基于圖像識別技術(shù)的直噴汽油發(fā)動機(jī)顆粒物排放分析

付樂中，陳宇清，習(xí)綱

(聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206)

0 引言

全球汽車排放法規(guī)的加嚴(yán)對汽車的減排技術(shù)提出了更高的要求，特別是《國家第六階段機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱為“國六”)對汽車排放的顆粒物數(shù)量(Particulate Number，PN )有著較高的要求，而即將實行的RDE(Real Drive Emission)測試對發(fā)動機(jī)要求更高。因此如何降低PN排放成為汽車行業(yè)的研究重點。

顆粒物的產(chǎn)生機(jī)制比較復(fù)雜，顆粒物主要分為核態(tài)顆粒物和聚積態(tài)顆粒物[1-2]。核態(tài)顆粒物主要由有機(jī)物、含硫的化合物、金屬顆粒、非金屬固體單質(zhì)以及鹽類化合物組成。聚積態(tài)顆粒物則是由燃燒產(chǎn)生的不定型碳和表面吸附物(硫酸鹽，HC等)組成。影響顆粒物排放的因素較多，發(fā)動機(jī)水溫、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、燃油、噴油時刻、廢氣再循環(huán)等邊界條件都對顆粒物的排放有明顯的影響[3-8]，且顆粒物的生成非常不穩(wěn)定，因此對其優(yōu)化難度也非常高。

內(nèi)窺鏡常用在發(fā)動機(jī)燃燒開發(fā)中，1983年CARTELLIERI和WERLBERGER[9]首次在單缸柴油機(jī)中采用石英玻璃配合內(nèi)窺鏡，同時利用膠片及光源進(jìn)行拍攝。之后CCD攝像機(jī)代替膠片進(jìn)行內(nèi)窺拍攝[10]。BAECKER[11]利用內(nèi)窺鏡研究單缸機(jī)的噴霧過程。LOHFINK[12]采用內(nèi)窺鏡對中置和側(cè)置發(fā)動機(jī)噴油和催化器加熱策略進(jìn)行了研究。這些內(nèi)窺鏡系統(tǒng)都是利用安裝在內(nèi)窺鏡上的小型攝像機(jī)，一個循環(huán)捕獲一張圖片，然后將不同燃燒循環(huán)的圖片組合成一個完整的燃燒循環(huán)圖片。

本文作者基于自主開發(fā)的可連續(xù)拍照的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，開發(fā)了一套火焰圖像識別方法，對直噴發(fā)動機(jī)顆粒物排放進(jìn)行研究。研究了不同噴油時刻及不同循環(huán)間顆粒物排放與黃色火焰之間的關(guān)系和規(guī)律，除此以外本文作者還研究了噴油器積碳試驗中PN的表現(xiàn)規(guī)律。

1 發(fā)動機(jī)內(nèi)窺鏡臺架系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)內(nèi)窺鏡臺架系統(tǒng)如圖1所示，主要由試驗發(fā)動機(jī)、高速相機(jī)系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、ETU信號同步系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)控制器系統(tǒng)等組成。該內(nèi)窺鏡可進(jìn)行連續(xù)拍照且能夠在不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷下工作。

高速相機(jī)組件由高速攝影相機(jī)以及內(nèi)窺鏡管路組成，用于記錄發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒/噴霧等圖像。光源組件由光源、光纖以及導(dǎo)光管路組成，用于給燃燒室提供外部光源，便于相機(jī)拍攝。為了便于布置，高速相機(jī)/光源組件從發(fā)動機(jī)4缸側(cè)面伸入缸內(nèi)，觀測發(fā)動機(jī)燃燒/噴霧情況。ETU信號同步系統(tǒng)用于生成相機(jī)拍攝的觸發(fā)信號，實現(xiàn)曲軸轉(zhuǎn)角和拍攝照片同步進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括臺架信號及排放采集系統(tǒng)、燃燒分析儀以及發(fā)動機(jī)控制信號采集系統(tǒng)等。發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)控制器(ECU)組成。文中試驗發(fā)動機(jī)主要基本參數(shù)如表1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)內(nèi)窺鏡臺架系統(tǒng)

表1 試驗發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 內(nèi)窺鏡燃燒圖像識別方法

2.1 內(nèi)窺鏡采集的燃燒圖像

缸內(nèi)燃燒圖像由高速相機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集，文中圖像采集頻率為1張/°CA。圖2為典型的內(nèi)窺鏡拍攝的缸內(nèi)燃燒照片,此圖為燃燒沖程過程的照片。

圖2 內(nèi)窺鏡拍攝的缸內(nèi)燃燒照片

火花塞已經(jīng)點火完畢，活塞下移且缸內(nèi)混合氣正在燃燒。圖中藍(lán)色火焰部分為均勻的預(yù)混合燃燒形成的，火焰中黃色部分為不完全燃燒產(chǎn)生的碳顆粒物所產(chǎn)生的熱輻射，因此圖中的黃色火焰區(qū)域可以表示碳顆粒物的生成。

2.2 內(nèi)窺鏡圖像識別方法

盡管內(nèi)窺鏡所拍攝的發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒圖像/視頻能直觀地看出顆粒物的產(chǎn)生區(qū)域，但只能進(jìn)行定性分析，無法使數(shù)據(jù)數(shù)值化。本文作者采用圖像處理的方式對內(nèi)窺鏡采集的圖像進(jìn)行處理和識別，從而挖掘內(nèi)窺鏡圖片中更多有用的信息。圖片處理主要流程如圖3所示。

圖3 圖片處理主要流程

缸內(nèi)燃燒顆粒物主要分布區(qū)域如圖4所示,分別為活塞表面、缸套端、火力岸、噴油器、進(jìn)氣閥、氣相區(qū)域。

由于文中的內(nèi)窺鏡位于缸體側(cè)面，視野受到影響，只能區(qū)分活塞表面、缸套端、噴油器處的黃色火焰區(qū)域。因此將內(nèi)窺鏡圖像分為圖5中的4個區(qū)域,分別對這4個區(qū)域內(nèi)的火焰進(jìn)行識別，從而獲取這4個區(qū)域顆粒物排放的分布情況。

原始圖片中有很多背景和反光等干擾噪聲信息，因此采用圖像與基準(zhǔn)圖像對照等方法過濾干擾噪聲信息，以提高下一步的火焰顏色信息提取效率。去噪前后對比如圖6所示。

圖5 內(nèi)窺鏡圖片燃燒室分區(qū)

圖6 內(nèi)窺鏡原始圖片去噪前后對比

濾掉噪聲后對圖片中的火焰顏色進(jìn)行提取，如圖7所示。因為HSV(Hue Saturation Value)能更好地反映圖片中的顏色信息，所以本文作者將獲得的內(nèi)窺鏡RBG照片化后轉(zhuǎn)入HSV空間，通過定義相應(yīng)的色調(diào)(Hue)、飽和度(Saturation)和明度(Value)范圍閾值識別火焰的黃色，如圖8所示。

黃色的火焰信息被提取后，將圖片信息灰度化，轉(zhuǎn)化為二維圖片矩陣，將整個燃燒過程中的圖片矩陣整體積分后，進(jìn)行分析。

圖7 內(nèi)窺鏡去噪后圖片提取黃色火焰示意

圖8 RGB與HSV對比示意

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同噴油時刻的PN排放分析

圖9為不同噴油時刻下PN排放數(shù)值與黃色火焰面積積分圖。工況為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，平均有效壓力(BMEP)為1 MPa，噴油時刻SOI分別為250、290、330°CA BTDC(上止點前)。從圖中可以看出噴油時刻提前以及延后都會導(dǎo)致PN排放量增加。從內(nèi)窺鏡圖像中可以看到，當(dāng)噴油時刻延后至330°CA BTDC時，代表PN的黃色火焰明顯增多。除此以外，通過對比PN的數(shù)值水平和黃色火焰的積分面積也可以發(fā)現(xiàn)，PN數(shù)值水平和黃色火焰面積呈現(xiàn)很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖9 不同噴油時刻下PN值與黃色火焰的對比

圖10為不同噴油時刻下黃色火焰分布對比圖，其工況和圖9一致。從圖10可以看出，不同的噴油時刻黃色火焰的分布情況。當(dāng)噴油時刻為250°CA BTDC時，黃色火焰主要分布在發(fā)動機(jī)缸套及噴油器/進(jìn)氣閥端。這說明噴油時刻提前，會導(dǎo)致

噴油器噴出的噴霧接觸正在關(guān)閉的進(jìn)氣閥門，從而導(dǎo)致進(jìn)氣閥濕壁，而缸套端的黃色火焰是噴油器噴到缸套上所導(dǎo)致的；當(dāng)噴油時刻為290°CA BTDC時，可以看到4個區(qū)域都有黃色火焰的分布且缸套端的黃色火焰相對更多一點，但在290°CA BTDC噴油時刻下整體的PN及黃色火焰積分是最小的；當(dāng)噴油時刻為330°CA BTDC時，可以看到代表活塞頂部的區(qū)域2占據(jù)了90%左右的黃色火焰。這是因為330°CA BTDC時，活塞離上止點位置距離很近，大量的汽油噴霧直接噴到活塞上面導(dǎo)致嚴(yán)重的活塞濕壁，附著在活塞上的油燃燒，在活塞上端區(qū)域產(chǎn)生大量的PN。通過上述分析可知，噴油時刻過早容易導(dǎo)致進(jìn)氣道濕壁，噴油時刻太遲容易導(dǎo)致活塞濕壁。因此可以通過標(biāo)定，選取一個合適的噴油時刻，使PN排放最低。因此，利用火焰識別技術(shù)結(jié)合發(fā)動機(jī)內(nèi)窺鏡技術(shù)，能很好地定量化分析顆粒物的產(chǎn)生和分布情況，從而因地制宜地找出最合適的解決方案。

圖10 不同噴油時刻下黃色火焰分布對比

3.2 噴油器積碳試驗的PN排放分析

圖11為噴油器積碳試驗的PN排放結(jié)果，噴油器積碳試驗工況為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，BMEP為1 MPa，噴油時刻SOI為290°CA BTDC，發(fā)動機(jī)在該工況下一直穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11 噴油器積碳試驗的PN排放

從圖中可以看出，隨著發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間的增加，PN排放量一直增加，從內(nèi)窺鏡圖片也可以發(fā)現(xiàn)，PN排放主要在噴油器頭部。圖12為噴油器積碳試驗的PN排放與火焰積分對比，選取了圖11中的6個采集點，結(jié)合火焰識別結(jié)果可以看出，火焰積分面積和PN排放有著相同的趨勢：隨著時間的增加，缸內(nèi)黃色火焰面積也逐漸增加。說明隨著發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間的增加，噴油器頭部積碳逐漸增加，導(dǎo)致PN排放增加。

圖12 噴油器積碳試驗的PN排放與火焰積分對比

3.3 不同循環(huán)間的PN排放分析

通常采用PN排放儀對發(fā)動機(jī)PN排放進(jìn)行檢測，而PN排放儀只能檢測出發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況的PN平均值。PN排放在不同循環(huán)中波動比較大，因此通過排放儀器很難分析瞬態(tài)工況下不同循環(huán)間的PN排放。

而通過內(nèi)窺鏡的連續(xù)拍照結(jié)合火焰識別技術(shù)可以對循環(huán)間的PN排放進(jìn)行研究與分析。圖13為不同循環(huán)間的黃色火焰積分面積及分布，工況為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，BMEP為1 MPa，噴油時刻SOI為330 °CA BTDC，連續(xù)10個發(fā)動機(jī)循環(huán)。圖中可以看出火焰積分面積在不同發(fā)動機(jī)循環(huán)間波動比較大，說明PN排放量在不同發(fā)動機(jī)循環(huán)間的波動較大。除此以外，圖中還可以看出，盡管黃色火焰積分面積波動較大，但是不同循環(huán)中的黃色火焰分布規(guī)律還是非常相似的，基本都集中在區(qū)域2(活塞表面)。說明盡管PN排放在不同循環(huán)間波動較大，但是顆粒物都來源于活塞表面區(qū)域。

圖13 不同循環(huán)間的黃色火焰積分面積及分布

4 結(jié)論

通過采用發(fā)動機(jī)內(nèi)窺鏡結(jié)合火焰識別技術(shù)，對發(fā)動機(jī)PN排放進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

(1)利用火焰識別技術(shù)結(jié)合發(fā)動機(jī)內(nèi)窺鏡技術(shù)，能很好地定量化分析顆粒物的產(chǎn)生、分布及排放情況；

(2)噴油時刻過早容易造成進(jìn)氣閥濕壁，噴油時刻過遲容易造成活塞濕壁，從而導(dǎo)致PN排放增加。因此，選擇一個合適的噴油時刻有利于獲得較低的PN排放。

(3)噴油器長時間運(yùn)行會導(dǎo)致噴油器頭部積碳情況加重，從而導(dǎo)致PN排放增加。

(4)不同發(fā)動機(jī)循環(huán)間的黃色火焰積分面積波動較大，說明PN排放波動較大。盡管如此，不同循環(huán)間PN排放的主要來源都是活塞表面區(qū)域。