CN115324799B - 一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法和装置，对同一喷油器喷嘴未积碳和积碳两种状态均进行扫描获得点云数据；将未积碳的喷嘴点云数据进行数据处理获得参考数据形成第一喷油器喷嘴模型，对积碳喷嘴点云数据进行数据处理获得测试数据形成第二喷油器喷嘴模型，并将第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行拟合；求第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型的喷油器喷嘴体积并进行3D比较，得到积碳体积分布图、积碳体积及喷油器喷嘴积碳前后的对比图。本发明所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法和装置，能够获得较为直观的积碳前后喷油器的3D扫描图像及积碳的体积数据，更加准确的评价喷油器喷嘴表面积碳量。

Description

一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法和装置

技术领域

本发明属于喷油器喷嘴积碳测量技术领域，尤其是涉及一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法和装置。

背景技术

国内外对于燃油添加剂清净性的评价主要集中在燃烧室积碳、进气阀积碳、喷嘴流量及功率损失等方面。其中，喷油器尖端表面积碳是燃油液滴吸附、排气颗粒物形成的关键影响因素，目前对于喷嘴清净性的考察主要是采用物理剥离称重和空气流量损失率的方式来表征。随着发动机技术的发展和油品质量的升级，发动机喷油器喷嘴上的积碳较少，采用传统的机械、物理方式将积碳从喷嘴表面剥离下来进行称量及评价的方式，易受到人为因素的影响，剥离过程也容易造成积碳损失，不易保证评价结果的准确性和一致性，且无法评价试验过程中的积碳情况；采用喷嘴流量和功率损失表征喷嘴清净性，不能直观、准确的体现喷嘴的积碳情况。另外，工业CT扫描方法对积碳这类疏松的小尺寸沉积物，表征结果不准确。通过高清相机对试验前后的喷嘴表面拍照后计算，在得到积碳体积的情况下，无法得到清晰的积碳形貌和积碳的分布情况。因此，开发可用于表征汽油机喷嘴积碳的装置和方法，具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法和装置，以解决现有的积碳测量方法不准确或形貌不清晰的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本申请提出一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法，具体步骤如下：

S1.试验前未积碳的喷油器采用超声波和脉冲组合对喷嘴进行清洗并晾干，试验过程中或者试验后的积碳喷油器不需要进行清洗，需将积碳喷油器侧柱面擦拭干净；

S2.对待测喷油器的喷嘴部分进行显像喷涂；

S3.将喷油器设置于旋转台中央，喷嘴朝上放置；

S4.喷嘴正上方设置参考相机完整扫描喷嘴上端面，对应喷嘴侧面设置蓝光投影仪及辅助相机扫描喷嘴侧面，旋转平台实现六个以上的旋转扫描角度，保证实现喷油器360°扫描，并将参考相机及辅助相机的数据传输至PC端，保存测量到的点云数据；

S5.将试验前未积碳的喷嘴点云数据进行数据处理获得参考数据形成第一喷油器喷嘴模型，获得未积碳喷油器喷嘴形貌图，对试验过程中或者试验后的积碳喷嘴点云数据进行数据处理获得测试数据形成第二喷油器喷嘴模型，获得积碳喷油器喷嘴形貌图，并将第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行拟合；

S6.选取坐标轴Z轴同样深度，求第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型的喷油器喷嘴体积，并进行3D比较，得到积碳体积分布图、积碳体积及喷油器喷嘴积碳前后的对比图。

进一步的，步骤S2中，对待测喷油器的喷嘴部分进行显像喷涂，具体方法：

选择粒度较小的显影剂，将显像剂摇晃均匀后，装入喷枪喷壶，

通过改变喷枪的开度大小来调节喷枪的喷射压力，待喷枪喷射出的显像剂呈簇状即较为均匀后，对待测喷油器的喷嘴部分进行喷涂，保证喷油器表面喷涂均匀且无明显金属反光面。

喷油器表面的金属会在3D光学扫描仪的和镜头下产生反光现象，故需要在每次扫描前对喷油器表面进行喷涂。

进一步的，步骤S5中，对点云数据进行数据处理，具体方法：

对点云数据进行去噪、杂点消除、法线信息向导操作，可去除点云数据中多余的杂点；

在喷油器喷嘴上端面选取平面，在喷嘴侧柱面选取圆柱，利用平面形成的X轴和Y轴及圆柱所在的Z轴建立坐标系；

进行单元化操作，使得点云数据任意三个点形成面片，再由无数个面片形成一个完整的喷油器喷嘴模型；

对喷油器喷嘴侧柱面进行领域分割得到多个圆环。

进一步的，步骤S5中，第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行拟合，具体方法如下：

利用坐标系，将第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行初始对齐，初始对齐将第二喷油器喷嘴模型移动到第一喷油器喷嘴模型对应位置；

根据领域分割得到多个圆环中，选取靠近喷嘴的3个圆环，对第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行最佳拟合对齐，将第二喷油器喷嘴模型的测试数据以第一喷油器喷嘴模型的参考数据为参考进行最佳拟合对齐，使拟合偏差最小，获得最终测试数据。

通过最佳拟合对齐使得试验后与试验前喷油器模型精确拟合，较好的还原喷嘴积碳在喷嘴表面堆积的形貌。

进一步的，步骤S6中，选取坐标轴Z轴同样深度，求第一喷油器喷嘴模型喷嘴体积与第二喷油器喷嘴模型的喷油器喷嘴体积，并进行3D比较，得到积碳体积及喷油器喷嘴积碳前后的积碳体积分布对比图，具体方法如下：

选择喷嘴尖端所在区域为测量区域，获得第一喷油器喷嘴模型所测区域的体积和第二喷油器喷嘴模型所测区域的体积，二者作差获得积碳体积；

对第一喷油器喷嘴模型喷油器喷嘴表面及第二喷油器喷嘴模型喷油器喷嘴表面进行3D比较，获得喷嘴尖端面的积碳前后的积碳体积分布对比图，对第一喷油器喷嘴模型喷嘴整体及第二喷油器喷嘴模型喷嘴整体进行3D比较，获得喷嘴整体的积碳前后的积碳体积分布对比图。

可以将对比图设置颜色标注，测量数据分布在参考数据下面或后面的区域标注蓝色，测量数据与参考数据重合的区域标注绿色，测量数据分布在参考数据上面的区域根据积碳量的多少标注黄色或红色，通过体积分布图上的不同色块清晰的反映喷嘴积碳的分布情况。

另一方面，基于上述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法提出一种用于表征汽油机喷嘴积碳的装置，其特征在于：包括安装箱、旋转台、参考相机、第一辅助相机、第二辅助相机、蓝光投影仪、机动轴、PC端、支撑板，所述旋转台中部设置用于安装喷油器的喷油器固定座，所述喷油器固定座安装喷油器的喷嘴与旋转台的旋转轴同轴设置，所述旋转台驱动喷油器固定座360度转动；

所述安装座正上方设置参考相机，所述安装座通过安装架固设于安装箱底面；

所述第一辅助相机、第二辅助相机及蓝光投影仪均对应喷嘴侧面设置，所述第一辅助相机、第二辅助相机及蓝光投影仪均固定在固定杆上，所述固定杆一端与机动轴输出端固接，所述机动轴驱动固定杆转动设定角度，所述机动轴通过支撑板固定于安装箱底面；

所述参考相机、第一辅助相机、第二辅助相机输出端均与PC端输入端连接，用于传输扫描数据。

进一步的，所述旋转台上侧设置三爪卡盘，三爪卡盘夹持中线与喷油器固定座轴线同轴，所述三爪卡盘用于夹持喷油器固定座；

所述喷油器固定座为圆筒型，所述喷油器固定座内侧设置T型孔，所述T型孔包括上侧孔、下侧孔，上侧孔径大于下侧孔径，所述T型孔上侧孔与下侧孔同轴设置，所述喷油器固定座对应上侧孔侧壁设置缺口，所述喷油器下端设置于喷油器固定座的T型孔内，所述缺口对应卡持喷油器的侧壁突出部，所述喷油器喷嘴伸出喷油器固定座上端。

进一步的，还包括设置于喷油器固定座上侧的白色背景板，所述白色背景板设置有矩形开口，所述矩形开口对应喷油器喷嘴设置，所述喷嘴设置于白色背景板上侧；

喷油器固定座、旋转台、参考相机的安装座表面均为黑色，消除扫描过程中金属反光的影响。

进一步的，所述箱体内侧设置日光灯，方便安装喷油器固定座及喷油器时进行观察，防止对喷嘴处积碳出现磕碰；

所述箱体的外侧设有推拉门，在扫描程序运行过程中，箱体保持关闭状态，创造较为黑暗的环境，利于蓝光投影仪对喷嘴表面的投射。

相对于现有技术，本发明所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法和装置具有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法和装置，借助光学手段对喷油器表面积碳进行扫描，通过采用光学三维轮廓测量，较为直观的积碳前后喷油器的3D扫描图像及积碳的体积数据，进行达到真实、准确的评价喷油器喷嘴表面积碳量的目的。

(2)本发明所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法和装置，有效固定喷油器，对喷油器表面积碳不进行破坏的情况下3D扫描，能够较大程度地保证喷油器喷嘴表面积碳的完整性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的未积碳的喷嘴表面示意图；

图2为本发明实施例所述的积碳的喷嘴表面示意图；

图3为本发明实施例所述的体积测量结果示意图；

图4为本发明实施例所述的积碳体积分布图示意图；

图5为本发明实施例所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的装置示意图；

图6为本发明实施例所述的喷油器固定座结构示意图；

图7为本发明实施例所述的喷油器结构示意图。

附图标记说明：

1-安装箱；11-日光灯；12-推拉门；2-参考相机；21-安装座；3-第一辅助相机；4-第二辅助相机；5-蓝光投影仪；6-喷油器固定座；61-T型孔；62-缺口；7-旋转台；71-三爪卡盘；8-机动轴；81-支撑板；82-固定杆；9-白色背景板；91-矩形开口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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为基于附图所示的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

第一，试验前的喷油器通过超声波和脉冲组合清洗，采用专用清洗剂至少清洗40min，清洁发动机喷嘴后后自然晾干，试验过程中或者试验后的喷油器不需要进行清洗，需将侧柱面擦拭干净。

第二，将显像剂摇晃均匀后，装适量入喷枪喷壶，启动气泵，待喷枪喷射出的喷雾成均匀簇状即较为均匀后，在集尘箱中对喷油器喷嘴进行喷涂，保证喷涂面表面附着的显像剂均匀且无反光面。

如图5、图6、图7所示，第三，打开安装箱1推拉门12，打开日光灯11，将喷油器放置到喷油器固定座6的T型孔61内，将喷油器凸起部位放置对应缺口62放置，将喷油器固定座6放置在旋转台中央，保证其中心在参考相机2的正下方，参考相机2通过安装座与安装箱1底面固接，通过旋转台7的三爪卡盘71卡紧喷油器固定座6。

三爪卡盘能够在更换不同内径喷油器固定座的情况下，对不同直径的汽油机喷油器具有通用性。

将喷涂完成的待测喷油器卡持在喷油器固定座6上，再将白色背景板9设置在喷油器固定座6上侧，调整白色背景板9位置，使得背景板矩形豁口91的底部直角贴近喷嘴，距离喷嘴约5mm，关闭日光灯11，关闭箱体推拉门12。

第四，开启PC端的扫描软件，蓝光投影仪5、参考相机2、第一辅助相机3和第二辅助相机4开始工作，对喷油器进行360°扫描，设置扫描程序，控制旋转台7和机动轴8转动，旋转台7需至少选择6个及以上的旋转台旋转扫描角度，保证喷油器可以360°扫描。测量结束后，保存测量的点云数据传输给PC端，待试验前后喷油器全部扫描完成后，即可进行数据拟合。

表1为本申请采用的机动轴摆臂角度和旋转台旋转角度。可选择的，扫描程序的设置不唯一，旋转角度至少选择6个，保证被测量对象360°全景扫描。可选择的，喷油器固定座可根据不同直径的喷油器定制，能够对多种汽油机喷油器进行扫描。

表1机动轴与旋转台角度设置

扫描软件采用但不限于Flexman，调整亮度、缺陷补偿参数、临边修正值确定扫描出来的点云数据完整(通常，调整亮度为14，缺陷补偿参数为0.007，临边修正值为0.019，在测量过程中这些参数也可以设置为其他值)；

如图5所示，机动轴8的安装座通过支撑板81固定于安装箱1底板上，机动轴驱动固定杆82转动设定角度，蓝光投影仪5、参考相机2、第一辅助相机3和第二辅助相机4均固定与固定杆82上，

通过旋转台带动喷油器旋转，配合参考相机对喷油器喷嘴尖端进行扫描，通过两个辅助相机对喷油器喷嘴测柱面进行扫描，能够完整地扫描喷油器喷嘴积碳。

第五，如图1至图4所示，将试验前未积碳的喷嘴点云数据进行数据处理获得参考数据形成第一喷油器喷嘴模型，获得未积碳喷油器喷嘴形貌图，对试验过程中或者试验后的积碳喷嘴点云数据进行数据处理获得测试数据形成第二喷油器喷嘴模型，获得积碳喷油器喷嘴形貌图，并将第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行拟合；拟合软件采用但不限于Geomagic。

第六，选取坐标轴Z轴同样深度，求第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型的喷油器喷嘴体积，并进行3D比较，得到积碳体积分布图、积碳体积及喷油器喷嘴积碳前后的对比图。

本申请可拓展用于不同内径的汽油机喷油器的喷嘴积碳的测定，提供了一种非接触式的光学三维测量喷嘴积碳的手段，能够在喷嘴积碳测量领域得到广泛的应用。

如图1-图4所示，能够得到喷油器喷嘴积碳的3D扫描图像和较为直观的积碳体积分布图，最大程度地保证积碳形貌的完整性，实现了对积碳清除区域的观测，突破了传统的物理剥离表征喷嘴积碳的方法。

能够测量和表征试验中间过程的喷嘴积碳情况，在燃油清净增效剂和燃油清净增效剂的测评试验中，通过扫描试验前、试验过程中(老化完成后的阶段)和试验后的喷嘴，得到相应的体积数据和积碳数据，可准确反映清净增效剂或清净剂对喷嘴的积碳清除能力，实用性强。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法，其特征在于：具体步骤如下：

S1.试验前未积碳的喷油器采用超声波和脉冲组合对喷嘴进行清洗并晾干，试验过程中或者试验后的积碳喷油器不需要进行清洗，需将积碳喷油器侧柱面擦拭干净；

S2.对待测喷油器的喷嘴部分进行显像喷涂；

S3.将喷油器设置于旋转台中央，喷嘴朝上放置；

S4.喷嘴正上方设置参考相机完整扫描喷嘴上端面，对应喷嘴侧面设置蓝光投影仪及辅助相机扫描喷嘴侧面，旋转台实现六个以上的旋转扫描角度，保证实现喷油器360°扫描，并将参考相机及辅助相机的数据传输至PC端，保存测量到的点云数据；

S5.将试验前未积碳的喷嘴点云数据进行数据处理获得参考数据形成第一喷油器喷嘴模型，获得未积碳喷油器喷嘴形貌图，对试验过程中或者试验后的积碳喷嘴点云数据进行数据处理获得测试数据形成第二喷油器喷嘴模型，获得积碳喷油器喷嘴形貌图，并将第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行拟合；

S6.选取坐标轴Z轴同样深度，求第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型的喷油器喷嘴体积，并进行3D比较，得到积碳体积分布图、积碳体积及喷油器喷嘴积碳前后的对比图。

2.根据权利要求1所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法，其特征在于：步骤S2中，对待测喷油器的喷嘴部分进行显像喷涂，具体方法：

选择显影剂，将显像剂摇晃均匀后，装入喷枪喷壶，

通过改变喷枪的开度大小来调节喷枪的喷射压力，待喷枪喷射出的显像剂呈簇状即较为均匀后，对待测喷油器的喷嘴部分进行喷涂，保证喷油器表面喷涂均匀且无明显金属反光面。

3.根据权利要求2所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法，其特征在于：步骤S5中，对点云数据进行数据处理，具体方法：

对点云数据进行“去噪”、“杂点消除”、“法线信息向导”操作，可去除点云数据中多余的杂点；

在喷油器喷嘴上端面选取平面，在喷嘴侧柱面选取圆柱，利用平面形成的X轴和Y轴及圆柱所在的Z轴建立坐标系；

进行单元化操作，使得点云数据任意三个点形成面片，再由无数个面片形成一个完整的喷油器喷嘴模型；

对喷油器喷嘴侧柱面进行领域分割得到多个圆环。

4.根据权利要求3所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法，其特征在于：步骤S5中，第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行拟合，具体方法如下：

利用坐标系，将第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行初始对齐，初始对齐将第二喷油器喷嘴模型移动到第一喷油器喷嘴模型对应位置；

根据领域分割得到多个圆环中，选取靠近喷嘴的3个圆环，对第一喷油器喷嘴模型与第二喷油器喷嘴模型进行最佳拟合对齐，将第二喷油器喷嘴模型的测试数据以第一喷油器喷嘴模型的参考数据为参考进行最佳拟合对齐，使拟合偏差最小，获得最终测试数据。

5.根据权利要求1所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法，其特征在于：步骤S6中，选取坐标轴Z轴同样深度，求第一喷油器喷嘴模型喷嘴体积与第二喷油器喷嘴模型的喷油器喷嘴体积，并进行3D比较，得到积碳体积及喷油器喷嘴积碳前后的积碳体积分布对比图，具体方法如下：

选择喷嘴尖端所在区域为测量区域，获得第一喷油器喷嘴模型所测区域的体积和第二喷油器喷嘴模型所测区域的体积，二者作差获得积碳体积；

对第一喷油器喷嘴模型喷油器喷嘴表面及第二喷油器喷嘴模型喷油器喷嘴表面进行3D比较，获得喷嘴尖端面的积碳前后的积碳体积分布对比图，对第一喷油器喷嘴模型喷嘴整体及第二喷油器喷嘴模型喷嘴整体进行3D比较，获得喷嘴整体的积碳前后的积碳体积分布对比图。

6.采用权利要求1-5任一所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的方法的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的装置，其特征在于：包括安装箱、旋转台、参考相机、第一辅助相机、第二辅助相机、蓝光投影仪、机动轴、PC端、支撑板，所述旋转台中部设置用于安装喷油器的喷油器固定座，所述喷油器固定座安装喷油器的喷嘴与旋转台的旋转轴同轴设置，所述旋转台驱动喷油器固定座360度转动；

安装座正上方设置参考相机，所述安装座通过安装架固设于安装箱底面；

所述第一辅助相机、第二辅助相机及蓝光投影仪均对应喷嘴侧面设置，所述第一辅助相机、第二辅助相机及蓝光投影仪均固定在固定杆上，所述固定杆一端与机动轴输出端固接，所述机动轴驱动固定杆转动设定角度，所述机动轴通过支撑板固定于安装箱底面；

所述参考相机、第一辅助相机、第二辅助相机输出端均与PC端输入端连接，用于传输扫描数据。

7.根据权利要求6所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的装置，其特征在于：所述旋转台上侧设置三爪卡盘，三爪卡盘夹持中线与喷油器固定座轴线同轴，所述三爪卡盘用于夹持喷油器固定座；

所述喷油器固定座为圆筒型，所述喷油器固定座内侧设置T型孔，所述T型孔包括上侧孔、下侧孔，上侧孔径大于下侧孔径，所述T型孔上侧孔与下侧孔同轴设置，所述喷油器固定座对应上侧孔侧壁设置缺口，所述喷油器下端设置于喷油器固定座的T型孔内，所述缺口对应卡持喷油器的侧壁突出部，所述喷油器喷嘴伸出喷油器固定座上端。

8.根据权利要求7所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的装置，其特征在于：还包括设置于喷油器固定座上侧的白色背景板，所述白色背景板设置有矩形开口，所述矩形开口对应喷油器喷嘴设置，所述喷嘴设置于白色背景板上侧；

喷油器固定座、旋转台、参考相机的安装座表面均为黑色，消除扫描过程中金属反光的影响。

9.根据权利要求6所述的一种用于表征汽油机喷嘴积碳的装置，其特征在于：所述安装箱内侧设置日光灯，方便安装喷油器固定座及喷油器时进行观察，防止对喷嘴处积碳出现磕碰；

箱体的外侧设有推拉门，在扫描程序运行过程中，箱体保持关闭状态，创造黑暗的环境，利于蓝光投影仪对喷嘴表面的投射。

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