于，激光器采用单色532nm高能Nd:YAG双脉冲激光光源冻结喷雾图像，获得短暂时间间隔内连续两帧喷雾截面光强分布信号。

本发明进一步的改进在于，相机采用高分辨率CCD双曝光相机，能够高效迅速捕获短延迟双帧喷雾截面图像。

本发明进一步的改进在于，CCD双曝光相机镜头前安装有532nm±10nm窄带滤波片，用于过滤环境干扰杂光。

本发明进一步的改进在于，耦合Zeuch喷油速率测量仪测量两帧激光曝光间隔内喷射的燃油质量。

本发明进一步的改进在于，采用水浴温控适配器控制燃油温度。

本发明进一步的改进在于，定容腔体进排气接口采用1/4NPT螺纹配合密封胶实现可靠密封；定容腔体进排气接口采用卡扣式管路连接优化管路走线布局。

本发明进一步的改进在于，喷油器侧置式安装于定容腔体上。

本发明进一步的改进在于，采用图像后处理代码对两帧曝光图像进行几何平均，依据光强分布和总喷油质量推算液相燃油质量的空间分布。

本发明进一步的改进在于，采用信号延迟触发器协调喷油触发时刻，第一帧激光触发时刻、第二帧激光触发时刻、第一帧相机曝光时刻以及第二帧相机曝光时刻之间的时序关系，实现不同喷油后时刻，不同激光间隔下的喷雾截面信息捕获。

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燃料当量比的定量测试系统，该测试系统采用非接触式激光诊断技术，瞬态响应快，测量精度高，光路布置简单快捷，测试环境压力调节范围宽广。

本发明通过采用喷油器侧置式的安装方式，可以通过在喷油器正对石英窗口布置相机，喷油器侧面石英窗口布置激光照明的简单光路布局，实现喷雾截面米氏散射光强信息的采集。

本发明采用单色532nm激光发射器，结合在相机前安装532nm(±10nm)窄带滤波片可以排除环境杂光对散射光强信号的干扰。

本发明采用双脉冲激光曝光技术获得两次曝光时刻下的喷雾截面光强分布，耦合Zeuch喷油速率测量仪采集的喷油速率曲线，可以定量精确地计算出截面处燃料浓度的空间分布情况。

本发明利用信号延迟触发器协调喷油触发信号，第一/第二帧激光触发信号以及第一/第二帧相机曝光信号三者间的时序关系，在宽广时间尺度上切割发展过程中的喷雾体，采集全喷雾发展阶段截面的液相浓度分布信号。

本发明片光截面相对于喷油器出口的轴向距离可调，可以根据实验工况要求可以分别研究喷雾近场，喷雾中游以及喷雾远场的截面液相燃料当量比分布，获得宽广空间尺度上的瞬态喷雾落点分布信息。

本发明采用的图像后处理程序可以实时在线地对连续两帧喷雾图像进行光强平衡修正，几何平均处理以及提取浓度等高线等操作，并基于图像处理结果迅速灵活调整地实验工况。

综上所述，本发明提供的一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，Zeuch喷油速率测量仪测量设定工况下的燃料喷射速率，1mm厚度的片光切割喷雾体提取喷雾截面内部细节，双脉冲激光配合双曝光相机捕获两帧连续曝光的瞬态喷雾截面图像。依据测量获得的燃料喷射速率曲线，通过梯形积分获得设定的两帧曝光延迟时间内燃料的喷射质量，结合图片几何平均处理后的光强分布，可以获得喷雾截面不同空间位置处的燃料质量分布信息。结合理想气体状态方程，可以计算处1mm厚度片光内卷吸的空气质量空间分布信息。依据燃料当量比的定义可以定量测量出喷雾截面处瞬态液相燃料当量比的空间分布。

附图说明

图1为本发明一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统的结构示意图。

图2为本发明Zeuch喷油速率测量仪的结构以及操作示意图。

附图标记说明：

1-燃油箱，2-滤清器，3-电动燃油泵，4-压力变送器，5-喷油器驱动器，6-信号延迟触发器，7-CCD双曝光相机，8-图像后处理上位机，9-Zeuch喷油速率测量仪，10-Nd:YAG双脉冲激光器，11-片光成形器，12-定容腔体，13-温控适配器，14-喷油器；

第一油箱901、第一滤清器902、电动燃油泵903、高压共轨904、喷油器a905、喷油器适配压块906、测量仪上端盖907、压力表908、第一球阀909、手动泵9010、第二滤清器9011、第二油箱9012、针阀9013、第二球阀9014、测量仪主体9015、压力传感器9016、电荷放大器9017、示波器9018、信号发生器9019以及上位机9020。

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燃料当量比的定量测试系统，包括燃油箱1，滤清器2，电动燃油泵3，压力变送器4，喷油器驱动器5，信号延迟触发器6，CCD双曝光相机7，图像后处理上位机8，Zeuch喷油速率测量仪9，Nd:YAG双脉冲激光器10，片光成形器11，定容腔体12，温控适配器13，以及喷油器14。可以按照具体使用功能分为：燃油喷射压力建立模块，触发信号同步模块、机械结构安装模块、光学诊断模块、喷油速率测量模块以及数据后处理模块。

燃油喷射压力建立模块的主要功能是给喷油器14提供稳定精确的设定喷射液压，并监测喷油过程中管道内的压力波动情况。电动燃油泵3通过滤清器2将测试燃油从燃油箱1中抽出并过滤掉粉尘、氧化物等杂质，经过内部柱塞加压后输送至喷油器14，压力变送器4安装于液压管路监测喷油压力以及喷射过程中的管道压力波动。

触发信号同步模块由信号延迟触发器6，喷油器驱动器5，Nd:YAG双脉冲激光器10以及CCD双曝光相机7构成。其中喷油器驱动器5将信号延迟触发器6输送来的方波压力信号通过内部运算放大电路整流成可以驱动喷油器14内部电磁阀开启的标定电流信号。信号延迟触发器6在触发喷油过程同时，同步输出双脉冲方波信号至Nd:YAG双脉冲激光器10和CCD双曝光相机7触发双脉冲激光发射过程以及CCD双曝光相机7捕获过程。通过调谐延迟触发器调节激光信号相对于喷油信号的延迟，并控制双脉冲信号的时间间隔，可以在宽时间范围内获得喷油开始后不同时刻截面液相米氏散射光强信号，以及不同脉冲间隔下的双帧曝光图片组合。

机械结构安装模块包括喷油器14、温控适配器13以及定容腔体12。为方便捕获喷雾截面的落点光强分布，本发明选择将喷油器14侧面安装于定容腔体12侧面端盖，并在喷孔正对面安装石英玻璃视窗，便于灵活方便布置米氏散射光路。同时温控适配器13连接冷却水箱，将燃油温度控制在室温20℃，防止由于燃油泵加压导致燃油温度升高，过多燃料在喷射过程中蒸发造成较大测量误差。喷油器14与温控适配器13采用周向六螺栓固定式的法兰盘连接，并配合聚四氟乙烯垫片形成高压可靠密封结构。喷油器14进油口采用快速接插件连接，方便更换燃料在相同测试条件下进行截面液相燃料当量比的定量测量，无需重新拆卸喷油器14保证喷油器14径向安装位置恒定。

光学诊断模块由信号延迟触发器6，Nd:YAG双脉冲激光器10，片光成形器11和CCD双曝光相机7组成。Nd:YAG双脉冲激光器10接收到信号延迟触发器6传输的第一帧触发信号后，Nd:YAG双脉冲激光器10内部Q开关开启，直径5mm左右的激光光束从Nd:YAG双脉冲激光器10出口射出，经过片光成形器11整形后转变成1mm后的激光片光，调节片光成形器11的位置、焦距以及偏转角度，使片光面垂直于喷油器轴线方向。调节CCD双曝光相机7的第一帧曝光时序，使第一帧激光的光强信号时序长度完全被CCD双曝光相机7的曝光时序长度覆盖，提高激光米氏成像的保真度。调谐第一帧激光信号和第二帧激光信号的时间间隔关系，继续按照相同的方式捕获第二帧喷雾截面光强信号。由于单色激光照明条件下，喷雾截面图像的光强分布与液相燃料的浓度成正相关关系，故根据连续性原理可以计算截面处局部微小空间位置上的燃油喷射质量。结合标定为1mm的片光厚度以及数值计算出的截面液相燃料的总面积，可以求出截面处局部空间位置卷吸的环境空气质量。依据实际燃空比与理论燃空比的比例关系，可以定量表征喷雾截面处的燃料当量比分布，并绘制等高线云图。

喷油速率测量模块包括Zeuch喷油速率测量仪9的机械单元主体、配套液压管路以及信号采集分析系统。具体结构如图2所示，组成构件包括：第一油箱901、第一滤清器902、电动燃油泵903、高压共轨904、喷油器a905、喷油器适配压块906、测量仪上端盖907、压力表908、第一球阀909、手动泵9010、第二滤清器9011、第二油箱9012、针阀9013、第二球阀9014、测量仪主体9015、压力传感器9016、电荷放大器9017、示波器9018、信号发生器9019以及上位机9020。喷油器向一个充满燃油的密闭刚性容器中喷入燃油，根据燃油的不可压缩原理可以推算出容器内压力上升和喷入燃油量之间成正比关系，进而通过压力传感器获得喷油过程中的容腔压力变化曲线，根据相同喷射压力、喷油脉宽下的单次喷油量标定结果，可以将容腔内压力变化曲线表变换为喷油量曲线，对喷油量曲线低通滤波，Savitzky-Golay平滑后进行数值微分，并继续对微分结果平滑滤波后就可以获得喷油速率曲线，获得喷射过程中单位时间内燃料喷油量的波动变化。结合信号延迟触发器6输出给激光的触发信号延迟以及两帧触发信号间隔，可以通过对喷油速率曲线梯形积分获得两次曝光间隔内的喷油器出口喷油质量，根据流体的连续性原理，流过两帧喷雾截面内的喷油质量即为出口喷油质量。

数据后处理模块由CCD双曝光相机7，Zeuch喷油速率测量仪9和图像后处理上位机8构成。CCD双曝光相机7将捕获的双帧曝光米氏散射光强信号通过内部CCD芯片算法转成成图片灰度值信号，并实时在线传输至图像后处理上位机8。上位机中内置有的图像后处理算法，可以对双曝光图片进行几何平均、边界裁剪、光强补偿、边缘检测、油束质心分布、油束几何面积以及光强等高线云图的绘制。结合Zeuch喷油速率测量仪9标定得到的双帧曝光间的喷油质量，根据图片的不同空间位置的光强分布，计算出喷雾截面的液相燃油质量的空间分布信息。基于理想气体状态方程、油束几何面积以及片光厚度，可以计算出喷雾截面卷吸空气的质量空间分布信息，从而实现了对液相燃料当量比空间分布的定量测量。

下面对该喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统进行详细描述。

激光实验开始前的第一步工作是首先将待测试的喷油器安装固定于Zeuch喷油速率测量仪9上，往机械测量单元内泵入同种类燃油并建立初始背压，按照既定的喷油策略(单/多段喷射，喷射压力，脉宽)开启喷油过程，通过压力传感器9016、电荷放大器9017将机械单元内压力变化信号转化成电信号并放大由示波器9018显示并记录存储。通过图像后处理上位机8对原始压力信号进行滤波微分并标定为喷油量信号，对其进一步微分后滤波平滑可以获得喷油速率随喷射时间的发展变化趋势。

第二步是将测完喷油速率的喷油器14通过温控适配器13安装于定容腔体12的侧面端盖，采用六根周向螺栓配合安装法兰内部聚四氟乙烯垫片将喷油器与适配器完成密封配合。连接燃油喷射压力建立模块，燃油箱1中燃油过滤加压后输送至喷油器进油口，并实时监测管路中压力变送器4读数，保证管道内压力的稳定。连接温控适配器13的进出水口，通入冷却水将燃油温度恒定在室温20℃，避免燃油加压过程造成的温升影响液相燃油量的标定。

第三步是搭建双脉冲激光片光发射光路以及CCD双曝光相机7采集光路。其中CCD双曝光相机7固定于三脚架云台，放置于喷孔轴线正对侧面，通过调节三脚架高度、云台水平仪和镜头焦距使得喷孔清晰成像于视窗的中心位置。调节Nd:YAG双脉冲激光器10出口中心高度和片光成形器11位置，使激光光束完全进入片光成形器11转变成1mm厚的片光。调节片光中心面与喷孔的轴向位置，可以获得喷雾近场，喷雾充分发展中下游以及喷雾远场的瞬态截面信息。

第四步是连接信号延迟触发器6与喷油器驱动器5，Nd:YAG双脉冲激光器10和CCD双曝光相机7的触发电路BNC接口。调节喷油触发上升沿与激光第一次触发上升沿和第二次触发上升沿的时序延迟，可以获得喷雾后特定时刻的连续两帧瞬态曝光信息，调节CCD双曝光相机7的曝光时序，使得激光持续时间完全被CCD双曝光相机7曝光时间覆盖，确保清晰高质量的成像效果。

第五步是将CCD双曝光相机7捕获的两帧曝光信息存储于图像后处理上位机8，利用上位机内置的图像采集接口和自编程图像后处理算法，将两帧曝光信息实时在线进行几何平均、边缘去除、光强补偿等图像前处理操作后，利用“Canny”算子提取图像边界，并基于光强信号分布绘制截面喷雾的液相浓度等高线云图。图像后处理过程中可以实时调整两束激光的时序延迟，根据拍摄的图像质量确定合适的延迟时间，在确保有足够的喷油量通过的前提下尽量缩小前后两帧图片的光强分布差异。

第六步则是基于第一步获得喷油率曲线和第五步在相同喷射条件下获得截面液相燃料光强分布信息完成液相当量比空间分布的计算。首先通过对喷油率曲线进行梯形积分，获得在给定的第一帧和第二帧激光发射延迟期间由喷射喷出的燃油质量。根据流体连续性原理，将喷出的燃油质量等效到激光片光平面内通过的燃油质量，进而将根据液相浓度的等高线分布计算处液相燃料质量在片光截面的空间分布。基于理想气体状态方程，卷吸进入1mm厚度的片光平面的环境空气质量分布可以通过环境背压、温度来计算。进而结合液相燃料质量的和气相环境空气质量的空间分布，可以定量地测算出喷雾截面上液相燃料的当量比空间分布。

Claims (8)

1.一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，其特征在于，包括燃油箱（1），滤清器（2），电动燃油泵（3），压力变送器（4），喷油器驱动器（5），信号延迟触发器（6），CCD双曝光相机（7），图像后处理上位机（8），Zeuch喷油速率测量仪（9），Nd:YAG双脉冲激光器（10），片光成形器（11），定容腔体（12），温控适配器（13），以及喷油器（14）；其中，

电动燃油泵将燃油从燃油箱（1）中抽出，经过滤清器（2）过滤杂质后，通过电动燃油泵（3）加压并输送至喷油器（14）入口端，安装于管路中的压力变送器（4）用于监控燃油喷射过程中管路压力波动；喷油器（14）通过温控适配器（13）匹配安装于定容腔体（12）侧面；信号延迟触发器（6）调谐Nd:YAG双脉冲激光器（10），Nd:YAG双脉冲激光器（10）接收到信号延迟触发器（6）传输的短延迟两帧脉冲触发信号后，Nd:YAG双脉冲激光器（10）内部Q开关开启，两束激光光束从Nd:YAG双脉冲激光器（10）出口先后射出，经过片光成形器（11）整形后转变成1 mm厚的激光片光，调节片光成形器（11）的位置、焦距以及偏转角度，使片光面垂直于喷油器（14）轴线方向；调节Nd:YAG双脉冲激光器（10）和喷油器驱动器（5）的触发信号时序关系，获得喷油后特定延迟时刻的连续两帧曝光喷雾截面图像，并由CCD双曝光相机（7）采集两帧图像信号，存储于图像后处理上位机（8）中；通过Zeuch喷油速率测量仪（9）测出相同喷油策略下的燃料质量流率，进一步通过梯形数值积分计算连续两帧图像曝光过程中的总燃油喷射量；

激光器（10）采用单色532 nm高能Nd:YAG双脉冲激光光源冻结喷雾图像，获得短暂时间间隔内连续两帧喷雾截面光强分布信号；

采用信号延迟触发器（6）协调喷油触发时刻，第一帧激光触发时刻、第二帧激光触发时刻、第一帧相机曝光时刻以及第二帧相机曝光时刻之间的时序关系，实现喷油后不同时刻，不同激光间隔下的喷雾截面信息捕获。

2.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，其特征在于，相机（7）采用高分辨率CCD双曝光相机，能够高效迅速捕获短延迟双帧喷雾截面图像。

3.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，其特征在于，CCD双曝光相机（7）镜头前安装有532 nm±10 nm窄带滤波片，用于过滤环境干扰杂光。

4.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，其特征在于，耦合Zeuch喷油速率测量仪（9）测量两帧激光曝光间隔内喷射的燃油质量。

5.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，其特征在于，采用水浴温控适配器（13）控制燃油温度。

6.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，其特征在于，定容腔体（12）进排气接口采用1/4NPT螺纹配合密封胶实现可靠密封；定容腔体（12）进排气接口采用卡扣式管路连接优化管路走线布局。

7.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，其特征在于，喷油器（14）侧置式安装于定容腔体（12）上。

8.根据权利要求1所述的一种喷雾截面液相燃料当量比的定量测试系统，其特征在于，采用图像后处理代码对两帧曝光图像进行几何平均，依据光强分布和总喷油质量推算液相燃油质量的空间分布。

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