KR100569472B1

KR100569472B1 - 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100569472B1
Application number: KR1020040079071A
Authority: KR
Inventors: 박용국
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-04-07
Also published as: US20060072101A1; US7405813B2

Abstract

본 발명에 따른 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템 및 방법에 관한 것으로, 광원과, 상기 광원에서 발광된 광을 연소실로 입사시키기 위한 렌즈와, 상기 연소실내에서의 연료의 분무형상을 촬영하기 위한 CCD카메라와, 상기 광원을 제어하여 광원을 2차례 발광시키고, 상기 CCD카메라를 제어하여 상기 광원이 2차례 발광하는 동안 1프레임의 분무형상의 영상을 획득하며, 이 영상을 처리하여 연료 분무 선단 속도를 산출해내는 제어유니트를 포함하여 구성되어, 연소실내로 연료가 액주 또는 액사 형태로 분사되더라도 연료의 분무속도를 측정할 수 있다.

Description

엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템 및 방법 {Fuel spray tip velocity measuring apparatus and method in an engine}

도 1은 본 발명에 따른 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 방법의 순서도,

도 3은 본 발명에서의 광원 및 CCD카메라의 작동 상태를 설명하기 위한 타이밍도,

도 4는 본 발명에서의 CCD카메라에 의해 촬영된 영상을 2개의 영상으로 분리하는 과정을 설명하기 위한 도면,

도 5는 본 발명에서의 CCD카메라에 의해 촬영된 영상의 전체 명도값 분포를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에서의 연료 분무형상의 이동거리를 구하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 광원 20 : 렌즈

30 : 핀홀 40 : CCD카메라

50 : 제어장치 60 : 연소실

70 : 인젝터

본 발명은 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템 및 방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 차량의 엔진에서 인젝터로부터 연소실내로 액체 연료가 분사되는 속도를 계측하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량 엔진의 인젝터는 액체연료를 연소실 내부로 공급하는데, 이때 착화성능 및 연료의 연소효율을 향상시키기 위해 무화과정이 동반된다.

상기와 같은 액체연료의 무화과정은 연료의 압력에너지가 인젝터의 오리피스를 통과면서 속도에너지로 변환되면서 발생하므로, 연료 분사 초기에 인젝터의 오리피스를 통과하는 액체 연료의 속도 및 연료 분무 초기의 분무 선단 속도가 액체연료의 무화에 매우 중요한 역할을 한다.

특히, 고압의 주위 분위기에서 연료가 분사되는 디젤엔진에서는 분무 선단 속도가 실린더 내에서의 연료 입자들의 벽면충돌(wall impinging), 벽면적심(wall wetting), 및 분무입자의 관통도에 큰 영향을 미친다.

이러한 이유로 분무입자들의 속도를 계측하기 위해 다양한 방법들을 사용하고 있는데, 그 중에서 대표적인 것은, 입자들에 의한 빛의 산란을 이용하는 PDA(Phase Doppler Analysis)와 분무 입자의 궤적을 영상 처리하는 PIV(Particle Image Velocimetry) 및 PTV(Particle Trajectory Velocimetry) 등을 들 수 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 방법들은, 연료 분사 초기에 액체 연료가 액주(liquid column) 또는 액사(liquid ligament) 형태로 존재함에 따라 연료의 분무 속도를 측정하는 것이 불가능하다. 또한, 상기 PDA 방식은 실시간 측정이 가능하지만 광원으로 레이저를 이용하므로 장비가 고가이다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 인젝터로부터 연소실내로 분무되는 연료를 향해 광원을 순차적으로 두 번 발광시키면서 연료의 분무형상을 촬영하고, 상기 분무형상의 경계선이 이동한 거리를 바탕으로 분무 선단 속도를 계측해냄으로써, 연소실내로 연료가 액주 또는 액사 형태로 분사되더라도 연료의 분무속도를 측정할 수 있는 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템은, 광원과, 상기 광원에서 발광된 광을 연소실로 입사시키기 위한 렌즈와, 상기 연소실내에서의 연료의 분무형상을 촬영하기 위한 CCD카메라와, 상기 광원을 제어하여 광원을 2차례 발광시키고, 상기 CCD카메라를 제어하여 상기 광원이 2차례 발광하는 동안 1프레임의 분무형상의 영상을 획득하며, 이 영상 을 처리하여 연료 분무 선단 속도를 산출해내는 제어유니트를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 CCD 카메라의 전면에는 광이 산란되는 영역을 제거하기 위한 핀홀이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈는 상기 광원과 연소실 사이에 위치된 볼록렌즈인 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 방법은, 연료가 분무되는 연소실을 향해 2차례 광원을 발광시키는 단계와, 상기 광원이 2차례 발광되는 동안에 연료의 분무형상을 촬영하되, 상기 광원이 2차례 발광하는 동안 1프레임의 분무형상의 영상을 획득하는 단계와, 상기 1프레임의 영상을 명도값을 바탕으로 2개의 영상으로 분리하는 단계와, 상기 각 영상에서 분무형상과 배경의 경계를 구하는 단계와, 상기와 같이 각각 구해진 경계의 이동거리를 구하는 단계와, 상기 이동거리를 광원을 2차례 발광시킨 시간 간격으로 나누어 연료 분무 선단 속도를 계산하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 1프레임의 영상을 명도값을 바탕으로 2개의 영상으로 분리하는 단계는, 각 픽셀의 명도값이 제1임계값 보다 작으면 픽셀의 명도값을 0으로 하고, 제1임계값 이상이면 픽셀의 명도값을 1로 하여 첫 번째 영상을 획득하는 단계와, 각 픽셀의 명도값이 제2임계값 보다 작으면 픽셀의 명도값을 0으로 하고, 제2임계값 이상이면 픽셀의 명도값을 1로 하여 두 번째 영상을 획득하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 제2임계값은 제1임계값 보다 크고 배경의 명도값 보다 작은 것을 특징으로 한다.

상기 각 영상에서 분무형상과 배경의 경계를 구하는 단계는, 임의의 픽셀의 명도값에 (4 - 상기 임의의 픽셀에 인접하는 4개의 픽셀의 명도값)을 곱한 값이 1이면 해당 픽셀이 경계 영역에 위치되었다고 판단하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템의 구성도이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템은, 광원(10)과, 렌즈(20)와, 핀홀(30)과, CCD카메라(40)와, 제어장치(50)를 포함하여 구성되어 있다.

상기 광원(10)은 상기 제어장치(50)의 제어에 따라 발광하도록 되어 있고, 상기 렌즈(20)는 상기 광원(10)과 연소실(60) 사이에 위치되어 상기 광원(10)에서 발광된 광을 집광시켜서 연소실(60)로 입사시키는 볼록렌즈이다. 즉, 상기 렌즈(20)가 연소실(60)과 CCD카메라(40) 사이에 설치되면 영상의 왜곡이 발생하므로, 이것을 방지하기 위해 광원(10)과 연소실(60) 사이에 설치하는 것이다.

상기 핀홀(30)은 상기 연소실(60)과 CCD카메라(40) 사이에 위치되어, 상기 연소실(60)을 통과한 광이 산란되는 영역을 제거하여 CCD카메라(40)로 입사시키도록 되어 있다.

상기 CCD카메라(40)는 상기 제어장치(50)의 제어에 따라 상기 연소실(60)내에서의 연료의 분무형상을 촬영하여 상기 제어장치(50)로 입력하도록 되어 있다.

상기 제어장치(50)는 상기 광원(10)과 CCD카메라(40) 및 인젝터(70)를 제어하여 연료 분무 선단 속도를 산출해내도록 되어 있다.

즉, 상기 제어장치(50)는 인젝터 구동신호를 출력하여 인젝터(70)를 구동시켜서 연소실(60)내로 연료를 분무시키고, 광원(10)을 2차례 발광시킴과 더불어 CCD카메라(40)를 작동시켜서 연료의 분무형상을 촬영한다. 또한, 상기와 같이 광원(10)이 2차례 발광하는 동안 획득한 1프레임의 분무형상의 영상을 명도값을 바탕으로 2개의 영상으로 분리하고, 분리된 각 영상에서 분무형상과 배경화면의 경계를 구한 다음, 상기와 같이 각각 구해진 경계 사이의 이동거리를 광원(10)을 2차례 발광시킨 시간 간격으로 나누어 연료 분무 선단 속도를 계산해낸다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템 및 방법의 작용 및 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 방법의 순서도이다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 단계(S1)에서는 제어장치(50)가 인젝터(70)로부터 연료가 분무되는 연소실(60)을 향해 2차례 광원(10)을 발광시키고, 이어서 단계(S2)에서는 상기 광원(10)이 2차례 발광되는 동안에 CCD카메라(40)가 연료의 분무형상을 촬영하여 상기 광원(10)이 2차례 발광하는 동안 1프레임의 분무형상의 영상을 획득한다.

즉, 상기 제어장치(50)는 도 3의 타이밍도에 도시된 바와 같이, 인젝터 구동신호를 출력하여 인젝터(70)를 구동시켜서 연소실(60)내로 연료를 분무시키고, 소정시간(t1) 지연후 CCD카메라(40)를 작동시켜서 소정시간(t2) 동안 연료의 분무형 상을 촬영한다.

이때, 상기 제어장치(50)는 인젝터 구동신호 출력후 소정시간(t3) 지연후 광원(10)을 첫 번째로 발광시키고, 소정시간(t4) 지연후 광원(10)을 두 번째로 발광시키는데, 상기 CCD카메라(40)의 1프레임 기간내에 첫 번째 및 두 번째 발광이 모두 이루어져야 한다.

이어서, 단계(S3)에서는 상기 제어장치(50)가 상기와 같이 얻어진 1프레임의 영상을 명도값을 바탕으로 2개의 영상으로 분리한다.

즉, 도 4의 (a) 원본영상에서 진하게 나타나는 부분은 광원(10)의 첫 번째 발광에 의해 획득된 것이고, 상대적으로 연하게 나타나는 부분은 광원(10)의 두 번째 발광에 의해 획득된 영상인데, 이렇게 획득된 영상의 전체 명도값 분포는 도 5에 도시된 바와 같다.

도 5에서 A부분, B부분은 각각 첫 번째, 두 번째 광원에 의해 획득된 분무 형상에 대한 명도값을 나타내며, C부분은 배경을 나타내는 명도값이다.

이와 같은 명도값들의 분포를 바탕으로 하기의 수학식 1을 이용하여 첫 번째 영상을 분리하고, 수학식 2를 이용하여 두 번째 영상을 분리하는 것이다.

Pixel(x,y) = 0 if Pixel(x,y) < 제1임계값

Pixel(x,y) = 1 if Pixel(x,y) ≥제1임계값

Pixel(x,y) = 0 if Pixel(x,y) < 제2임계값

Pixel(x,y) = 1 if Pixel(x,y) ≥제2임계값

상기한 바와 같은 방법을 적용하면 원본 영상을 도 4의 (b)에 도시된 2개의 영상으로 분리할 수 있다.

이때, 상기 제2임계값은 도 5에 도시된 바와 같이 제1임계값 보다 크고 배경의 명도값 보다 작다.

이어서, 단계(S4)에서는 제어장치(50)가 상기 단계(S3)에서 분리된 각각의 영상에 대해 분무형상의 경계를 구한다.

즉, 하기의 수학식 3에 나타낸 바와 같이, 임의의 픽셀의 명도값에 (4 - 상기 임의의 픽셀에 인접하는 4개의 픽셀의 명도값)을 곱한 값이 1이면 해당 픽셀이 경계선 영역에 위치되었다고 판단한다.

Boundary(x,y) = Pixel(x,y) × (4 - Pixel(x-1,y) - Pixel(x+1,y) - Pixel(x,y-1) - Pixel(x,y+1))

Boundary(x,y) = 0 (Pixel(x,y)이 분무영역의 내외부에 있으면)

Boundary(x,y) = 1 (Pixel(x,y)이 분무영역에 있으면)

이어서, 단계(S5)에서는 상기와 같이 각각의 영상에 대해 구해진 경계 사이의 이동거리를 구한다.

즉, 첫 번째 영상의 경계와 두 번째 영상의 경계에 대해 형상인식 알고리즘을 적용시켜서 각 경계의 진행방향을 검출하고, 하기의 수학식 4를 이용하여 이동거리(L)를 구한다.

상기 수학식 4에서 하첨자의 의미는 도 6에 도시된 바와 같이, 1과 2는 첫 번째 두 번째 영상 경계를 나타내며, i는 각 경계의 계산순서를 의미한다.

그리고, 상기와 같은 수학식4에서 구한 이동거리에 본 발명에 따른 계측시스템의 영상확대비를 대입하면 실제 이동거리가 계산된다.

이어서, 단계(S6)에서는 상기와 같이 구해진 이동거리를 광원(10)을 2차례 발광시킨 시간 간격, 즉 도 3의 (t4-t3)을 구하고, 이 값으로 상기 단계(S5)에서 구해진 실제이동거리를 나누어 분무선단속도를 계산한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 인젝터로부터 연소실내로 분무되는 연료를 향해 광원을 순차적으로 두 번 발광시키면서 연료의 분무형상을 촬영하고, 상기 분무형상의 경계선이 이동한 거리를 바탕으로 분무 선단 속도를 계측해냄으로써, 연소실내로 연료가 액주 또는 액사 형태로 분사되더라도 연료의 분무속도를 측정할 수 있는 효과가 있다.

Claims

광원과, 상기 광원에서 발광된 광을 연소실로 입사시키기 위한 렌즈와, 상기 연소실내에서의 연료의 분무형상을 촬영하기 위한 CCD카메라와, 상기 광원을 제어하여 광원을 2차례 발광시키고, 상기 CCD카메라를 제어하여 상기 광원이 2차례 발광하는 동안 1프레임의 분무형상의 영상을 획득하며, 이 영상을 처리하여 연료 분무 선단 속도를 산출해내는 제어유니트를 포함하여 구성된 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 CCD 카메라의 전면에는 광이 산란되는 영역을 제거하기 위한 핀홀이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 렌즈는 상기 광원과 연소실 사이에 위치된 볼록렌즈인 것을 특징으로 하는 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 시스템.
연료가 분무되는 연소실을 향해 2차례 광원을 발광시키는 단계와, 상기 광원이 2차례 발광되는 동안에 연료의 분무형상을 촬영하되, 상기 광원이 2차례 발광하는 동안 1프레임의 분무형상의 영상을 획득하는 단계와, 상기 1프레임의 영상을 명도값을 바탕으로 2개의 영상으로 분리하는 단계와, 상기 각 영상에서 분무형상과 배경의 경계를 구하는 단계와, 상기와 같이 각각 구해진 경계의 이동거리를 구하는 단계와, 상기 이동거리를 광원을 2차례 발광시킨 시간 간격으로 나누어 연료 분무 선단 속도를 계산하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 1프레임의 영상을 명도값을 바탕으로 2개의 영상으로 분리하는 단계는, 각 픽셀의 명도값이 제1임계값 보다 작으면 픽셀의 명도값을 0으로 하고, 제1임계값 이상이면 픽셀의 명도값을 1로 하여 첫 번째 영상을 획득하는 단계와, 각 픽셀의 명도값이 제2임계값 보다 작으면 픽셀의 명도값을 0으로 하고, 제2임계값 이상이면 픽셀의 명도값을 1로 하여 두 번째 영상을 획득하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 제2임계값은 제1임계값 보다 크고 배경의 명도값 보다 작은 것을 특징으로 하는 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 각 영상에서 분무형상과 배경의 경계를 구하는 단계는, 임의의 픽셀의 명도값에 (4 - 상기 임의의 픽셀에 인접하는 4개의 픽셀의 명도값)을 곱한 값이 1이면 해당 픽셀이 경계 영역에 위치되었다고 판단하는 것을 특징으로 하는 엔진의 연료 분무 선단 속도 계측 방법.