ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА РАСПЫЛИВАНИЯ ТОПЛИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКОРОСТНОЙ ВИДЕОСЪЕМКИ

Еськов Александр Васильевич

д-р техн. наук, доцент АлтГТУ, г. Барнаул

Е-mail: alesc

Маецкий Александр Владимирович

аспирант, АлтГТУ, г. Барнаул

Е-mail:

Яковлев Сергей Валентинович

аспирант АлтГТУ, г. Барнаул

Е-mail: emaenu@pisem.net

EXPERIMENTAL DATA OF OPTICAL CONTROL OF FUEL DISPERSION QUALITY WITH HIGH-SPEED VIDEO FILMING USE

Alexander Eskov

Doctor of Science. Technical., Associate Professor of

Altai State Technical University after I.I. Polzunov, Barnaul

Alexander Maetsky

Graduate student of Altai State Technical University after I.I. Polzunov, Barnaul

Sergey Jakovlev

Graduate student of Altai State Technical University after I.I. Polzunov, Barnaul

АННОТАЦИЯ

Пояснено, что понимается под качеством распыливания в научной литературе. Отмечено, чем вызвана оптическая неоднородность топливных струй и показано, как изменяются площади яркостных зон струи во времени. Обозначены перспективы дальнейшего развития и применения описанного средства контроля качества распыливания.

ABSTRACT

It is explained that is understood as quality of fuel dispersion in the scientific literature. It is noted, than optical heterogeneity of fuel jets is caused and is shown, how the areas of brightness jet zones in time. Prospects of the further development and application of the described control device are designated.

Ключевые слова: качество распыливания; оптическая неоднородность; обработка изображений.

Keywords: quality of fuel dispersion; optical heterogeneity; image processing.

Качество распыливания топлива дизельной форсункой определяется мелкостью и однородностью его дисперсии (распределением капель по размерам), а также равномерностью распределения капель топлива в объеме струи [3, с. 143]. Изучение распыливания топлива представляет собой важную научную задачу, т. к. от качества процесса распыливания топлива зависит последующее сгорание рабочей смеси, а значит выходные характеристики двигателя в целом: экономичность, экологичность, мощность и другие.

Согласно общепринятому идеализированному описанию струи топлива, она имеет конусообразный вид и в центральной своей части более плотная, чем на периферии [3, с. 143]. Пример реальной струи топлива продемонстрирован на рисунке 1. Так, в центральной части и основании она более тёмная, на периферии и переднем фронте – более светлая. Оптическая неоднородность струи вызвана истинной неоднородностью распыливания и неравномерным распределением капель топлива в пространстве. При прохождении светового излучения через распыленную струю, в результате уменьшения светового потока, прошедшего в зонах с высокой концентрацией капель топлива, область этой зоны на изображении будет соответствовать меньшей яркости (тёмным оттенкам), и наоборот.

Рис. 1. Визуализация оптической неоднородности реальной струи

Когда струя топлива равномерно заполнена каплями, то на изображении она будет окрашена приблизительно в один цвет. И напротив, неоднородное закрашивание струи будет соответствовать неравномерному заполнению её каплями. На рисунке 2 приведены два варианта идеализированной топливной струи, разбитой на три яркостных зоны, с гистограммами площадей яркостных зон. На рисунке 2,а площади трех яркостных зон одинаковы, на рисунке 2,б – 90 % струи занимает яркостная зона № 2. На наш взгляд, более равномерно распыленная, а значит, более качественная струя – это струя, изображенная на рисунке 2,б. В ней существует участок с плотной концентрацией капель (зона № 1) и участок с разреженной концентрацией капель (зона № 3), но большая часть струи закрашена в один цвет, что и соответствует более равномерному распыливанию по сравнению с рисунком 2,а. Таким образом, более качественно распыленная струя топлива имеет гистограмму распределения яркостей, соответствующую закону нормального распределения, и чем больше такое соответствие, тем лучше качество распыливания.

а)                                            б)

Рис. 2. Оптическая неоднородность идеализированных струй

Средняя яркость топливной струи на изображении будет увеличиваться со временем. Это вызвано тем, что в начальный момент времени струя имеет малую площадь, затем с течением времени площадь струи увеличивается, а т. к. цикловая порция топлива постоянна, то с увеличением площади струи уменьшается концентрация топлива, что будет соответствовать более высокой яркости на изображении.

В АлтГТУ на кафедре экспериментальной физики было разработано программно-техническое средство контроля качества распыливания топлива на базе скоростной видеокамеры «ВидеоСпринт» производства ЗАО «НПК Видеоскан» [1]. Данное средство позволяет обрабатывать кадры видео и строить гистограммы и графики изменения площадей яркостных зон струи (оптических неоднородностей) во времени.

Для апробации средства были проведены эксперименты с использованием двух видов топлив (рапсовое масло при двух температурах и дизельное топливо) и двух частотах оборотов двигателя при давлении впрыскивания 60 МПа и с частотой съемки 7042 кадра в секунду. Результаты экспериментов представлены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3. Динамика изменения во времени оптической неоднородности струи

Рисунок 4. Гистограмма площадей яркостных зон в момент времени 1,136 мс

На рисунке 3 линии характеризуют изменение во времени площадей шести яркостных зон в диапазоне яркостей от 0 до 170 градаций АЦП. По оси ординат на рисунках 3 и 4 приведены площади яркостных зон, нормированные к общей максимальной площади струи.

Так, сравнивая графики на рисунках 3,а и 3,в можно заметить, что при распыливании дизельного топлива в связи с увеличением площади всей струи увеличиваются площади всех яркостных ее зон (кроме самой яркой зоны, которая остается относительно неизменной), а при распыливании рапсового масла площади яркостных зон изменяются неодинаково. Для рапсового масла можно отметить относительную неизменность площадей темных яркостных зон №№ 1—3 и значительную динамику площадей светлых яркостных зон № 4—6, что свидетельствует о худшем качестве распыливания, в сравнении с дизельным топливом. Из графика 3,в видно, что с развитием струи во времени площадь участков струи с разреженной концентрацией капель возрастает, а площадь участков струи с плотной концентрацией капель относительно общей площади струи – убывает, т. е. имеет место значительная неравномерность распределения капель в струе топлива. Более худшее распыливание рапсового масла в сравнении с дизельным топливом при прочих равных условиях можно также увидеть, сравнивая гистограммы 4,а и 4,в. Так, гистограмма 4,а больше соответствует нормальному закону распределения, чем гистограмма 4,в.

Результаты экспериментов сводятся к следующему: 1) рапсовое масло при прочих равных условиях распыливается хуже дизельного топлива; 2) увеличение оборотов двигателя способствует улучшению качества распыливания для обоих видов топлив; 3) нагревание рапсового масла в сопряжении с повышением оборотов двигателя способствует улучшению качества распыливания. Полученные результаты согласуются с литературными данными ([2, с. 43—47], [3, с. 146—148]).

Разработанное средство может служить для контроля качества распыливания различных видов топлив различными топливными распылителями при различных условиях впрыскивания. Работы по совершенствованию средства контроля продолжаются. В частности, авторы считают возможным установление коэффициентов оптической неоднородности и корреляций качества распыливания с другими показателями двигателя.

Список литературы:

1.Камера скоростной видеосъемки «ВидеоСпринт» // Видеоскан [Электронный ресурс]: [сайт] / ЗАО НПК «Видеоскан». Электрон. дан. – М., 2012. – Режим доступа: http://videoscan.ru/page/731. – Загл. с экрана.

2.Кутовой, В.А. Впрыск топлива в дизелях / В.А. Кутовой. – М.: Машиностроение, 1981. – 120 с.

3.Шароглазов, Б.А. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчет процессов : учебник / Б.А. Шароглазов, М.Ф. Фа-рафонтов, В.В. Клементьев. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. – 344 с.