应用激光全息术对柴油雾化机理和喷雾特性的研究来

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1、第21卷第4期南京林业大学学报Vol.21No.41997年12月]ournalofNanjingForestryUniversityDec.1997应用激光全息术对柴油雾化机理和喷雾特性的研究来黄银姊(南京林业大学机械工程学院南京210037)摘要经各种条件下的全息照片的定性分析和采用计算机数字图像处理的定量分析，得出了喷雾场的粒子分布情况不同于传统观点所认为的分布情况，并基于液体破碎理论进行了雾化机理的分析:讨论了喷射时间、气缸背压、喷射压力、喷油嘴结构对喷雾特性的影响。关键词柴油机:喷雾:激光全息:测试中图分类号TB87

2、7.1;TH113由于空气和经雾化的柴油在燃烧室中形成可燃混合气进行燃烧，得到柴油机各项性能指标如功率、扭矩、油耗、排放等。因此，高压柴油经喷嘴的雾化对柴油机性能起着决定性的作用[lJ。雾化的特征称之为喷雾特性，包括喷雾贯穿、喷雾形状、颗粒大小及分布和蒸发四个方面。在汽车工业发达的日本、美国，喷雾特性的研究相当活跃。因为据此可以建立柴油机燃烧模型，预估发动机性能，从而促进内燃机的设计和发展[2.3J。喷雾特性的测试方法有许多种。对喷雾贯穿和形状，高速单次摄影法较为有效:对粒子场的分布，有日本广安博之的浸液法、沉积法、印痕法，三

3、木英雄等人的直接显微摄影法等[4J。由于前三种方法会干扰被测雾场，致使油滴畸变，雾场空间分布被破坏:后一种方法又不能准确反映雾场的空间分布，因此都不能准确地反映喷雾的瞬态空间分布。较之上述各种方法，激光全息摄影术可以不接触雾场，且能测出瞬态颗粒分布。尤其是采用调Q红宝石脉冲激光器，由于曝光时间很短，只有几十纳秒凹，所以能测出高速运动喷雾的瞬间状态、颗粒大小及空间分布。若用双脉冲激光器，两次曝光可得到喷雾的运动速度。因此，应用激光全息摄影术进行柴油机喷雾特性的研究，以探究柴油的雾化机理及对喷雾特性的影响因素及影响情况。1基本原理

4、与试验装置全息照相分两步进行，即波前记录和波前再现[6J。波前记录是将物体(即喷雾)发出的光波与参考光波相干涉，从而记录位相信息，然后用照相方法，将干涉条纹记录下来，成为全息图:波前再现，是光通过全息图发生衍射，有7射光波与物光相似，构成物体的再现像，它记录了原物体的三维立体像。*收稿日期1997-04-23修改稿收到日期1997-09-03兴国家自然科学基金资助项目第一作者简介:黄银姊，女，南京林业大学机械工程学院讲师。21南京林业大学学报第21卷第4期1.1喷雾同轴全息光路及拍摄装置喷雾同轴全息光路及拍摄装置如图1a所示。

5、发生控制装置:调速电机带动高压油泵工作，高压油经单次喷射装置喷入容弹，容弹两边装有石英玻璃，单次喷射的信号经同步控制装置再触发激光器延迟时间t毫秒后发出激光，也即记录了喷出后t毫秒时刻的油束。容弹直径为110mm，高压油泵型号为2121-8左1500rlmin，试验用油为扩柴油，喷油嘴为轴针式，型号为ZS4日A、ZS15S15及日本产NPDN15SDK1。伞息照片/实像容弹图1试验装置框图Fig.1Theframefigureofexperimentapparatusa.喷雾同轴全息光路及拍摄装置b.全息照片再现光路及图像识别

6、处理装置拍摄光路:激光器发出的光经扩束准直镜形成平行光，一部分光遇颗粒经透射、折射至全息干板，即物光:另一部分光直接照射至全息干板，即参考光。这两部分光在全息干板上发生干涉，记录在全息干板上。这是一个曝光过程，再经暗室处理，显影、定影得到记录雾场空间分布的全息照片。1.2全息照片再现光路及图像识别处理装置全息照片再现光路及图像识别处理装置如图1b所示。再现光路:激光经扩束准直照射至全息图上，全息图上干涉条纹发生衍射，在摄像头前面形成实像，由摄像头摄入，经接口显示在计算机的屏幕上。屏幕上显示的颗粒是在摄像头焦面上有一定景深的颗粒

7、，计算机控制步进电机带动三维拖板移动可以得到整个油束的颗粒大小及分布。图像识别处理:由于全息图信息量大，所以用计算机图像识别处理方法[7J。其原理是用粒子的边缘灰度梯度方法来判断在焦面的粒子，并算出粒子所占像素点，经标定后能得到粒子的真实尺寸。再经计算机统计计算，得到粒子的索特平均直径SMD，SMD=~N;.d?/~N;.d;2，以及粒子尺寸分布直方图，并可以看出粒子分布的均匀性。这样可以定量地分析粒子场。由于该装置采用Fraunhofer共轴全息光路，并通过光学方法提高了液滴的分辨率和清晰度，可分辨出3μm的液滴。2柴油油束

8、颗粒分布及其雾化机理2.1柴油油束颗粒分布通过对最常用、最典型的ZS4日A喷油嘴进行拍摄。经再现系统，移动三维拖板，得到整个油束的颗粒分布。喷雾场整个油束的粒子是以层状分布，前锋与边缘分布稀疏的大颗粒，形成油束的一层外壳，这个外壳包围一层较密但直径较小的粒子，这层粒子又包围油