一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置的制造方法

一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置的制造方法
【专利摘要】一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置包括一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法(简称“评价方法”)及一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置(简称“测量装置”)两部分。测量装置的高温高压装置本体和分别连接在其两侧面上的进气加热加压系统和排气冷却系统，计算机与同步控制系统相连，同步控制系统控制供油系统、高速相机，一个45度平面反光镜位于高温高压装置本体正下方，其中心与高速相机中轴线位于同一水平面上。评价方法包括初始化测量装置、同步控制系统以及设置各种参数、触发高速相机与喷油器，获取及处理图像，继而获取各喷孔工作时的一致性及耐久性的测试数据。本发明可准确模拟实际发动机工作，并获得精准测量数据且适用性广。
【专利说明】
一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置
技术领域
[0001] 本发明提出了一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置，属于热力学发动 机技术、喷油器产品测试技术以及喷油器老化检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，为了改善内燃机缸内燃烧工况，提高内燃机的热效率和降低内燃机的污染 排放，各内燃机生产厂家基本上都采用了多喷孔的喷油器。然而，由于制造工艺水平的局 限、制造误差的存在、材料本身的缺陷等原因。导致喷油器上各喷孔的形状以及规格尺寸都 难以相同，进而使各喷孔所喷射出的火焰束也存在差别。喷油器出厂时，喷油器上各喷孔所 喷射出的火焰束的相同程度即所谓的喷油器喷孔均匀性。均匀性越好，各喷孔的形状、规 格、尺寸也就越趋于相同。
[0003] 内燃机工作一段时间后，喷油器头部连续处于高温高压的工作环境中，由于燃烧 系统、化学环境、油品质量等各方面的复杂影响会导致沉积物的生成。喷油器头部会不可避 免地生成积碳，积碳会阻塞喷油器喷孔，减少喷射流量，并且会影响喷雾燃烧过程，进而使 缸内燃烧持续恶化。宏观上，可以通过观察各喷孔火焰束的外形变化，来判断喷孔积碳程 度。喷油器连续工作时，不同时刻的两次喷射过程中，所喷射出火焰束的相同程度即所谓的 一致性。一致性越好，喷孔在不同时刻所喷射出的火焰束的外形也就越趋于相同。喷油器工 作过程中，克服老化积碳等因素，维持各喷孔均匀喷射的最大工作时间即所谓的耐久性。耐 久性越好，喷油器各喷孔保持均匀喷射的工作时间也就越长。
[0004] 良好的发动机燃油喷射一致性或耐久性或均匀性，对提升发动机热效率、增强燃 烧质量、提升燃油比以及降低有害物排放是息息相关的。所以，测量喷油器的一致性、耐久 性、均匀性，是评价各种型号喷油器质量的一条有效途径。然而多年来，用于测量喷油器一 致性、耐久性、均匀性的测试装置鲜有进展。
[0005] 首先，针对提升发动机燃油喷射一致性的提升方面，对喷油器的控制阀、装置及燃 油系统的研究方面，出现了几种结构与设备，经过资料检索，大致有如下几类：
[0006] (a)申请号= 201410729167.1，名称为"用于喷油器的控制阀"的发明专利，包括控 制阀座、衔铁组件和阻尼弹簧，衔铁上端面设有细凹槽，衔铁下端面设有以衔铁杆为中心的 圆环形槽，其结构设计合理，能使衔铁快速平稳回位，降低其运动过程中的振荡，进而提高 喷油器的燃油喷射一致性，提高发动机的性能。然而此专利用于提升燃油喷射一致性，并不 是对一致性进行测量，此处引用用于便于读者领会本发明背景。
[0007] (b)申请号= 201320833790.2,名称为"一种新型发动机喷油器装置"的实用新型专 利，包括设有锁钩的本体，以及用于本体的盖体，本体上设置有梯形防错槽，与盖体上的梯 形防错柱相配合，盖体上设置有若干拔插钮，能方便喷油器上的导线安装，装配简单而高 效，通用性和生产一致性好，且具有维修方便的优点。
[0008] (C)申请号：201320310882.2,名称为："压力波阻尼式燃油系统"的实用新型专利， 提供了一种包括油箱、稳压器、喷油器的压力波阻尼式燃油系统。其稳压器壳体里安装孔 管，稳压器壳体与孔管之间以及孔管里形成阻尼内腔，孔管上也设置大小不等的阻尼孔，阻 尼外腔与负载相连，可有效削弱和吸收高频压力波动和液压冲击，减小每循环的喷油量的 波动，提高发动机循环喷油量的稳定性，削弱发动机各缸之间的相互影响，增加发动机各缸 工作的一致性。
[0009] 上述装置或系统都是控制喷油总量的，并没有涉及单孔之间喷油均匀性、一致性 和耐久性的保障与测量。
[0010] 其次，针对发动机单孔之间燃油喷射均匀性方面，经过资料检索，有一项相关专 利：
[0011] (d)申请号：201410665626.4，名称为："柴油机喷油嘴各孔喷油规律测量装置"的 发明专利，提供了一种包括上端面带孔的定容弹母体、数据采集分析系统和计算机，力传感 器，支架和底座，本发明装置可以实现对多孔喷油嘴各孔喷油规律进行精确测量，多通道数 据采集分析系统可以同时对所有力传感器所测信号进行采集。但是，此发明，只能对各单孔 喷射出油料的动能进行测量，不能全面反应喷油器的一致性、耐久性、均匀性。更无法有效、 准确的评价喷油器质量。
[0012] 最后，针对于喷雾、燃烧和碳烟生成测试的研究方面，经过资料检索，有如下两篇 相关专利：
[0013] (e)申请号= 201310717167.5,名称为："一种用于喷雾、燃烧、碳烟生成特性测试的 多功能定容弹"的发明专利，提供了一种包括本体和若干光学窗口设备，适用于高温高压下 位相多普勒的连续测量。具体测量采用各种激光诱导以及激光吸收与散射法、纹影法等组 合和同时测量。
[0014] (f)申请号= 201410178854.9,名称为："一种球形多功能定容弹"的发明专利，提供 了一种包括本体及本体上的若干窗孔，能够承受高强度、温度场均匀、高温高压下的连续测 试，测试范围广，可以实现任意角度布置的喷雾、蒸发、混合、燃烧、碳烧等的多角度连续测 量。具体测量也可采用各种激光诱导、激光吸收与散射法、纹影法以及米氏散射等组合与同 时测量。
[0015] 上述两项专利，是研究燃料喷雾、蒸发、燃烧现象本身的，而没有涉及对喷油器各 单孔喷射均匀性、一致性和耐久性的检测。本发明"一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及 测量装置"是用于对喷油器性能的检测。检测喷油器，由制造工艺和老化积碳引起的空间上 和时间上各喷孔喷射的不相同程度以表征产品质量。所以，上述三项发明和本发明应用的 领域完全不同。且"一种球形多功能定容弹"的进气系统中没用对进气进行加压和恒压处 理，与发动机真实工作时，喷油瞬间的高压高温氛围不符。本发明"一种喷油器各喷孔均匀 性的评价方法及测量装置"中，喷油器竖直向下，垂直于水平面，喷嘴位于下方，在喷嘴正下 方一段距离处放有一个平面反光镜，喷油器中心线通过平面反光镜中心，平面反光镜镜面 朝上，且与喷油器中心线呈45度夹角。喷油器喷射出的火焰光经过反光镜的反射垂直进入 高速相机镜头中。高速相机直接拍摄各喷孔喷出的火焰形状，而不采用外部光源。与此同 时，整个喷射燃烧过程，始终在高温高压的氛围中进行，极其贴近发动机真实的工况。
[0016] 本申请致力于克服上述设备及方法无法解决单孔喷油一致性和耐久性的测量和 评价问题，旨在提出一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及装置。

【发明内容】

[0017] 本发明的目的针对传统喷油器测试装置无法在真实的发动机工作状态下，连续有 效的测量喷油器各孔喷射均匀性和一致性困难且操作复杂、测量误差较大的问题，提出一 种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置。
[0018] 本发明一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置，其核心特征构成及连接 关系为：高温高压装置本体和分别连接在其两侧面上的进气加热加压系统和排气冷却系 统，计算机与同步控制系统相连，同步控制系统控制供油系统、高速相机，一个45度平面反 光镜位于高温高压装置本体正下方，其中心与高速相机中轴线位于同一水平面上。
[0019] 具体的，一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置包括一种喷油器各喷孔 均匀性的评价方法及一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置两部分；
[0020] 其中，所述的一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置包括供油系统、进气加热加压 系统、高速相机、排气冷却系统、45度平面反光镜、计算机、高温高压装置本体以及同步控制 系统；
[0021] 其中，供油系统由高压油栗、油管和喷油器组成;油管的一端套接在高压油栗的出 油端，另一端则连接在喷油器进油管接头上；
[0022] 其中，进气加热加压系统由空气压缩机、进气管、电热丝、多孔介质组成;空气压缩 机的出气端与进气管的一端通过焊接固定在一起;从这端开始，沿着进气管轴线依次布置 着电热丝和多孔介质；电热丝更靠近空气压缩机，位于空气来流的上游段;多孔介质距离空 气压缩机较远，布置的位置接近于进气管的另一端；
[0023] 其中，排气冷却系统由排气管和电磁阀组成;从排气管的一端开始，沿着排气管的 轴线，在排气管的末端安装了一个电磁阀；
[0024] 其中，高温高压装置本体由喷油器安装座、燃烧室、安装法兰、螺栓A、垫片A、视窗 玻璃内垫片、视窗玻璃、垫片B、螺栓B、视窗玻璃外垫片、喷油器安装座内垫片、喷油器安装 座外垫片组成;喷油器安装座的中心轴处有一个沉头孔，以喷油器安装座的中心轴开始，沿 着径向有两级台阶以及通孔;通孔总共有N个，绕中心轴均匀分布在喷油器安装座的外缘。 燃烧室的外形是一个正方体，其中一个面的中心轴处有一个大的台阶孔，且外缘分布着与 上述N个通孔一一对应的盲孔，盲孔上有螺纹;N对螺栓A和垫片A的组合，通过相对应的通孔 和盲孔，将喷油器安装座和燃烧室固定连接在一起;喷油器安装座上的两级台阶与燃烧室 这个面上的台阶孔中的台阶面贴合;台阶孔中最内侧台阶面和喷油器安装座上最内缘的台 阶面对应贴合，两个台阶面中间放置有喷油器安装座内垫片;另两个台阶面中间放置有喷 油器安装座外垫片，通过上述两个垫片使两对台阶面紧密连接；以燃烧室的这个面为起点， 沿着其中心轴，有一对相对面垂直于起点面，且这对面上分别分布着一个孔口，两孔口中心 重合且直径相等;在燃烧室的六个表面中，与起点面平行相对的那个面上，在其中心轴处有 一个大的台阶孔;在这个面的燃烧室外部一侧，开有N个螺纹盲孔，绕着这个面的中心轴均 匀分布在外缘;在这个台阶孔中间的台阶面上紧贴着等直径的视窗玻璃内垫片的一个底 面，以这个底面为起点，沿着台阶孔轴心，依次分布着视窗玻璃、视窗玻璃外垫片、安装法 兰;视窗玻璃呈圆柱形，其中一个底面和视窗玻璃内垫片的另一面紧贴着，另一个底面与视 窗玻璃外垫片的一个面紧贴着;视窗玻璃外垫片的另一个面放置在安装法兰台阶孔的台阶 面上;安装法兰中部有一个大的台阶孔，视窗玻璃侧面和视窗玻璃外垫片的外侧面与这个 台阶孔的大直径孔的侧面紧贴固定;安装法兰端面外缘分布着，绕其中心均匀分布的N个通 孔;N对垫片B和螺栓B的组合，将安装法兰和燃烧室连接固定；
[0025]其中，所述的通孔N的数量范围为:4到30;
[0026] 本发明一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置中各个组成部分的连接关系如下：
[0027] 进气加热加压系统和排气冷却系统分别与燃烧室外部的两个相对面上的孔口，通 过焊接连接在一起。供油系统中喷油器固定在喷油器安装座中轴处的台阶孔中。在高温高 压装置的玻璃视窗的正下方一段距离处放置着45度平面反光镜。以视窗玻璃的中心为起 点，垂直向下延伸，这个延伸的方向与45度平面反光镜镜面一侧呈45度夹角且这条延伸线 经过45度平面反光镜的中心点。以45度平面反光镜镜面一侧的中心点为起点，沿着与视窗 玻璃平行且垂直于视窗玻璃平面与45度平面反光镜平面的交线，向前延伸，在一段距离处 放置着高速相机。同步控制系统与计算机相连，同步控制系统还分别于进气加热加压系统 中的空气压缩机和电热丝、排气冷却系统中的电磁阀、供油系统中的高压油栗和喷油器相 机、高速相机通过信号线连接。计算机还与高速相机通过信号线连接。
[0028] 本发明一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法，包括如下步骤：
[0029] 步骤一、初始化一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置，具体包括：
[0030] 1.1启动计算机，初始化同步控制系统，设置其中的各种参数为系统常用参数；
[0031] 1.2同步控制系统针对不同的喷油器型号，设置进气加热加压系统的加热功率和 排气冷却系统中电磁阀的开度，来调整鼓入空气的温度和压力；
[0032] 1.3针对测试与评估需求维持喷雾与燃烧的气体类别，开启进气加热加压系统中 的空气压缩机，向高温高压装置本体中鼓入高压空气；
[0033] 1.4开启进气加热加压系统中的电热丝，调节排气冷却系统中电磁阀的开度，使高 温高压装置本体中建立发动机工作过程中缸内的高温高压环境；
[0034]其中，步骤1.2的工作原理为：空气流经进气加热加压系统和高温高压装置本体， 所受到的阻滞力远小于流经电磁阀所受到的阻滞力;所以，除了电磁阀造成的管路损失，其 他管路损失均可不计。当电磁阀的开度变小时，管路的阻滞力提高进而使管路的性能曲线 抬高，而空气压缩机的性能曲线没有改变;所以，电磁阀的开度变小时，空气压缩机的工作 点抬高从而使空气压缩机的扬程提高，最终导致进气加热加压系统和高温高压装置本体内 部的压力升高；当电磁阀的开度变大时，进气加热加压系统和高温高压装置本体内部的压 力降低；
[0035] 步骤二、同步控制系统针对测试与评估需求设置各种参数，具体包括：
[0036] 2.1根据测试与评估需求设定喷油参数，主要包括喷射频率、喷射脉宽、喷射压力 及分段喷射次数；
[0037] 2.2针对测试与评估需求设定高速相机参数，主要包括拍摄速度、曝光时间、光圈 及同步触发相位，相机类别；
[0038] 所述的高速相机类别可以为CCD相机、CMOS高速摄像机；
[0039] 步骤三、同步控制系统根据设定的喷油参数触发喷油器进行连续喷射，与此同时 高速相机获取多组燃烧图像；
[0040] 步骤四、将步骤三输出的图像进行处理，获取各喷孔工作时的均匀性、一致性及耐 久性的测试数据，包括如下内容：
[0041] 4.1对步骤三拍得的图像上述进行灰度化处理，具体的采用加权平均法，平均值法 或最大值法，所述的平均值法进行灰度处理，即将灰度图片中每个像素点的灰度值等于该 点RGB三种颜色的线性平均值；
[0042]灰度化处理又具体包含两步骤：
[0043]步骤4.1.1使用图像处理软件，将每个像素点的三种颜色按照一定的权重值相加， 所得到的值就是该像素点的灰度值，最小值为〇表示黑色，最大值为255白色；
[0044] 步骤4.1.2进行图片差值，即将喷射刚开始的前一张图像作为固定的背景图像，不 同时刻的图像减去该固定的背景图像，即可取出背景元素而进一步突出雾注和火焰信息；
[0045] 4.2提取每个喷孔所喷出火焰的贯穿距离和锥角；
[0046] 在4.1中的图像处理基础上，再根据图像的比例尺添加参考坐标线，将喷孔的位置 记为坐标原点，从而可以直观地分析火焰束的贯穿距离和锥角，又包含如下过程：
[0047] 4.2.1计算每张图片中每束火焰的锥角:假设在第i次喷射过程中取火焰面积最大 的X张图片，根据每张图片提取出每束火焰的锥角.......... ? ',[/]?；：
[0048] 4? 2? 2计算每张图片中每束火焰的贯穿距离：h4, h《，w《…?…w\r：,b)K；n 中a代表锥角，L代表贯穿距离，[i]代表喷油器第i次喷射，右上角标1、2……X表示X张火焰 面积最大图像所对应图片的序号，右下角标代表第m个喷孔；
[0049] 4.2.3计算同一喷孔火焰束的X个数据的锥角以及贯穿距的平均值，具体为：
[0050] 1)锥角平均值
[0051 ] 2)贯穿距平均
[0052] 其中，[,]丕、[在的右下角标1代表喷油器Z个喷孔中的第一个。以此类推，可求出 ...........；：l . a,....... a. ,
[0053] 4.2.4重复4.2.3直至计算出喷油器上Z个喷孔火焰束的锥角以及贯穿距的平均 值，具体为：
[0054] 3)Z个喷孔锥角平均值
[0055] 4)Z个喷孔贯穿距平均值：
[0056] 其中，[,]吞、MZ表示，喷油器第i次喷射时，喷油器上Z个喷孔的平均锥角和贯穿距 离；
[0057] 4.3计算均匀性系数，包括锥角均匀性系数、贯穿距均匀化系数以及D次喷射均匀 化系数，具体过程为：
[0058] 4.3.1锥角均匀性系数为Ja
[0060] 4.3.2贯穿距均匀化系数Jl:
[0062] 4.3.3D次喷射均匀化系数J:
[0064]其中，均匀化系数J值越小，喷油器各孔的均匀性越好;J〈k」，该喷油器各喷孔均匀 性优良；其中，h是均匀性常数，其值根据实际的检验标准取值；
[0065] 4.4计算一致性系数Y;
[0066] 4.4.1第j次喷射和第f次喷射锥角一致性：
，喷孔1的锥角一致性；
喷 油器所有喷孔的锥角一致性；
[0069] 其中，[j-f]表示喷油器第j次喷射和f喷射，j和f都是正整数，且j小于f;
[0070] 4.4.2第j次喷射和第f次喷射的贯穿距一致性：
，喷孔1的贯穿距一致性；
喷油器所有Z个喷孔的贯穿距离一致性；
[0073] 4.4.3-致性系数：
[0074] [ j-f ] Y= [ j-f ] Ya+ [ j-f ] Yl，[ j-f ] Y〈ky，说明 j和f 两次喷射状况一致;积碳和 老化现象在此阶段，不明显;其中，ky为一致性常数，具体取值取决于实际的检测要求；
[0075] 4.5计算耐久性系数T;
[0076] | [1-T]Y_1 | <kn，其中，T是正整数，满足上式，最大的T值Tmax就是耐久性系数;kn 是耐久性常数，根据不同的检测标准取值；
[0077] 至此，从步骤一到步骤四完成了一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法。
[0078] 有益效果
[0079] 本发明提出了一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置，具有如下有益效 果：
[0080] (1)可用于模拟发动机工作过程中缸内的动态高温高压环境，并基于高速摄影连 续评估发动机喷油器各喷孔之间的喷雾燃烧一致性问题，并可用于喷油器耐久性测试；
[0081] (2)本发明与传统评价方法及测量装置相比可以在真实的发动机工作状态下连续 测量，时间更短、操作更加简便；
[0082] (3)虽然与传统评价方法及测量装置相比结构上略有增加，增加了进气排气系统， 但此增加使得更加准确的模拟实际发动机工作情况，从而使得测试效果更加精准；
[0083] (4)本发明所述的评价方法与测量装置不仅可以适用于柴油机、汽油机以及或其 他热力机械，适用性较广；
[0084] (5)高速相机拍摄到的图片，来自喷油器喷油端正下方处，此处位置与各喷孔位置 夹角均相等，记录的图片能够全面、准确的反映各喷孔喷射火焰的形状。
【附图说明】
[0085] 图1为本发明"一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置"及实施例中信号 控制及各部分的连接示意图；
[0086] 图2为本发明"一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置"及实施例中的装 置连接图；
[0087] 图3为本发明"一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置"及实施例中高温 高压装置本体A-B剖视图；
[0088] 图4为本发明"一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置"中高温高压装置 本体的俯视图；
[0089] 图5为本发明"一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置"实施例1的实施 细节图；
[0090] 图6为本发明"一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置"火焰束的锥角和 贯穿距离定义图；
[0091] 图7为本发明"一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置"实例1中，空间上 各孔火焰锥角和贯穿距离的标记图；
[0092] 图8为本发明"一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置"时间上，不同喷 射次数中，各孔火焰束的外形示意图；
[0093]
[0094] 其中，1一计算机，2-同步控制系统，3-空气压缩机，4 一进气管，5-电热丝，6- 多孔介质，7-高压油栗，8-油管，9 一喷油器，10-喷油器安装座，11一燃烧室，12-排气 管，13-电磁阀，14一安装法兰，15-高速相机，16-45度平面反光镜，17-进油管接头， 18-螺栓A，19 一垫片A，20-喷油器安装座外垫片，21-视窗玻璃内垫片，22-视窗玻璃， 23-垫片B，24-螺栓B，25-视窗玻璃外垫片，26-喷油器安装座内垫片。
[0095]实施方式
[0096] 下面根据附图及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0097] 应当指出，本申请的实施并不局限于下面的实施例，对本申请所做的任何形式上 的变通或改变将落入本发明保护范围。
[0098] 实施例1
[0099] XXX型号四冲程缸内直喷式柴油发动机，配有六个气缸，缸径为132mm，冲程为145， 压缩比为17,转速2000r/min。上述XXX发动机配备XX型号喷油器，喷油器喷油频率为17Hz， 喷油脉宽1.61^，喷油压力为10010^，具有8个喷孔，8卩2取值为8<^乂乂发动机，压缩行程终了 时刻(喷油器刚开始喷射油料，但油料还未着火)缸内温度为820°C，压力为6MPa。
[0100]针对上述XXX发动机和XX喷油器，本实施例将详细介绍如何运用本发明，在此发动 机的运行工况下，测试XX喷油器的一致性、耐久性、均匀性。
[0101] 按照说明书主体中的叙述，将供油系统、进气加热加压系统、排气冷却系统进行组 装。进一步，如图3,图4将喷油器安装座10、燃烧室11、安装法兰14、螺栓A 18、垫片A 19、喷 油器安装座外垫片20、视窗玻璃内垫片21、视窗玻璃22、垫片B 23、螺栓B 24、视窗玻璃外垫 片25、喷油器安装座内垫片26进行组装，各部分之间紧密连接，并保证有良好的气密性。如 图1，图2,将除供油系统以外的各部分连接，进气管4与排气管12分别与燃烧室11A侧面、B侧 面上预留的通孔对齐焊接，并保证有良好的气密性。
[0102] 进一步，如图5,在燃烧室11A侧面开螺纹通孔安装一个压力表，用于测量燃烧室11 内部的温度，在喷油器安装座10中心台阶孔中，安装一个热电偶，用于测量燃烧室11内部的 温度。在排气管12靠近燃烧室11的一端安装一个流量计，用于测量排气管12的气体流量。各 部分紧密连接，可用胶带等封死空隙。此时，形成一个由空气压缩机3送气，排气管12出口端 排气的管路系统。其他部分均不漏气，并且此系统能够承受lOMPa的压力。
[0103] 进一步，开启空气压缩机3和电热丝5。然后，通过调节电磁阀13的开度和电热丝5 功率，使燃烧室11内部达到820°C，压力达到6MPa。空气流速要小于0.5m/s，如果流速超过 0.5m/s，则应使用功率小空气压缩机3。更换空气压缩机3后，待气流、压力稳定后，再调节电 磁阀13的开度和电热丝5功率，使燃烧室11内，达到820°C，6MPa。
[0104] 进一步，记录燃烧室11内，达到820°C，6MPa时，电磁阀13的开度和电热丝5功率，并 在后续操作中保持不变。然后关闭压缩机3和电热丝5,拆除热电偶。如图2,将供油系统接 入，喷油器9与喷油器安装座20紧密连接。
[0105]进一步，开启计算机1和同步控制系统2,设置喷油器9喷油频率为17HZ，喷油脉宽 为1.6ms，喷油压力为lOOMPa。设置高速相机15和喷油器9同步触发。将上一步所记录的电磁 阀13开度和电热丝5功率数据设置成同步开展器的默认数据。设置装置喷射次数为100次。
[0106] 进一步，开启空气压缩机3、电热丝5、高速相机15。然后触发喷油器9和高速相机 15。将照片记录入计算机1。
[0107] 进一步，如图6,图7,将图片灰度化处理，在第一次喷射过程中取火焰面积最大的 10张图片，根据每张图片提取出每束火焰的锥角和贯穿距： W am，： J [lj?m ? \l] Lm ,[l] Lm .j ------',,{11 Lm ;
[0108] X取值为10;z取值为8;m取值1、2、3、4、5、6、7、8;1取值范围为:大于等于1小于100 的所有整数;D值取1，j取值为1，f取值为100。
[0109] (1)同一喷孔火焰束的10个数据取平均值：
[0112] 以此类推，可以得出：豕、[!]瓦、H...[0￡>, [i]Z2, [t]￡3........[ills；.[0113] (2)如图7，Z = 8个喷孔的平均值：
[0110] 锥角平均值
[0111] 贯穿距平均
[0114] Z个喷孔锥角平均值：
[0115] Z个喷孔贯穿距平均值
[0116] (3)均匀化系数：
[0117] 锥角均匀化系数
[0119]贯穿距均匀化系数：
[0121] (4)均匀化系数
[0122] J = 2X[l]Ja+l.lX[l]JL;
[0123] J〈1.0，kj 取值为 1.0;
[0124] (5)如图8, 一致性系数
[0125] 第100次喷射锥角一致性：
[0128] 第100次喷射贯穿距一致性：
[0131] -致性系数：
[0132] [1^100]Y=[1^100]Ya+[1^100]YL
[0133] (6)耐久性系数
[0134] | [卜T]Y-l|<0.1;l〇^t0.1;
[0135] T是整数，满足上式，最大的T值Tmax就是耐久性系数。
[0136] 实施例2
[0137] 如图1、图2所示，本发明的一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置包括高温高压装 置本体、供油系统、同步控制系统2、进气加热加压系统、高速相机15、排气冷却系统、计算机 1、45度平面反光镜16。
[0138] 如图2所示，进气加热加压系统由空气压缩机3、进气管4、电热丝5、多孔介质6组 成。空气压缩机3的出气端与进气管4的一端通过焊接固定在一起。从这端开始，沿着进气管 4轴线依次布置着电热丝5和多孔介质6。电热丝5更靠近空气压缩机3,位于空气来流的上游 段。多孔介质6距离空气压缩机3较远，布置的位置接近于进气管4的另一端。排气冷却系统 由排气管12和电磁阀13组成。从排气管12的一端开始，沿着排气管12的轴线，在排气管的末 端安装了一个电磁阀13。供油系统由高压油栗7、油管8和喷油器9组成。油管8的一端套接在 高压油栗7的出油端，另一端则连接在喷油器9进油管接头17上。同步控制系统2与计算机1 相连，同步控制系统2还分别于进气加热加压系统中的空气压缩机3和电热丝5、排气冷却系 统中的电磁阀13、供油系统中的高压油栗7和喷油器9、高速相机15通过信号线连接。计算机 1还与高速相机15通过信号线连接。
[0139]如图3、图4所示，高温高压装置本体由喷油器安装座10、燃烧室11、安装法兰14、螺 栓A 18、垫片A 19、视窗玻璃内垫片21、视窗玻璃22、垫片B 23、螺栓B 24、视窗玻璃外垫片 25、喷油器安装座内垫片26、喷油器安装座外垫片25组成。喷油器安装座10的中心轴处有一 个沉头孔，以喷油器安装座10的中心轴开始，沿着径向有两级台阶以及通孔。通孔总共有八 个，绕中心轴均匀分布在喷油器安装座10的外缘。燃烧室11的外形是一个正方体，其中一个 面的中心轴处有一个大台阶孔，且外缘分布着与上述八个通孔一一对应的盲孔，盲孔上有 螺纹。八对螺栓A 18和垫片A 19的组合，通过相对应的通孔和盲孔，将喷油器安装座10和燃 烧室11固定连接在一起，喷油器安装座10上的台阶与燃烧室11这个面上台阶孔中的台阶贴 合，台阶孔中最内侧的台阶面和喷油器安装座10上最内缘的台阶面对应贴合，两个台阶面 中间放置有喷油器安装座内垫片26。另两个台阶面中间放置有喷油器安装座外垫片25。通 过上述两个垫片的密封作用，使两对台阶面紧密连接。以燃烧室11的这个面开始，沿着其 中心轴，在燃烧室11的六个表面中，有两个相对面与起点面垂直，且两面上分别分布着一个 孔口，两孔口中心重合且直径相等。与起点面平行相对的那个面上，在其中心轴处有一个大 的台阶孔。在这个面的燃烧室11外部一侧，开有八个螺纹盲孔，绕着这个面的中心轴均匀分 布在外缘。在这个台阶孔中间的台阶面上紧贴着等直径的视窗玻璃内垫片21的一个底面， 以这个底面为起点，沿着台阶孔轴心，依次分布着视窗玻璃22、视窗玻璃外垫片25、安装法 兰14。视窗玻璃22呈圆柱形，其中一个底面和视窗玻璃内垫片21的另一面紧贴着，另一个底 面与视窗玻璃外垫片25的一个面紧贴着。视窗玻璃外垫片25的另一个面放置在安装法兰14 台阶孔的台阶上。安装法兰14中部有一个大的台阶孔，视窗玻璃22侧面和视窗玻璃外垫片 26的外侧面与这个台阶孔的大直径孔的侧面紧贴固定。安装法兰14上端面外缘分布着，绕 其中心均匀分布的八个通孔。八对垫片B 23和螺栓B 24的组合，将安装法兰14和燃烧室11 固定连接。进气管4和排气管12的一端分布与燃烧室11外部一通孔焊接固定。进气加热加压 系统和排气冷却系统分别与燃烧室11外部的两个相对面上的孔口，通过焊接连接在一起。 供油系统中喷油器9通过螺纹连接，固定在喷油器安装座10中轴处的台阶孔中。在高温高压 装置的视窗玻璃22的正下方一段距离处放置着45度平面反光镜16。以视窗玻璃22的中心为 起点，垂直向下延伸，这个延伸的方向与45度平面反光镜16镜面一侧呈45度夹角且这条延 伸线经过45度平面反光镜16的中心点。以45度平面反光镜16镜面一侧的中心点为起点，沿 着与视窗玻璃22平行且垂直于视窗玻璃22平面与45度平面反光镜16平面的交线，向前延 伸，在一段距离处放置着高速相机15。
[0140]本装置的具体工作过程下：
[0141]开启计算机1和同步控制系统2,启动进气加热加压系统中的空气压缩机3和电热 丝5。同步控制系统2针对不同的喷油器9型号，设置进气加热加压系统的加热和空气压缩功 率，以及排气冷却系统中电磁阀13的开度。来调整鼓入空气的温度和压力，使高温高压装置 本体中建立发动机工作过程中缸内的高温高压环境。然后，同步控制系统2针对测试与评估 需求设定喷射频率、喷射脉宽、喷射压力及分段喷射次数。同步控制系统2针对测试与评估 需求设定高速相机15的参数(拍摄速度、曝光时间、光圈及同步触发相位），相机可以为CCD 相机、CMOS高速摄像机；
[0142] 最后，同步控制系统2触发高速相机15与喷油器9,获取燃烧图像，按照同步控制系 统2设定的喷油参数连续喷射，获取多组燃烧图像。将上述输出的图像进行处理，通过加测 试算法，平均算法，相关算法获取各喷孔工作时的一致性及耐久性的测试数据。
[0143] 高速相机的镜头轴线和喷油器轴线共线，高速相机和各喷孔的位置夹角均相同。 高速相机直接拍摄各喷孔喷出的火焰形状，而不采用外部光源，图像背景较暗，首先进行灰 度化处理。图像处理之前，先将图片转换成灰度图片。在计算机中，大量的像素点组成一副 图片，每个像素点都可以发出红色、绿色和蓝色三种颜色。使用Matlab图片处理软件，将图 片上的每个像素点发出的三种颜色按照一定的权重值相加，所得到的值就是该像素点的 灰度值，最小值为〇表示黑色，最大值为255白色。因此，图片灰度值越大元素越亮，而元素越 暗其灰度值越小。常用的灰度处理有三种方法，即加权平均法，平均值法和最大值法。本实 例采用平均值法进行灰度处理，即将灰度图片中每个像素点的灰度值等于该点RGB三种颜 色的线性平均值。其次进行图片差值，此时将喷射刚开始的前一张图片作为固定的背景图 片，不同时刻的图片减去该固定的背景图片，即可取出背景元素而进一步突出雾注和火焰 fg息。
[0144] a)提取贯穿距:每个喷孔所喷出火焰贯穿距，取20次到1000次的平均值；
[0145] b)耐久性:对于每个喷孔，从时间轴上截取两个端点图像比对两者的一致性数据， 例如〇,4,8小时为采样序列，每个喷孔前后各取几张;再多次取平均，得出耐久性数据结论。
[0146] 实施例3
[0147] 实施例1中燃料从各喷孔中喷出瞬间雾化，雾化的燃料被高温高压的环境气体引 燃，这是在模仿柴油机压燃的工作方式。本发明同样适用于汽油机工作方式下的喷油器各 喷孔一致性和耐久性检测，下面通过实施例3详细说明。
[0148] 如附图2所示，燃烧室11E侧面上，留有H个小螺纹通孔，这些螺纹通孔以E侧面的中 心为圆心，在E侧面上均匀分布。其中H的数值与喷油器9的喷孔个数相等，本实施例H值取4， N值取8,其他装配与连接关系同实施例1且4个螺纹通孔不会被高温高压装置本体中的喷油 器安装座10所覆盖和遮挡。
[0149]
[0150] 喷油器9竖直向下，垂直于水平面，喷嘴位于下方，在喷嘴正下方一段距离处放有 一个45度平面反光镜16,喷油器9中心线通过45度平面反光镜16中心，45度平面反光镜16镜 面朝上，且与喷油器9中心线呈45度夹角。喷油器9喷射出的火焰光经过45度平面反光镜16 的反射垂直进入高速相机15镜头中。高速相机15直接拍摄各喷孔喷出的火焰形状，而不采 用外部光源。图像处理和实施例1方法相同。
[0151] 以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公 开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范 围。
【主权项】
1. 一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置，其特征在于： 其构成及连接关系为:高溫高压装置本体和分别连接在其两侧面上的进气加热加压系 统和排气冷却系统，计算机与同步控制系统相连，同步控制系统控制供油系统、高速相机， 一个45度平面反光镜位于高溫高压装置本体正下方，其中屯、与高速相机中轴线位于同一水 平面上； 具体的一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置包括一种喷油器各喷孔均匀 性的评价方法及一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置两部分； 其中，一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置包括供油系统、进气加热加压系统、高速相 机、排气冷却系统、45度平面反光镜、计算机、高溫高压装置本体W及同步控制系统； 其中，供油系统由高压油累、油管和喷油器组成；油管的一端套接在高压油累的出油 端，另一端则连接在喷油器进油管接头上； 其中，进气加热加压系统由空气压缩机、进气管、电热丝、多孔介质组成;空气压缩机的 出气端与进气管的一端通过焊接固定在一起;从运端开始，沿着进气管轴线依次布置着电 热丝和多孔介质；电热丝更靠近空气压缩机，位于空气来流的上游段;多孔介质距离空气压 缩机较远，布置的位置接近于进气管的另一端； 其中，排气冷却系统由排气管和电磁阀组成；从排气管的一端开始，沿着排气管的轴 线，在排气管的末端安装了一个电磁阀； 其中，高溫高压装置本体由喷油器安装座、燃烧室、安装法兰、螺栓A、垫片A、视窗玻璃 内垫片、视窗玻璃、垫片B、螺栓B、视窗玻璃外垫片、喷油器安装座内垫片、喷油器安装座外 垫片组成;喷油器安装座的中屯、轴处有一个沉头孔，W喷油器安装座的中屯、轴开始，沿着径 向有两级台阶W及通孔;通孔总共有N个，绕中屯、轴均匀分布在喷油器安装座的外缘。燃烧 室的外形是一个正方体，其中一个面的中屯、轴处有一个大的台阶孔，且外缘分布着与上述N 个通孔一一对应的盲孔，盲孔上有螺纹;N对螺栓A和垫片A的组合，通过相对应的通孔和盲 孔，将喷油器安装座和燃烧室固定连接在一起;喷油器安装座上的两级台阶与燃烧室运个 面上的台阶孔中的台阶面贴合；台阶孔中最内侧台阶面和喷油器安装座上最内缘的台阶面 对应贴合，两个台阶面中间放置有喷油器安装座内垫片；另两个台阶面中间放置有喷油器 安装座外垫片，通过上述两个垫片使两对台阶面紧密连接；W燃烧室的运个面为起点，沿着 其中屯、轴，有一对相对面垂直于起点面，且运对面上分别分布着一个孔口，两孔口中屯、重合 且直径相等;在燃烧室的六个表面中，与起点面平行相对的那个面上，在其中屯、轴处有一个 大的台阶孔;在运个面的燃烧室外部一侧，开有N个螺纹盲孔，绕着运个面的中屯、轴均匀分 布在外缘;在运个台阶孔中间的台阶面上紧贴着等直径的视窗玻璃内垫片的一个底面，W 运个底面为起点，沿着台阶孔轴屯、，依次分布着视窗玻璃、视窗玻璃外垫片、安装法兰;视窗 玻璃呈圆柱形，其中一个底面和视窗玻璃内垫片的另一面紧贴着，另一个底面与视窗玻璃 外垫片的一个面紧贴着;视窗玻璃外垫片的另一个面放置在安装法兰台阶孔的台阶面上. 安装法兰中部有一个大的台阶孔，视窗玻璃侧面和视窗玻璃外垫片的外侧面与运个台阶孔 的大直径孔的侧面紧贴固定;安装法兰端面外缘分布着，绕其中屯、均匀分布的N个通孔;N对 垫片B和螺栓B的组合，将安装法兰和燃烧室连接固定。2. 如权利要求1所述的一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置，其特征还在于： 所述的通孔N的数量范围为:4到30。3. 如权利要求1所述的一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法及测量装置，其特征还在 于： 一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法，包括如下步骤： 步骤一、初始化一种喷油器各喷孔均匀性的测量装置； 步骤二、同步控制系统针对测试与评估需求设置各种参数； 步骤Ξ、同步控制系统根据设定的喷油参数触发喷油器进行连续喷射，与此同时高速 相机获取多组燃烧图像； 步骤四、将步骤Ξ输出的图像进行处理，获取各喷孔工作时的均匀性、一致性及耐久性 的测试数据。4. 如权利要求3所述的一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法，其特征还在于： 步骤一又具体包括： 1.1启动计算机，初始化同步控制系统，设置其中的各种参数为系统常用参数； 1.2同步控制系统针对不同的喷油器型号，设置进气加热加压系统的加热功率和排气 冷却系统中电磁阀的开度，来调整鼓入空气的溫度和压力； 1.3针对测试与评估需求维持喷雾与燃烧的气体类别，开启进气加热加压系统中的空 气压缩机，向高溫高压装置本体中鼓入高压空气； 1.4开启进气加热加压系统中的电热丝，调节排气冷却系统中电磁阀的开度，使高溫高 压装置本体中建立发动机工作过程中缸内的高溫高压环境。5. 如权利要求3所述的一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法，其特征还在于： 步骤二又具体包括： 2.1根据测试与评估需求设定喷油参数，主要包括喷射频率、喷射脉宽、喷射压力及分 段喷射次数； 2.2针对测试与评估需求设定高速相机参数，主要包括拍摄速度、曝光时间、光圈及同 步触发相位，相机类别。6. 如权利要求5所述的一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法，其特征还在于： 所述的高速相机类别可W为CCD相机、CMOS高速摄像机。7. 如权利要求3所述的一种喷油器各喷孔均匀性的评价方法，其特征还在于： 步骤四又具体包括： 4.1对步骤Ξ拍得的图像上述进行灰度化处理，具体的采用加权平均法，平均值法或最 大值法，所述的平均值法进行灰度处理，即将灰度图片中每个像素点的灰度值等于该点RGB Ξ种颜色的线性平均值； 灰度化处理又具体包含两步骤： 步骤4.1.1使用图像处理软件，将每个像素点的Ξ种颜色按照一定的权重值相加，所得 到的值就是该像素点的灰度值，最小值为0表示黑色，最大值为255白色； 步骤4.1.2进行图片差值，即将喷射刚开始的前一张图像作为固定的背景图像，不同时 刻的图像减去该固定的背景图像，即可取出背景元素而进一步突出雾注和火焰信息； 4.2提取每个喷孔所喷出火焰的贯穿距离和锥角； 在4.1中的图像处理基础上，再根据图像的比例尺添加参考坐标线，将喷孔的位置记为 坐标原点，从而可W直观地分析火焰束的贯穿距离和锥角，又包含如下过程： 4.2.1计算每张图片中每束火焰的锥角：假设在第i次喷射过程中取火焰面积最大的X 张图片，根据每张图片提取出每束火焰的锥角.......... α: |，[/]α,;; 4.2.2计算每张图片中每束火焰的贯穿距离：[,']4，[,']与"，[,']岛....,..[,]1；:-'，。化:;其中〇 代表锥角，L代表贯穿距离，[i]代表喷油器第i次喷射，右上角标1、2……X表示X张火焰面积 最大图像所对应图片的序号，右下角标代表第m个喷孔； 4.2.3计算同一喷孔火焰束的X个数据的锥角W及贯穿距的平均值，具体为：其中，[,;]涼、石的右下角标1代表喷油器Z个喷孔中的第一个。W此类推，可求出 / Lz, i L?>............I； L：. : 抹.技，…玩,； 4.2.4重复4.2.3直至计算出喷油器上Z个喷孔火焰束的的锥角W及贯穿距的平均值， 具体为：其中，[,]抹，[,:店表示，喷油器第i次喷射时，喷油器上Z个喷孔的平均锥角和贯穿距离； 4.3计算均匀性系数，包括锥角均匀性系数、贯穿距均匀化系数W及D次喷射均匀化系 数，具体过程为： 4.3.1锥角均匀性系数为Ja其中，均匀化系数J值越小，喷油器各孔的均匀性越好;J<kj，该喷油器各喷孔均匀性优 良；其中，kj是均匀性常数，其值根据实际的检验标准取值； 4.4计算一致性系数Y; 4.4.1第j次喷射和第f次喷射锥角一致性：其中，[]表示喷油器第j次喷射和f喷射，j和f都是正整数，且j小于f。 4.4.2第j次喷射和第f次喷射的锥角一致性：4.4.3-致性系数： [j一f ] Y = [ j一f ] Υα+ [ j一f ]化，[j一f ] Y<ky，说明j和f两次喷射状况一致;积碳和老化 现象在此阶段，不明显;ky为一致性常数，具体取值取决于实际的检测要求； 4.5计算耐久性系数T; [1^Τ]Υ-1 I <kn，其中，T是正整数，满足上式，最大的T值Tmax就是耐久性系数;kn是耐 久性常数，根据不同的检测标准取值。
【文档编号】F02M65/00GK105840382SQ201610208150
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】何旭, 张 成, 尚勇, 刘福水, 李向荣
【申请人】北京理工大学