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第五章 调试测试台架

5.1 摄影技术评估

设置双燃料可视化台架并从中获取结果是一个不断发展的过程。图5.1显示了通过不同测试方法取得的发展的时间线。下面详细介绍摄影技术和所用设备的每种组合的相对优点。

5.1.1使用数码相机进行的背光摄影（仅柴油机喷雾）

柴油输送系统（DDS）是该台架的第一部分。使用背光照明和CCD（电荷耦合元件）静态相机记录了一些柴油喷雾的调查照片。这张简单的照片提供了有关柴油射流的形状和穿透率的有用信息。早期摄影工作的重点是了解此高压共轨燃油系统的特性。

事实证明，柴油喷射机具有很高的可重复性-之后在同一次喷射中拍摄的照片和照相时间表明，HPCR喷嘴实际喷射开始（SOI）的时间仅变化10mu;s。因此，在喷射和照相之间设定延迟的情况下，后续照片之间喷雾穿透的变化仅为几毫米。这意味着可以使用静态相机令人满意地建立柴油机射流的穿透过程。为此，在SOI和相机触发之间的延迟逐渐增加的情况下拍摄了一系列照片。静态相机的背光照片类似于后来用摄像机拍摄的照片，如第5.2节所示。

大约六个月后，DDS完成后，便可以尝试使用气体注入系统了，这有助于使用阴影图光学器件，以便能够看到气体喷射流。该学院的阴影照相系统最初是用宝丽来胶卷装配的。

5.1.2 宝丽来胶片的阴影图成像（柴油喷射和气体喷射）

三十年前的阴影图系统带来了许多问题。小零件（例如塑料（绝缘）紧固件和其他电连接器）的反复故障导致采集结果的常常延迟。

对于任何类型的摄影，都有两种方法可以控制传统相机中的胶卷或数码相机中的CCD元件的曝光量。一种方法是控制光源的强度和持续时间。另一种方法是控制快门打开的持续时间，或者在CCD摄像机中控制元件的充电时间。由于宝丽来胶片未安装在带快门的照相机中，因此可以通过控制光源的持续时间和强度来设置胶片的曝光。阴影照相设备中的光源由火花发生器组成（图5.1），因此持续时间基本上固定为约20mu;s的闪光时间。火花的强度可以通过光圈来控制（图5.2）。

由于没有快门，因此在进行测试（即拍摄照片）之前或之后都不会使胶卷曝光，因此必须在完全黑暗的环境中装卸宝丽来胶卷。使用第4.3.1节所述的技术将光排除在测试区域之外。作为进一步的保证，宝丽来胶片的所有测试均在晚上进行。拍摄完每一帧后，需要几分钟时间才能使胶卷显影。所有照片均被扫描为数字格式，因此可以高效地进行比较。

拍摄第一张照片后，我们意识到JVB丙烯酸墙的光学质量没有达到要求的质量。丙烯酸不是很硬的塑料，因此盒子的壁容易损坏。尽管在包装盒的过程中采取了所有合理的预防措施，但阴影仪的光线穿过相机或胶卷通过的壁表面仍然存在许多划痕和污点，这些划痕和污点在胶卷上表现为实线，暗线，如图5.3所示。为了克服这个问题，将测试部分区域附近的丙烯酸墙移除并替换为玻璃插件，如果需要，可以轻松更换。

通过宝丽来胶片拍摄的图像可以了解喷油器的工作状况。他们允许如第4.3.4节所述识别来自第一个气体喷嘴的非阻塞气流，这促使对喷嘴的改进与CCD静态相机的设置同时开始。然而，电影的成本和将结果数字化所花费的时间被证明是令人望而却步的。宝丽来胶片因此被CCD静态相机取代。

5.1.3 CCD静态相机的阴影图成像

使用CCD相机进行阴影图成像时，保留了阴影仪的火花发生器和准直光学器件。尽管现在有了合适的相机和电子控制装置具有更大的灵活性，但仍需要大量精力才能真正形成用于捕获的阴影图像。最初的测试是在将相机直接与测试部分成一直线放置的情况下进行的，以使准直的光直接进入镜头。结果是仅获得了测试部分的图像。

阴影图和纹影仪系统的有效性都取决于准直光的折射。即使光线通过了测试部分，它仍然保持大部分准直状态。CCD摄影机在阴影照片光束中的早期运行表明，为在分散光条件下工作而设计的普通摄影机镜头不适合在准直光束中工作。光线好像从仍然保持准直的透镜后部射出。当使用大幅面宝丽来胶片时，这显然不是问题，因为在胶片上会形成实际尺寸的图像。但是，当将常规镜头用于CCD摄像机时，这会导致捕获的图像的大小等于摄像机光圈的大小，即直径约15毫米。由于此处的工作涉及模拟气缸孔至少为100 mm的发动机中的条件，因此这意味着小图不是很适用。发现了两种选择可以使用阴影照片进行大图像捕获：使用照相底板和使用“远心”镜头。

5.1.3.1 使用照相底板形成图像

增强有效视野的第一种方法是使用照相底板或银幕，如第4.4.1节所述。这样的设备在摄影的早期普遍存在，并且在大幅面摄影中仍然普遍使用以设定波纹管型相机的焦距。如图5.4所示，波纹管相机在可变焦距镜头出现之前已得到广泛使用。它们基本上由通过波纹管连接的两个平行板组成。镜头安装在前面板中，而后面板包括胶片支架。镜头和胶片之间的焦距是通过更改镜头板和胶片支架之间的距离或通过独立移动镜头来设置的。波纹管允许进行此调整，同时仍将胶片与环境光隔离。

为了测试要投影在胶片上的图像是否清晰，摄影师首先要在胶片上放一块毛玻璃或“磨砂”玻璃。光会在玻璃的粗糙表面上扩散，因此可以在其上看到图像。一旦确定了使用中的特定镜头的焦距，便移开了毛玻璃并安装了胶片，从而可以拍摄照片。

在这里的工作中，从荷兰的BosScreen订购了高质量的毛玻璃屏风。该“照相底板”用于暂时显示阴影图像，以便可以由CCD相机捕获。通过这种方式，它不是由CCD相机直接拍摄测试部分并接收其准直光，而是捕获了投射到板上的图像。来自印版的光线不再准直，因此拍摄到了正常尺寸的照片。通过使用照相底板，可以捕获整个射流关注区域的图像。该区域延伸到大约50毫米的射流穿透长度，该长度大约是现代中型柴油机的膛孔半径。然而，由于在板上的蚀刻，玻璃屏幕的照片分辨率当然不如直接由测试部分拍摄的照片那样好。此外，当使用“快门速度”较低时，发现过多的光被底板漫射并且图像太暗。

照片5.5和5.6分别显示了使用照相板和普通变焦镜头拍摄的样本照片。这些摄影方法均不能证明是满足要求的，因此寻求一种替代方法来查看整个关注区域。

5.1.3.2 使用远心镜头

远心镜头通常用于机器视觉应用中，以创建无透视失真的图像。如图5.2所示，远心镜头的光圈直接位于其焦点处，因此只有平行（或几乎平行）的光线才能通过该光圈。因此，由于反射物体几乎无限远，因此不会出现透视失真。

由于镜头内部的特殊光学特性，我们发现CCD摄像机捕获的图像现在的大小与物镜（前）的直径相等。大约是40毫米，被认为足以进行这项研究。此外，它提供了比照相板更清晰的图像，并允许更快的曝光时间，因为没有强度通过磨砂玻璃损失。

CCD静态相机提供了一种快速简便的方法来获取图片。获得了质量与照片5.6相同的照片，但是这次获得的是直径约为40毫米的视野，而不是普通变焦镜头的15毫米。尽管如此，气体射流的边界并没有如希望的那样界定，因此决定尝试使用纹影系统。

5.1.4 使用CCD静态相机进行纹影成像

在使用CCD相机的阴影图系统的测试过程之间，进行纹影光学系统的设置。再次保留了阴影框的火花源和准直光学元件。该系统增加了聚焦镜和刀口支架。与将CCD摄像机与仅用于阴影图的光学器件结合使用时，发现毛玻璃屏会大大降低图像强度。因此，远心镜头再次直接放置在光束中，即照相底板如图4.10所示为。

纹影光学器件上远心镜头的应用带来了进一步的挑战。由于在纹影系统中，光束到达焦点（与相对简单的阴影法不同），因此需要对摄像机镜头进行聚焦。注意这里不是实际问题的重点，而是关注测试部分的边界，例如注射器等，以便随后可以从照片中进行有用的测量。

聚焦镜和相机在光束内的正确定位也被证明对获得聚焦图像至关重要。这是因为需要考虑光学系统的“共轭距离”，如图5.3所示。照相机/远心镜头组件需要放置在镜头的光束和焦点中，以便适当大小的图像会落在CCD元件上。如图5.4所示，使用以下距离时，发现设置良好：

测试部分/聚焦镜：6,000毫米；

聚焦镜/刀刃：1,524毫米（60英寸，镜的焦距）；

刀刃/相机镜头的前部：710毫米；

毫米相机镜头的焦距：160毫米；

因此，图像的焦点为（710-160）= 550 mm，大约是距刀口的焦距的三分之一。这意味着照相机捕获的实际图像尺寸的直径约为22 mm，因为共轭距离/物距= 550 / 1,524 mm，原始图像尺寸的直径约为60 mm。

实际图像尺寸=550/1524times;60asymp;22 mm;

通过对纹影系统进行调整，发现JVB上新玻璃窗的瑕疵会导致阴影影响结果。图5.8显示了一个纹影样本图像，可以看到玻璃面板在观察口上的影响。在捕获该图像的测试中，两个玻璃板之一被完全移除，第二个玻璃板的顶部被折断。

在样本图像中，顶部是光束中没有玻璃的位置。可以相对清晰地看到图像顶部的射流边界。照片的较暗的下部是残留玻璃的位置，在这里可以看到射流的边界在阴影中消失了，这些阴影是由于准直光束通过玻璃时的变形而产生的。由于这一发现，玻璃窗被完全移开，盒子中的观察孔被留作开孔。

用纹影装置代替阴影图光学器件可获得气体和双燃料喷射的出色图像，但仅考虑气体喷射时，图像效果不大。如前所述，柴油机喷射之间的喷射时间高度一致。这意味着可以从以连续时间间隔拍摄的一系列静态照片中可靠地构建射流的渗透过程。

但是，对于气体射流却不是这样。由于GCV是由改进的高压共轨（HPCR）柴油喷油器制造的，因此实际的气体SOI在每次喷油之间的差异最大为1.0毫秒。因此，可靠地研究气体喷射过程的唯一方法是使用摄像机。

5.1.5 CCD摄像机的纹影成像

高速CCD摄像机于2004年11月交付给学校。尽管价格昂贵，但事实证明，它是最终可以从JVR收集有用结果的设备。

摄像机装有远心镜头，并直接按上述静态照相机的说明放置在光束中。由于现在要拍摄一系列照片，因此必须找到一个恒定的光源来代替之前一直使用的阴影摄影设备的火花源。首先，使用了空气动力学实验室使用的汞蒸气灯（MVL）组件来拍摄静止的照片。该组件由安装在外壳（图5.9）中的汞蒸气放电球组成，然后将其安装在高度可调的支架上。外壳配有可变的光圈（照片5.10），它对于调节通过系统的光量必不可少。由于已经取消了阴影框，因此还需要更换准直光学器件。空气动力学实验室的另一个60英寸焦距凹面镜用于使光线准直。

尽管MVL的灯泡非常亮，但由于它使用的是交流电源，并且是蒸气放电光源，而不是灯丝，因此发现光源的强度以50 Hz的频率-电源频率脉动。为了克服这个问题，制造了适配器，以便可以将用于汽车行车灯的常规12伏DC灯泡放在支架中。随后，该100 W卤素灯由12 V卡车电池供电，并为纹影系统提供了足够的强度。图片5.11和5.12中显示了原始光源和修改后的光源的图片。

如前所述，使用本研究中使用的喷射器有效研究气体射流的唯一方法是使用视频而不是静态镜头。精心设计的纹影光学器件可以研究整个关注领域，并提供清晰明确的气体射流轮廓，如照片5.13所示。不仅可以看到更好的气体射流轮廓，而且还详细显示了射流内的湍流结构。最后发现一种照相技术和照相机的结合将为这项研究提供令人满意的结果。

CCD摄像机背光

虽然可以通过分阶段拍摄静态照片获得可用的柴油机射流穿透历史，但显然使用摄像机具有优势。使用视频意味着不仅可以更准确地测量射流的增长，而且还可以监视射流内部的不稳定性，并且可以更充分地理解破裂过程。因此，高速摄像机的使用为照柴油和气体喷射提供了很大的好处。

5.2 柴油喷雾的特性

为了了解已构建喷射可视化装备的柴油喷射器的工作特性，结合使用了背光和阴影法以及高速CCD摄像机，单独拍摄了柴油喷雾的照片。为了进行背光照明，将两个500 W泛光灯放置在半透明塑料板后面，如前所述，如照片4.13所示。漫射光束能够穿透柴油蒸气，因此可以观察到柴油液相/气相的边界。然后，使用阴影仪设备，平行光束将被柴油蒸气折射，可以更好地指示气相和周围空气之间的边界。

5.2.1 最佳工作压力

如第3.2节所述，现代喷油器设计为在设定的压力和流量下运行，以最大程度地使燃料雾化。以这种方式设计的喷油嘴通常在空化状态下以喷嘴流运行[140]，因此可以合理地预期此处的喷嘴将显示出空化流迹象。

照片集5.14至5.19显示了在60 MPa和160 MPa之间的压力下柴油机喷射的一系列照片。在每种情况下，发送到喷射器的电脉冲的持续时间为0.3 ms。这导致在60 MPa的最低压力下实际（液压）注入时间约为0.5毫秒，在160 MPa时的持续时间增加至约0.8毫秒。喷射信号开始与液压喷射开始之间的延迟在0.3到0.4 ms之间变化，该延迟随着压力的增加而减小。每个框架在右上角显示一个比例尺，其中比例尺上的每条线对应一毫米的距离。左下角的时间标度是电脉冲开始后的时间，即 “电气” 喷射开始之后的时间。

可以看出，柴油喷射在不同的喷射压力下具有完全不同的特性。在最低和最高压力下，射流相对较窄，而在中等压力下（例如120 MPa），它会更分散。这取决于喷嘴设计。对于低于120 MPa的注射压力，喷嘴上的气蚀可能不那么剧烈。对于高于120 MPa的压力，气蚀可能让位于（至少部分）液压翻转，如3.2.2节所述。分散的喷雾是更理想的，因为在发动机中，它会在点燃后立即产生较宽的燃烧区域，这在压燃发动机中应在喷射开始之后约0.5到1.0毫秒之间发生[94]。

文献综述显示，第一代Bosch 高压共轨燃油系统的工作压力为135 MPa [44、47、97和135]，例如此处使用的系统。在压缩冲程结束时，现代涡轮增压点燃发动机的气缸压力可望达到5 MPa左右，燃烧时压力可能会升至15 MPa。考虑到要在此处进行测试的大气条件以及测试装置的管道的细微差异时，在实验室中120 MPa的压力可望提供与135 MPa发动机

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