柴油機(jī)燃用多種生物柴油的燃燒與排放研究碩士論文

1、分 類 號(hào) 學(xué)號(hào) M 學(xué)校代碼 10487 密級 碩士學(xué)位論文 柴油機(jī)燃用多種生物柴油的 燃燒與排放研究 學(xué)位申請人 ： 汪方陽 學(xué)科專業(yè) ： 動(dòng)力機(jī)械及工程 指導(dǎo)教師 ： 成曉北 副教授 答辯日期 ： 2013年1月6日 A Thesis submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree for the Master of Engineering Combustion and Emission of Diesel Engine Fueled with Biodiesels Candidate: WANG F

2、angyang Major : Power Machinery & Engineering Supervisor: Associate Prof. CHENG Xiaobei Huazhong University of Science & Technology Wuhan , P.R. China January, 2013 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律

3、結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。 不保密。 （請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”） 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本論文屬于 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 I 摘 要 生物柴油作為一種可再生替

4、代能源越來越受到人們的重視。而生物柴油的制作原料來源廣泛，不同原料的化學(xué)組成有所差異，這使得不同生物柴油的物理化學(xué)性質(zhì)也有所不同。燃料性質(zhì)的差別最終體現(xiàn)在燃燒特征和排放水平，本文采用三種生物柴油并參考石化柴油（0#柴油）研究不同燃料燃燒和排放的特性。 為了確保測量的準(zhǔn)確性，本文首先對試驗(yàn)測量系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開發(fā)。其中對測量和分析缸內(nèi)燃燒的示功圖測量系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)致的開發(fā)，并結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)架給出了精細(xì)測量的關(guān)鍵要點(diǎn)。重點(diǎn)介紹了顆粒物采集系統(tǒng)的原理、構(gòu)成、操作流程等。對試驗(yàn)所用生物柴油燃料的制備、化學(xué)組成測量、物性測量或估算給出了具體的技術(shù)實(shí)施方法，并就物性對噴霧燃燒的可能影響進(jìn)行了分析。試驗(yàn)測量了生物

5、柴油示功圖和排放的數(shù)據(jù)，利用示功圖及放熱率對比了不同生物柴油燃燒的細(xì)節(jié)特征；對不同燃料的氮氧化物排放進(jìn)行了對比分析，探討了燃料構(gòu)成對其影響機(jī)理；試驗(yàn)還獲得了顆粒物排放的信息。 研究結(jié)果表明，不同生物柴油的分子組成存在一定差異，大豆油生物柴油和餐飲廢油生物柴油比較接近，而烏桕籽生物柴油有所不同。三種燃料的熱值差別很小，而十六烷值因?yàn)槌煞植町惗兴鶇^(qū)別，大豆油生物柴油和餐飲廢油生物柴油十六烷值與石化柴油相近，烏桕籽生物柴油十六烷值較低。燃料構(gòu)成對燃料體積彈性模量同樣產(chǎn)生影響，生物柴油組分的彈性模量高于0#柴油，因而生物柴油相對柴油噴油提前，烏桕籽生物柴油提前最多。結(jié)合十六烷值和彈性模量分析可知在相

6、同的噴油條件下，烏桕籽生物柴油滯燃期更長，相比其他兩種典型生物柴油具有更高的燃燒峰值壓力，氮氧化物排放上升, 試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一結(jié)論。顆粒物排放試驗(yàn)結(jié)果顯示生物柴油能夠有效減少顆粒物排放，而顆粒物質(zhì)量分布與柴油類似。 關(guān)鍵詞：生物柴油 燃燒 排放 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 II Abstract Biodiesel as a renewable alternative energy is of widespread concern. However the feedstock of biodiesel can be from different materials, wh

7、ich resulting composition and properties differences. These differences may lead to distinct combustion and emission. In this research, three biodiesels and petroleum diesel was used to analyze the combustion characteristics and emission. Firstly, to ensure the quality, measurement system has been i

8、nvestigated and developed carefully. The indicator diagram measurement system was detailed documented with key points to eliminated errors, while the particle measurement system was rigorously setup according the devices specification. Then the production of fuels used in this research was introduce

9、d, coming with the composition, properties analysis. Finally, detailed combustion characteristics was gained through indicator diagram and heat release profile. The corresponding emissions was analyzed and reasoned with fuel compositions. The composition results differ among biodiesels. Soybean biod

10、iesel and waste-cooking-oil biodiesel are alike while Chinese-tallow biodiesel contains more unsaturated fatty acid methyl ester then the other two. The heating values of the biodiesels are very similar while the cetane numbers vary due to the composition. Cetane numbers of Soybean biodiesel and was

11、te-cooking-oil biodiesel is very close to that of diesel, while Chinese-tallow biodiesel comes with a low value. The biodiesels bulk modulus is evidently higher than petroleum diesel, which will result in injection advancement, and Chinese-tallow biodiesel gets the highest result. From cetane number

12、 and bulk modulus results it can be concluded that Chinese-tallow biodiesel gets a longest ignition delay, which will come with highest combustion pressure and nitric oxide emission. This conclusion was supported by the experiment results. And the particle emission results show biodiesel tend to pro

13、duce less particle mass than petroleum diesel, while the mass distribution is similar with that of diesel. Key Words: Biodiesel Combustion Emission 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 III 目錄 摘 要 . I Abstract . II 1 緒 論 1.1 本文選題背景. (1) 1.2 生物柴油研究現(xiàn)狀 . (2) 1.3 本文主要研究內(nèi)容和方法 . (6) 2 試驗(yàn)臺(tái)架及測試系統(tǒng) 2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架 . (7) 2.2 示功

14、圖測量及分析系統(tǒng) . (8) 2.3 排放測量系統(tǒng). (22) 2.4 小結(jié) . (26) 3 試驗(yàn)用生物柴油制備及其物性測量 3.1試驗(yàn)燃料的獲得 . (27) 3.2 生物柴油成分的測量 . (28) 3.3十六烷值的估算 . (29) 3.4 生物柴油的燃燒熱值估算 . (32) 3.5 燃料的其他性質(zhì) . (33) 3.6 小結(jié) . (35) 4 不同生物柴油的燃燒放熱特性試驗(yàn)與分析 4.1 示功圖的穩(wěn)定測量 . (36) 4.2 示功圖對比 . (37) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 IV 4.3 放熱率對比 . (39) 4.4小結(jié) . (40) 5 不同生物柴油

15、的排放 5.1 不同生物柴油的NO排放 . (41) 5.2不同生物柴油的顆粒物排放 . (43) 5.3 小結(jié) . (48) 6 總結(jié)和展望 . (49) 致 謝 . (50) 參考文獻(xiàn). (51) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 1 1 緒 論 1.1 本文選題背景 當(dāng)前階段中國的能源、環(huán)境等問題日益嚴(yán)峻。改革開放以來，中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長，能源消費(fèi)也與日俱增，環(huán)境保護(hù)也迫在眉睫。國際能源署（IEA）2009年7月份報(bào)告稱2009年中國的一次能源消費(fèi)量超過美國，成為全球第一大能源消費(fèi)國。另外據(jù)英國石油(BP)的世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，2010年，中國超過美國成為世界上最大的能

16、源消費(fèi)國，而全球能源消費(fèi)增速也達(dá)到1973年以來的最高水平1。雖然煤炭消費(fèi)占中國一次能源消費(fèi)70%以上，但是國內(nèi)原油資源有限，中國的汽油柴油等石化燃料消費(fèi)也與日俱增，石油消費(fèi)的總量早已超過國內(nèi)生產(chǎn)量。另據(jù)中國工業(yè)和信息化部發(fā)布的數(shù)據(jù)，我們石油對外依存度早已超過50%，能源短缺已經(jīng)成為中國經(jīng)濟(jì)增長的瓶頸，能源安全也制約了中國經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)策略。與此同時(shí)，各國共同面臨著“全球變暖”這一重大環(huán)境問題。各國政府紛紛為降低碳排放指定法律法規(guī)。中國也向世界做出了碳排放的量化承諾。另外，中國汽車保有量不斷攀升，車輛的排放問題也需要投入的關(guān)注，氮氧化物和顆粒物排放對人們的生活和健康影響也越發(fā)明顯。 2011年，國

17、際能源署發(fā)表了首份清潔能源發(fā)展報(bào)告，認(rèn)為生物燃料已經(jīng)呈現(xiàn)穩(wěn)定增長，但在全球交通燃料消費(fèi)中僅占3%的比例。同時(shí)，我們也需要更加合理的政策框架來確保生物燃料可持續(xù)增長10倍以實(shí)現(xiàn)2050氣候變化目標(biāo)。先進(jìn)、可持續(xù)生物燃料的商業(yè)化對實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)十分關(guān)鍵，同時(shí)相應(yīng)燃料的生產(chǎn)能力需要進(jìn)一步擴(kuò)大2。 生物柴油，是指動(dòng)植物油脂或廢棄油脂與甲醇經(jīng)過酯交換反應(yīng)制得的脂肪酸甲酯。生物柴油作為重要的生物液體替代燃料，可以在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配置不做更改或只作少許改變的前提下直接應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)。并且生物柴油作為一種可再生能源，有利于減少二氧化碳排放。發(fā)展生物柴油不僅是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源需求的戰(zhàn)略選擇， 華 中 科 技 大

18、學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 2 而且對減少溫室氣體排放、改善生態(tài)環(huán)境和食品安全問題等，實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展均具有重大的意義。 作為一種可再生能源，生物柴油的發(fā)展也逐漸受到國內(nèi)的重視。2004年，科技部高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化司啟動(dòng)了“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃“生物燃料油技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目。2005年以后國內(nèi)生物柴油產(chǎn)業(yè)開始發(fā)展起來。2006年開始，中國開始施行可再生能源法，為包括生物柴油在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展提供了法律支持。2007年的可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃對國內(nèi)生物柴油的發(fā)展進(jìn)行了展望和規(guī)劃，預(yù)計(jì)2020年國內(nèi)生物柴油年利用量達(dá)到200萬噸。2007年，我國頒布了第一個(gè)生物柴油標(biāo)準(zhǔn)GB/T2

19、0828-2007柴油機(jī)燃料調(diào)合用生物柴油（BD100），標(biāo)志著生物柴油產(chǎn)業(yè)正規(guī)化的開始。2010年我國又頒布生物柴油調(diào)合燃料（B5）標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施日期為2011年2月1日。 中國是一個(gè)食用油資源缺乏的國家，不同于歐美擁有多余的植物油資源。目前中國絕大部分企業(yè)采用的原料為廢棄油脂。中國每年因餐飲而產(chǎn)生的廢棄油脂據(jù)估計(jì)約有200300萬噸。從數(shù)量上來說，餐飲廢棄油脂對于緩解國內(nèi)燃油資源問題還十分有限。國家還在積極發(fā)展林木油料來源的生物柴油。 經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，國內(nèi)生物柴油產(chǎn)業(yè)得到了一定的發(fā)展，經(jīng)過競爭勝出的企業(yè)也擁有了一定的技術(shù)積累。然而相對于歐美國家，生物柴油應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的研究還很薄弱。特別是目前國

20、內(nèi)的生物柴油與國外有所差異的情況下，柴油機(jī)燃用生物柴油的研究十分必要。 1.2 生物柴油研究現(xiàn)狀 Syed Ameer Basha等人回顧了1980年到2008年130多為科研工作者對生物柴油生產(chǎn)、燃燒、排放及性能的研究。結(jié)果顯示有350多種油料作物可以作為原料生產(chǎn)生物柴油，并且其中一些如向日葵、油菜、棕櫚和麻風(fēng)樹等極具潛力。短期測試表明植物原料的生物柴油是一種十分優(yōu)秀的替代燃料，但是長期試驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)積碳和潤滑油沉積問題。對于燃燒特性，生物柴油與石化柴油比較相似，但是滯燃期更 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 3 短，自燃溫度和自燃壓力更高，峰值放熱率也更高。燃用生物柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)

21、的輸出功率與燃用石化柴油的相當(dāng)。燃用生物柴油會(huì)產(chǎn)生更高的NOx排放3。Jinlin Xue等人也對最近十年關(guān)于生物柴油對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放影響的研究進(jìn)行了綜述。結(jié)果表明傳統(tǒng)的柴油機(jī)不進(jìn)行改裝直接使用生物柴油能夠有效地降低PM、HC和CO的排放，但是會(huì)出現(xiàn)輕度功率損失、燃油消耗上升和NOx排放增加問題，同時(shí)對于降低積碳和減少摩擦具有好處。并指出采用生物柴油替代石化柴油需要進(jìn)一步研究發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化、發(fā)動(dòng)機(jī)低溫性能以及新的測試測量方法4。 對于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)研究，包括示功圖測量和光學(xué)測量兩種途徑。如Sahoo和Das研究了三種原料來源生物柴油的燃燒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種生物柴油的燃燒時(shí)最高缸內(nèi)壓力均高于石油柴油

22、，滯燃期縮短、而最大發(fā)熱率下降5。Tiegang Fang同時(shí)采用兩種方式對柴油機(jī)應(yīng)用不同噴油策略進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過變更噴油定時(shí)能夠改變發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式。生物柴油相對于石化柴油火焰較為暗淡，同時(shí)低溫預(yù)混燃燒模式相對傳統(tǒng)燃燒模式可見光更為暗淡。某些噴油策略表明推遲主噴油能夠降低氮氧化物的排放6。Wenqiao Yuan研究了生物柴油物性參數(shù)的估計(jì)，并結(jié)合KIVA軟件模擬了柴油機(jī)燃用生物柴油時(shí)NOx的排放特性7。 對于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的三維數(shù)值模擬研究目前主要采用KIVA程序，工程研發(fā)中AVL公司的商業(yè)軟件Fire應(yīng)用更為廣泛。KIVA是美國 Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室在能源部燃燒研究項(xiàng)目資

23、助下開發(fā)的一個(gè)計(jì)算程序，主要用于模擬實(shí)際燃燒裝置中的空氣流動(dòng)、燃油噴霧和燃燒8。而對于燃燒過程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)的模擬，Chemkin程序則相對更為專業(yè)。CHEMKIN 是一種非常強(qiáng)大的求解復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)問題的軟件包，常用于對燃燒過程、催化過程、化學(xué)氣相沉積、等離子體及其他化學(xué)反應(yīng)的模擬9。CHEMKIN 以氣相動(dòng)力學(xué)、表面動(dòng)力學(xué)、傳遞過程這三個(gè)核心軟件包為基礎(chǔ)，提供了對21 種常見化學(xué)反應(yīng)模型及后處理程序。將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）程序KIVA或Fire與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)程序CHENKIN結(jié)合起來，使用KIVA或Fire計(jì)算缸內(nèi)的流場、溫度和組分的分布，同時(shí)使用CHENKIN計(jì)算缸內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)?？梢垣@

24、得燃燒室內(nèi)更加具體的過程信息，對燃燒和排放的優(yōu)化也更加有利。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 4 Jessica Brakora利用丁酸甲酯（methyl butanoate）的復(fù)雜機(jī)理進(jìn)行簡化，并對簡化機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證工作10。Sukkee Um和Sung W. Park利用這個(gè)機(jī)理進(jìn)一步對不同混合比的生物柴油燃料的燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示CO和HC的排放在不同摻混比下與試驗(yàn)相吻合，但是對NOx的預(yù)測具有一定偏差11。 燃料燃燒機(jī)理的研究有助于實(shí)現(xiàn)清潔高效燃燒。隨著對燃燒機(jī)理的研究，生物柴油燃燒機(jī)理得到了充分得發(fā)展。Jason Lai等人回顧了當(dāng)前的發(fā)展情況，由于生物柴油成

25、分復(fù)雜，因而當(dāng)前的努力方向是利用某種替代燃料產(chǎn)生于生物柴油主體特征一致的燃燒特征。最初的研究著眼于利用丁酸甲酯研究甲酯基團(tuán)的特性，目前研究人員開始考察癸酸甲酯等大分子甚至更大的分子12。 中國對于柴油機(jī)燃用生物柴油的研究晚于歐美國家，主要開始于2000千年以后。1985年施德銘和王革華開始利用棉籽油制備了生物柴油，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，并對量產(chǎn)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析13。這可能是國內(nèi)最早的發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的研究。但此后的十多年間，國內(nèi)沒有相關(guān)的研究報(bào)道，一直到2000年以后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油才再一次受到國內(nèi)的重視。2003年江蘇大學(xué)袁銀南、江青陽、孫平等人通過自制生物燃油獲得試驗(yàn)燃料，并對生物柴油的排

26、放特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示生物柴油相較于柴油氮氧化物排放基本不變，而一氧化碳、未燃碳?xì)浜吞紵煹扰欧糯蟠蠼档?，且降低效果與生物柴油的混合比例成正比14。此后，江蘇大學(xué)相關(guān)研究人員對生物柴油進(jìn)行了許多后續(xù)研究15-20。另外江蘇大學(xué)研究了生物柴油的噴霧，結(jié)果表明生物柴油噴霧錐角小、霧化效果不如柴油18, 20。此外，由于生物柴油是一種含氧燃料，因此可能產(chǎn)生一些非常規(guī)排放問題，樓狄明利用麻風(fēng)樹摻混生物柴油在共軌柴油機(jī)上試驗(yàn)，測量結(jié)果認(rèn)為醛類排放隨摻混比升高而降低21。 由于生物柴油其他排放降低而氮氧化物排放增加，因此對于生物柴油氮氧化物排放引起了廣泛的關(guān)注。趙校偉等在利用渦輪增壓直噴式柴油機(jī)試驗(yàn)

27、研究了各燃燒參數(shù)對氮氧化物排放的影響。結(jié)果表明，生物柴油摻混比影響各燃燒參數(shù)，最終導(dǎo)致氮氧化物不同程度的上升22。李博等研究了不同生物柴油摻混比的混合燃料氮氧化物的排放特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨生物柴油摻混比例的提高，氮氧化物和一氧化氮排放增加，二氧化氮排放有所降低23, 24。毛功平等根據(jù)氮氧化物生成的條件和關(guān)鍵化學(xué) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 5 反應(yīng)方程式，探討了生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)的發(fā)展前景25。毛功平還利用FIRE軟件研究燃燒生物柴油時(shí)不同變量對氮氧化物的影響，發(fā)現(xiàn)廢氣再循環(huán)率（EGR率）最顯著，其次分別為噴孔直徑、供油提前角及噴霧夾角26。 柴油機(jī)顆粒物（P

28、M）排放成分極為復(fù)雜，含有多種致癌物質(zhì)，對人類的健康和生存環(huán)境危害極大，如何降低柴油機(jī)的 PM 排放已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)問題。大氣中的顆粒物是指分散在空氣中固態(tài)和液態(tài)顆粒物質(zhì)，大氣顆粒物的劃分通常是以空氣動(dòng)力學(xué)直徑為基礎(chǔ)。其中PM10指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于10m的大氣顆粒物；PM2.5指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2.5m的大氣顆粒物；PM1指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于1m的顆粒物；而可吸入顆粒物指通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體的顆粒物，通常指PM10。 Jie Zhang等人生物柴油PM2.5的排放進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明降低含硫量和摻混生物柴油都可以降低PM2.5的排放27。梅德清等人對

29、柴油機(jī)排放的顆粒物樣品進(jìn)行檢測和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物柴油因含氧結(jié)果顆粒物中碳煙成分少，顆粒物粒徑較小，微觀形貌上也更致密17。王小臣、葛蘊(yùn)珊、譚建偉等測量了柴油機(jī)排放的微粒粒徑分布，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油、生物柴油排氣微粒的形態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)燃用生物柴油后排放中納米顆粒增多，切顆粒間排列更為緊密；顆粒物形貌也于柴油有所差異28。丁焰、葛蘊(yùn)珊、王軍方等對排放顆粒物的物質(zhì)形態(tài)、數(shù)量濃度以及化學(xué)組分等理化參數(shù)進(jìn)行分析研究。試驗(yàn)結(jié)果表明生物柴油的排放顆粒物形態(tài)與柴油機(jī)排放類似但細(xì)節(jié)上有所不同，某些細(xì)分類別的排放上升29。賴春杰、孫萬臣、李國良等試驗(yàn)研究了不同添加比例的生物柴油(BTL)混合燃料對高壓共軌柴油機(jī)

30、微粒(PM)排放的影響，結(jié)果表明高壓共軌柴油機(jī)PM排放粒徑絕大部分在300nm以下，BTL燃料和石化柴油PM粒度分布分別為雙峰和單峰結(jié)構(gòu)，且BTL的PM粒徑更小30。楊偉浩應(yīng)用掃描遷移率粒度分析系統(tǒng)對生物柴油燃燒廢氣排放顆粒數(shù)量濃度測量結(jié)果表明生物柴油顆粒物排放的數(shù)量濃度比石油柴油低一個(gè)數(shù)量級31。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 6 1.3 本文主要研究內(nèi)容和方法 本研究擬選用不同來源且具有一定特征區(qū)分的生物柴油進(jìn)行試驗(yàn)研究，以了解各種燃料燃燒及排放特征，從而探求生物柴油性質(zhì)對燃燒和排放的影響規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)有資源，采用廢棄油脂、大豆油、烏桕籽油三種原料來源制成的生物柴油及石化柴

31、油作為燃料進(jìn)行相關(guān)研究。 研究內(nèi)容包括示功圖測量分析試驗(yàn)、氮氧化物排放試驗(yàn)和顆粒物排放試驗(yàn)。基本流程如圖1-1所示。首先從試驗(yàn)臺(tái)架開始，設(shè)計(jì)和開發(fā)合適的測量系統(tǒng)，同時(shí)對試驗(yàn)燃料進(jìn)行準(zhǔn)備工作。測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括示功圖測量系統(tǒng)和顆粒物排放測量系統(tǒng)。燃料準(zhǔn)備工作包括燃料制備、燃料分子組成測量、燃料物理化學(xué)性質(zhì)測量或估算。然后依照規(guī)范在單缸柴油機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行燃燒和排放試驗(yàn)，獲得不同生物柴油燃燒和排放的對比數(shù)據(jù)。最后對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得生物柴油燃料對燃燒和排放的影響規(guī)律。 圖1- 1本文研究的基本流程 試驗(yàn)臺(tái)架準(zhǔn)備 試驗(yàn)燃料準(zhǔn)備 燃燒和排放試驗(yàn) 結(jié)果分析 成分分析、物性測量 測量系統(tǒng)開發(fā)/調(diào)試 華 中

32、科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 7 2 試驗(yàn)臺(tái)架及測試系統(tǒng) 本章分別對本文試驗(yàn)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架、示功圖測量系統(tǒng)和排放測量系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)論述。 2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架 試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架構(gòu)成示意圖如圖2- 1所示。臺(tái)架基礎(chǔ)部分由臺(tái)架主體和控制系統(tǒng)組成，臺(tái)架主體包括發(fā)動(dòng)機(jī)、測功機(jī)和電機(jī)，三者通過聯(lián)軸器相連。試驗(yàn)中通過電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)后電機(jī)停止工作，此外電機(jī)還用于倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)以幫助準(zhǔn)確定位上止點(diǎn)信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)測量臺(tái)架主體的狀態(tài)，并通過自動(dòng)或手動(dòng)多種方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置和電渦流測功機(jī)的對發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，從而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架工作狀態(tài)。為了滿足對不同燃料的燃燒和排放的測量及分析的需求，試驗(yàn)臺(tái)架還包括示

33、功圖測量系統(tǒng)和排放測量系統(tǒng)。關(guān)于測量系統(tǒng)的詳細(xì)說明參考本章后續(xù)介紹。 圖2- 1試驗(yàn)臺(tái)架基本構(gòu)成示意圖 試驗(yàn)所用的柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2-1所示，試驗(yàn)時(shí)保持了原機(jī)供油系統(tǒng)其他技術(shù)參數(shù)不變。為了對比烏桕籽生物柴油與其他生物柴油以及柴油燃燒的特點(diǎn)，試驗(yàn)采用的燃料包括烏桕籽生物柴油、大豆生物柴油、餐飲廢油生物柴油以及0#柴0 1 2 3 4 6 5 0.臺(tái)架主體 1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.測功機(jī) 3.電機(jī) 4.控制系統(tǒng) 5.排放測量系統(tǒng) 6.示功圖測量系統(tǒng) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 8 油，燃料通過實(shí)驗(yàn)室制備或者從市場購買獲得。試驗(yàn)利用自制的燃料供給系統(tǒng)完成燃料切換工作。 表2-1發(fā)動(dòng)

34、機(jī)基本參數(shù) 參數(shù) 值 型式 立式單缸、四沖程、水冷、自然進(jìn)氣 缸徑/mm 105 行程/mm 115 連桿長度/mm 190 壓縮比 18:1 標(biāo)定轉(zhuǎn)速/ 2300 標(biāo)定功率/kW 12.1 噴油提前角/CA BTDC 25 噴油孔個(gè)數(shù) 4 噴油孔直徑/mm 0.28 噴油器開啟壓力/MPa 28 燃燒室形狀 直噴 2.2 示功圖測量及分析系統(tǒng) 2.2.1 示功圖測量及分析概述 為了對比不同燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃燒特征，本文通過示功圖及放熱率分析展開改部分研究工作。首先測量發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力及相位信號(hào)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖，進(jìn)而計(jì)算燃燒放熱率曲線。 示功圖法是發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒研發(fā)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該方法從熱

35、力學(xué)基本原理出發(fā)，通過缸內(nèi)燃燒壓力-氣缸容積圖來研究發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。熱力學(xué)指出一個(gè)完整的熱力學(xué)系統(tǒng)由系統(tǒng)參數(shù)壓力P、容積V、溫度T和質(zhì)量m描述，并且對于工質(zhì)是理想氣體的系統(tǒng)獲得其中任意三個(gè)參數(shù)即可推算出第四個(gè)參數(shù)；示功圖法通過同時(shí)測量缸內(nèi)壓力和曲軸相位獲得缸內(nèi)工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)P、V，再利用其他方式輔助獲得工質(zhì)質(zhì)量的信息m，根據(jù)理想氣體假設(shè)即可得出溫度信息T，則構(gòu)成一個(gè)完整的熱力學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)而可以對發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒進(jìn)行熱力學(xué)放熱分析。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 9 由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積是其曲軸相位的函數(shù)，因此除了“壓力-容積圖”這種示功圖，實(shí)際中又常常根據(jù)測量信號(hào)繪制“壓力-相位

36、圖”來研究缸內(nèi)燃燒，兩者本質(zhì)上是等價(jià)的，通過發(fā)動(dòng)機(jī)幾何參數(shù)可以相互轉(zhuǎn)換。 示功圖測量系統(tǒng)的硬件部分通常由壓電式傳感器、電荷放大器、相位編碼器、發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。本試驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用中，采用的簡化系統(tǒng)中并未采用相位編碼器，而通過時(shí)間線性換算為相位獲得相位域下的壓力信號(hào)。由于循環(huán)內(nèi)角速度是一直波動(dòng)的，這種方法獲得的相位存在一定誤差，但對于上止點(diǎn)準(zhǔn)確校準(zhǔn)的系統(tǒng)，上止點(diǎn)附近的相位誤差相對較?。涣硗?，在本研究中不同燃料的示功圖均在一致的系統(tǒng)誤差，因而對燃燒特征的對比不會(huì)產(chǎn)生太大影響。 本試驗(yàn)中示功圖測量系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖所示。缸內(nèi)壓力傳感器采用瑞士Kistler 6125C壓電式壓

37、力傳感器，電荷放大器為配套的Kistler5108A，數(shù)據(jù)采集卡使用NI 6251。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以較高的采樣速率連續(xù)同步采集缸內(nèi)壓力和相位信號(hào)。采集系統(tǒng)的軟件采用NI LabVIEW平臺(tái)自行開發(fā)，能夠準(zhǔn)確地采集兩個(gè)通道數(shù)據(jù)，并利用自行設(shè)計(jì)的算法對原始信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，獲得循環(huán)平均的示功圖及放熱率數(shù)據(jù)。 圖2- 2示功圖測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖 由于示功圖測量系統(tǒng)是燃燒分析的重要基礎(chǔ)，這里對其準(zhǔn)確測量的部分細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述。示功圖是缸內(nèi)壓力相對氣缸容積或曲軸相位的曲線，因而準(zhǔn)確測量示功圖要求同步準(zhǔn)確測量缸內(nèi)壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相位。具體說來示功圖測量需要保證“壓力信號(hào)與相位信號(hào)的同步測量”、“壓力的準(zhǔn)確測量”

38、、“相位/容積的準(zhǔn)確測量”?，F(xiàn)代測量系統(tǒng)利用高速采集卡同步測量即可滿足同步測量想要求，試驗(yàn)系統(tǒng)選用的采集卡即可滿足此項(xiàng)要求。而專業(yè)的缸壓傳感器和電荷放大器能夠基本滿足對壓力的準(zhǔn)確測量，試驗(yàn)系統(tǒng)中的Kistler壓電傳感器保證了這一要求。利用編碼器也能夠1 3 2 4 5 1.壓電傳感器 2.電荷放大器 3.上止點(diǎn)傳感器 4.數(shù)據(jù)采集卡 5.計(jì)算機(jī) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 10 保證相位測量的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中利用上止點(diǎn)信號(hào)確定循環(huán)時(shí)間段進(jìn)而時(shí)間線性轉(zhuǎn)化為相位，因而存在系統(tǒng)誤差。 2.2.2 缸壓傳感器與測量工況 缸內(nèi)壓力測量的第一個(gè)環(huán)節(jié)為壓電傳感器。壓電傳感器利用晶體的壓電

39、效應(yīng)測量壓力，不同于其他類型壓力傳感器，壓電式傳感器是一種動(dòng)態(tài)傳感器。圖2-3為壓電式傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線的示意圖，示意圖中縱坐標(biāo)為傳感器輸出電壓和作用力比值，人們利用其在可用頻帶內(nèi)為常數(shù)的特性設(shè)計(jì)制造傳感器。這要求我們選用的傳感器應(yīng)該具有合適測量頻帶，帶寬應(yīng)該覆蓋測量信號(hào)的頻帶。 圖2- 3壓電傳感器的頻域響應(yīng)特性 圖2-4為某理想壓電傳感器及傳感器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線，其中藍(lán)色曲線為傳感器的特性曲線，紅色曲線為傳感器按張后所構(gòu)成測量系統(tǒng)的特性曲線。幅值響應(yīng)與上述同上；相位響應(yīng)在可用帶寬內(nèi)也具有相當(dāng)好的統(tǒng)一性。此外，也可以看出壓力傳感器測量系統(tǒng)的帶寬遠(yuǎn)小于理想傳感器的帶寬，但依然具有很高的

40、帶寬上限；而兩者的帶寬下線無明顯差別。需要注意到帶寬下限的數(shù)量級1Hz10Hz。如果待測信號(hào)中存在低于帶寬下限的信號(hào)分量，則信號(hào)幅值放大倍數(shù)會(huì)與可用帶寬內(nèi)不一致，同時(shí)相位也會(huì)發(fā)生移動(dòng)。 本文實(shí)驗(yàn)中采用的Kistler 6125C的自然頻率(共振頻率)約為75kHz，即使考慮傳感器測量系統(tǒng)對上限的影響，也超過的缸壓主體信號(hào)的頻率范圍，因而傳感器頻帶上限滿足要求。而傳感器的可用帶寬下限數(shù)據(jù)未知，實(shí)際使用中在低速工況（如 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 11 低速倒拖、怠速狀態(tài)等）下，缸壓信號(hào)頻率低，準(zhǔn)確性很可能受到影響。因而試驗(yàn)需要選擇合適的轉(zhuǎn)速測量缸壓，避免在過低的轉(zhuǎn)速下測量壓力

41、信號(hào)。另外選用缸壓傳感器需要考慮測量對象溫度、振動(dòng)的影響。選用傳感器后，需要滿足其測量要求。 圖2-4壓電傳感器的頻域響應(yīng)特性32 缸內(nèi)壓力測量的第二個(gè)環(huán)節(jié)為電荷放大器。電荷放大器將壓電傳感器的輸出的小電荷信號(hào)放大到較大的電壓信號(hào)以滿足采集卡的尋求。專業(yè)設(shè)計(jì)的連接線纜連接傳感器和放大器，避免電荷泄露以及外部信號(hào)對壓力信號(hào)的干擾。 2.2.3 通道效應(yīng) 以上兩點(diǎn)是關(guān)于測量系統(tǒng)中如何保證壓力準(zhǔn)確測量的說明。但需要特別注意到測壓過程中可能存在的“壓力通道效應(yīng)”，即壓力傳感器的安裝方式對壓力測量值會(huì)產(chǎn)生影響。具體說來，如果安裝的壓力傳感器探頭和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸之間存在“壓力通道”，則缸內(nèi)變化的壓力波會(huì)因?yàn)檫M(jìn)

42、入通道內(nèi)而發(fā)生振蕩，其結(jié)果是測量的壓力波形相對缸內(nèi)的壓力波形產(chǎn)生變化，波形中某些頻率的信號(hào)相位有所滯后。 這一不良影響可以通過改進(jìn)傳感器的安裝方式使之不產(chǎn)生“壓力通道”來避免，即壓力傳感器與缸壁平齊。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以從根本上杜絕“壓力通道”的影響；缺點(diǎn)也很明顯：由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際安裝中往往無法避免“壓力通道”的存在。本試驗(yàn)中壓力通道的形狀如圖2- 5所示。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 12 圖2- 5試驗(yàn)中測壓通道的結(jié)構(gòu) 另外一種方式則是通過軟件的方法修復(fù)壓力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)近似“壓力通道逆過程”的方式來修復(fù)壓力波形。圖2-6是對修復(fù)壓力通道效益的基本原理圖。假設(shè)缸

43、壓信號(hào)為X(s)，采集到的信號(hào)為Y(s)，采集系統(tǒng)（壓力傳感器、放大器及采集卡）的傳遞函數(shù)為G(s)。理想情形下G(s)=1，即采集到信號(hào)Y(s)與X(s)相同；實(shí)際過程中存在通道效應(yīng)，對應(yīng)的傳遞函數(shù)為Gt(s)，因而采集到的信號(hào)Y(s)與X(s)存在差異；而再用軟件修復(fù)的過程則是通過軟件實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳遞函數(shù)Gf(s)，如果能夠獲得Gt(s)的準(zhǔn)確表達(dá)式，則Gf(s)設(shè)計(jì)為其逆函數(shù)以實(shí)現(xiàn)Gt(s) Gf(s)=1。實(shí)際中很難獲得Gt(s)的準(zhǔn)確表達(dá)式，因而軟件修正的目標(biāo)是盡量構(gòu)造一個(gè)類似的逆過程，消去通道效應(yīng)的影響。 圖2-6軟件修復(fù)壓力信號(hào)的原理圖 濾波及“壓力通道”效應(yīng)的消除。壓力傳感器測量的

44、信號(hào)包括熱力過程的低頻信號(hào)，燃燒產(chǎn)生的高頻信號(hào)成分。也包括由于噴油、燃燒循環(huán)變動(dòng)產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。當(dāng)需要關(guān)注燃燒的一般規(guī)律時(shí)候，往往會(huì)利用缸壓信號(hào)計(jì)算燃燒放熱率。放熱率的是基于熱力學(xué)定律的分析方法。因此只需要足夠精確的低頻信號(hào)成分就可以獲得燃Gt(s) G(s) Gt(s) G(s) G(s) Gf(s) 理想過程 實(shí)際過程 修復(fù)過程 X(s) Y(s) X(s) Y(s) Y(s) X(s) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 13 燒的細(xì)節(jié)信息。實(shí)踐證明，缸壓信號(hào)中的脈動(dòng)噪聲往往會(huì)使得放熱率計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生巨大的振蕩，導(dǎo)致無法獲得燃燒的有效信息。 圖2- 7是對某工況下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒

45、壓力信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換獲得的幅值譜。由圖可知缸壓信號(hào)的主要成分為低頻部分，頻率高于2000Hz的幅值不足最大分量的千分之一。在4000Hz到20000Hz的頻帶上信號(hào)分量幅值突出，疑為由于通道效應(yīng)導(dǎo)致的畸變分量，而10000Hz的20000Hz兩個(gè)一大一小的幅值似乎對應(yīng)了基頻和2倍倍頻。 圖2- 7缸內(nèi)燃燒壓力信號(hào)的幅值譜 為了上述猜測，這里對“壓力通道”的特征頻率進(jìn)行估算。朱建元研究了測壓通道效應(yīng)33, 34，估算測壓通道固有頻率f 的可以采用公式2-1。 f0=a/4L （2- 1） 其中a為聲速（m/s），L為管道特征長度（m）。 從圖2-5可知試驗(yàn)測壓通道的結(jié)構(gòu)并非直管結(jié)構(gòu)，但仍然可以

46、簡化分析獲得兩個(gè)直管段特征長度和總體特征長度的近似值。結(jié)果表2-2所示。三個(gè)特征長度計(jì)算出來的特征頻率結(jié)果與幅值譜的對應(yīng)關(guān)系十分一致。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 14 表2- 2壓力通道的特征頻率估算結(jié)果 特征長度(mm) 特征頻率估算值（Hz） 8.25 10303 14.75 5763 19.5 4359 圖2-8為采用零相位濾波和巴特沃斯濾波兩種不同方式對缸壓進(jìn)行處理后的效果。其中零相位濾波器是通過兩次巴特沃斯濾波結(jié)合時(shí)域反轉(zhuǎn)完成的。從圖中可以看出來，兩種濾波方式都能夠有效的濾去高頻噪聲的影響、使得信號(hào)保留熱力學(xué)特征同時(shí)避免了壓力波動(dòng)；但是單純的巴特沃斯濾波使得壓力

47、信號(hào)的相位向后移動(dòng)的若干曲軸轉(zhuǎn)角，而零相位濾波器基本保持了原始信號(hào)相同的相位特征。 圖2-8兩種濾波器對比 圖2- 9是不同截止頻率下零相位濾波器的對比效果。適當(dāng)?shù)慕刂诡l率保證濾波后的特征與濾波前一致。截止頻率過低使得壓力曲線的關(guān)鍵特征（如燃燒始點(diǎn)）發(fā)生變化。需要注意到，適當(dāng)?shù)慕刂诡l率能夠?qū)植?燃燒始點(diǎn))的相位進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后的相位提前，這和通道效應(yīng)的理論相符合。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 15 圖2- 9濾波器不同截止頻率對比 2.2.4 相位的準(zhǔn)確測量 以上兩節(jié)對燃燒壓力的準(zhǔn)確測量進(jìn)行了說明，這里對氣缸容積/曲軸相位的準(zhǔn)確測量進(jìn)行討論。圖2- 10為根據(jù)TDC信號(hào)脈沖間隔時(shí)間計(jì)算獲得的20個(gè)曲軸周次的平均轉(zhuǎn)速。相鄰的兩個(gè)周次平均轉(zhuǎn)速一大一小，分別對應(yīng)燃燒排氣沖程和進(jìn)氣壓縮沖程。相鄰的兩個(gè)周轉(zhuǎn)構(gòu)成一個(gè)完整的四沖程循環(huán)。相鄰的循環(huán)之間也存在著波動(dòng)。由此可見發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速不是恒定的，實(shí)際上，由于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的角速度是連續(xù)變化的，所