吳 剛，江國(guó)和，樓海軍，楊智遠(yuǎn)，賀獻(xiàn)忠

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海201306)

近年來(lái)，隨著日益嚴(yán)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(guān)注和重視，并快速發(fā)展。生物柴油是一種長(zhǎng)鏈的脂肪酸單烷基酯，廣泛來(lái)源于植物油和動(dòng)物脂肪，并具有很多優(yōu)良的屬性，如高閃點(diǎn)、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(lái)源的多樣性、制備方法的復(fù)雜性、生產(chǎn)工藝的不同以及發(fā)動(dòng)機(jī)類型的不同，都有可能導(dǎo)致不同的柴油機(jī)排放特性和燃燒性能。許多學(xué)者[2-5]對(duì)生物柴油的研究主要集中在排放特性和燃燒性能上，對(duì)振動(dòng)特性相關(guān)研究，特別是對(duì)較大功率船舶柴油機(jī)研究較少。而這些缸內(nèi)燃燒過程，諸如燃燒定時(shí)、燃燒壓力和燃燒敲擊等，也是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的關(guān)鍵因素。與點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，壓縮式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)滯燃期時(shí)間更長(zhǎng)，爆震更容易產(chǎn)生[6]，并將會(huì)產(chǎn)生有害的噪聲和振動(dòng)，影響人體舒適度。同時(shí)，過大的振動(dòng)也會(huì)引起缸內(nèi)燃燒不良，燒傷活塞頂，進(jìn)而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)部件[7]。柴油機(jī)的燃燒過程取決于噴油特性，如噴射次數(shù)、噴射時(shí)間、燃油噴射量以及平均噴射壓力等。改變噴油特性將會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的振動(dòng)[8]。因此，深入研究燃用生物柴油對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)的影響，需有效結(jié)合燃油噴射特性和缸內(nèi)燃燒過程。

本文對(duì)一臺(tái)DICI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面提取振動(dòng)信號(hào)，通過提出的變換方法與缸內(nèi)發(fā)火燃燒過程相結(jié)合，以此對(duì)摻混小比例餐飲廢油生物柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)上的振動(dòng)特性和表現(xiàn)進(jìn)行深入研究。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)材料

DICI船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)見表1。該型號(hào)柴油機(jī)在我國(guó)內(nèi)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(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站測(cè)試檢驗(yàn)。

表1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

1.2 測(cè)試方法及信號(hào)采集

柴油機(jī)扭矩及功率等外部特性由水力測(cè)功器測(cè)試而得。試驗(yàn)在柴油機(jī)85%額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。振動(dòng)信號(hào)通過三向振動(dòng)加速度傳感器采集，氣缸內(nèi)部壓力測(cè)量選用Kistler 6055C壓力傳感器，該傳感器誤差為±0.03 MPa。曲軸轉(zhuǎn)角采用Veeder Root B58N增量編碼器，分辨率為0.1，通過NI USB-6259數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)電荷放大而得。曲柄轉(zhuǎn)角接近脈沖信號(hào)與振動(dòng)加速度信號(hào)同時(shí)傳遞給交換機(jī)，交換機(jī)將信號(hào)輸出給(A/D)轉(zhuǎn)換器(型號(hào)Advantech USB-4711A，采樣速率為150 kHz)。輸出數(shù)據(jù)信號(hào)通過電腦連接到一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)終端，以進(jìn)行信號(hào)計(jì)算與處理。采樣過程是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速完全穩(wěn)定后數(shù)分鐘進(jìn)行的，采樣時(shí)間1 min，采樣頻率50 kHz。在此采樣頻率和時(shí)間下，可記錄足夠的發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)。

1.3 改進(jìn)的小波尺度重排列算法

對(duì)于振動(dòng)信號(hào)處理，常規(guī)方法是將其進(jìn)行傅里葉快速變換。與傅里葉變換相比，小波變換是空間(時(shí)間)和頻率的局部變換，可以提供隨頻率改變的“時(shí)間-頻率”窗口。由于傅里葉變換研究的是信號(hào)的整體特性，因此分辨率較為單一。而對(duì)信號(hào)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(hào)是在所謂的“時(shí)間-尺度”平面上，而不是在真正的時(shí)頻平面上。因此，本文在此基礎(chǔ)上，將小波變換的窗口函數(shù)稍加改進(jìn)，輸入信號(hào)的小波函數(shù)定義如式(1)所示，目的在于以分辨率最優(yōu)為出發(fā)點(diǎn)來(lái)分析信號(hào)。隨后將小波函數(shù)平方，平衡小波系數(shù)矩陣正負(fù)值，通過強(qiáng)調(diào)這種多尺度的觀點(diǎn)，得到小波尺度重排列函數(shù)。

(1)

式中：a為比例因子；b為沿著時(shí)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(chǎn)生；ψ*(t)是ψ(t)的復(fù)共軛函數(shù)，ψ(t)表達(dá)如式(2)所示。

(2)

式中：ω0為調(diào)制(中心)頻率，≥5。關(guān)于小波變換方法的更詳細(xì)的說明，可參閱文獻(xiàn)[9-12]。

1.4 參數(shù)設(shè)置

振動(dòng)測(cè)試采樣頻率為50 kHz，采樣時(shí)間1 min。選擇長(zhǎng)度為27的“漢明窗”進(jìn)行加窗，并將相鄰兩個(gè)漢明窗口之間重疊系數(shù)設(shè)置為50%。此外，為了優(yōu)化求解和縮短計(jì)算時(shí)間，頻點(diǎn)數(shù)被設(shè)置為256。

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

對(duì)于所有主要的被采集的信號(hào)，數(shù)據(jù)都是正態(tài)分布的，不需要標(biāo)準(zhǔn)化。一般，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化可以通過信號(hào)的分化獲得。最后，將兩種燃料變換結(jié)果繪制成“時(shí)間-頻率”譜圖。

2 結(jié)果與討論

圖1、圖2分別為發(fā)動(dòng)機(jī)在85%負(fù)荷下, 燃用兩種燃料的振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)域信號(hào)，下半部分為振動(dòng)時(shí)間-頻率譜。

圖1 85%負(fù)荷下D100柴油振動(dòng)時(shí)間-頻率譜

圖2 85%負(fù)荷下B10生物柴油振動(dòng)時(shí)間-頻率譜

比較圖1、圖2上半部分時(shí)域可以發(fā)現(xiàn)，與B10相比，D100引起的時(shí)域最大幅值明顯升高。同時(shí)時(shí)域振動(dòng)信號(hào)波動(dòng)更強(qiáng)，振動(dòng)更為混沌。說明燃用D100普通柴油時(shí)，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(cè)試結(jié)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(shí)并不像碳、氫等元素一樣貢獻(xiàn)放熱，只起到助燃作用，致使B10燃燒時(shí)熱值低于D100，進(jìn)而導(dǎo)致缸內(nèi)B10生物柴油燃燒劇烈程度降低，較D100燃燒時(shí)更加順暢輕柔。對(duì)外表現(xiàn)為柴油機(jī)振動(dòng)時(shí)域幅值強(qiáng)度下降。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，與B10相比，在上止點(diǎn)(TDC)附近，D100引起的缸內(nèi)燃燒段區(qū)間長(zhǎng)度明顯大于B10，這說明B10生物柴油燃燒速率要快于D100?？梢姡珺10低熱值帶來(lái)的振動(dòng)幅值的降低和燃燒速率的加快同時(shí)引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)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(dòng)機(jī)的磨損，并降低一些有害氣體排放。這些也與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的降低有一定的關(guān)系。

相比D100而言，燃用B10生物柴油后發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性有所變化，主要表現(xiàn)在主頻段有所不同。比較圖1、圖2下半部分時(shí)間-頻率譜，不難發(fā)現(xiàn)燃用D100時(shí)，譜圖顏色比B10時(shí)明顯加深，這也說明燃用普通柴油后，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)幅值升高，振動(dòng)稍有惡化。這與上述結(jié)論一致，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。同時(shí)，從整個(gè)時(shí)間段來(lái)看，燃用B10生物柴油，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的振動(dòng)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(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率的降低主要由燃燒頻率的降低所致。有研究[14]也證實(shí)了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與燃燒過程的不同有關(guān)，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(huì)使燃燒霧化變差，導(dǎo)致燃燒壓力降低，進(jìn)而引起機(jī)體振動(dòng)強(qiáng)度降低。同時(shí)，含氧量的增加也使得燃燒平順，也有利于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的改善。

由于柴油機(jī)多缸發(fā)火時(shí)間間隔極短，容易引起各缸振動(dòng)頻率特征相互干擾。通過對(duì)一些關(guān)鍵動(dòng)作項(xiàng)的識(shí)別，可對(duì)燃燒狀況加以評(píng)估。如在燃燒TDC附近，發(fā)現(xiàn)燃用B10生物柴油引起的燃燒段時(shí)間與強(qiáng)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(shí)燃用生物柴油后，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募涌鞂?huì)縮短滯燃期。

為了進(jìn)一步研究燃料燃燒過程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外在振動(dòng)性能表現(xiàn)的影響，使用Welch方法計(jì)算，進(jìn)一步評(píng)價(jià)燃用兩種燃料后，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)上的差異。Welch方法是將振動(dòng)信號(hào)分成兩個(gè)重疊部分，因此將只得到0%～50%范圍內(nèi)頻率。然后，根據(jù)式(3)對(duì)信號(hào)的每個(gè)部分進(jìn)行均方離散FFT計(jì)算，得到PSD功率密度譜，如圖3所示。

(3)

式中：Xt為時(shí)間序列；L為時(shí)間序列中的采樣個(gè)數(shù)；Wt為窗函數(shù)；f為頻率中心；Δf為頻率間隔。

圖3 85%負(fù)荷下D100普通柴油與B10生物柴油振動(dòng)信號(hào)功率密度譜分析

由圖3可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用兩種燃料振動(dòng)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(gè)區(qū)域分別進(jìn)行討論，左右兩部分分別對(duì)應(yīng)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(shí)，D100峰值和峰值對(duì)應(yīng)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(jī)振動(dòng)功率譜的峰值B10稍低于D100，B10峰值對(duì)應(yīng)頻率也低于D100，高頻部分的振動(dòng)幅值與燃油發(fā)火、缸內(nèi)爆震、氣缸內(nèi)的突然沖擊以及環(huán)境的變化有關(guān)，而這些因素都常引起高頻振動(dòng)的變化。從峰值情況可以推斷，使用D100后，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒要稍好于 B10。

與B10相比，使用D100后柴油機(jī)整體振動(dòng)高低落差較大，特別是高頻段，表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的波動(dòng)性。而燃用B10生物柴油后，除中頻部分頻率范圍外，柴油機(jī)振動(dòng)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(jī)振動(dòng)得到了一定改善。

為了進(jìn)一步闡明燃燒對(duì)峰值影響，在85%負(fù)荷下對(duì)兩種燃料燃燒的缸內(nèi)壓力和放熱率進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 85%負(fù)荷下D100普通柴油與B10生物柴油缸內(nèi)壓力和放熱率

由圖4可以看出，燃燒B10燃料后，缸內(nèi)壓力和放熱率略低于燃燒D100燃料。這主要是因?yàn)锽10燃料含氧量高于D100普通柴油。而氧元素不會(huì)對(duì)燃燒貢獻(xiàn)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(xiàn)得較為波動(dòng)，這是由于燃油的高黏度使得燃油噴射過程中較易出現(xiàn)壓力波動(dòng)，影響了噴油器對(duì)燃料的霧化，從而減弱了燃燒作用。

為了能更有效研究?jī)煞N燃料在不同頻帶范圍對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，對(duì)0～7 kHz范圍內(nèi)各工況下的振動(dòng)信號(hào)做了更細(xì)化的統(tǒng)計(jì)，分為0～2 kHz、2～5 kHz和5～7 kHz 3個(gè)頻段。在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，計(jì)算得到的分頻段范圍內(nèi)的功率除以0～7 kHz范圍內(nèi)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(jī)振動(dòng)在各分頻段上的帶中功率比。

圖5 使用B10和D100燃料柴油機(jī)振動(dòng)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(jī)振動(dòng)主要在2～5 kHz中頻頻段相對(duì)集中，帶中功率比平均為0.6～0.7。在該頻率范圍內(nèi)，使用B10生物柴油后引起的柴油機(jī)振動(dòng)在主要負(fù)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(jī)振動(dòng)在各分頻段上的帶中功率比均較低。與其他兩個(gè)頻率范圍相比，占比較少。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)主要的激勵(lì)頻率均為2 kHz以下的低頻頻段，如轉(zhuǎn)頻、噴油和氣閥機(jī)構(gòu)動(dòng)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(lì)頻的高階次頻，同時(shí)還摻有少量燃燒爆震頻率和背景噪聲等。在該頻段范圍內(nèi)，B10生物柴油在該頻段引起的柴油機(jī)振動(dòng)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(fù)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(huì)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(jī)振動(dòng)在各負(fù)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(fù)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(dāng)于提高了缸內(nèi)燃燒時(shí)的空燃比，也對(duì)改善燃燒局部低溫條件非常有利，使得曲柄機(jī)構(gòu)往復(fù)及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨向均勻，對(duì)柴油機(jī)低頻振動(dòng)的改善起到至關(guān)重要的作用。而人耳在1～3 kHz頻率范圍內(nèi)聽覺最靈敏，因此在一定程度上，可認(rèn)為使用B10生物柴油會(huì)降低柴油機(jī)振動(dòng)，有利于提高人體舒適度和柴油機(jī)壽命。同時(shí)B10生物柴油在0～2 kHz頻段范圍內(nèi)，柴油機(jī)各負(fù)荷的振動(dòng)表現(xiàn)上更為均勻，波動(dòng)性更小，也有利于提高柴油機(jī)的使用壽命。

3 結(jié) 論

本文研究摻混餐飲廢油生物柴油(B10)與普通柴油(D100)對(duì)船舶推進(jìn)柴油機(jī)振動(dòng)特性的影響。通過試驗(yàn)，采集不同負(fù)荷下機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)，特別是針對(duì)常用經(jīng)濟(jì)工況下振動(dòng)信號(hào)，利用多種方法進(jìn)行信號(hào)處理與分析。形成主要結(jié)論如下：

(1)兩種燃料對(duì)柴油機(jī)外在振動(dòng)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(jī)上，可不需改變柴油機(jī)自身參數(shù)及結(jié)構(gòu)，具有較好的可應(yīng)用性。

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

(3)燃用B10生物柴油后，柴油機(jī)振動(dòng)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(dāng)于提高了缸內(nèi)燃燒時(shí)的空燃比，也對(duì)改善燃燒局部低溫條件非常有利，使得曲柄機(jī)構(gòu)往復(fù)及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨向均勻。因此，燃用B10生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低頻振動(dòng)的改善起到至關(guān)重要的作用。