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[发动机] 基于三维光学测量技术的汽车发动机燃烧室容积计算研究

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发表于 2021-9-16 17:34:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
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基于三维光学测量技术的汽车发动机燃烧室容积计算研究
黄小燕 王小朋 (广东工业大学自动化学院,广东 广州510006)
摘 要:为了提高汽车发动机燃烧室容积计算精度,本文利用三维光学测量技术采集容积模型参数,采取滤波、修补点云孔洞、修补点云孔洞、点云网格化、数据提取处理,构建燃烧室三角网格,经过分割处理,简化容积计算公式。实验应用结果表明,该容积计算精度高于97%,满足燃烧室容积测量精度需求。
关键词:三维测量;燃烧室容积;发动机

[size=1em]近年来,我国汽车生产研发虽然添加了多项汽车行驶操控功能,但是在能源控制方面有待进一步提升[1]。汽车发动机燃烧室燃烧效率对能源控制影响较大,通过计算燃烧室容积并加以调节,可以提高发动机动力性能[2]。所以,准确计算发动机燃烧室容积数值显得尤为重要。本文利用三维光学测量技术测量燃烧室参数,构建燃烧室模型,经过处理计算容积大小,以此提高容积计算结果精准度。

1 汽车发动机燃烧室模型扫描

[size=1em]将燃烧室模型放置于测量平台上,利用测量仪扫描燃烧室外观,从而获取燃烧室参数。如图1 所示为发动机燃烧室模型扫描搭建平台。

[size=0.8em]图1 发动机燃烧室模型扫描搭建平台

[size=1em]选取激光三维光学测量技术作为测量仪扫描燃烧室核心技术,利用此项技术扫描燃烧室,得到基本模型[3]。由于该模型中的数据掺杂了其他数据,所以,通过自动检测辨别参数类型后,按照界定的范围滤波、修补点云漏洞,经过点云格化处理,得到精准度较高模型参数数据信息。

2 燃烧室模型处理及容积计算

[size=1em]为了提高燃烧室模型数据精准度,本文对模型采取一系列处理,从中提取精准度较高数据作为容积计算数据,使得计算结果精准度满足测量计算要求,为发动机燃烧室设计方案调整提供可靠数据支撑。

2.1 燃烧室自动检测

[size=1em]依据光扫描测量原理,设定参考平面、被测物体、投影点等多项参数,明标符号所属含义。利用三维光学测量技术采集相关信息,按照参数设定情况,在计算机中自动划分参数类别,完成自动检测,得到不同类型参数信息[4]。

2.2 滤波

[size=1em]考虑到发动机金属表面光照对模型扫描具有一定影响,致使采集到的模型数据中混有杂散点和离群点,不利于特征数据提取。所以,本次研究采取滤波处理,通过设置发动机缸盖深度及点云临近点距离滤除数据。如果数据在深度范围内,则保留,反之,则滤除。具体滤波操作分为两部分:(1)发动机缸盖深度。以11mm 为缸盖最大深度,在坐标轴上设置此点为上限值,完成滤波操作。对于缸盖顶面孔洞内部的延伸点,通过搜索边界点,判断分析数值是否在限定范围内,采取滤波处理。(2)点云临近点距离。设定信息扫描点,并测量各个相邻点之间的距离,按照设定阈值大小进行判定,如果不在阈值范围内,则滤除此数值[5]。

2.3 修补点云孔洞

[size=1em]由于测量现场容易受到外界因素干扰,导致采集到的模型数据不全面,影响容积计算[6]。为了提高容积计算结果精准度,本文通过对点云孔洞进行修补,从而得到完善的数据信息。将点云孔洞记为A,观察与其相邻点是否存在坐标,如果不存在,则采取插补处理,达到修补孔洞目的。以下为具体插补流程:第一步:搜索每行信息点,首个数据标记为Qi,位于其前端的数据记为Qi-1;第二步:当搜索到Qi 时,开始搜索不为Qi 的点,并记录该点坐标;第三步:Qi 和Qi-1 之间点数量为j-i,标记为A,向其中插补第j-i 个点,插补公式如下:公式(1)中,k 的取值范围是,Ak 代表Qi 和Qi-1 之间的点。第四步:迭代以上操作步骤,对扫描线上的点云进行插补处理;第五步:重复以上4 个步骤,得到完整的插补点云。按照以上步骤完成插补处理后,对插补进来的点采取卷积处理,得到优化点云。

2.4 点云网格化

[size=1em]得到优化点云后,对这些点云进行格化处理。考虑到经过插补处理形成得到点云是有序的,每行每列点数量均相同,按照四边网格方式,固定点位置,而后划分为三角形网格,重新创建曲面。

2.5 数据提取与容积计算

[size=1em]由于三维测量法采集到的数据中混有待测缸对应的点云、其他缸点云,这些数据与燃烧室容积计算无关。为了去除这些点云,必须确定哪些点云是有效的。通过分析燃烧室容积定义,以燃烧室曲面基准平面下布设的点云作为有效点云,经过数据拟合处理,可以看到众多点云形成的边界为圆形。以下为数据提取具体步骤:第一步:确定点云行。沿着Z 坐标方向扫描,取均值作为行数值。通过分析燃烧室特点,搜索首次为0 的行号,并计算两个行号差值;第二步:搜索点。要求此点同时满足两个条件:(1)点Z 坐标接近于0;(2)以中间点为中心,向两侧搜索,首次接近于0;第三步:依据搜索点,确定边界,采用最小二乘法拟合圆,得到半径数值r 和圆心点坐标;第四步:在r 基础上乘以1.1,作为计分区域半径,得到容积计算区域。按照以上步骤,重新构建燃烧室三角网格,经过投影处理,得到燃烧室容积各个参数数值。以燃烧室底面为基准平面,向网格中投影,得到三角形。将各个平面三角形组合到一起,连接顶点,得到凸五面体,如图2 所示。

[size=0.8em]图2 凸五面体分割图

[size=1em]图2 中展示的五面体由多个不规则几何体组成,需要将其分割为多个规则体,分别进行求解后累加,从而得到凸五面体体积。对于图2 中几何体的分布情况,可以将其分割为三棱锥、三棱柱,数量分别为2、1。其中,分割后的三棱柱为AHGDEF,四面体包括ABGH 和ABCG。通过求解3 个规则体体积,得到凸五面体体积计算结果,从而达到简化体积求解目的。假设4 个顶点坐标为按照三棱柱体积求解公式,底面积乘以高,可以得到体积计算结果。计算公式如下:


[size=1em]利用公式(2)计算3 个规则体体积,累加得到燃烧室容积。

3 实验应用分析

[size=1em]选取一台燃烧室样机作为实验测试对象,采用本文提出的燃烧室容积计算方法得到燃烧室容积数值,与燃烧室真实容积进行对比,验证本容积计算方法的可靠性。如图3 所示为容积检测样机。

[size=0.8em]图3 容积检测样机

[size=1em]对图3 中样机燃烧室进行扫描,并采取一系列处理后计算容积,得到表1 中的计算结果。

[size=0.8em]表1 燃烧室容积计算结果

[size=1em]依据表1 中的计算结果可知,本文提出的燃烧室容积计算方法精准度在97%以上,满足燃烧室容积计算精准度要求,可以作为燃烧室容积分析参考数据。

结束语

[size=1em]本文围绕发动机燃烧室容积计算展开研究,利用三维光学测量技术采集容积相关数据,经过滤波、修补点云孔洞、修补点云孔洞、点云网格化、数据提取处理,得到完整高精度容积计算数据。利用此数据构建凸五面体模型,采取分割处理,得到多个规则体,累加规则体体积数值,得到燃烧室容积数值。实验应用结果表明,本文提出的燃烧室容积计算方法计算精度在97%以上,可以作为燃烧室容积测量工具。



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