Optical method for fuel atomization control using high-speed video

Cover Page

Abstract


The article discusses the description of one of the optical methods for determining the parameters of fuel atomization in atmospheric conditions and recording the results using a high-speed video camera. The possibility of interpreting images of a fuel jet in development over time as the distribution of the concentration of a dispersed medium with a constant volume-surface diameter (Sauter), which is an optical method for controlling fuel atomization, is shown.


Full Text

В последние десятилетия постоянно повышаются требования к двигателям внутреннего сгорания. Даже небольшое улучшение характеристик двигателей по экономичности и экологии приводит к большому эффекту в масштабах страны.

Важнейшей из систем работы двигателя внутреннего сгорания является система топливоподачи, в которой процесс подготовки топливо-воздушной смеси зависит от точности изготовления отдельных элементов и степени их износа со временем эксплуатации, в частности от топливных распылителей, где качество их изготовления можно контролировать по параметрам струи распыленного топлива.

Среди существующих косвенных методов контроля структуры топливных струй наиболее предпочтительными являются оптические. В настоящей работе предложен метод, основанный на высокоскоростной видеорегистрации процесса формирования струи с последующей обработкой кадров и расчетом массовой концентрации капель топлива.

Основными параметрами, описывающими импульсный дисперсный поток распыляемой жидкости, являются распределение частиц по размерам или средний размер частиц (капель), их однородность и равномерность распределения концентрации по объему струи, скорость и направление движения частиц, а также геометрические параметры: угол раскрытия, длина струи. Для практических целей наиболее важными являются такие параметры, как мелкость распыливания, концентрация топлива в сечениях струи, длина струи.

Поток распыляемой жидкости (струи) представляется в виде конусообразного тела, из вершины которого происходит распыление, ось конуса совпадает с осью струи, а основание конуса может считаться передней частью струи. Передняя часть струи в данной работе не исследуется. В поперечном сечении потока распыляемой жидкости плотность, концентрация, размеры частиц и их скорости будут различны [1; 2; 3].

При прохождении света через топливную струю в поперечном направлении используют спектральный коэффициент пропускания Tλ для излучения с длиной волны λ, величина которого определяется из закона Бугера – Ламберта – Бера I=I0Tλ как

Tλ=expτl=expKλl, (1)

где τl – оптическая толщина среды, l – толщина среды, Kλ – показатель ослабления единичным объемом среды.

В приближении равномерно распределенных частиц в объеме между двумя сечениями струи, образующих тонкий слой, содержащей ns рассеивающих частиц площадью S0, показатель ослабления преобразуется к виду

Kλ=S0ns=πδ24nsQo(ρ,m), (2)

где Q0 – фактор эффективности ослабления, ρ=πδλ, δ – диаметр частиц, m=niχ – комплексный показатель преломления частиц.

Если среда не монодисперсная, а размеры капель соответствуют некоторой функции распределения частиц по размерам Cδ в достаточно тонком слое частиц, показатель ослабления будет иметь вид

Kλ=πns40Qo(ρ,m)δ2С(δ)dδ. (3)

Заменим ns на nm – массовую концентрацию частиц, учитывая ns=6nmπρw0δ3C(δ)dδ, показатель ослабления:

Kλ=3nm2ρw0Qo(ρ,m)δ2С(δ)dδ0δ3C(δ)dδ. (4)

Используя усредненный фактор эффективности ослабления Q¯0 для полидисперсной среды Q¯o=0Qo(ρ,m)δ2С(δ)dδ0δ2С(δ)dδ, спектральный коэффициент пропускания Tλ можно записать, используя δ32=0δ3C(δ)dδ0δ2C(δ)dδ – диаметр (Заутера), в виде

Tλ=exp1,5nmlQ¯oρwδ32 . (5)

Для практического применения при нахождении массовой концентрации частиц в сечении струи из закона Бугера – Ламберта – Бера lnI0I=1,5nmlQ¯oρwδ32 и

nm=ρwδ321,5lQ¯olnI0I. (6)

Для длины волны λ=0,63 мкм при исследовании капель бензина функция распределения по размерам Cδ может быть применима в виде обобщенного гамма-распределения, вид фактора эффективности ослабления Q¯0(δ32) хорошо известен и находится вблизи значения 2; показатели преломления n=1,4 для бензина [4] и n=1,385 для дизельного топлива близки; в видимой части спектра значение показателя поглощения χ также мало, и можно рассуждать о принятии Q¯0(ρ32)=2 для ρ=πδλ>40 при распылении дизельного топлива

nm=ρwδ323llnI0I. (7)

Из (7) можно найти выражение для массовой концентрации капель топлива из изображения топливной струи, если известен объемно-поверхностный диаметр (Заутера). Световой поток, проходя через струю распыленного топлива и попадая на фоточувствительную матрицу видеокамеры, сформирует изображение, яркость пикселей в котором будет описываться матрицей I(i,j)=f(nm(i,j)).

С другой стороны, при исследовании струи распыленного топлива может быть использован подход к расчету параметров струи, описанный в работе [3]. Концентрация капель топлива ns на расстоянии z от сопла распылителя и расстоянии  от оси потока определяется по формуле [1–3; 5]

ns=nsmaxexpr26ac2z2, (8)

где M=μw2ρwGdc, We=PgPW=ρgu2δG, ac=0,003We0,3ρgρw0,4M0,1, nsmax=nmmaxmk, nmmax – массовая концентрация топлива, z – расстояние от сопла распылителя до сечения струи, mk=ρwVw – масса капли, μw, ρw, G – коэффициент динамической вязкости, плотность и коэффициент поверхностного натяжения жидкости, dc – диаметр сопла; ρg – плотность газа; u – скорость полета капли в газе [5].

Распределение концентрации в поперечном сечении струи (8) по написанию напоминает нормальный закон распределения вероятностей [3]:

ns(r)=nsmaxσ2πexpr22σ2, (9)

где r2=x2+y2 – координаты малого объема частиц,  – стандартное отклонение.

 

Рисунок 1 – Оптическое сечение топливной струи

 

Выражение (9) преобразуется к виду

ns(Δx,Δy)=nsmaxσ2πexpx22σ2expy22σ2. (10)

По оси абсцисс располагаются ячейки фотокамеры, регистрирующие интенсивность оптического излучения, прошедшего через топливную струю. Поэтому в выражении для оптической толщины среды, зависящей от концентрации, интегрирование по координате x не проводится. Коэффициент пропускания (1) с учетом нормального распределения концентрации частиц струи (2) и закона Бугера преобразуется к виду:

I(x)=IoT=IoexpC(x)2π0Δyexpy22σ2dy, (11)

где Δy=r2Δx2, за величину C(x)=nsmaxσ22πexpx22σ2 – обозначим постоянную величину для фиксированного значения x. Свет пройдет слой частиц дисперсной среды протяженностью ΔH=2Δy на расстоянии Δx от центра струи, и перед знаком интеграла в (11) появится 2. Вынесем множитель exp12σ2 из-под интеграла в (11) 0ΔyexpΔy22σ2dy и внесем его во вновь введенную константу D(x)=C(x)exp12σ2, получим выражение

I(x)=IoexpD(x)2π0Δyexpt2dt, (12)

используя функцию ошибок ErfΔy=2π0Δyexpt2dt.

Из (11) и (12) получаем выражение для расчета концентрации nsmax(х)

lnIoI(x)=D(x)Erf(Δy). (13)

Исходя из симметричности струи, по ее изображению определяется значение Δy, используя табличные значения или встроенную в язык программирования функцию ошибок ErfΔy, находится константа D(x) и концентрация nsmax(х). Левая часть выражения (13) определяется из изображения поперечного сечения топливной струи. Далее возможно найти массовую концентрацию nm и используя (7) среднеобъемный диаметр Заутера δ32.

Предложенный подход позволяет обработкой изображений топливных струй, получаемых на разработанном стенде [6; 7; 8; 9; 10], с учетом программного обеспечения [11] определять концентрацию капель топлива по значению яркости в различных зонах струи. Использование скоростной видеосъемки дает возможность отследить динамику изменения яркостных зон и концентрации топлива в струе по времени.

В Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова разработан стенд контроля параметров топливной струи с использованием скоростной видеосъемки процесса распыления топлива. Топливная система имеет электронное управление впрыском Common-rail [9; 12–15].

В качестве примера на рисунке 2 изображена топливная струя на 1341 мкс (9 кадр).

 

Рисунок 2 – Граница струи, рассчитанная программой для кадра № 9

 

На рисунке 3 по изображению 2А построена яркостная гистограмма, где виден максимум в районе малых значений яркости.

 

Рисунок 3 – Яркостная гистограмма изображения струи для кадра № 9

 

На рисунке 4 приведены экспериментальные данные изменения площади струи дизельного топлива для различных давлений впрыска по времени.

 

Рисунок 4 – Изменение площади струи дизельного топлива для различных давлений впрыска по времени

 

Длина струи, угол раскрыва и диаметр Заутера зависят от давления под носиком распылителя (давления впрыска). Площадь струи на изображении меняется в зависимости от давления впрыска: больше давление – больше площадь и наоборот: меньше давление – меньше площадь.

Описанный в работе оптический метод контроля распыливания топлива с использованием скоростной видеосъемки реализован в виде стенда скоростной видеосъемки контроля параметров струи распыленного топлива. Стенд позволяет записывать видеоизображение струи по синхроимпульсу от клапана форсунки. Далее видеоряд обрабатывается программой на компьютере, результатом чего являются динамические параметры струи распыленного топлива: скорость струи, угол распыления, длина струи, площадь струи. Площадь струи в свою очередь состоит из площадей различных по оптической плотности яркостных зон, в которых диаметр капель Заутера с учетом некоторого приближения считается одинаковым. Динамическое изменение площадей яркостных зон выражает характер распыления топлива, динамику топливной струи, зависящую от многих факторов (давления впрыска, вида топлива и так далее). Разработанный метод и стенд используются для проведения научных исследований в АлтГТУ для различных режимов работы двигателя и различных видов топлива. На производстве топливных распылителей возможно применение описанного подхода для контроля качества изготовления распыляющих дюз и распылителей по изображениям топливных струй.

About the authors

Alexander V. Eskov

Krasnodar University of the Ministry of Internal Affairs of Russia

Author for correspondence.
Email: alesc72@mail.ru

Russian Federation, 128, Yaroslavskaya street, Krasnodar, 350005

Doctor of Technical Sciences; Professor of Department of Information Security

Ivan I. Kiryushin

Barnaul Law Institute of the Ministry of the Interior of Russia

Email: kirjushinivan@mail.ru

Russian Federation, 656038, Altai Territory, Barnaul, Chkalov street, 49

Lecturer at the Department of Information

References

  1. Семидетнов, Н. В. Анализ характеристик топливного факела как объекта исследования лазерным доплеровским методом / Н. В. Семидетнов. – Текст : непосредственный // Двигателестроение. – 1983. – № 12. – С. 5–9.
  2. Кукушкин, В. Л. Методы оценки характеристик нестационарной струи распыленного дизельного топлива с помощью лазеров непрерывного излучения / В. Л. Кукушкин. – Текст : непосредственный // Двигателестроение. – 1988. – № 12. – С. 28–32.
  3. Лышевский, А. С. Закономерности дробления жидкостей механическими форсунками давления / А. С. Лышевский. – Новочеркасск : Издательство НПИ, 1961. – 186 с. – Текст : непосредственный.
  4. Архипов, В. А. Лазерные методы диагностики потоков : учебное пособие / В. А. Архи-пов. – Томск : Издательство Томского университета, 1987. – 140 с. – Текст : непосред-ственный.
  5. Гидродинамика и теория горения потока топлива / Б. В. Канторович, В. И. Миткалин-ный, Г. Н. Делягин, В. М. Иванов. – Москва : Металлургия, 1971. – 488 с. – Текст : непо-средственный.
  6. Еськов, А. В. Средство оптического контроля качества распыливания топлива с исполь-зованием скоростной видеосъемки / А. В. Еськов, А. В. Маецкий. – Текст : непосред-ственный // Контроль. Диагностика. – 2013. – № 3. – С. 71–75.
  7. Еськов, А. В. Оптический метод исследования процесса распыливания рапсового и ди-зельного топлива / А. В. Еськов, А. В. Маецкий, А. М. Сагалаков. – Текст : непосред-ственный // Датчики и системы. – 2013. – № 5. – С. 21–24.
  8. Еськов, А. В. Многофункциональное устройство управления регистрацией изображений быстропротекающих процессов / А. В. Еськов, А. Б. Добряк. – Текст : непосредственный // Приборы и техника эксперимента. – 2007. – № 3. – С. 160–163.
  9. Еськов, А. В. Экспериментальный стенд и пакет программ для оптического контроля качества распыливания топлива с использованием скоростной видеосъемки / А. В. Есь-ков, А. В. Маецкий. – Текст : непосредственный // Ползуновский вестник. – 2012. – № 3/1. – С. 75–78.
  10. Еськов, А. В. Динамика яркостных зон топливной струи из видеозаписи / А. В. Еськов, С. П. Кулманаков, И. И. Кирюшин. – Текст : непосредственный // Известия Алтайского государственного университета. – 2015. – Т. 2, № 1. – С. 26–29.
  11. Еськов, А. В. Программа для обработки изображений топливных струй и расчета пло-щадей оптических неоднородностей : свидетельство № 2012616678 Российская Федера-ция : зарегистр. 25.07.2012 / А. В. Еськов, А. В. Маецкий, С. И. Гибельгауз ; заявитель и правообладатель Алтайский государственный университет им. И.И. Ползунова. – Текст : непосредственный.
  12. Экспериментальное исследование характеристик топливных струй дизельных форсунок / А. Е. Свистула, Д. Д. Матиевский, П. Ю. Гуляев, А. В. Еськов. – Текст : непосред-ственный // Двигателестроение. – 1999. – № 1. – С. 29–31.
  13. Способ определения скорости импульсного аэродисперсного потока : Патент на изобре-тение RU 2147749 C1 : № 98105869/28 : Заявл. 23.03.1998 : Опубл. 20.04.2000 / В. В. Ев-стигнеев, П. Ю. Гуляев, А. В. Еськов. – 8 с. – Текст : непосредственный.
  14. Бороненко, М. П. Телевизионная измерительная система наносекундного разрешения / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев. – Текст : непосредственный // Доклады ТУСУР. – 2014. № 1 (31). – С. 60–64.
  15. Increasing the noise immunity of optical-electronic systems based on video cameras with an op-tical converter / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin, K. G. Poluhina. – doi: 10.1088/1742-6596/643/1/012028 // Journal of Physics : Conference Series. – 2015. – Vol. 643. – P. 012028.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Figure 1 - Optical section of the fuel jet

Download (27KB) Indexing metadata
2.
Figure 2 - The boundary of the stream, calculated by the program for frame No. 9

Download (106KB) Indexing metadata
3.
Figure 3 - Brightness histogram of the jet image for frame No. 9

Download (48KB) Indexing metadata
4.
Figure 4 - Change in the area of the jet of diesel fuel for different injection pressures over time

Download (107KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 72

PDF (Russian) - 23

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c) 2020 Eskov A.V., Kiryushin I.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies