冶麟，陈泓，杜家坤，李钰怀

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434)

汽油机油耗和排放法规的日益严苛对喷油器喷雾形态和油气混合提出了更高的要求，这同样需要更加准确地测量各喷雾形态参数。目前汽油机喷油器喷雾类型分为多点喷射(PFI)和缸内直喷(GDI)两种。PFI喷油器的主要功能是将汽油按设计的喷雾角度喷入进气道，制备符合需求的燃油混合气[1]。对于GDI喷油器，油束布置则对缸内燃烧起着至关重要的作用。合理的油束落点可以有效减少湿壁现象，减少机油稀释并改善排放[2]。目前，对PFI和GDI喷油器油束的测量通常使用传统油盘(油盘法)测试[3]。该方法简单易行，但设备分辨率比较低。而且，GDI喷油器喷雾颗粒较小，蒸发速度快，不适合用油盘进行测试[4-5]。现在各研究机构开始尝试使用光学诊断法对喷雾进行测试[6-12]。其中光学油盘法使用平面激光诱导荧光原理，对喷雾油束在某一平面的油斑进行拍摄，然后依靠图像处理方法进行喷雾特性分析。激光诱导荧光的光强与燃油浓度成正比，因此可以根据荧光的强度来判断燃油含量的多少。相比油盘法，光学油盘法最大特点就是分辨率高(分辨率依据相机像素而定)，并且完全不干扰喷雾油束，可以得到测试平面内所有的喷雾形态特征[11-14]。

由于光学油盘法需要一定的测试设备作为支撑，并且要求测试者对光学设备的操作具有一定的经验，所以目前有关于光学油盘测试方法的研究较少。Michael G. Minnich,John A. McLean等[11]利用激光诱导荧光技术，测试了一款气溶胶喷嘴的喷雾，并根据荧光强度的分布测量了喷雾截面的质量分布和粒径分布。由于该方法具有较高的分辨率，从测得的截面图像可以很清楚地看到油束的旋转形态。John A. McLean,Michael G. Minnich[12]等利用平面激光方法研究了距喷嘴不同距离处的油斑图像，并由此来分析整个喷雾的空间结构，进而分析了整个雾束的直径变化以及粒径、质量分布。可以发现，目前该类研究仅限于光学油盘法本身，并没有涉及到光学油盘法和油盘法之间测试结果的对比，而且没有针对汽油机喷油器的测试结果。

本研究基于一套喷雾试验台和激光诱导荧光设备组合，分别对汽油机PFI和GDI喷油器喷雾特性的光学油盘法进行了研究，对比了光学油盘法和油盘法的测试结果，同时探究了拍摄时间、图像张数以及喷孔数量对测试结果的影响。

1 试验系统和试验方法

1.1 试验系统

本研究使用的光学油盘系统由喷雾定容弹系统和激光诱导荧光系统组成。其中主要设备包括定容弹系统、喷油器控制系统、紫外脉冲激光器(Nd:YAG)、紫外片光成型器LSO-UV(Light sheet optics for ultraviolet)、CCD相机、像增强器IRO(Intensified relay optics)以及同步器PTU(programmable timing unit)等，设备的主要参数见表1，控制参数见表2。测试所得的图像结果使用激光设备自带的后处理软件进行处理。

表1 光学油盘系统设备主要参数

表2 光学油盘系统设备主要控制参数

测试喷油器为多孔PFI和GDI喷油器。其中，PFI喷油器喷孔数量有4孔、6孔、8孔3种，其外观见图1。GDI喷油器有6孔(落点形状为三角形)、5孔(落点形状五边形)两种，外观见图2。

图1 PFI喷油器外观及喷孔数量示意

图2 GDI喷油器外观及喷嘴示意

1.2 试验方法

本试验中喷油压力由氮气瓶提供，氮气在经过调压后通往蓄能器，使燃油加压并提供稳定的压力。喷油过程由喷油器控制系统实现，该系统可以选择喷油时刻及喷射脉宽，同时输出喷油起始信号。PTU接收此信号，并且将喷油器、CCD相机和激光器工作状态进行同步，确保拍摄时刻的正确。表3和表4分别为对PFI和GDI喷油器进行测试的试验参数。喷雾参数各角度关系见图3。为进一步量化对比不同测试方法对PFI喷油器喷雾油束的测试结果，本研究针对喷雾油束特征作如下定义：

喷雾锥角α(Cone angle)：以喷雾落点为圆心，做90%灰度质量分数圆，此圆与喷嘴所成圆锥的锥角即为α角。

油束分离角β(Separation angle)：两油束落点与喷嘴连线所成的夹角。

油束偏离角γ(Bend angle)：喷雾落点与喷嘴连线和喷油器轴线在Y方向上投影所成的角。

对于GDI喷油器，由于可以从阴影法获得锥角和分离角，因此，本研究重点针对不同测试方法对油束落点情况进行对比研究。

表3 PFI喷油器试验参数设置

表4 GDI喷油器试验参数设置

光学油盘法光路布置(见图4)与平面激光诱导荧光试验布局相同。从激光器发出的圆形紫外激光束经过片光成型器后变成1 mm厚的片光，片光所在平面与喷油器轴线垂直。对于PFI和GDI喷油器，片光与喷嘴之间的距离分别为100 mm和30 mm。本研究在测试前自行设计了片光标定板，用于片光位置和角度的精确调节。该标定板不仅可以标定片光距离喷油器头部的距离，而且可以在无需移动标定板位置的情况下标定相机视窗大小，提高了测试效率和精度。在记录图像前，拍摄标定板和喷嘴位置图像，以便后期进行图像处理。

图3 油束各角度关系

图4 光学油盘法光路布置

对于PFI喷油器，本试验首先选取4孔喷油器进行测试。从最初拍得的结果中观察得到，喷油开始后(ASOI，After start of injection)5～15 ms范围之外的油雾图像十分微弱，即在距离喷油器头部100 mm位置时，油束图像信息主要集中在5～15 ms ASOI这个时间段内。所以取拍摄时间段为5～10 ms ASOI，时间分辨率选择0.5 ms，即实际拍摄时刻为5，5.5，…14.5，15 ms ASOI。同时，为了研究拍摄时间段对结果的影响，另外选取了5～10 ms ASOI和5～20 ms ASOI两个拍摄时间段进行对比。对于每个拍摄时刻记录5张图像信息进行分析，所有测试喷射频率为1 Hz。

为了研究图像记录时间分辨率(记录一组图像的时间间隔)对测试结果的影响，在研究了不同拍摄时间段的基础上，对比了不同拍摄时间分辨率(0.1 ms，0.5 ms，1 ms)的方案，以便找到最合适的测试方法。最后，根据4孔喷油器测试得到的最优方案，对6孔、8孔喷油器进行测试，并对结果进行分析。此外，所有测试方案的测试结果与使用油盘法的测试结果进行了对比。

对于GDI喷油器，测试流程与PFI喷油器类似，但由于GDI喷油器喷射脉宽短，并且油束边界较为清晰，所以拍摄时间段较短。经过测试，发现喷雾图像信息主要集中在1～1.6 ms内，测试也在此范围内进行。同时，记录分辨率取0.1 ms。测试时先选取6孔三角形油束喷油器进行研究，再依照此方法对5孔五边形喷油器测试，查看测试效果。每种孔数的喷油器各两只，分别标号为6孔1号、6孔2号和5孔1号、5孔2号。

2 测试图像后处理方法

本研究使用的图像后处理方法包括图像平均、图像比例尺标定、图像轮廓计算、图像灰度重心计算以及简单的三角函数计算。首先，平均所有时刻的图片，得到最终的油斑图像。其次，标定图像的大小和喷嘴位置。此过程利用前期片光标定板得到的尺寸图像，定义拍摄画面的大小，从而得到每个像素代表的真实尺寸。同时，将喷嘴所在的位置标记为坐标原点(0，0)。再次，根据SAE标准中对于油束边界选取方法，计算油斑的轮廓，从而得到油斑的尺寸数据。之后，使用图像灰度计算油斑的质心。在GDI喷油器中，此质心即为油束的落点。本研究中质心坐标是根据后处理软件中面积与像素灰度值加权计算得到的。最后，根据喷嘴、质心的坐标和油斑的大小，由图3中各角度的定义及三角函数关系计算出所需的各参数值。

3 PFI喷油器测试结果

3.1 不同拍摄时间段结果对比

图5示出4孔喷油器在3个不同的拍摄时间段(5 ms，10 ms，15 ms)记录图像经过后处理得到的结果。其中，每个拍摄时刻记录5张图。可以看到，随着拍摄时间段的增加，处理后的图像边界逐渐变得光滑，这样便于直观观察油斑轮廓的变化。图6示出拍摄时间段对喷雾油束测试结果影响的对比，其中光学油盘法分别选取5 ms，10 ms及15 ms下α，β，γ的角度值进行比较，并将此结果与油盘法结果进行了对照。

可以看到，3种光学油盘法拍摄方案的结果和油盘法结果吻合得较好，除了拍摄时间段为5 ms的方案结果偏差较大外，其他两种方案与对照组结果偏差很小。从图中得知，拍摄时间段在10 ms后，测量值趋向稳定,表示此种方法具有较好的重复性。

图5 不同拍摄时间段下的图像后处理结果

图6 拍摄时间段对喷雾油束测试结果的影响对比

3.2 不同时间分辨率结果对比

图7示出4孔喷油器在10 ms拍摄时间段，时间分辨率分别为0.1 ms，0.5 ms，1 ms下的图像后处理结果。从图中可见，随着拍摄分辨率的增加，平均后的图像边缘越来越清晰，这便于直观判断油束油斑情况。

图7 不同拍摄时间分辨率下的图像后处理结果

图8示出拍摄时间分辨率对喷雾油束测试结果的影响对比，其中光学油盘法分别选取1 ms，0.5 ms及0.1 ms下α，β，γ角度值进行比较，并将此结果与油盘法结果进行了对照。

可以看到，3种光学油盘法拍摄方案的结果和油盘法结果吻合得较好。除了时间分辨率为1 ms的方案结果与其他结果偏差较大外，其他2种方案与油盘法结果偏差很小。由此可见，在此类光学油盘法测试中，当拍摄时间段选取10 ms时，可选取0.5 ms为时间分辨率进行测试，以便优化测试时间。

图8 不同拍摄时间分辨率对喷雾油束测试结果的影响对比

3.3 不同喷油器孔数结果对比

图9示出采用4孔、6孔、8孔喷油器利用上述测试方法得到的α，β，γ数据结果，并依次将其与油盘法结果进行了对照。可以看到，两种方法的测试结果的变化趋势和数值都很接近。同时也可看出，拍摄时间段为10 ms，记录时间分辨率取0.5 ms的测试方法适用于不同孔数PFI喷油器测试。

图9 多孔PFI喷油器光学油盘法与油盘法测试结果对比

4 GDI喷油器测试结果对比

图10a示出6孔1号、6孔2号喷油器分别在油盘和光学油盘的落点测试结果。可以看到，两种方法的测试结果吻合较好。由此可知，此种光学油盘测试方法可以用于6孔三角形油束喷油器的测试。

图10b示出5孔1号、5孔2号喷油器分别在油盘和光学油盘的测试结果。可以看到，两种方法的测试结果吻合较好。由此可以知，此种方法对于5孔五边形油束喷油器同样适用。

图10 多孔GDI喷油器光学油盘法与油盘法测试结果对比

综上可知，对于GDI喷油器，可以采用0.6 ms拍摄时间段、0.1 ms的分辨率进行测试。该方法下测试结果与油盘法测试结果十分相近。此外，该方法适用于不同孔数、不同落点形状的GDI喷油器。

5 结论

a) PFI和GDI喷油器由于喷雾特性的不同，在进行光学油盘法测试时，对测试参数选取存在一定差异；

b) 光学油盘法在喷雾特性测中存在普适性，能够满足PFI及GDI喷雾特性测试的要求；

c) 随着拍摄时间段的延长与记录时间分辨率的增加，测试数据趋于统一，不同测试下的结果具有较好的重复性，此时，继续延长拍摄时间、提高测试分辨率对测试数据意义不大；

d) 光学油盘法测试结果与油盘法测试结果十分吻合，可以在一定条件代替油盘法进行测试；

e) 光学油盘法结果在喷雾角度与落点的测定中具有较好的重复性及较高的测试分辨率，能够作为一种新型的喷雾分析手段使用。