DICI发动机燃用生物柴油振动特性研究

吴 刚，江国和，楼海军，杨智远，贺献忠

(上海海事大学 商船学院，上海201306)

近年来，随着日益严苛的排放法规，生物柴油作为一种清洁的替代燃料，正重新得到人们关注和重视，并快速发展。生物柴油是一种长链的脂肪酸单烷基酯，广泛来源于植物油和动物脂肪，并具有很多优良的属性，如高闪点、高十六烷值、可生物降解和降低废气排放的特性等[1-4]。

生物柴油来源的多样性、制备方法的复杂性、生产工艺的不同以及发动机类型的不同，都有可能导致不同的柴油机排放特性和燃烧性能。许多学者[2-5]对生物柴油的研究主要集中在排放特性和燃烧性能上，对振动特性相关研究，特别是对较大功率船舶柴油机研究较少。而这些缸内燃烧过程，诸如燃烧定时、燃烧压力和燃烧敲击等，也是发动机产生振动和噪声的关键因素。与点火式发动机相比，压缩式柴油发动机滞燃期时间更长，爆震更容易产生[6]，并将会产生有害的噪声和振动，影响人体舒适度。同时，过大的振动也会引起缸内燃烧不良，烧伤活塞顶，进而损坏发动机部件[7]。柴油机的燃烧过程取决于喷油特性，如喷射次数、喷射时间、燃油喷射量以及平均喷射压力等。改变喷油特性将会影响发动机缸体的振动[8]。因此，深入研究燃用生物柴油对柴油机振动的影响，需有效结合燃油喷射特性和缸内燃烧过程。

本文对一台DICI柴油发动机机体表面提取振动信号，通过提出的变换方法与缸内发火燃烧过程相结合，以此对掺混小比例餐饮废油生物柴油在发动机上的振动特性和表现进行深入研究。

1 试验装置与方法

1.1 试验材料

DICI船用柴油发动机，其结构及技术参数见表1。该型号柴油机在我国内河船舶上广泛使用，具有典型性。普通柴油(D100)，掺混10%生物柴油燃料(B10)，两种燃料的理化特性由上海市石油化工产品质量监督检验站测试检验。

表1 柴油发动机结构及技术参数

1.2 测试方法及信号采集

柴油机扭矩及功率等外部特性由水力测功器测试而得。试验在柴油机85%额定转速下进行。振动信号通过三向振动加速度传感器采集，气缸内部压力测量选用Kistler 6055C压力传感器，该传感器误差为±0.03 MPa。曲轴转角采用Veeder Root B58N增量编码器，分辨率为0.1，通过NI USB-6259数据采集卡经电荷放大而得。曲柄转角接近脉冲信号与振动加速度信号同时传递给交换机，交换机将信号输出给(A/D)转换器(型号Advantech USB-4711A，采样速率为150 kHz)。输出数据信号通过电脑连接到一台便携式计算机终端，以进行信号计算与处理。采样过程是在发动机转速完全稳定后数分钟进行的，采样时间1 min，采样频率50 kHz。在此采样频率和时间下，可记录足够的发动机工作循环。

1.3 改进的小波尺度重排列算法

对于振动信号处理，常规方法是将其进行傅里叶快速变换。与傅里叶变换相比，小波变换是空间(时间)和频率的局部变换，可以提供随频率改变的“时间-频率”窗口。由于傅里叶变换研究的是信号的整体特性，因此分辨率较为单一。而对信号的局部特征显示上，小波变换优于傅里叶变换。

但是小波变换分析非平稳信号是在所谓的“时间-尺度”平面上，而不是在真正的时频平面上。因此，本文在此基础上，将小波变换的窗口函数稍加改进，输入信号的小波函数定义如式(1)所示，目的在于以分辨率最优为出发点来分析信号。随后将小波函数平方，平衡小波系数矩阵正负值，通过强调这种多尺度的观点，得到小波尺度重排列函数。

(1)

式中：a为比例因子；b为沿着时间轴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)延迟和传递产生；ψ*(t)是ψ(t)的复共轭函数，ψ(t)表达如式(2)所示。

(2)

式中：ω0为调制(中心)频率，≥5。关于小波变换方法的更详细的说明，可参阅文献[9-12]。

1.4 参数设置

振动测试采样频率为50 kHz，采样时间1 min。选择长度为27的“汉明窗”进行加窗，并将相邻两个汉明窗口之间重叠系数设置为50%。此外，为了优化求解和缩短计算时间，频点数被设置为256。

母小波的时间带宽乘积(平移参数，c)被设置为2.5，时间系数为常数(h=1),母小波的中心频率(ω0)为2π。

对于所有主要的被采集的信号，数据都是正态分布的，不需要标准化。一般，数据标准化可以通过信号的分化获得。最后，将两种燃料变换结果绘制成“时间-频率”谱图。

2 结果与讨论

图1、图2分别为发动机在85%负荷下, 燃用两种燃料的振动时间-频率谱。图1、图2均可分为上下两部分，其中上半部分为振动时域信号，下半部分为振动时间-频率谱。

图1 85%负荷下D100柴油振动时间-频率谱

图2 85%负荷下B10生物柴油振动时间-频率谱

比较图1、图2上半部分时域可以发现，与B10相比，D100引起的时域最大幅值明显升高。同时时域振动信号波动更强，振动更为混沌。说明燃用D100普通柴油时，燃烧更为粗暴。这种差异是由两种燃料的含氧量不同所致。燃料理化特性测试结果表明，D100和B10燃料的含氧量分别为0.73%和1.42%。由于氧元素在燃烧时并不像碳、氢等元素一样贡献放热，只起到助燃作用，致使B10燃烧时热值低于D100，进而导致缸内B10生物柴油燃烧剧烈程度降低，较D100燃烧时更加顺畅轻柔。对外表现为柴油机振动时域幅值强度下降。同时发现，与B10相比，在上止点(TDC)附近，D100引起的缸内燃烧段区间长度明显大于B10，这说明B10生物柴油燃烧速率要快于D100。可见，B10低热值带来的振动幅值的降低和燃烧速率的加快同时引起发动机振动幅值的降低。我们之前的研究表明[13]，使用B10生物柴油可减小发动机的磨损，并降低一些有害气体排放。这些也与发动机振动的降低有一定的关系。

相比D100而言，燃用B10生物柴油后发动机振动特性有所变化，主要表现在主频段有所不同。比较图1、图2下半部分时间-频率谱，不难发现燃用D100时，谱图颜色比B10时明显加深，这也说明燃用普通柴油后，发动机振动幅值升高，振动稍有恶化。这与上述结论一致，验证了方法的准确性。同时，从整个时间段来看，燃用B10生物柴油，发动机整机的振动频率平均约为2 900 Hz，稍低于D100的4 200 Hz。这种燃用B10生物柴油引起发动机振动频率的降低主要由燃烧频率的降低所致。有研究[14]也证实了发动机振动与燃烧过程的不同有关，也就是受燃料的理化特性影响，如热值、黏度、含氧量等。由于生物柴油较高的黏度会使燃烧雾化变差，导致燃烧压力降低，进而引起机体振动强度降低。同时，含氧量的增加也使得燃烧平顺，也有利于发动机振动的改善。

由于柴油机多缸发火时间间隔极短，容易引起各缸振动频率特征相互干扰。通过对一些关键动作项的识别，可对燃烧状况加以评估。如在燃烧TDC附近，发现燃用B10生物柴油引起的燃烧段时间与强度均明显小于D100普通柴油。Bezaire等[15]的研究也表明了生物柴油燃烧速率有所加快，同时燃用生物柴油后，火焰传播速度的加快将会缩短滞燃期。

为了进一步研究燃料燃烧过程对发动机外在振动性能表现的影响，使用Welch方法计算，进一步评价燃用两种燃料后，发动机振动上的差异。Welch方法是将振动信号分成两个重叠部分，因此将只得到0%～50%范围内频率。然后，根据式(3)对信号的每个部分进行均方离散FFT计算，得到PSD功率密度谱，如图3所示。

(3)

式中：Xt为时间序列；L为时间序列中的采样个数；Wt为窗函数；f为频率中心；Δf为频率间隔。

图3 85%负荷下D100普通柴油与B10生物柴油振动信号功率密度谱分析

由图3可以看出，发动机燃用两种燃料振动幅值总体相似，但略有不同。

为了提高精确性，将图3按左右两个区域分别进行讨论，左右两部分分别对应低频部分和高频部分。从低频部分可以看出，燃用B10生物柴油的主要差异在于整体上功率密度的下降。同时，D100峰值和峰值对应的频率都要高于B10，B10和D100频率分别约为2.9 kHz和4.5 kHz。在右边高频部分，使用普通柴油和掺混10%生物柴油后，柴油机振动功率谱的峰值B10稍低于D100，B10峰值对应频率也低于D100，高频部分的振动幅值与燃油发火、缸内爆震、气缸内的突然冲击以及环境的变化有关，而这些因素都常引起高频振动的变化。从峰值情况可以推断，使用D100后，发动机缸内的燃烧要稍好于 B10。

与B10相比，使用D100后柴油机整体振动高低落差较大，特别是高频段，表现出更强烈的波动性。而燃用B10生物柴油后，除中频部分频率范围外，柴油机振动整体分布更为均匀，更趋向于平滑。这说明燃用B10生物柴油后，柴油机振动得到了一定改善。

为了进一步阐明燃烧对峰值影响，在85%负荷下对两种燃料燃烧的缸内压力和放热率进行了计算对比，结果如图4所示。

图4 85%负荷下D100普通柴油与B10生物柴油缸内压力和放热率

由图4可以看出，燃烧B10燃料后，缸内压力和放热率略低于燃烧D100燃料。这主要是因为B10燃料含氧量高于D100普通柴油。而氧元素不会对燃烧贡献热值，因而使得B10燃料放热低于D100。由两种燃料的放热率可以看出，B10放热率峰值低于D100，且在燃烧期前后表现得较为波动，这是由于燃油的高黏度使得燃油喷射过程中较易出现压力波动，影响了喷油器对燃料的雾化，从而减弱了燃烧作用。

为了能更有效研究两种燃料在不同频带范围对发动机的影响，对0～7 kHz范围内各工况下的振动信号做了更细化的统计，分为0～2 kHz、2～5 kHz和5～7 kHz 3个频段。在每个发动机工况下，计算得到的分频段范围内的功率除以0～7 kHz范围内的总功率，得到分频段下的带中功率比。图5为使用两种燃料后，柴油机振动在各分频段上的带中功率比。

图5 使用B10和D100燃料柴油机振动在各分频段上的带中功率比

由图5可以看出，使用两种燃料后，柴油机振动主要在2～5 kHz中频频段相对集中，带中功率比平均为0.6～0.7。在该频率范围内，使用B10生物柴油后引起的柴油机振动在主要负荷工况下，稍低于使用D100普通柴油。这种带中功率比的降低主要由生物柴油的低热值所致，B10生物柴油燃烧爆发压力低于D100普通柴油。

在5～7 kHz高频频段，使用两种燃料后，柴油机振动在各分频段上的带中功率比均较低。与其他两个频率范围相比，占比较少。这是因为发动机主要的激励频率均为2 kHz以下的低频频段，如转频、喷油和气阀机构动作频率等。即使是两种燃料的燃烧频率，也都位于5 kHz以下。而5～7 kHz频段频率主要为各激励频的高阶次频，同时还掺有少量燃烧爆震频率和背景噪声等。在该频段范围内，B10生物柴油在该频段引起的柴油机振动略高于D100普通柴油，带中功率比约为0.15。而使用D100普通柴油，带中功率比在各负荷工况下低于0.1。这种高频下功率比的不同可能受B10生物柴油高黏度的影响。生物柴油的高黏度及较大的表面张力将会增加索特平均直径，影响燃油雾化，恶化燃烧，造成燃烧效率的降低。

在0～2 kHz低频频段，使用B10燃料后引起的柴油机振动在各负荷工况下明显低于使用D100普通柴油，使用B10生物柴油带中功率比约为0.15。而使用D100普通柴油，带中功率比在各负荷工况下均高于0.2。这种低频下带中功率比的差异受B10生物柴油含氧属性的影响。B10生物柴油的含氧量为1.42%，D100普通柴油的含氧量为0.73%。含氧量的增加相当于提高了缸内燃烧时的空燃比，也对改善燃烧局部低温条件非常有利，使得曲柄机构往复及回转运动趋向均匀，对柴油机低频振动的改善起到至关重要的作用。而人耳在1～3 kHz频率范围内听觉最灵敏，因此在一定程度上，可认为使用B10生物柴油会降低柴油机振动，有利于提高人体舒适度和柴油机寿命。同时B10生物柴油在0～2 kHz频段范围内，柴油机各负荷的振动表现上更为均匀，波动性更小，也有利于提高柴油机的使用寿命。

3 结 论

本文研究掺混餐饮废油生物柴油(B10)与普通柴油(D100)对船舶推进柴油机振动特性的影响。通过试验，采集不同负荷下机体表面振动信号，特别是针对常用经济工况下振动信号，利用多种方法进行信号处理与分析。形成主要结论如下：

(1)两种燃料对柴油机外在振动特性的影响总体相似，特别是低频段，但略有不同。这是由B10生物柴油和D100普通柴油相似的理化特性决定的。使用B10生物柴油在船舶柴油机上，可不需改变柴油机自身参数及结构，具有较好的可应用性。

(2)较B10而言，燃用D100普通柴油时，燃烧更为粗暴，这是由B10生物柴油高含氧量所致，同时低热值也引起了B10生物柴油燃烧振动频率的降低。一定程度上，燃用B10生物柴油可降低柴油机振动，提高人体舒适度，提高柴油机使用寿命。

(3)燃用B10生物柴油后，柴油机振动功率密度谱整体分布更为均匀，更趋向于平滑。

(4)深入研究各工况带中功率比，两种燃料影响相似但不同。特别是燃用B10生物柴油后，在低频频段部分，带中功率比较D100明显降低。由于B10含氧量的增加相当于提高了缸内燃烧时的空燃比，也对改善燃烧局部低温条件非常有利，使得曲柄机构往复及回转运动趋向均匀。因此，燃用B10生物柴油对发动机低频振动的改善起到至关重要的作用。