KR20040076995A - Method for measuring fuel spray distribution - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 연료분무분포 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 분사노즐에서 분사되는 연료분무의 분포를 측정할 수 있는 연료분무분포 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel spray distribution measuring method, and more particularly, to a fuel spray distribution measuring method capable of measuring the distribution of fuel spray injected from the injection nozzle.
자동차의 엔진, 철도차량의 내연기관, 로켓의 엔진 등 각종 엔진에 사용되는 연소기는 액체 연료를 분무하여 연소시키는 장치이다. 이러한 연소기의 성능을 높임과 동시에 저공해 연소기술을 구현하기 위해서는 설계와 개발 단계에서부터 분무 특성을 향상시키고 연료와 산화제의 혼합을 증대시키도록 하는 분무 시스템의 최적화가 필요하다. 이를 위해서는 무엇보다도 연소 성능뿐만 아니라 연소 안정성과 관련되어 있는 연료의 분무분포를 정확하고 용이하게 측정할 수 있어야 한다.A combustor used in various engines, such as an automobile engine, an internal combustion engine of a railroad car, and a rocket engine, is a device which sprays and burns liquid fuel. Improving the performance of these combustors and at the same time implementing low pollution combustion techniques requires optimization of the spray system to improve spray characteristics and increase fuel and oxidant mixing from the design and development stages. This requires, among other things, the ability to accurately and easily measure the spray distribution of fuel as well as its combustion performance.
연료분무분포 측정방법으로 종래에는 기계적인 분류장치(mechanicalpatternator)를 주로 사용하여왔다. 이는 일정 시간동안 단위셀에 포집된 분무량으로부터 질량플럭스를 직접 측정하는 방식인데, 공간 분해능이 낮고 분무장을 교란시킨다는 문제점이 있었다. 따라서, 최근에는 비접촉방식의 위상 도플러 입자 분석기(PDPA:Phase Doppler Particle Analyzer)가 널리 사용되고 있는데, PDPA는 실시간으로 액적의 크기와 속도에 대한 정확한 정보를 제공하여 주고, 주어진 정보들을 이용하여 액적의 수밀도나 액체 체적 유량 등을 계산해 낼 수 있다. 그러나 점 측정 방식이라는 한계로 인해 3차원 현상인 분무의 전체적인 특성을 분석하기 위해서는 상당히 많은 시간을 요하는 문제점이 있었다.As a method for measuring fuel spray distribution, a conventional mechanical patterning apparatus has been mainly used. This is a method of measuring the mass flux directly from the spray amount collected in the unit cell for a certain time, there is a problem that the spatial resolution is low and disturbs the spray field. Therefore, non-contact Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) has been widely used in recent years, and PDPA provides accurate information on droplet size and velocity in real time, and uses the given information to obtain droplet density. And the volumetric flow rate of the liquid can be calculated. However, due to the limitation of the point measurement method, there is a problem that requires a considerable time to analyze the overall characteristics of the spray, a three-dimensional phenomenon.
따라서 분무를 더욱 신속하고 정확하게 파악할 수 있는 광학적 패터네이터(patternator)와 같은 대체 진단 기법이 필요한 실정으로, 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 평면 이미지 기법을 이용한 광학적 패터네이터(patternator)는 레이저에 의한 형광과 산란광을 이용, 유동을 교란시키지 않으면서 고해상도로 액체 연료 분포의 균일성과 대칭성을 2차원적으로 파악할 수 있다. 특히 형광 신호가 물질의 체적에 비례함을 이용하는 평면 액체 레이저 유도 형광(Planar Liquid Laser Induced Fluorescence) 기법은 분무의 2차원 질량 분포를 정량적으로 측정하는데 있어서 매우 유용한 방법이며, 액적의 Mie 산란광과의 비를 이용하면 평균액적지름(SMD:Sauter Mean Diameter)의 단면분포도 신속하게 구할 수 있다.Therefore, there is a need for an alternative diagnostic technique such as an optical patternator that can identify spraying more quickly and accurately, and research is being actively conducted. The optical patternator using planar imaging technique can quantify the uniformity and symmetry of the liquid fuel distribution in high resolution without disturbing the flow by using fluorescence and scattered light by a laser. In particular, Planar Liquid Laser Induced Fluorescence, which uses a fluorescence signal proportional to the volume of the material, is a very useful method for quantitatively measuring the two-dimensional mass distribution of a spray. Using this method, the cross-sectional distribution of the mean mean diameter (SMD) can also be found quickly.
이러한 평면 이미지 기법을 이용하여 연료분무분포를 측정하는 방법은, 분무 노즐에서 연료를 분사하고 분사된 연료분무를 향하여 레이저 평면광이 조사(照射)되도록 한 상태에서 카메라(camera)로 분무 상태를 촬영하여, 카메라로부터 검출되는 신호를 기초로 하여 분무분포를 검지(檢知)하게 된다.The method of measuring the fuel spray distribution using the planar imaging technique is to spray the fuel from the spray nozzle and photograph the spray state with a camera while allowing the laser plane light to be irradiated toward the sprayed fuel spray. Therefore, the spray distribution is detected based on the signal detected from the camera.
그런데, 종래의, 광학적 패터네이터(patternator)를 이용한 연료분무분포 측정방법에 있어서는, 카메라가 낙하하는 분무를 피하여 배치되어야 하기 때문에 연료분무의 측정 평면과 마주 보도록 배치되지 못하고 분무축선과 경사진 상태로, 즉 측정평면과 직각을 이루지 못하고 비스듬히 배치된 상태로 측정 평면을 촬영하기 때문에 레이저에 의해서 산란되거나 형광된 신호가 분무를 지나 카메라까지 도달하는 거리가 달라지게 됨으로써 결과적으로 측정점마다 감쇠 크기가 달라지게 되어 측정결과에 오차를 유발하게 되는 문제점이 있었다.By the way, in the conventional method of measuring the fuel spray distribution using an optical patternator, since the camera should be arranged to avoid falling spray, it is not arranged to face the measuring plane of the fuel spray and is inclined with the spray axis. In other words, because the measurement plane is photographed at an angle to the measurement plane without being perpendicular to the measurement plane, the distance from the scattered or fluorescence signal by the laser to the camera after the spraying varies, resulting in attenuation magnitudes different for each measurement point. There was a problem that causes an error in the measurement results.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 카메라가 분무의 측정평면에 비스듬히 배치되어 분무의 측정평면을 촬영함으로써 발생하는 불균일한 신호의 감쇠를 보정할 수 있어 종래에 비해 보다 정확한 측정결과를 얻을 수 있는 연료분무분포 측정방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to solve such a problem in the prior art, that the camera can be disposed obliquely on the measurement plane of the spray to compensate for the attenuation of the non-uniform signal generated by photographing the measurement plane of the spray. It is to provide a fuel spray distribution measuring method to obtain accurate measurement results.
도 1은 분무 액적을 통과하는 빔(beam) 경로의 기하(Geometry)를 도시한 도면,1 shows a geometry of a beam path through a spray droplet,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료분무분포 측정방법을 수행하기 위한 장치 구성도,2 is a block diagram of an apparatus for performing a fuel spray distribution measuring method according to an embodiment of the present invention;
도 3은 도 2의 'A'영역의 사시도,3 is a perspective view of region 'A' of FIG. 2,
도 4는 레이저 평면광의 수평위치에 따른 강도 차이를 보정하기 위한 장치의 개략도,4 is a schematic diagram of an apparatus for correcting an intensity difference according to a horizontal position of a laser plane light;
도 5a 와 도 5b는 감쇠 경로의 차이를 보기 위해 각각 Z=25mm와 Z=50mm에서 Y축을 따라 대칭인 위치에서의 평균액적지름(SMD) 분포를 나타낸 그래프,5A and 5B are graphs showing the mean droplet diameter (SMD) distribution at symmetrical positions along the Y axis at Z = 25 mm and Z = 50 mm, respectively, to see the difference in the damping paths,
도 6a는 Z=50mm에서 두 대의 카메라로부터 얻은 형광 이미지를 기하평균한 최종이미지로부터 검지된 질량플러스 분포 결과를 도시한 그래프,FIG. 6A is a graph showing the result of mass plus distribution detected from a final image obtained by geometric average of fluorescence images obtained from two cameras at Z = 50 mm,
도 6b는 두 대의 카메라로부터 얻은 형광 이미지를 기하평균한 최종이미지로부터 검지된 질량플러스 분포 결과를 다른 측정 기법과 비교 도시한 그래프이다.FIG. 6B is a graph showing the mass plus distribution result detected from the final image obtained by geometric average of fluorescence images obtained from two cameras, compared with other measurement techniques.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 연료공급부 11 : 고압가스탱크10: fuel supply unit 11: high pressure gas tank
13 : 고압연료탱크 20 : 광학부13: high pressure fuel tank 20: optical part
21 : 레이저 23 : 광섬유21: laser 23: optical fiber
25 : 레이저 평면광 27 : 거울25: laser plane light 27: mirror
30 : 시험부 31 : 분사노즐30: test part 31: injection nozzle
40 : 검지(檢知)부 41 : 제1카메라40: detection unit 41: first camera
43 : 제2카메라 45 : 퍼스널 컴퓨터(PC)43: second camera 45: personal computer (PC)
50 : 혼합연료 51 : 수정 셀(quartz cell)50: mixed fuel 51: quartz cell
53 : 분무축선 55 : 입사광축53 spraying axis 55 incident light axis
상기 목적은, 본 발명에 따라, 분무 노즐에서 분사되는 연료분무의 분포를 측정하는 연료분무분포 측정방법에 있어서, 연료와 형광염료가 포함된 혼합연료를 상기 분무 노즐을 통해 분사하고, 상기 분무 노즐을 통해 분사되는 혼합연료를 향하여 상기 혼합연료의 분사방향에 대해 교차하는 방향으로 레이저 평면광을 조사(照射)하는 조사(照射)단계; 제1카메라(camera)로 상기 레이저 평면광의 조사(照射)평면의 일측에서 상기 레이저 평면광이 조사된 영역 내의 혼합연료의 평면 분무 제1이미지를 촬영하고 제2카메라로 상기 혼합연료의 분무축선에 대해 상기 제1이미지의 촬영방향과 대칭인 방향에서 제2이미지를 촬영하는 촬영단계; 및 상기 제1이미지와 상기 제2이미지의 기하평균을 취하여 얻어진 최종이미지에서 검출된 신호를 기초로 하여 연료분무의 분포를 검지(檢知)하는 검지(檢知)단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료분무분포 측정방법에 의해 달성된다.The object is, according to the present invention, in the fuel spray distribution measuring method for measuring the distribution of fuel spray injected from the spray nozzle, injecting a mixed fuel containing fuel and fluorescent dye through the spray nozzle, the spray nozzle An irradiation step of irradiating a laser plane light in a direction crossing with respect to the injection direction of the mixed fuel toward the mixed fuel injected through the irradiation; A first camera photographs a plane spray first image of a mixed fuel in an area to which the laser plane light is irradiated from one side of the irradiation plane of the laser plane light with a first camera, and uses a second camera on the spray axis of the mixed fuel. A photographing step of photographing a second image in a direction symmetrical with a photographing direction of the first image; And a detecting step of detecting a distribution of fuel spray based on a signal detected in a final image obtained by taking a geometric mean of the first image and the second image. Is achieved by a fuel spray distribution measurement method.
여기서, 상기 제1이미지와 상기 제2이미지는, 상기 레이저 평면광의 조사 방향에 대해 수직인 평면에서 상기 제1카메라와 상기 제2카메라의 입사광축이 위치하는 상태로 상기 제1카메라와 상기 제2카메라가 배치되어 촬영된 것이 바람직하다.Here, the first image and the second image, the first camera and the second in the state that the incident optical axis of the first camera and the second camera is located in a plane perpendicular to the irradiation direction of the laser plane light. It is preferable that the camera is arranged and photographed.
그리고, 상기 제1이미지와 상기 제2이미지는 각각, 상기 혼합연료의 일측에서 상기 레이저 평면광을 분사된 상기 혼합연료를 향하여 조사(照射)하여 상기 제1카메라와 상기 제2카메라로 각각 촬영한 제1보정이미지와 상기 혼합연료의 분무축선에 대해 상기 일측과 대향되는 타측에서 상기 레이저 평면광을 조사(照射)하여 상기 제1카메라와 상기 제2카메라로 촬영한 제2보정이미지를 기하평균하여 얻어진 이미지인 것이 레이저광의 강도 감쇠를 보정할 수 있어 바람직하다.The first image and the second image are respectively irradiated toward the mixed fuel injected by the laser plane light from one side of the mixed fuel and photographed by the first camera and the second camera, respectively. Irradiating the laser plane light from the other side facing the one side with respect to the spray axis of the first correction image and the mixed fuel, and geometrically averages the second correction image photographed by the first camera and the second camera. The obtained image is preferable because the intensity attenuation of the laser beam can be corrected.
또한, 상기 제1이미지와 상기 제2이미지는 각각, 상기 제1카메라와 상기 제2카메라로 각각 촬영된 이미지를 상기 조사(照射)평면의 정면에서 본 이미지로 전환시키는 이미지 처리과정을 통하여 보정된 이미지인 것이 낙하하는 분무를 피하여 측부에서 촬영된 이미지를 정면에서 본 이미지로 전환시킬 수 있게 되어 바람직하다.The first image and the second image may be corrected through an image processing process of converting images photographed by the first camera and the second camera, respectively, into images viewed from the front of the irradiation plane. It is preferable that the image be able to convert the image photographed from the side into the image seen from the front side, avoiding the falling spray.
그리고, 상기 조사(照射)단계 전에 상기 혼합연료와 동일한 성분의 혼합연료를 수정 셀(quartz cell)에 충전시키고 상기 수정 셀 내의 혼합연료를 향하여 레이저 평면광을 조사(照射)하여 상기 혼합연료의 형광신호분포를 측정하는 단계를 더 포함하며, 상기 제1이미지와 상기 제2이미지는 각각, 상기 촬영단계의 레이저 평면광의 수평위치에 따른 강도 차이를 보정하도록 상기 형광신호분포를 기초로 보정된 이미지인 것이, 측정 시 조사(照射)되는 레이저 평면광의 수평위치에 따른 강도 차이를 보정할 수 있어 바람직하다.Then, before the irradiation step, the mixed fuel of the same component as the mixed fuel is charged into a quartz cell, and the laser plane light is irradiated toward the mixed fuel in the crystal cell to fluoresce the mixed fuel. The method may further include measuring a signal distribution, wherein each of the first image and the second image is an image corrected based on the fluorescence signal distribution to correct an intensity difference according to a horizontal position of the laser plane light in the photographing step. It is preferable that the intensity difference according to the horizontal position of the laser plane light irradiated at the time of measurement can be corrected.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 연료분무분포 측정방법은, 상호 대향되게 배치되는 제1카메라와 제2카메라로 분무의 형광 이미지와 산란 이미지를 촬영하여 형광신호와 산란신호를 검출하며, 이 형광신호와 산란신호의 비율을 통하여 평균액적지름(SMD:Sauter Mean Diameter) 분포를 검지(檢知)하게 되고, 또한 액적 내에 균일하게 분포된 형광물질의 광흡수율이 작을 경우 그 형광신호의 크기는 액적의 부피에 비례한다는 사실에 기초하여 검출된 형광신호로부터 연료분무의 질량분포를 검지(檢知)하게 된다. 이하에서는 이 원리에 관계된 수식에 대하여 간단히 설명한다.The fuel spray distribution measuring method according to the present invention detects a fluorescence signal and a scattering signal by photographing a fluorescence image and a scattering image of a spray with a first camera and a second camera disposed to face each other. The ratio of Sauter Mean Diameter (SMD) is detected through the ratio, and when the light absorption of the fluorescent substance uniformly distributed in the droplet is small, the magnitude of the fluorescent signal is proportional to the volume of the droplet. Based on the fact, the mass distribution of fuel spray is detected from the detected fluorescence signal. In the following, the equations relating to this principle will be briefly described.
우선, 평균액적지름 정의로부터 평균액적지름(SMD:Sauter Mean Diameter)을 구하는 식을 유도해보면 다음과 같이 된다.First, the formula for calculating the mean mean diameter (SMD) from the mean droplet diameter definition is as follows.
(1) (One)
여기서, D32(x,y)는 좌표 (x,y)에서의 평균액적지름(SMD)이고, K는 보정 상수이며, Gs(x,y)는 좌표 (x,y)로 정의되는 카메라 화소(pixel)에서 측정한 Mie 산란 신호의 강도이다.Where D 32 (x, y) is the mean droplet diameter (SMD) at coordinates (x, y), K is the correction constant, and G s (x, y) is the camera defined by coordinates (x, y) The intensity of the Mie scattering signal measured at a pixel.
다음으로, 정량적인 질량플럭스를 구할 수 있는 식을 유도해 보면 다음과 같이 된다.Next, deriving the equation for obtaining the quantitative mass flux is as follows.
[g/cm2sec] (2) [g / cm 2 sec] (2)
여기서,는 좌표 (x,y)에서의 질량플럭스, Gf(x,y)는 측정된 형광 신호의 강도, S(z)는 그 단면에서의 형광 신호의 강도합,은 노즐의 질량 유량, A는 카메라의 한 화소(pixel)가 나타내는 영역의 면적이다.here, Is the mass flux at the coordinate (x, y), G f (x, y) is the intensity of the measured fluorescence signal, S (z) is the sum of the intensity of the fluorescence signal at that cross section, Is the mass flow rate of the nozzle, and A is the area of the area indicated by one pixel of the camera.
한편, 본 발명에 따른 연료분무분포 측정방법은, 카메라가 분무의 측정평면에 비스듬히 배치되어 분무의 측정평면을 촬영함으로써 발생하는 불균일한 신호의 감쇠를 보정할 수 있도록 분무축선에 대하여 상호 대향되게 배치되는 한 쌍의 카메라로부터 제1이미지와 제2이미지를 얻고 이 이미지들을 기하평균하여 얻어진 최종이미지에서 검출된 신호를 기초로 하여 식(1)과 식(2)를 사용하여 연료분무의 평균액적지름(SMD:Sauter Mean Diameter) 분포와 질량분포를 검지하게 된다. 이하에서는 상호 대향되게 배치된 한 쌍의 카메라로부터 각각 촬영된 제1이미지와 제2이미지를 기하평균한 최종이미지에서 검출된 신호로 연료분무분포를 측정함으로써 감쇠에 의한 오차를 저감시킬 수 있음을 이론적으로 설명한다.On the other hand, in the fuel spray distribution measuring method according to the present invention, the camera is disposed obliquely on the spray plane to be arranged opposite to the spray axis so as to compensate for the non-uniform signal attenuation generated by photographing the spray plane measurement plane. The average droplet diameter of the fuel spray using equations (1) and (2) on the basis of the signals detected in the final image obtained by obtaining the first and second images from a pair of cameras (SMD: Sauter Mean Diameter) Distribution and mass distribution are detected. In the following, it is theoretically possible to reduce the error due to attenuation by measuring the fuel spray distribution with a signal detected in the final image obtained by geometrically averaged first and second images respectively taken from a pair of cameras arranged opposite to each other. Explain.
레이저가 조사되었을 때 액적으로부터 나오는 형광 및 산란 신호는 카메라까지 도달하는 과정에서 경로 상의 다른 분무 입자들에 의해 이차 산란을 일으키며 감쇠하게 된다. 도 1에서 보면, 측정하고자 하는 위치 (y*,0)에서 카메라까지의 거리 내에서 분무 액적을 통과하는 경로 길이 L은 측정위치에 따라 차이가 있음을 알 수 있다. 따라서 측정하는 위치에 따라 신호 강도의 감쇠량이 달라질 수 있으며 정확한 분무 패턴을 알아내기 위해서는 적절한 처리 과정이 필요하다.When the laser is irradiated, the fluorescence and scattering signals from the droplets are attenuated, causing secondary scattering by other spray particles on the path as they reach the camera. 1, it can be seen that the path length L passing through the spray droplets within the distance from the position (y *, 0) to be measured to the camera is different depending on the measurement position. Therefore, the amount of attenuation of the signal strength may vary depending on the position to be measured, and proper processing is required to determine the exact spray pattern.
분무각이 2θ를 이루는 균일한 원뿔(cone) 형태의 분무에서 x축으로 레이저 평면광을 조사하고 카메라를 (R, Rtanθ)와 그 반대편 위치에 고정했을 경우 제1카메라와 위치 (y*,0)의 광원사이의 거리는 다음과 같이 계산할 수 있다.The first camera and the position (y *, 0) when the laser beam is irradiated on the x-axis and the camera is fixed at (R, Rtanθ) and the opposite position in a uniform cone-shaped spray having a spray angle of 2θ. The distance between the light sources can be calculated as follows.
(3) (3)
반대편에 위치한 제2카메라까지의 거리를 같은 방법으로 구할 수 있으며 두 카메라의 위치에 따른 기하학적인 관계를 다음과 같이 찾을 수 있다.The distance to the second camera located on the opposite side can be obtained in the same way, and the geometric relationship according to the position of the two cameras can be found as follows.
(4) (4)
이 때 두 경로의 합은 레이저가 조사되는 위치 z0, 분무각 θ, 그리고 카메라의 경사각 β만의 함수로 표현된다. 따라서 측정 단면 내의 어느 위치에서건 감쇠 경로의 합은 항상 일정하다.In this case, the sum of the two paths is expressed as a function of only the position z 0 where the laser is irradiated, the spray angle θ, and the tilt angle β of the camera. Therefore, the sum of the damping paths is always constant at any location within the measurement cross section.
이차 산란에 의한 감쇠 현상을 고려하기 위해 신호 감쇠 계수를 감쇠 거리에 대해 정규화한 평균 감쇠 계수를 정의하고, 이차 평균 직경과 액적 수밀도의 정의를 이용하여 표현하면 다음과 같다.In order to consider the attenuation caused by the secondary scattering, the average signal attenuation coefficient is defined by normalizing the attenuation distance, and is expressed using the definition of the secondary average diameter and the droplet density as follows.
(5) (5)
이차 산란에 의한 감쇠를 고려하는 경우 식(1)에서 기술한 평균액적지름(SMD)의 상대적인 분포는 다음과 같이 나타난다.Considering the attenuation by the secondary scattering, the relative distribution of the mean droplet diameter (SMD) described in Eq.
(6) (6)
이 때 지수함수의 항은 위치에 따른 함수가 되므로 형광 신호와 산란 신호의 비만으로 상대적인 평균액적지름(SMD) 분포를 구할 수가 없으므로 모든 위치에서 지수함수를 고려한 보정 계수를 결정해야 한다.Since the exponential term is a function of position, the relative mean droplet diameter (SMD) distribution cannot be obtained from the obesity of the fluorescence signal and the scattering signal. Therefore, the correction factor considering the exponential function should be determined at all positions.
만일 이차 산란에 의한 감쇠를 무시할 수 있는 희박 분무의 경우() 지수함수의 항이 매우 작은 값을 가지므로 측정 단면에 대해 위치에 상관없이 K를 상수로 볼 수 있으며, 형광신호와 산란신호의 비는 곧바로 상대적인 평균액적지름(SMD) 분포를 나타낸다고 볼 수 있다.If the lean spray can ignore the attenuation due to secondary scattering ( ) Since the exponential function has a very small value, K can be regarded as a constant regardless of the position of the measured cross-section.
한편 이차 산란이 존재하더라도 감쇠계수가 파장의 영향을 받지 않는 경우라면가 되므로 지수 함수의 값은 항상 1이 된다. 따라서 이차 산란이 존재하지 않는 경우와 같은 결과를 얻을 수 있다.On the other hand, even if secondary scattering exists, if the attenuation coefficient is not affected by the wavelength The exponential function always has a value of 1 since Therefore, the same result as when there is no secondary scattering can be obtained.
그러나, 일반적으로 흡수 대역 내의 파장을 갖는 산란 신호를 이용하는 평면이미지 기법에서는 감쇠 계수의 차이가 존재할 수 있다. 특히 노즐 근방에서와 같이 밀한 영역에서의 분포를 고려해야 하는 경우에는 감쇠계수의 차이가 커지므로 이차 산란을 고려하는 보정 방식이 필요하다.In general, however, there may be a difference in attenuation coefficients in planar imaging techniques using scattered signals having wavelengths in the absorption band. In particular, when a distribution in a dense area such as in the vicinity of a nozzle is to be considered, a difference in attenuation coefficient becomes large, and thus a correction method that considers secondary scattering is required.
분무가 분사축 방향에 대해 상사성(similarity)이 존재하여 액적의 분포가 분사축을 따라 큰 변화가 존재하지 않을 경우 분무장 전체에서 ηD20 2을 상수로 근사할 수 있다. 이 때 적분항은 O(L)의 값을 나타내게 되며 그 결과 평균 감쇠 계수는 감쇠 경로의 길이에 무관한 상수 값으로 표현할 수 있다. 따라서 최종적인 신호의 감쇠는 분무장을 통과하는 거리만으로 설명할 수 있다.If spray has similarity with respect to the direction of the injection axis, and the distribution of droplets does not change significantly along the injection axis, ηD 20 2 can be approximated to a constant throughout the spray field. In this case, the integral term represents the value of O (L), and as a result, the average damping coefficient can be expressed as a constant value irrespective of the length of the damping path. Therefore, the final signal attenuation can be explained only by the distance through the spray field.
식(4)로부터 대칭인 위치에 있는 두 대의 카메라에서 얻은 신호의 비를 기하평균하면 다음과 같이 감쇠항을 상수로 놓을 수 있다.The geometric averaging of the signals from two cameras in symmetrical positions from Eq. (4) gives the attenuation term constant.
(7) (7)
식(7)로부터 두 대의 카메라에서 얻은 신호의 비를 기하평균하여 평균액적지름(SMD) 분포를 얻게 되면 감쇠에 의한 오차를 저감시킬 수 있음을 예상할 수 있다.From Eq. (7), we can expect that the error due to attenuation can be reduced by geometric average of the ratio of signals from two cameras to obtain the mean droplet diameter (SMD) distribution.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료분무분포 측정방법을 수행하기 위한 장치 구성도이고, 도 3은 도 2의 'A'영역의 사시도로서, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료분무분포 측정방법을 수행하기 위한 장치는, 연료를 저장하며 측정 시 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 광섬유(미도시)를 이용하여 레이저 평면광(25)을 만들어내는 광학부(20)와, 분무가 이루어지는 시험부(30)와, 신호를 검출하여 저장하는 검지부(40)를 구비한다.FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for performing a fuel spray distribution measuring method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a perspective view of a region 'A' of FIG. 2, as shown in these drawings. An apparatus for performing a fuel spray distribution measuring method according to an embodiment of the present invention comprises a fuel supply unit 10 for storing fuel and supplying fuel during measurement, and making a laser plane light 25 using an optical fiber (not shown). It includes an optical unit 20, a test unit 30 where spraying is performed, and a detection unit 40 that detects and stores a signal.
본 실시 예에서는 형광염료(Fluorescein, C20H12O5)를 알코올에 용해시킨 후 4배 부피의 물로 희석한 혼합연료(50)를 사용한다. 이 혼합연료(50)는 고압가스탱크(11)와 고압연료탱크(13) 등으로 구성된 연료공급부(10)로부터 후술할 시험부(30)의 분사노즐(31)로 공급된다. 그리고 광학부(20)는 연속레이저인 아르곤 이온(Ar-ion) 레이저(21), 광섬유(미도시), 플립 마운트(flip mount)(미도시), 그리고 복수개의 거울(27)로 구성되어 분사되는 혼합연료(50) 분무를 향하여 일측부에서 수직으로 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하게 되는데, 플립 마운트(flip mount)(미도시)의 조작에 의하여 필요에 따라 레이저 평면광(25)의 조사(照射)방향을 바꿀 수 있어 혼합연료(50)의 좌측 또는 우측의 어느 한 쪽에서 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하게 된다. 즉, 예를 들어 좌측으로부터 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하고자 하는 경우에는 플립 마운트(flip mount)에 붙어있는 거울(27)을 통해 레이저(21)를 반사시키게 되고, 우측으로부터 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하고자 하는 경우에는 플립 마운트(flip mount)를 접어서 레이저 평면광(25)이 그대로 지나가 버리게 한 뒤 다른 거울(27)을 통해 반사되어 레이저 평면광(25)이 조사(照射)되도록 하면 된다.In this embodiment, a mixed fuel 50 in which fluorescent dyes (Fluorescein, C 20 H 12 O 5 ) is dissolved in alcohol and diluted with four times the volume of water is used. The mixed fuel 50 is supplied from the fuel supply unit 10 composed of the high pressure gas tank 11, the high pressure fuel tank 13, and the like to the injection nozzle 31 of the test unit 30 to be described later. The optical unit 20 is composed of an argon ion laser 21, an optical fiber (not shown), a flip mount (not shown), and a plurality of mirrors 27 which are continuous lasers. The laser plane light 25 is irradiated perpendicularly from one side toward the mixed fuel 50 to be sprayed, and the laser plane light 25 as necessary by manipulation of a flip mount (not shown). ), The irradiation direction can be changed, and the laser plane light 25 is irradiated from either the left side or the right side of the mixed fuel 50. That is, for example, when the laser planar light 25 is to be irradiated from the left side, the laser 21 is reflected through the mirror 27 attached to the flip mount, and the laser plane is projected from the right side. When the light 25 is to be irradiated, the flip mount is folded to allow the laser plane light 25 to pass through as it is, and then is reflected through another mirror 27 so that the laser plane light 25 is irradiated. You can do it.
그리고 시험부(30)는 연료를 분사하는 분사노즐(31)을 구비하며, 검지부(40)는 혼합연료(50)의 분무축선(53)에 대향되게 배치되는 한 쌍의 칼라 디지털 카메라 즉 제1카메라(41), 제2카메라(43)와 신호 처리를 위한 퍼스널 컴퓨터(Personal Computer))를 구비한다. 한 쌍의 카메라(41,43)는 레이저 평면광(25)의 조사방향에 수직인 평면상에서 한 쌍의 카메라의 입사광축이 위치하는 상태로 한 쌍의 카메라가 배치되어 촬영되도록 하며, 형광과 산란신호를 분리해내기 위해, 형광신호 측정용 필터인 550㎚ 이상의 파장만을 통과시키는 광 필터(미도시)와 산란신호 측정용 필터인 515±5㎚의 대역(band-pass) 필터(미도시)가 각각 필요에 따라 한 쌍의 카메라(41,43)에 장착된다.The test unit 30 includes an injection nozzle 31 for injecting fuel, and the detection unit 40 is a pair of color digital cameras disposed to face the spray axis 53 of the mixed fuel 50. A camera 41, a second camera 43, and a personal computer for signal processing are provided. The pair of cameras 41 and 43 are arranged such that the pair of cameras are photographed with the incident optical axis of the pair of cameras positioned on a plane perpendicular to the irradiation direction of the laser plane light 25, and the fluorescence and scattering are performed. In order to separate the signal, an optical filter (not shown) that passes only a wavelength of 550 nm or more, which is a fluorescence signal measuring filter, and a band-pass filter (not shown), which is a filter for scattering signal measurement, is not shown. Each is mounted on a pair of cameras 41 and 43 as needed.
이러한 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료분무분포 측정방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.By such a configuration, the fuel spray distribution measuring method according to an embodiment of the present invention will be described.
우선, 혼합연료(50)를 분사노즐(31)을 통해 분사하고, 분사노즐(31)을 통해 분사되는 혼합연료(50)를 향하여 혼합연료(50)의 분사방향에 대해 수직으로 레이저 평면광(25)을 조사(照射)한다.First, the mixed fuel 50 is injected through the injection nozzle 31, and the laser plane light is perpendicular to the injection direction of the mixed fuel 50 toward the mixed fuel 50 injected through the injection nozzle 31. 25) is irradiated.
그런 다음에, 550㎚ 이상의 파장만을 통과시키는 광 필터를 장착한 제1카메라(41)와 제2카메라(43)로, 레이저 평면광(25)이 조사된 영역 내의 혼합연료(50)의 평면 분무 형광신호 이미지를 얻는다.Then, the plane spray of the mixed fuel 50 in the region to which the laser plane light 25 is irradiated with the first camera 41 and the second camera 43 equipped with an optical filter passing only a wavelength of 550 nm or more. Obtain a fluorescence signal image.
이 과정을 좀 더 자세히 설명하면, 분무되는 혼합연료(50)의 일측에서 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하여 제1보정이미지를 촬영하고 혼합연료(50)의 분무축선(53)에 대해 일측과 대향되는 타측에서 제2보정이미지를 촬영한다. 즉 좌측에서 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하여 제1보정이미지를 촬영하고 난 뒤 다시 우측에서 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하여 제2보정이미지를 촬영하게 되는데, 결과적으로 제1카메라(41)에도 형광신호를 촬영한 제1보정이미지와 제2보정이미지가 기록되며 제2카메라(43)에도 형광신호를 촬영한 제1보정이미지와 제2보정이미지가 기록된다.To describe this process in more detail, one side of the mixed fuel 50 to be sprayed is irradiated with a laser plane light (25) to take a first correction image to the spray axis (53) of the mixed fuel (50) The second correction image is taken from the other side opposite to one side. In other words, the first planar image is photographed by irradiating the laser plane light 25 on the left side, and the second planar image is photographed by irradiating the laser plane light 25 on the right side again. The first and second correction images photographing the fluorescence signal are also recorded in the first camera 41, and the first and second correction images photographing the fluorescence signal are also recorded in the second camera 43.
다음으로, 515±5㎚의 대역(band-pass) 필터를 장착한 제1카메라(41)와 제2카메라(43)로, 레이저 평면광(25)이 조사된 영역 내의 혼합연료(50)의 평면 분무 산란신호 이미지를 얻는다. 이 과정은 전술한 형광신호 이미지를 얻는 과정과 동일하므로 설명을 생략하는데, 형광신호 촬영 때와 마찬가지로 제1카메라(41)에도 산란신호를 촬영한 제1보정이미지와 제2보정이미지가 기록되며 제2카메라(43)에도 산란신호를 촬영한 제1보정이미지와 제2보정이미지가 기록된다.Next, with the first camera 41 and the second camera 43 equipped with a band-pass filter of 515 ± 5 nm, the mixed fuel 50 in the area irradiated with the laser plane light 25 is irradiated. Planar spray scattering signal images are obtained. Since this process is the same as the process of obtaining the above-described fluorescence signal image, a description thereof will be omitted. Like the fluorescence signal photographing, the first correction image and the second correction image photographing the scattering signal are recorded in the first camera 41. In the second camera 43, the first and second correction images of the scattering signal are recorded.
그런 다음에, 몇 가지의 신호 처리 과정을 수행하게 된다. 첫째 일반적으로 레이저 평면광(25)의 강도는 그 수평위치에 대하여 가우시안(Gaussian) 분포를 이루므로 제1카메라(41)와 제2카메라(43)로 촬영하여 각각 얻어진 제1보정이미지와 제2보정이미지를 보정해 줄 필요가 있다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같이 연료분무의 질량분포를 측정하기 전에, 혼합연료(50)와 동일한 성분의 혼합연료(50)를 수정 셀(quartz cell)(51)에 충전시키고 수정 셀(51) 내의 혼합연료(50)를 향하여 레이저 평면광(25)을 조사하여 측정된 혼합연료(50)의 형광신호분포를 기초로 제1카메라(41)와 제2카메라(43)로 촬영하여 각각 얻어진 제1보정이미지와 제2보정이미지를 보정한다.Then several signal processing steps are performed. First, since the intensity of the laser plane light 25 generally has a Gaussian distribution with respect to its horizontal position, the first correction image and the second correction image obtained by photographing with the first camera 41 and the second camera 43, respectively. You need to correct the image. Therefore, as shown in FIG. 4, before the mass distribution of the fuel spray is measured, the mixed fuel 50 of the same component as the mixed fuel 50 is filled into the quartz cell 51 and the quartz cell 51 is fixed. Based on the fluorescence signal distribution of the mixed fuel 50 measured by irradiating the laser plane light 25 toward the mixed fuel 50 in the first fuel 41 and the second camera 43, respectively. Correct the 1st correction image and the 2nd correction image.
둘째로는 레이저 평면광(25)의 조사(照射)평면의 수직방향에서 촬영하는 것이 가장 바람직함에도 불구하고 낙하하는 분무를 피하여 측부에서 촬영할 수밖에 없으므로 이 때 측정면의 위치에 따라 카메라까지의 거리가 달라지므로 원근 효과에 의해 이미지가 왜곡되어 나타난다. 따라서 왜곡된 이미지를 원래의 정사각형으로 바꾸어주도록 하는 유사(Affine) 변환 행렬을 구하여, 이 유사 변환 행렬을 기초로 전술한 보정에 의해 보정된 제1보정이미지와 제2보정이미지를 다시 보정한다.Secondly, although it is most preferable to shoot in the vertical direction of the irradiation plane of the laser plane light 25, it is inevitable to shoot from the side to avoid falling spray, so the distance to the camera depends on the position of the measurement plane. The image is distorted due to the perspective effect. Therefore, an Affine transformation matrix for converting the distorted image into the original square is obtained, and the first corrected image and the second corrected image corrected by the above-described correction are again corrected based on the similar transformation matrix.
그리고 나서, 전술한 보정 과정을 모두 거친 제1카메라(41)의 제1보정이미지와 제2보정이미지를 기하평균하고 제2카메라(43)의 제1보정이미지와 제2보정이미지를 기하평균하여 각각 제1이미지와 제2이미지를 얻는다. 이는 레이저 평면광(25)이 분무를 통과할 때 액적들에 의한 감쇠 현상이 강하게 일어나므로 광원의 조사방향에 가까운 위치에서 신호가 강하게 나타나는 현상 즉 레이저광의 강도 감소를 보정하기 위한 것이다.Then, the first and second corrected images of the first camera 41 and the second corrected image that have undergone the above-described correction process are geometrically averaged, and the first and second corrected images of the second camera 43 are geometrically averaged. Obtain a first image and a second image, respectively. This is to compensate for the phenomenon in which the signal is strong at a position close to the irradiation direction of the light source, that is, the decrease in the intensity of the laser light since the attenuation phenomenon by the droplets occurs strongly when the laser plane light 25 passes through the spray.
마지막으로, 제1이미지와 제2이미지를 기하평균하여 최종이미지, 즉 최종 형광신호 이미지와 최종 산란신호 이미지를 얻은 뒤에 이들로부터 형광신호와 산란신호를 검출하여 식(1)을 통하여 평균액적지름(SMD:Sauter Mean Diameter) 분포를 검지(檢知)하게 되고, 식(2)를 통하여 연료분무의 질량분포를 검지(檢知)하게 된다.Finally, the first image and the second image are geometrically averaged to obtain the final image, that is, the final fluorescence signal image and the final scattering signal image, and then the fluorescence signal and the scattering signal are detected from them, and the average droplet diameter is obtained through Equation (1). SMD (Sauter Mean Diameter) distribution is detected and the mass distribution of fuel spray is detected through Equation (2).
본 발명에 따른 연료분무분포 측정방법에 의하여 측정된 결과의 신뢰성에 대하여 간단히 설명하면, 도 5a 와 도 5b는 감쇠 경로의 차이를 보기 위해 각각 Z=25mm와 Z=50mm에서 Y축을 따라 대칭인 위치에서의 평균액적지름(SMD) 분포를 나타낸 그래프로서, 이에 도시된 바와 같이, 두 카메라에서 측정한 상대적 평균액적지름(SMD) 값의 기하 평균을 구하여 PDPA의 결과 비교해보면 전체적인 경향성을 복원할 수 있음을 알 수 있다.Briefly describing the reliability of the results measured by the fuel spray distribution measuring method according to the present invention, Figures 5a and 5b are symmetrical positions along the Y axis at Z = 25mm and Z = 50mm, respectively, to see the difference in the damping path This is a graph showing the mean droplet diameter (SMD) distribution at. As shown here, the geometric mean of the relative mean droplet diameter (SMD) values measured by two cameras can be calculated and compared with the results of PDPA to restore the overall tendency. It can be seen.
또한 도 6a는 Z=50mm에서 두 대의 카메라로부터 얻은 형광 이미지를 기하평균한 최종이미지로부터 검지된 질량플러스 분포 결과를 도시한 그래프로서, 이에 도시된 바와 같이, 카메라의 위치에 따라 서로 다른 분포를 나타냄을 알 수 있다. 제1카메라의 경우는 오른쪽(+Y)에서 높은 값을 나타내며, 제2카메라의 경우는 왼쪽(-Y)에서 높은 값을 나타내는데, 이는 제1카메라가 (+Y)방향에 위치하여 카메라에 가까운 곳(+Y)에서의 신호가 카메라보다 먼 곳(-Y)에서의 신호보다 감쇠가 덜하기 때문이고, 마찬가지로 제2카메라의 경우는 (-Y)방향에 위치하고 있어서 가까운 곳(-Y)에서의 신호가 먼 곳(+Y)에서보다 신호가 크게 잡히기 때문이다. 따라서 제1카메라와 제2카메라에서 얻은 제1이미지와 제2이미지를 기하평균한 최종이미지를 사용하게 되면 카메라에 가까운 쪽은 신호가 강하게 잡히고 먼 쪽에서는 약하게 잡히는 신호 감쇠의 문제를 해결할 수 있게 된다. 도 6b는 두 대의 카메라로부터 얻은 형광 이미지를 기하평균한 최종이미지로부터 검지된 질량플러스 분포 결과를 다른 측정 기법과 비교 도시한 그래프로서, 이에 도시된 바와 같이 PDPA나 기계적 패터네이터 등의 다른 측정 기법의 결과와 매우 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.FIG. 6A is a graph showing the mass plus distribution result detected from the final image obtained by geometric average of fluorescence images obtained from two cameras at Z = 50 mm. As shown in FIG. 6A, different distributions are shown according to the position of the camera. It can be seen. The first camera shows a high value on the right (+ Y) and the second camera shows a high value on the left (-Y), which means that the first camera is located in the (+ Y) direction and close to the camera. This is because the signal at the place (+ Y) is less attenuated than the signal at the place (-Y) than the camera, and the second camera is located in the (-Y) direction, so This is because the signal is larger than the signal from far (+ Y). Therefore, if the final image obtained by geometrically averaged first and second images obtained from the first and second cameras is used, the signal attenuation problem that is strong in the near side and weak in the far side can be solved. . FIG. 6B is a graph showing the mass plus distribution result detected from the final image obtained by geometric average of the fluorescence images obtained from two cameras, compared with other measurement techniques. As shown in FIG. 6B, other measurement techniques such as PDPA and mechanical patternator are shown. You can see that it is in good agreement with the results.
이상과 같이, 혼합연료(50)를 분사노즐(31)을 통해 분사하고 혼합연료(50)의 분사방향에 대해 수직으로 레이저 평면광(25)을 조사(照射)하는 조사(照射)단계와, 제1카메라(camera)(41)로 레이저 평면광(25)의 조사(照射)평면의 일측에서 레이저 평면광(25)이 조사된 영역 내의 혼합연료(50)의 평면 분무 제1이미지를 촬영하고 제2카메라(43)로 혼합연료(50)의 분무축선(53)에 대해 제1이미지의 촬영방향과 대칭인 방향에서 제2이미지를 촬영하는 촬영단계와, 제1이미지와 제2이미지의 기하평균을 취하여 얻어진 최종이미지에서 검출된 신호를 기초로 하여 연료분무의 분포를 검지(檢知)하는 검지(檢知)단계를 마련함으로써, 카메라가 분무의 측정평면에 비스듬히 배치되어 분무의 측정평면을 촬영함으로써 발생하는 불균일한 신호의 감쇠를 보정할 수 있어 종래에 비해 보다 정확한 측정결과를 얻을 수 있다.As described above, the irradiation step of injecting the mixed fuel 50 through the injection nozzle 31 and irradiating the laser plane light 25 perpendicular to the injection direction of the mixed fuel 50, The first camera 41 photographs the first plane spray image of the mixed fuel 50 in the area irradiated with the laser plane light 25 on one side of the irradiation plane of the laser plane light 25 A photographing step of photographing the second image in a direction symmetrical to the photographing direction of the first image with respect to the spray axis 53 of the mixed fuel 50 by the second camera 43, and the geometry of the first image and the second image; By providing a detection step of detecting the distribution of fuel spray on the basis of the signal detected in the final image obtained by taking the average, the camera is arranged obliquely on the measurement plane of the spray to Attenuation of non-uniform signal caused by shooting can be corrected More accurate measurement results can be obtained.
전술한 실시 예에서는, 한 쌍의 칼라 디지털 카메라를 사용하는 경우에 대하여 상술하였으나 칼라 디지털 카메라가 아니라 한 쌍의 CCD(Charge Coupled Device : 전하결합소자) 카메라를 사용할 수 있음은 당연하다.In the above-described embodiment, the case of using a pair of color digital cameras is described above, but it is natural that a pair of charge coupled device (CCD) cameras may be used instead of the color digital camera.
또한, 전술한 실시 예에서는, 최종이미지가 최종 산란신호 이미지와 최종 형광신호 이미지인 것에 대하여 상술하였으나, 최종이미지는 최종 산란신호 이미지와 최종 형광신호 이미지 중 어느 하나일 수 있음은 당연하며 이 경우 다른 하나의 이미지를 얻는 절차는 생략될 수 있음은 물론이다.In addition, in the above-described embodiment, the final image is the final scattering signal image and the final fluorescence signal image, but the final image may be any one of the final scattering signal image and the final fluorescence signal image is natural It goes without saying that the procedure of obtaining one image can be omitted.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 카메라가 분무의 측정평면에 비스듬히 배치되어 분무의 측정평면을 촬영함으로써 발생하는 불균일한 신호의 감쇠를 보정할 수 있어 종래에 비해 보다 정확한 측정결과를 얻을 수 있도록 한 연료분무분포 측정방법이 제공된다.As described above, according to the present invention, the camera is disposed obliquely on the measuring plane of the spray to compensate for the attenuation of non-uniform signals generated by photographing the measuring plane of the spray so that a more accurate measurement result can be obtained than in the prior art. A fuel spray distribution measurement method is provided.
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