使用光学成像拼接法测量喷油器表面沉积物体积

闵杰 李捷 刘建峰 李军

摘要：本文论述了对GDI发动机喷油器沉积物进行评价的方法。并提出了一种基于光学景深原理，通过图像拼接测定喷油器表面沉积物测定的新方法。本文设计、搭建了基于本方法的硬件系统，并编写了计算分析软件。对测试精度进行了理论分析。最后通过试验验证了该方法的有效性。

关键词：GDI；喷油器；沉积物；景深

1. 问题的来源

在研究燃油清净性问题时，通常以沉积物的量来表征。目前通常使用的方法包括《GB/T 19230.6-2003 评价汽油清净剂使用效果的试验方法》、《ASTM D5500进液阀门沉积形成不含铅自动火花点火引擎燃料车辆评价标准试验方法》等。例如，《ASTM D5500进液阀门沉积形成不含铅自动火花点火引擎燃料车辆评价标准试验方法》中，使用一台BMW 2.0L 汽油机，在试验前后进行进气门喷油器称重，通过计算重量差来评定最终的汽油清净性。

目前，随着排放法规的升级，汽油机逐渐以直喷车型为主要车型，汽油清净性主要影响喷油器的雾化效果及喷油量，对气门沉积物影响很小【1】。因此气门称重方法在当前的汽油机测定中，不适用于喷油器表面沉积物的评定。其目前对喷油器的沉积物检测手段主要是间接手段，包括流量测试、高速喷雾造影以及粒径分布等【2】

直喷汽油机喷油器沉积物的形成机理有很多种。本文倾向于认同文华、李星优等人提出的理论。该理论认为：直喷汽油机的喷油器沉积物是一种复合体，主要由汽油和润滑油以及少量磨损金属经过比较复杂的化学反应后形成。其中，喷油器由外表面至喷孔内部，沉积物的氧含量逐步增加，碳含量逐步减少，这主要是由于喷油器外表面高温下，碳元素会和氧元素发生反应，而喷油器喷孔内部，由于喷油器关断时会产生空泡现象，氧气会进入喷油器内部，形成比较复杂的化合物，进而形成沉积物【3】。

喷油器表面通常是一个不规则的形状，并且含有几个喷孔，其体积非常小，沉积物质量也非常小，因此无法完整地清除喷油器内外的沉积物，也很难测量沉积物的质量。如果仅测量增重，则包括外侧壁等位置的腐蚀沉积物等均会被测量在内，会造成很大的误差。最理想的目标是测量喷油器针阀至喷孔部分的沉积物，但由于技术原因目前极难实现，测定喷油器外表面的沉积物体积是一种可以考虑的替代性方案。如前文所述，尽管喷油器外表面至内部其沉积物中的氧含量逐步增加，有一定差异，仍然可以认为喷油器外表面和内表面的沉积物是同源的，因此分析测定喷油器外表面的沉积物体积应有一定的价值，其与内部沉积物体积具有正相关性；此外，由于喷油器表面沉积物会吸收和储存燃油，在燃油喷射的阶段吸收燃油，在燃烧阶段释放燃油（不完全燃烧），会导致排放增加等问题。

喷油器表面沉积物的体积目前没有测定的理想方法，传统方法中，可以选择的测定的方法主要包括：X射线、三维扫描、白光干涉仪等方法。其中，原理上最理想的应为X射线，也就是进行CT扫描测量沉积物体积，因为X射线可以一次测量得到多种不同物质分界面，进而计算出不同物质的体积，包括金属体积和沉积物体积。经过多次尝试，确认使用X射线方法很难测定表面沉积物体积。原因是沉积物质量密度较低，X射线方法是测量原子核密度的方法。由于沉积物质量密度较低，现有设备很难准确分辨积碳和空气的物质分界面，也就无法准确测定体积。使用常规结构光三维扫描的难点主要在于，喷油器表面的沉积物是一种疏松多孔的黑色物质，光波摄入其内部犹如进入了黑暗森林，经过多次反射消失不见，因此很难准确测定其体积。使用白光干涉仪，其扫描面积过于小，景深过小，因此很难全面表征表面沉积物。除此以外，使用点光源的距离传感器是一种可行的方法。

2. 本文提出的沉积物体积测量方法

2.1基本原理

基于以上情况，本文提出了一种使用光学相机对喷油器表面进行拍照测定其体积的方法。其基本原理为利用高倍率光学镜头景深很浅的特点，对一张只能表现很浅景深的图片进行处理，识别其清晰部分，作为有效内容；对多张有效内容进行拼合，得到一张完整的图片。由于每张照片都有其表征的深度信息，对所有照片有效信息的深度和面积求和，得到喷油器表面的总体积。与同一喷油器空白状态体积进行比较，得到沉积物体积。

1. 1. 设备结构

测试设备包括一台高清相机，一个放大镜头，一个光学平台，一个三维滑台，一个使用步进电机控制的水平滑台、一个喷油器支架、控制计算机及步进电机控制器。其中相机需要配备合适的光源以加强喷油器表面的曝光度。

设备将相机稳固安置在三维滑台上，三维滑台的作用主要是为了通过其自身调节，使喷油器与放大镜头对中。光学平台的作用主要是为了使整个系统具备一个稳固的底座。步进电机的作用，主要是为了调节喷油器与镜头之间的距离，步进电机上装置了一个支撑夹具，该夹具的设计具备利用重力自动对中功能，与三维滑台配合，可以保证喷油器中轴与相机同轴。本文所述系统还包括一个高清相机和一个高倍率放大镜头。设备原理图见图1。

图1测试设备结构图

设备的操作流程和控制逻辑、计算方法为：

1. 调整水平滑台，使用相机电子标尺进行调节高低。使用喷油器下的支撑系统进行对中，保证喷油器中心与镜头中心同轴。

2. 调整相机的放大倍率，手动调节三维滑台，将焦点中心对焦在喷油器顶端的最突出部位。

3. 使用计算机控制步进电机，调节丝杠位置，每一个位置，例如移动20um，拍摄一张照片。使用计算机控制自动反复操作拍摄直到拍摄至喷油器表面的底部全部。

4. 所有照片拍摄完成后，对获取的所有照片进行图像处理计算，具体步骤为：

将每张图片分隔成10*10像素的小块，对每一个小块，在全部照片中搜索颜色标准差最大的一个小块图片，并将该小块的序号记入结果数组。如此反复，最终得到一个完整的结果数组。

通过计算，得到每一副图像中清晰像的区域面积Si，每张图片之间的距离步进值为d;

通过求和即可计算得到基准平面到外包络面的包络体积为:

;

5. 对所有图片进行体积累积，以最靠近底部高度为0，计算得到最后的包括沉积物和金属的物质的总体积表征数值，总体积表征数值乘以体积，得到总体积。同时，通过拼合筛选出的小块的图片，得到一张完整的无景深的图片。

6. 通过计算两次体积的差值，得到沉积物表面总体积表征数值。

3. 精度计算

使用的镜头系统景深 为前景深 和后景深 之和：

其中：

f：65mm

F：光圈 2.8

δ：弥散圆直径0.0035mm

L：240mm

计算得到前景深为133μm，注意此处景深大于调节步进值，但由于景深边缘连续变化故并不影响测量精度。

设定步进电机每步调节25μm， 因此每步景深同样调节25μm；

相机分辨率为5472×3648， 视场范围为 12mm*8mm; 故每10像素为21.9μm；

每个最小分辨单元体积为25.0μm×21.9μm×21.9μm=1.199*10⁵μm³；

按照通常喷油器表面高度0.5mm计算，直径8mm，其最大总体积为：2.5*10¹⁰μm³

故计算得到其最高能分辨的体积单元数约为2.24*10⁵个，基本可以满足测量要求。

4. 试验验证

对喷油器进行试验验证，确认方法有效性并初步验证测量精度。由于主要是为了验证精度，为了减小不确定因素，故并没有对一个喷油器进行完整的拍摄。

对一个全新的光滑的喷油器进行拍摄。共拍摄照片20张，如图2所示。

图2 喷油器表面序列图

可以看到，从第一张到最后一张照片，焦点依次向喷油器的尖头方向移动。

对以上图片进行计算。

为了便于计算，首先将图片缩小为3000*2000大小，再将每张图片分割为300*200个小单元。组成一个300*200*20个元素的三维数组，该数组的每一个元素为一个10*10像素的图像。

对其按照前述方法进行计算，并进行边缘识别后，得到一个表征深度的二维数组，用强度图表征该二维数组（简称高度数组）

图3为特征值提取后得到的表征了喷油器表面的高度的强度图。

图3 图像强度图

根据高度数组的数据，对喷油器图片进行重构。重构的方法是：使用高度数组对应的序列号的图片单元进行拼接，拼接成为一张完整的图片。该图片是一张没有景深的图片，所有单元点都成清晰的像（图片序列中没有清晰像的除外，例如喷油孔洞部分就没有清晰的像）仔细观察图片，在喷孔位置会有拼接的痕迹，这是由于在变化剧烈的位置分辨率有限导致的图像不连续。

图4 拼接后的图像

对体积单元进行求和，得到共计451662个体积单元，由于视场缩小，故每个体积单元体积为6*104μm3，因此计算得到喷油器基准平面以上的总体积为：27.099mm3。

同时，为了精密地测定椎体部分体积，用蜡质进行了倒模，倒模后使用蜡质填充，并使用称重法计算了其体积，为27.335mm3，二者误差为0.87%，初步验证试验方法有效。

5. 结论

针对测量喷油器表面沉积物的体积的具体问题，本文提出了一种使用光学方法，利用多张小景深图片进行喷油器表面沉积物体积测量的方法，使用电控水平滑台、高分辨率放大相机等设备构建测试平台，验证了可以使用本方法测试喷油器表面沉积物的体积。本文通过测定一个已知物体的体积，证明了该方法的有效性。

参考文献：

[1]直喷汽油机气门积碳的成因与对策研究，柳炽伟，王俊，林跃华《内燃机》2014年03期

[2]高压共轨喷油器各孔喷油均匀性的测试与分析，杨鹿，毛洪海，商美琴 杨建国，《内燃机与动力装置》2019年05期

[3]柴油机喷油嘴内部沉积物的特征，文华，李星优，姜光军，彭天鹏，《燃烧科学与技术》2018年04期

作者简介：闵杰（1985-07-01），男，汉族，籍贯：天津市，当前职务：工程师，当前职称：工程师，学历：硕士，研究方向：车用油品

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