CC BY
37
УДК 621.43.039
А.В. Еськов, С.И. Гибельгауз, А.А. Тятюхин
Стенд скоростной видеорегистрации характеристик струй распыленных жидких топлив A.V. Eskov, S.I. Gibelgaus, A.A. Tyatyukhin Test Bed for Speed Video-Registration of Liquid Fuel Atomixation
Приводится описание стенда скоростной видеосъемки для определения длины струи распыленного топлива для малых давлений впрыска в атмосферных условиях. Определение длины распыленного топлива происходит специально разработанной программой по двум методам определения границ струи: пороговым и методом «треугольника». Представлены экспериментальные результаты определения длины струи.
Ключевые слова: обработка изображений, скоростная съемка, длина струи, распыливание.
The paper describes the test bed for speed video to determine the length of the fuel’s jet spray for different injection pressures under atmospheric conditions. Determination of the length of the sprayed fuel is conducted with a specially designed program for two methods to determine the boundaries of the jet: the threshold and the “triangle” method. The authors describe experimental results obtained by determining the length of the jet.
Key words: image processing, high-speed photography, length of the jet, atomization.
На современном этапе развития двигателестрое-ния разработаны и применяются несколько видов топливных систем. Существует ряд мероприятий, направленных на достижение интенсификации впрыска топлива: применение насос-форсунок, аккумуляторных топливных систем, совершенствование традиционных топливных систем с ТНВД, создание электронных устройств и систем топливопо-дачи [1, 2].
В связи с возрастанием экологической нагрузки, истощением природных ресурсов минерального (дизельного) топлива возникает проблема перевода дизельных двигателей на альтернативные виды топлив (биотоплив). Один из перспективных альтернативных видов топлив - растительные биотоплива, получаемые из рапса. Самым известным приемом считается использование смесей минеральных и органических топлив со способом питания дизеля, основанном на приготовлении газотопливных смесей путем барботирования топлива присадкой сжатого воздуха. Данный способ позволяет интенсифицировать распыливание топлива при меньших давлениях впрыска.
Разработанный в АлтГТУ стенд контроля качества распылителей на основе скоростной съемки и обработки изображения топливных струй является приставкой к любому стенду настройки ТА, например, MOTOR PAL, MIRKEZ и ДД-1-03 и др. Топливный стенд 1 вращает вал ТНВД 2, на котором укреплен оптический датчик вращения 3 (рис. 1).
Синхроимпульс вырабатывается либо тензометриче-ским датчиком давления топлива 4 в трубопроводе 5, подводящим топливо к форсунке 6, либо оптическим датчиком 3 вращения вала топливного насоса 2 по выбору оператора. От синхроимпульса начинается отсчет времени до запуска фотокамеры 7 и управления вспышкой света 8 в блоке синхронизации 9 (СИНХРО-М) [3]. Блок синхронизации вырабатывает синхроимпульс съемки развития топливных струй от распылителя 6. Сжатый воздух подается компрессором 11 в форсунку 6. По окончании процесса съемки изображения информация передается в управляющую ЭВМ 10. В управляющей ЭВМ по специально разработанной программе определяются характеристики распыливания топлива распылителем.
Для обработки регистрируемых изображений топливной струи была разработана компьютерная программа, позволяющая рассчитывать длину топливной струи двумя способами. Топливная струя имеет нечеткие очертания, поэтому определение границ топливной струи представляет собой отдельную задачу.
При анализе объектов на изображениях возникает задача выделять объекты, представляющие интерес для исследователя. Существуют два наиболее распространенных метода сегментации: разделение по порогу и выделение контуров. Очень важно отметить, что не существует универсально пригодного метода сегментации, который давал бы приемлемый результат на всех изображениях, т.е. нет совершенного метода сегментации [4]. Сегментация
* Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках гранта РФФИ (проект №11-08-98028-р_сибирь_а «Разработка и исследование альтернативной системы питания многотопливного дизеля» на 2011 г.).
позволяет выделить участки изображения, кажу- обеспечивает разбиение изображения на области щиеся наблюдателю однородными; эта операция одинакового вида.
Рис. 1. Функциональная схема стенда контроля качества распылителей на основе скоростной съемки и обработки изображения топливных струй
Разделение по порогу предусматривает сопоставление по гистограмме значения яркости каждого пикселя с пороговым, в результате чего соответствующий пиксель зачисляется в одну из двух групп в зависимости от того, превышает значение яркости пороговое или нет. К сожалению, не всегда удается выбрать значение порога заранее, поскольку средний уровень яркости может изменяться, что вызывает необходимость вычисления гистограммы для каждого изображения отдельно. Автоматическое определение порога - задача нетривиальная. Наличие у гистограммы двух пиков - не рядовой случай.
Пиксели с интенсивностью ниже порогового значения помечаются как принадлежащие объекту, остальные пиксели - как принадлежащие фону. Алгоритм применим к изображениям, содержащим светлые объекты на темном фоне. Если _Р(/, /) < Т, то ^(/, /) принадлежит объекту, иначе ^(/, /) принадлежит фону. На выходе алгоритма получают значение признака «объект» или «фон», которое может быть представлено соответственно двоичной Булевой переменной. Расчет границ струи реализуется по первому методу в разработанной программе. Сравнение производится попиксельно с подложкой, т.е. с изображением фона снимаемой сцены без струи (рис. 2). Яркость распылителя на исходном изображении имеет невысокое значение (темный) и находится по значениям около яркости струи, поэтому в обоих методах обработки изображения первым шагом осуществляется вычитание изображения со струей из фонового изображения (рис. 2В).
Начало струи принимается в точке, соответствующей координатам носика распылителя. Вертикальной линией со стрелкой вверху обозначена граница длины струи по оси абсцисс (рис. 2Б). Все изображения получены при частоте 7042 кадр/с,
с экспозицией 136 мкс, формат кадра - 1280*71 пикселей с интервалом 142 мкс.
По алгоритму «треугольника», который особенно эффективен, когда пиксели объекта определяют слабо выраженный пик на гистограмме, и неэффективен для многопиковых гистограмм [4, 5], строится прямая, проходящая через пик гистограммы (bmax, h(bmax)) и точку (bmin, h(bmax)) - первое справа, отличное от нуля значение гистограммы. Для каждого из значений интенсивности b є [b . , b ] вычисля-
L min ' max J
ется расстояние d от точки (b, h(b)) до прямой. В качестве порогового значения выбирается точка b0, в которой расстояние d достигает максимума: T = b0. Далее изображение разбивается на две части по полученному порогу яркости.
На рисунке ЗА приведено изображение струи в начале процесса распыливания, когда топлива распылилось еще достаточно мало и передняя часть струи находится на расстоянии в несколько миллиметров от сопла распылителя. По оси ординат отложена суммарная яркость по столбцу для каждой координаты по строке (рис. ЗВ). Из рисунка видно, что расчетное значение границы хорошо совпадает с изменением суммарной яркости по столбцам по координатам строки.
Аналогичный вывод можно сделать и для изображения, приведенного на рисунке 4, где струя изображена уже на девятом кадре, что соответствует 1З41 мкс от прихода синхроимпульса с клапана форсунки. На рисунке 4А приведено исходное изображение струи, где часть кадра, соответствующая фону, вырезана. Как можно видеть по линии по оси абсцисс на рисунке 4В, граница струи практически совпадает с изменением суммарной яркости по столбцам вдоль координат строки.
14б
Рис. 2. Расчет границ струи сравнением с фоновым изображением
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1 200
Рис. 3. Результат работы программы по определению границы струи (кадр №3)
9 000 [ 3
8 000 У \
7 000 \
6 000
5 000
4 000 3 000 \
Л/
0 100 200 300 400 500 600 700 300 900 1 000 1 100 1 200
Рис. 4. Результат работы программы по определению границы струи (кадр №9)
На рисунке 5 приводятся экспериментальные тальном стенде на основе скоростной съемки и об-
функции и линии тренда скорости и длины струи работки изображения топливных струй.
распыленного топлива, полученные на эксперимен-
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
а, м Скорость
Длина струи Скорость вершины струи
У
200
160
120
80
40
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Время, мкс
Рис. 5. Экспериментальные функции и линии тренда скорости и длины струи распыленного топлива
Разброс экспериментальных точек скорости имеет периодический характер, что свидетельствует, на наш взгляд, о пульсационных процессах, происходящих в канале распылителя. Такой метод контроля скорости и длины топливной струи применим при опытно-доводческих работах с распылителями и форсунками новых конструкций. Метод позволяет проводить сравнительный анализ разработанного
распылителя с теоретическими представлениями, а также с другими моделями распылителей. Сравнение полученной длины струи с исследованиями, проводимыми другими экспериментаторами, приводится в работе [6]. Разработанные подходы к определению длины и скорости струи могут быть использованы для обработки результатов распыления топлив с применением сжатого воздуха.
Библиографический список
1. Автомобильные двигатели. Системы управления и впрыска топлива: руководство. - СПб., 2001. (Пер. J.H. Haynes and Co. Ltd. Helsinki, Finland, 1999).
2. Иващенко Н.А., Вагнер В.А., Грехов Л.В. Дизельные топливные системы с электронным управлением: учеб.-практ. пособие. - Барнаул, 2000.
3. Еськов А.В., Добряк А.Б. Многофункциональное устройство управления регистрацией изображений быс-тропротекающих процессов // Приборы и техника эксперимента. - 2007. - №3.
4. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. - М., 1981.
5. Иордан В.И., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В. Комплекс методов цифровой обработки изображений для исследования эффектов локальной неустойчивости и не-стационарности волны горения процесса СВС // Ползу-новский вестник. - Барнаул, 2005. - №4 (ч. 1).
6. Матиевский Д. Д., Сеначин П.К. Влияние давления впрыска топлива на скорость переднего фронта и дальнобойность факела // Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: тез. докл. науч.-техн. конф. - М., 2011.
l48
