DICI發(fā)動機燃用生物柴油振動特性研究

吳 剛，江國和，樓海軍，楊智遠，賀獻忠

(上海海事大學 商船學院，上海201306)

近年來，隨著日益嚴苛的排放法規(guī)，生物柴油作為一種清潔的替代燃料，正重新得到人們關注和重視，并快速發(fā)展。生物柴油是一種長鏈的脂肪酸單烷基酯，廣泛來源于植物油和動物脂肪，并具有很多優(yōu)良的屬性，如高閃點、高十六烷值、可生物降解和降低廢氣排放的特性等[1-4]。

生物柴油來源的多樣性、制備方法的復雜性、生產工藝的不同以及發(fā)動機類型的不同，都有可能導致不同的柴油機排放特性和燃燒性能。許多學者[2-5]對生物柴油的研究主要集中在排放特性和燃燒性能上，對振動特性相關研究，特別是對較大功率船舶柴油機研究較少。而這些缸內燃燒過程，諸如燃燒定時、燃燒壓力和燃燒敲擊等，也是發(fā)動機產生振動和噪聲的關鍵因素。與點火式發(fā)動機相比，壓縮式柴油發(fā)動機滯燃期時間更長，爆震更容易產生[6]，并將會產生有害的噪聲和振動，影響人體舒適度。同時，過大的振動也會引起缸內燃燒不良，燒傷活塞頂，進而損壞發(fā)動機部件[7]。柴油機的燃燒過程取決于噴油特性，如噴射次數、噴射時間、燃油噴射量以及平均噴射壓力等。改變噴油特性將會影響發(fā)動機缸體的振動[8]。因此，深入研究燃用生物柴油對柴油機振動的影響，需有效結合燃油噴射特性和缸內燃燒過程。

本文對一臺DICI柴油發(fā)動機機體表面提取振動信號，通過提出的變換方法與缸內發(fā)火燃燒過程相結合，以此對摻混小比例餐飲廢油生物柴油在發(fā)動機上的振動特性和表現進行深入研究。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗材料

DICI船用柴油發(fā)動機，其結構及技術參數見表1。該型號柴油機在我國內河船舶上廣泛使用，具有典型性。普通柴油(D100)，摻混10%生物柴油燃料(B10)，兩種燃料的理化特性由上海市石油化工產品質量監(jiān)督檢驗站測試檢驗。

表1 柴油發(fā)動機結構及技術參數

1.2 測試方法及信號采集

柴油機扭矩及功率等外部特性由水力測功器測試而得。試驗在柴油機85%額定轉速下進行。振動信號通過三向振動加速度傳感器采集，氣缸內部壓力測量選用Kistler 6055C壓力傳感器，該傳感器誤差為±0.03 MPa。曲軸轉角采用Veeder Root B58N增量編碼器，分辨率為0.1，通過NI USB-6259數據采集卡經電荷放大而得。曲柄轉角接近脈沖信號與振動加速度信號同時傳遞給交換機，交換機將信號輸出給(A/D)轉換器(型號Advantech USB-4711A，采樣速率為150 kHz)。輸出數據信號通過電腦連接到一臺便攜式計算機終端，以進行信號計算與處理。采樣過程是在發(fā)動機轉速完全穩(wěn)定后數分鐘進行的，采樣時間1 min，采樣頻率50 kHz。在此采樣頻率和時間下，可記錄足夠的發(fā)動機工作循環(huán)。

1.3 改進的小波尺度重排列算法

對于振動信號處理，常規(guī)方法是將其進行傅里葉快速變換。與傅里葉變換相比，小波變換是空間(時間)和頻率的局部變換，可以提供隨頻率改變的“時間-頻率”窗口。由于傅里葉變換研究的是信號的整體特性，因此分辨率較為單一。而對信號的局部特征顯示上，小波變換優(yōu)于傅里葉變換。

但是小波變換分析非平穩(wěn)信號是在所謂的“時間-尺度”平面上，而不是在真正的時頻平面上。因此，本文在此基礎上，將小波變換的窗口函數稍加改進，輸入信號的小波函數定義如式(1)所示，目的在于以分辨率最優(yōu)為出發(fā)點來分析信號。隨后將小波函數平方，平衡小波系數矩陣正負值，通過強調這種多尺度的觀點，得到小波尺度重排列函數。

(1)

式中：a為比例因子；b為沿著時間軸的小波加窗中心或位移；小波族ψa,b(t)包括一系列子小波，由母小波ψ(t)延遲和傳遞產生；ψ*(t)是ψ(t)的復共軛函數，ψ(t)表達如式(2)所示。

(2)

式中：ω0為調制(中心)頻率，≥5。關于小波變換方法的更詳細的說明，可參閱文獻[9-12]。

1.4 參數設置

振動測試采樣頻率為50 kHz，采樣時間1 min。選擇長度為27的“漢明窗”進行加窗，并將相鄰兩個漢明窗口之間重疊系數設置為50%。此外，為了優(yōu)化求解和縮短計算時間，頻點數被設置為256。

母小波的時間帶寬乘積(平移參數，c)被設置為2.5，時間系數為常數(h=1),母小波的中心頻率(ω0)為2π。

對于所有主要的被采集的信號，數據都是正態(tài)分布的，不需要標準化。一般，數據標準化可以通過信號的分化獲得。最后，將兩種燃料變換結果繪制成“時間-頻率”譜圖。

2 結果與討論

圖1、圖2分別為發(fā)動機在85%負荷下, 燃用兩種燃料的振動時間-頻率譜。圖1、圖2均可分為上下兩部分，其中上半部分為振動時域信號，下半部分為振動時間-頻率譜。

圖1 85%負荷下D100柴油振動時間-頻率譜

圖2 85%負荷下B10生物柴油振動時間-頻率譜

比較圖1、圖2上半部分時域可以發(fā)現，與B10相比，D100引起的時域最大幅值明顯升高。同時時域振動信號波動更強，振動更為混沌。說明燃用D100普通柴油時，燃燒更為粗暴。這種差異是由兩種燃料的含氧量不同所致。燃料理化特性測試結果表明，D100和B10燃料的含氧量分別為0.73%和1.42%。由于氧元素在燃燒時并不像碳、氫等元素一樣貢獻放熱，只起到助燃作用，致使B10燃燒時熱值低于D100，進而導致缸內B10生物柴油燃燒劇烈程度降低，較D100燃燒時更加順暢輕柔。對外表現為柴油機振動時域幅值強度下降。同時發(fā)現，與B10相比，在上止點(TDC)附近，D100引起的缸內燃燒段區(qū)間長度明顯大于B10，這說明B10生物柴油燃燒速率要快于D100?？梢?，B10低熱值帶來的振動幅值的降低和燃燒速率的加快同時引起發(fā)動機振動幅值的降低。我們之前的研究表明[13]，使用B10生物柴油可減小發(fā)動機的磨損，并降低一些有害氣體排放。這些也與發(fā)動機振動的降低有一定的關系。

相比D100而言，燃用B10生物柴油后發(fā)動機振動特性有所變化，主要表現在主頻段有所不同。比較圖1、圖2下半部分時間-頻率譜，不難發(fā)現燃用D100時，譜圖顏色比B10時明顯加深，這也說明燃用普通柴油后，發(fā)動機振動幅值升高，振動稍有惡化。這與上述結論一致，驗證了方法的準確性。同時，從整個時間段來看，燃用B10生物柴油，發(fā)動機整機的振動頻率平均約為2 900 Hz，稍低于D100的4 200 Hz。這種燃用B10生物柴油引起發(fā)動機振動頻率的降低主要由燃燒頻率的降低所致。有研究[14]也證實了發(fā)動機振動與燃燒過程的不同有關，也就是受燃料的理化特性影響，如熱值、黏度、含氧量等。由于生物柴油較高的黏度會使燃燒霧化變差，導致燃燒壓力降低，進而引起機體振動強度降低。同時，含氧量的增加也使得燃燒平順，也有利于發(fā)動機振動的改善。

由于柴油機多缸發(fā)火時間間隔極短，容易引起各缸振動頻率特征相互干擾。通過對一些關鍵動作項的識別，可對燃燒狀況加以評估。如在燃燒TDC附近，發(fā)現燃用B10生物柴油引起的燃燒段時間與強度均明顯小于D100普通柴油。Bezaire等[15]的研究也表明了生物柴油燃燒速率有所加快，同時燃用生物柴油后，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募涌鞂s短滯燃期。

為了進一步研究燃料燃燒過程對發(fā)動機外在振動性能表現的影響，使用Welch方法計算，進一步評價燃用兩種燃料后，發(fā)動機振動上的差異。Welch方法是將振動信號分成兩個重疊部分，因此將只得到0%～50%范圍內頻率。然后，根據式(3)對信號的每個部分進行均方離散FFT計算，得到PSD功率密度譜，如圖3所示。

(3)

式中：Xt為時間序列；L為時間序列中的采樣個數；Wt為窗函數；f為頻率中心；Δf為頻率間隔。

圖3 85%負荷下D100普通柴油與B10生物柴油振動信號功率密度譜分析

由圖3可以看出，發(fā)動機燃用兩種燃料振動幅值總體相似，但略有不同。

為了提高精確性，將圖3按左右兩個區(qū)域分別進行討論，左右兩部分分別對應低頻部分和高頻部分。從低頻部分可以看出，燃用B10生物柴油的主要差異在于整體上功率密度的下降。同時，D100峰值和峰值對應的頻率都要高于B10，B10和D100頻率分別約為2.9 kHz和4.5 kHz。在右邊高頻部分，使用普通柴油和摻混10%生物柴油后，柴油機振動功率譜的峰值B10稍低于D100，B10峰值對應頻率也低于D100，高頻部分的振動幅值與燃油發(fā)火、缸內爆震、氣缸內的突然沖擊以及環(huán)境的變化有關，而這些因素都常引起高頻振動的變化。從峰值情況可以推斷，使用D100后，發(fā)動機缸內的燃燒要稍好于 B10。

與B10相比，使用D100后柴油機整體振動高低落差較大，特別是高頻段，表現出更強烈的波動性。而燃用B10生物柴油后，除中頻部分頻率范圍外，柴油機振動整體分布更為均勻，更趨向于平滑。這說明燃用B10生物柴油后，柴油機振動得到了一定改善。

為了進一步闡明燃燒對峰值影響，在85%負荷下對兩種燃料燃燒的缸內壓力和放熱率進行了計算對比，結果如圖4所示。

圖4 85%負荷下D100普通柴油與B10生物柴油缸內壓力和放熱率

由圖4可以看出，燃燒B10燃料后，缸內壓力和放熱率略低于燃燒D100燃料。這主要是因為B10燃料含氧量高于D100普通柴油。而氧元素不會對燃燒貢獻熱值，因而使得B10燃料放熱低于D100。由兩種燃料的放熱率可以看出，B10放熱率峰值低于D100，且在燃燒期前后表現得較為波動，這是由于燃油的高黏度使得燃油噴射過程中較易出現壓力波動，影響了噴油器對燃料的霧化，從而減弱了燃燒作用。

為了能更有效研究兩種燃料在不同頻帶范圍對發(fā)動機的影響，對0～7 kHz范圍內各工況下的振動信號做了更細化的統(tǒng)計，分為0～2 kHz、2～5 kHz和5～7 kHz 3個頻段。在每個發(fā)動機工況下，計算得到的分頻段范圍內的功率除以0～7 kHz范圍內的總功率，得到分頻段下的帶中功率比。圖5為使用兩種燃料后，柴油機振動在各分頻段上的帶中功率比。

圖5 使用B10和D100燃料柴油機振動在各分頻段上的帶中功率比

由圖5可以看出，使用兩種燃料后，柴油機振動主要在2～5 kHz中頻頻段相對集中，帶中功率比平均為0.6～0.7。在該頻率范圍內，使用B10生物柴油后引起的柴油機振動在主要負荷工況下，稍低于使用D100普通柴油。這種帶中功率比的降低主要由生物柴油的低熱值所致，B10生物柴油燃燒爆發(fā)壓力低于D100普通柴油。

在5～7 kHz高頻頻段，使用兩種燃料后，柴油機振動在各分頻段上的帶中功率比均較低。與其他兩個頻率范圍相比，占比較少。這是因為發(fā)動機主要的激勵頻率均為2 kHz以下的低頻頻段，如轉頻、噴油和氣閥機構動作頻率等。即使是兩種燃料的燃燒頻率，也都位于5 kHz以下。而5～7 kHz頻段頻率主要為各激勵頻的高階次頻，同時還摻有少量燃燒爆震頻率和背景噪聲等。在該頻段范圍內，B10生物柴油在該頻段引起的柴油機振動略高于D100普通柴油，帶中功率比約為0.15。而使用D100普通柴油，帶中功率比在各負荷工況下低于0.1。這種高頻下功率比的不同可能受B10生物柴油高黏度的影響。生物柴油的高黏度及較大的表面張力將會增加索特平均直徑，影響燃油霧化，惡化燃燒，造成燃燒效率的降低。

在0～2 kHz低頻頻段，使用B10燃料后引起的柴油機振動在各負荷工況下明顯低于使用D100普通柴油，使用B10生物柴油帶中功率比約為0.15。而使用D100普通柴油，帶中功率比在各負荷工況下均高于0.2。這種低頻下帶中功率比的差異受B10生物柴油含氧屬性的影響。B10生物柴油的含氧量為1.42%，D100普通柴油的含氧量為0.73%。含氧量的增加相當于提高了缸內燃燒時的空燃比，也對改善燃燒局部低溫條件非常有利，使得曲柄機構往復及回轉運動趨向均勻，對柴油機低頻振動的改善起到至關重要的作用。而人耳在1～3 kHz頻率范圍內聽覺最靈敏，因此在一定程度上，可認為使用B10生物柴油會降低柴油機振動，有利于提高人體舒適度和柴油機壽命。同時B10生物柴油在0～2 kHz頻段范圍內，柴油機各負荷的振動表現上更為均勻，波動性更小，也有利于提高柴油機的使用壽命。

3 結 論

本文研究摻混餐飲廢油生物柴油(B10)與普通柴油(D100)對船舶推進柴油機振動特性的影響。通過試驗，采集不同負荷下機體表面振動信號，特別是針對常用經濟工況下振動信號，利用多種方法進行信號處理與分析。形成主要結論如下：

(1)兩種燃料對柴油機外在振動特性的影響總體相似，特別是低頻段，但略有不同。這是由B10生物柴油和D100普通柴油相似的理化特性決定的。使用B10生物柴油在船舶柴油機上，可不需改變柴油機自身參數及結構，具有較好的可應用性。

(2)較B10而言，燃用D100普通柴油時，燃燒更為粗暴，這是由B10生物柴油高含氧量所致，同時低熱值也引起了B10生物柴油燃燒振動頻率的降低。一定程度上，燃用B10生物柴油可降低柴油機振動，提高人體舒適度，提高柴油機使用壽命。

(3)燃用B10生物柴油后，柴油機振動功率密度譜整體分布更為均勻，更趨向于平滑。

(4)深入研究各工況帶中功率比，兩種燃料影響相似但不同。特別是燃用B10生物柴油后，在低頻頻段部分，帶中功率比較D100明顯降低。由于B10含氧量的增加相當于提高了缸內燃燒時的空燃比，也對改善燃燒局部低溫條件非常有利，使得曲柄機構往復及回轉運動趨向均勻。因此，燃用B10生物柴油對發(fā)動機低頻振動的改善起到至關重要的作用。