直噴汽油機噴霧過程圖像采集和處理

杜宏飛，劉江唯，付 磊

(中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011)

2016186

直噴汽油機噴霧過程圖像采集和處理

杜宏飛，劉江唯，付 磊

(中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011)

基于直噴汽油機和高速相機，搭建汽油機缸內可視化平臺，拍攝噴霧過程圖像，利用Matlab對圖像進行后處理和分析，去除背景噪聲、壁面反射光和個別亮點的影響，提取了噴霧的貫穿度、噴霧面積信息。該方法是研究汽油噴霧貫穿度、噴霧形態的有效手段。

直噴汽油機；噴霧；圖像處理；Matlab

前言

近年來隨著汽油機排放和油耗法規的日益嚴格，越來越多的學者開始對直噴汽油機進行深入研究[1-2]。直噴汽油機缸內噴霧過程直接影響混合氣形成，進而影響燃燒效率和污染物排放。因此開展直噴汽油機缸內噴霧可視化研究非常必要[3-4]。

目前缸內噴霧可視化測量采用的方法主要包括激光輔助測量和高速攝像。激光輔助測量方法是在光學發動機上引入激光，結合高速相機和濾鏡，測量噴霧濃度和噴霧速度。高速攝像方法是在光學發動機上利用高速相機從燃燒室底部和側面拍攝噴霧過程，從而獲得噴霧錐角、噴霧面積、噴霧貫穿、噴霧撞壁和火焰傳播等信息[5]。近年來采用高速攝像的方法進行缸內噴霧和燃燒過程的研究較多。文獻[6]中對混合燃料燃燒可視化進行了研究，為了表明不同燃料燃燒過程的差異，不同程度地采用圖片信息量化和與缸內壓力分析相結合的方法，分析了火焰發展過程。文獻[7]中在光學可視化發動機上, 采用高速攝影法,對不同摻混比例的柴油/生物柴油混合燃料進行研究, 獲取缸內燃燒火焰圖像；文獻[8]中在單缸光學發動機上，采用可視化技術研究缸內CNG 直噴稀薄燃燒過程中噴射方式和點火方式對火焰傳播過程的影響；文獻[9]中在光學發動機上,用高速相機研究了在進氣中加入不同體積分數的N2后柴油機油束的發展和混合氣的形成、著火與燃燒過程。

本文中基于光學汽油單缸機，利用高速相機對汽油機噴霧過程進行拍攝，得到了不同曲軸轉角下的噴霧圖像，并開發了一套Matlab圖像處理程序，對噴霧圖片進行處理分析，提取了缸內噴霧貫穿度、噴霧面積和噴霧濃度分布信息，通過標定對上述信息進行量化，為研究噴霧撞壁和噴霧擴散提供了有效手段。

1 圖像采集系統

圖1為試驗采用的光學單缸機，其主要參數見表1。發動機采用燃燒室全可視設計，由延長活塞、延長缸體和石英缸套組成。采用的高速相機詳細參數見表2。圖像采集原理如圖2所示。發動機運行時由角標儀輸出觸發信號，高速相機在此信號的觸發下拍攝圖像。選取的試驗工況參數如表3所示。

圖1 光學汽油單缸機

參數數值缸徑/mm84沖程/mm90壓縮比9石英缸套高度/mm55

表2 高速相機主要參數

圖2 圖像采集原理

名稱數值轉速/(r·min-1)2000燃油噴射壓力/MPa10平均指示壓力/MPa0.2

2 圖像預處理

試驗中采用兩個LED光源照明，布置在氣缸兩側，該方法可以增強油束的亮度，但同時也增加了氣缸壁面反射光的強度，難以識別油束的邊界，影響圖像特征的提取。為清晰反映出壁面反射光的影響，將原始圖像轉化為二值圖像進行對比，如圖3所示，由圖可見，在氣缸左側的反射光較強，圖像右上角噴油器位置也有強反射光，進氣門和右側壁面的反射光面積較小，從原始噴霧圖像上無法區分噴霧圖像。因此處理的重點在于去除壁面反射光，保留噴霧區域。噴霧區域是感興趣的區域，編寫Matlab程序對感興趣區域進行選擇，去除反射光和背景。 預處理流程如圖4所示。在Matlab程序中由軟件讀取原始圖像到程序中，人工選擇反射光區域并保存為背景圖像，由原始圖像減去該背景圖像，就只保留了噴霧部分圖像。

圖3 原始圖像與對應的二值圖像

圖4 去除反射光處理流程

但是對于某些工況點，噴油較少，噴霧圖像對比度不高，不能明顯區分噴霧區域。在此之前還應進行圖像對比度增強處理，利用直方圖均衡化提高對比度。直方圖均衡化是指將圖像的像素值均勻的分布在圖像的各個區間上，從而增加對比度，使圖像的視覺效果得到改善，在Matlab中采用histeq函數[10]對直方圖進行均衡化。圖5給出了均衡化前后的直方圖對比。

圖5 均衡化前后直方圖對比

在進行對比度增強以后即可進行感興趣區域選擇和濾波處理。空間濾波是通過像元與周圍相鄰像元的關系，采用空間域中的鄰域處理方法，突出圖像上的某些特征。在數字圖像中往往存在各種噪聲，Matlab圖像處理工具箱提供了線性濾波、中值濾波和自適應濾波等方法去除噪聲。本程序中結合實際情況選擇了中值濾波，采用了Matlab中的函數medfilt2來實現。中值濾波對異常值不敏感，可在不降低圖像對比度的情況下減小異常值的影響[11]。圖像預處理流程如圖6所示。

圖6 圖像處理流程

經過對比度增強、去除反射光、濾波和其它處理以后，圖像中的噴霧油束已清晰可見，將其轉化為偽彩圖即可看出噴霧的濃度梯度；轉化為二值圖像，則可識別油束邊界，采用Matlab軟件中的標準庫函數edge，利用canny算子提取邊界。

3 噴霧貫穿度提取

在完成圖像預處理之后即可進行噴霧貫穿度的提取和標定。首先進行噴霧傳播方向的定義。由鼠標在圖像上選擇噴油器頂點(xc,yc)作為噴油始點，由軟件尋找油束質心(mean_x,mean_y)，油束質心與噴油始點連線作為噴霧傳播方向。在軟件中將該兩點坐標記錄并保存在硬盤，以后在批量處理時直接調用。噴油器頂點與油束質心如圖7所示。

圖7 噴霧質心與噴油器頂點

程序中定義的貫穿度為：沿著噴霧傳播方向上的最遠距離。在軟件中由Matlab程序讀取一張原始圖像，確定油束質心與噴油始點連線，確定該連線與油束遠端邊界的交點，進而計算該交點與噴油始點的距離。計算邏輯圖如圖8所示。

圖8 噴霧貫穿度計算框圖

但此時計算提取的貫穿度數值只是在圖像中的像素值，為了獲得貫穿度實際值，要對圖像進行標定，將像素值轉化為實際距離。 本程序中選取火花塞頭部進行標定。圖9中在圖像中點擊火花塞頭部左側和右側邊緣，計算圖像上的距離(像素)記為Lm，并將數值保存，批量處理時調用。

圖9 標定圖像

標定公式為

D=Dm·L/Lm

(1)

式中:D為噴霧貫穿度，mm；Dm為圖像中貫穿度的數值，pixels；L為火花塞頭部實際寬度，6.7mm；Lm為圖像中火花塞頭部寬度，pixels。

本研究中選擇采樣間隔為2°CA。采用批量處理后的圖像如圖10所示。圖中的偽彩圖給出了噴霧的濃度梯度。提取的貫穿度結果如圖11所示。須要指出的是，噴霧傳播方向隨著曲軸轉角的變化而有所不同，噴霧的質心也稍有改變。導致了起始點與油束質心連線方向有所變化。總體來看隨著曲軸轉角的變化，貫穿度增加。油束中央區域的液態燃油濃度較大，對于外界光源的散射效果明顯，導致光線強，由偽彩圖可以看出，從油束中央到邊緣，液態濃度逐漸降低。

圖10 處理后的圖像

圖11 噴霧貫穿度計算結果

4 噴霧面積

為了表征噴霧面積大小，本研究中選用噴霧區域的像素點總和與圖片像素點總和的比值來描述。該比值在各個工況之間具有可比性，可以表征噴霧發展過程，公式為

S=Sspray/ST

(2)

式中：S為噴霧面積比例；Sspray為噴霧區域像素點總和，pixels；圖像分辨率ST=1280×800，pixels。

對圖片進行處理，獲得噴霧區域像素點總和。程序中在二值圖像的基礎上進行計算，二值圖像中油束亮度為1，其他區域為0。部分程序對亮度為1的像素點進行計數。計算結果如圖12所示。由圖可知，隨著噴霧的進行，面積逐漸擴大。

圖12 噴霧面積百分比

為了表征噴霧擴散速度，定義噴霧面積變化速度為：單位曲軸轉角內，兩幅圖像噴霧區域像素點總和之差。

Sv=(Si+1-Si)/△deg

(3)

式中：Sv為噴霧擴散速度，pixels/(°CA)；Si+1為第i+1幅圖像噴霧區域像素點總和，pixels；Si為第i幅圖像噴霧區域像素點總和，pixels；△deg為第i幅圖像與第i+1幅圖像間隔的曲軸轉角，°CA。

計算結果如圖13所示。由圖可見，噴霧初期噴霧面積變化速度較大，說明此時噴霧擴散較快，后期變化速度減小，噴霧擴散速度減慢。

圖13 噴霧面積變化速度

5 結論

(1)通過搭建的汽油機可視化平臺可以拍攝缸內直噴過程，經過Matlab軟件進行預處理可以得到清晰的噴霧圖像。

(2)對預處理后的圖像進行信息提取，可以獲得噴霧邊界、噴霧濃度梯度、噴霧貫穿度、噴霧面積百分比和噴霧面積變化速度等信息。

[1]HUNGD,HARRINGTOND,etal.Gasolinefuelinjectorspraymeasurementandcharacterization[C].SAEPaper2008-01-1068.

[2]HUNGD,ZHUG,WINKELMANJ,etal.Ahighspeedflowvisualizationstudyoffuelspraypatterneffectonmixtureformationinalowpressuredirectinjectiongasolineengine[C].SAEPaper2007-01-1411.

[3]FANQianwang,LILiguang,HUZongjie,etal.Spraycharacteristicsandwall-impingementprocesswithdifferentpistontopsforthemulti-holeinjectorofDISIgasolineengines[C].SAEPaper2011-01-1222.

[4]KOOKS,LEM,etal.Z-typeschlierensetupanditsapplicationtohigh-speedimagingofgasolinesprays[C].SAEPaper2011-01-1981 .

[5] 張玉銀,張高明,許敏.直噴汽油機燃燒系統開發中的噴霧激光診斷技術[J]. 汽車安全與節能學報,2011,2(4):294-307.

[6]LEEP,POLCYCN,LAIM.DirectvisualizationofcombustioninanE85-fueledDISIengineundervariousoperationconditions[C].SAEPaper2013-01-1129.

[7] 何旭，馬驍，吳復甲，等．生物柴油碳煙特性的可視化研究[J].內燃機工程, 2009,30(2):1-5.

[8] 林學東，黃丫，袁方恩，等．CNG缸內直噴發動機稀薄燃燒火焰傳播過程影響因素的研究[J].汽車工程, 2011,33(10):845-849.

[9] 姚春德，高昌卿，劉增勇，等．進氣中氮氣的體積分數對柴油機著火與燃燒影響的研究[J].熱科學與技術，2002,32(12):133-137.

[10] 張強,王正林.精通Matlab圖像處理[M].北京:電子工業出版社,2012.

[11] 楊杰.數字圖像處理及Matlab實現[M].北京:電子工業出版社，2010.

Image Acquisition and Processing of the Spraying Processin a Direct Injection Gasoline Engine

Du Hongfei, Liu Jiangwei & Fu Lei

R&DCenter,ChinaFAWCo.,Ltd.,Changchun130011

A cylinder visualized platform is constructed, consisting of an optical engine with direct fuel injection and a high speed camera to take the photo images of fuel spraying process, and the images are then post-processed and analyzed with Matlab to eliminate the effects of background noise, the reflective light from wall surface and bright spots, and to extract the information of the penetration and the longitudinal sectional area of spray. The method adopted is an effective means for studying the penetration and the morphology of gasoline spray.

direct injection gasoline engine; spray; image processing; Matlab

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月8日。