（动力机械及工程专业论文）生物柴油发动机的性能及燃烧特性试验研究.pdf

摘要 摘要 节能和环保是世界的两大主题，世界现在的主要能源是石油，2 0 0 0 年世界 石油的储采比大约为4 0 年，据预测我国也只能开采2 0 年。减少对石油资源的 依赖，对新能源的研究在世界范围广泛展开，其中就以可再生能源生物柴油最 为看好。 生物柴油作为“绿色能源”的主要代表，以其良好的燃烧性及环境友好性，越 来越受到各国的关注，它不仅可以在一定程度上缓解石油压力，也可以使发动 机得到更好的排放，发展生物柴油产业可以充分利用那些荒废的土地，给当地 建设绿色生态环境，创造更多的就业机会，带来更多的社会财富。 生物柴油( b i o d i e s e l ) ，又名脂肪酸甲酯，是以植物果实、种子、植物导管 乳汁或动物脂肪油、废弃的食用油等作原料，与甲醇进行酯化反应，生成可供 内燃机使用的一种燃料，也是一种典型的“绿色能源”。它具有含硫量极低、芳香 烃含量少、含氧量高、十六烷值高和废气排放好等优点。并且生物柴油可以在 不改变柴油机结构的情况下，跟石化柴油以任意比例混合，得到类似石化柴油 相似的性能。 本文首先介绍了生物柴油和o 拌柴油的理化特性，并利用这两种燃油配制成 b 0 、b 1 0 、b 2 0 、b 3 0 的四种燃油，分别在发动机j x 4 9 3 和b 2 1 0 5 上使用，得到 生物柴油发动机的使用性能并对比分析得到这种结果的原因。并利用l a b v i e w 软件在j x 4 9 3 发动机上组建一套测试发动机燃烧分析系统，并对四种燃油的燃 烧特性对比。 关键词：生物柴油；性能；燃烧特性；试验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep e t r o l e u m ，w h i c hi sa b l et ob ee x p l o i t e df o r4 0y e a r si nt h ew o r l da n d2 0 y e a r si nc h i n ab yt h er e s e a c h , i ss t i l lp | 血m r ) ，e n e r g y u n d e rt w oi m p o r t a n tt h e m e si n t o d a y ：e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n , d u et or e d u c et h ed e p e n d e n c eo ft h e p e t r o l e u m , t h e r ea r eal a r g en u m b e ro fi n v e s t i g a t i o n sa b o u tn o we n e r g ya l lo v e rt h e w o r l d ，a n de s p e c i a l l yt h i sr e n e w a b l ee n e r g y b i o d i e s e l i sg e t t i n gm o r ea n dm o r e r e c o g n i t i o n m a n yc o u n t r i e sp a ym o r ea t t e n t i o nt o t h i sg r e e ne n e r g y , o w i n gt on i c e r c o m b u s t i b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ya b i l i t y , w h i c hr e l i e v e ss t l 沱s so ft h eu s e o f t h ep e t r o l e u mt os o m ed e g r e ea n dm i n i s ht h ee x h a u s t i na d d i t i o n , t h ed e v e l o p m e n to f b i o d i e s e li n d u s t r yc o u l dt a k ef u l la d v a n t a g eo fi d l el a n da n da f f o r dg r e e ne n v i r o n m e n t t ot h el o c a lp l a c e ，m e a n w h i l eb r i n gm o r ee m p l o y m e n t sa n ds o c i a lw e a l t h b i o d i e s e l ，n a m e l yf a t t ya c i dm e t h y le s t e r s ，w h i c hc o m e sf r o mt h ee s t e r i f i c a t i o n o fm e t h a n o la n dv e g e t a b l eo i lo rf a t t yo i lo rt r a s ho i l ，i sat y p i c a lg r e e ne n e r g ya n d a l s oaf u e lf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wc o m e n t o fs u l f u ra n d d u t r e x ，l l i g hc o n t e n t o fo x y g e na n dc e t a n e ，a n dn i c e re x h a u s t p a r t i c u l a r l y , w i t hn os t r u c t u r a lc h a n g eo fd i e s e le n g i n e ，t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h e b l e n d e df u e lm i x e db i o d i e s e lw i t hd i e s e lb yr a n d o mr a t i oi ss i m i l a rt ot h a to ft h e d i e s e l t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fb i o d i e la n dd i e s e l ，a n dc o n t r a s t i v e l y a n a l y s e dt h ew o r kp e r f o r m a n c eb a s e do nj x 4 9 3a n db 2 10 5d i e s e le n g i n eu n d e rf u e l b 0 、b 1 0 、b 2 0 、b 3 0w h i c hw e r em i x e db i o d i e s e lw i t hd i e s e lb yc o r r e s p o n d i n gr a t i o i n c o n t r a s t i v e l ya n a l y s eo fc o m b u s t i o np e r f o r m a n c e ，as u i to fi ce n g i n ec o m b u s t i o n a n a l y s es y s t e mw a sb u i l tu pb yl a b v i e w o nj x 4 9 3e n g i n e k e yw o r d ：b i o d i e s c l ；p e r f o r m a n c e ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；e x p e r i m e n ts t u d y i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 生物柴油概述 1 8 9 2 年德国工程师鲁道夫迪塞尔( r u d o l f d i e s e l ) 发明了压缩点燃式内燃 机，当时使用的燃料为煤油和花生油，1 8 9 5 年他提出利用各类动、植物油脂为 原料，与甲醇或乙醇等醇类物质经过酯化反应，得到可供内燃机使用的燃料， 当时这种观点没有引起足够的重视。2 1 世纪的到来，世界汽车的迅速增多，车 辆动力柴油化趋势加快，未来柴油的需求量会越来越大，各地加油站已经出现 了加油难、加油贵的情况。有限的石油储备和不断上涨的石油价格使得急需开 发一种污染少、经济便宜的柴油代用燃料。全球范围内对新能源及可再生能源 的开发研究正在积极开展。目前石油代用燃料主要有：植物油、天然油( l n g 、 c n g ) 、液化石油气( l p g ) 、醇类燃料( 甲醇、乙醇) 、二甲醚( d ) 、氢、 电等【l 】。预计到本世纪中叶，石油代用燃料将在能源结构中扮演重要角色，而又 以生物质能、太阳能等可再生能源的发展前景最为看好。 据预测，蕴藏于地球上的可开发利用的石油将在3 0 - 4 0 年以内耗竭，而且 煤和天然气都分别在2 0 0 年和6 0 年内用完，这些常规能源已经走向枯竭。世界 先后出现三次石油危机，分别发生在1 9 7 3 年、1 9 7 9 年和1 9 9 0 年。每一次石油 危机都迫使主要进口国必须调整能源结构、开发节能技术、推出更多高能效的 汽车。第一届植物油燃料国际会议于1 9 8 2 年8 月在f a r g o , n o r t hd a k o t a 召开， 主要议题是燃油价格、植物油对发动机性能及可靠性的影响、植物油制备、规 范及添加剂。 我国地大物博但石油储备量只有3 9 亿桶，仅排世界第八。在1 9 9 3 年我国 成为了石油净进口国，而且进口量逐年递增，2 0 0 6 年进口1 4 5 0 0 万吨，占国内 消费量的4 7 ，2 0 0 8 年原油进口1 8 0 2 0 万吨，占国内消费量的4 8 7 。除此之 外，我国燃油结构也极不合理，汽油消耗量仅仅为柴油的一半，除车辆动力外， 其他内燃机装置基本都使用柴油。 发展生物液体燃料( 生物燃油) 是我国今后开发利用生物质能的一个主要 方向，生物柴油( b i o d i e s e l ) ，又名脂肪酸甲酯，是以植物果实、种子、植物导 管乳汁或动物脂肪油、废弃的食用油等作原料，与甲醇进行酯化反应，生成可 第1 章绪论 供内燃机使用的一种燃料，也是一种典型的“绿色能源【2 j 。在不改变柴油机结构 的前提下，燃用纯生物柴油或生物柴油与石化柴油的混合燃油可以获得与石化 柴油较为接近的动力性能，并且排放性能更优于石化柴油( s o x 、c o 、c 0 2 与 固体颗粒物都在一定程度上下降仅n o x 略增加) 。 1 9 8 3 年美国科学家c r a h a mq u i c k 首先将亚麻籽油甲酯用于发动机，燃烧 1 0 0 0 小时，并将可再生的脂肪酸甲酯定义为生物柴油 b i o d i e s e l ，这就是狭义上 所说的生物柴油【1 2 1 。1 9 8 4 年美国和德国等国科学家研究了采用脂肪酸甲酯和乙 酯代替柴油做燃料，这就形成了生物柴油更广泛的定义，目前市场上使用纯生 物柴油的应用比较少，大多以一定的比例与石化柴油混合，得到生物柴油柴油 的混合液。这种混合多以“b x x ”表示，其中 x x ”代表生物柴油所占的体积比( 如 b 3 0 表示生物柴油和柴油体积比例为3 ：7 ) 。 1 2 生物柴油的特点 1 2 1 生物柴油的理化特性 通过图表1 1 中生物柴油和石化柴油的对比，可以得到生物柴油以下几个优 点： ( 1 ) 优良的环保特性。主要表现在由于生物柴油中硫含量低，从而二氧化硫 和硫化物的排放低；生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废 气对人体损害低于柴油。 ( 2 ) 较好的低温内燃机启动性能。( 冷凝点达2 0 0 ) ( 3 ) 较好的润滑性能。使喷油泵，内燃机缸体和连杆的磨损降低，使用寿命 延长。 ( 4 ) 较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油相对石化柴油更加安全。因此， 在运输、储存、使用方面的安全性得到提高。 ( 5 ) 良好的燃油性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微 酸性，使催化剂和内燃机机油的使用寿命延长。 ( 6 ) 可再生性能。可以从植物、动物中提取。 ( 7 ) 无须改动柴油机，可直接添加使用，在柴油机不作任何改动的情况下， 将生物柴油按一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗，减少尾气排放物。 因此发展生物柴油对推进能源替代，控制大气污染，促进经济的可持续发 2 第1 章绪论 展有很大的社会效益和经济效益 表1 1 生物柴油和石化柴油的理化特性对比【4 l 特 性生物柴油柴油 夏季产品( ) - 1 00 冷凝点 冬季产品( ) 2 02 0 2 0 c 的密度( g m 1 ) 0 8 80 8 3 4 0 c 动力粘度( m m 2 s ) 4 62 4 闪点( ) 1 0 0 6 0 十六烷值 4 9 4 5 低热值( m j k g ) 3 8 8 - 4 0 2 4 2 5 4 4 0 硫含量( w ) o 0 1 0 2 氧含量( w ) 1 00 l k g 燃油需最小空气耗量( k g ) 1 2 51 4 5 水危害等级 l2 三星期后的生物分解率( ) 9 87 0 虽然生物柴油有以上有点，但也面临使用上的一些问题 ( 1 ) 粘度大。生物柴油的粘度约为柴油的3 倍，给生物柴油在柴油机上的应 用带来很多问题如影响燃料的雾化质量、堵塞供油管路等。 ( 2 ) 易被氧化。生物柴油容易被氧化形成胶状物，堵塞供油管路，影响发动 机的供油和生物柴油的储存。 ( 3 ) 冷滤点高。冷滤点是燃油的低温使用性能指标，是指燃油冷却到不流动 后，缓慢加温到开始流动的最低温度。冷滤点太高影响发动机在低温状况下的 运转，有可能造成发动机波动比较大，甚至熄火。 ( 4 ) 腐蚀性大。生物柴油中所含有微量甲醇与甘油，并且自身也含有氧元素， 会使与之接触的橡胶零件如橡胶垫、密封圈、燃油管等逐渐降解。 因此使用生物柴油还有待更深一步研究。作为代用燃料，如何克服由生物 柴油带来的影响是我们今后主要的研究方向，现在的生物柴油石化柴油的混合 比一般只在5 ，更高一点的也就2 0 ，要想真正取代石化柴油还有很长一段路 要走。 1 2 2 生物柴油的环境效益 生物柴油有“绿色能源”之称，可以降低c 0 2 排放，减少空气污染物的排放， 3 第1 章绪论 减少对水体和土壤的污染，有利于增加国土资源绿化面积，过生态环境起到很 好的协调作用。 随着2 1 世纪的到来，过多的c 0 2 排放使全球变暖，平均温度升高范围在 1 4 5 8 之间，温室效应也是全球面临的严峻考验，它给人类带来巨大恶果， 如病虫害增多，海平面上升，气候反常海洋风暴增多及土地干旱沙漠化面积增 加等等。基于生命循环分析法【刀可以得到生物柴油能减少c 0 2 的排放。生物柴油 c 0 2 的排放可以纳入自然循环中，达到c 0 2 的“零排放”。 另外，粉尘颗粒物、s o x 、n o x 、c o 以及h c 是大气的主要污染物，发动 机排放污染物已成为空气污染的主要问题，n o x 和有毒h c 排放量占工业部门的 1 2 ，c o 占其他工业排放的2 3 ，s o x 和n o x 更是酸雨的主要成分。表1 2 列出了 几种主要大气污染来源对比。生物柴油不含芳香烃，排放物中不含芳香烃和多 环芳烃，也可以控制酸雨和光化学烟雾。生物柴油排放方面明显优于石化柴油。 生物柴油还可以降低对土壤和水体的污染，保持土地肥沃程度对农业经济起决 定性作用。发展生物柴油产业对保护绿色生态环境，控制水土流失，开盘荒土， 控制温室效应都能起到很好的作用。 表1 - 2 几种主要大气污染来源对比嗍 1 2 3 生物柴油的社会效益 发展我国的生物柴油产业有着巨大的社会经济效益：缓解能源压力，增强国 家石油安全；调整农业结构，刺激油料林业发展；转化餐饮废油，保障人民身体 健康；增加农民收入，开辟乡镇企业财源；促进西部开发，增加更多就业机会。 石油危机正离我们越来越近，它对发展中国家的影响是巨大的，尤其是靠 进口石油的发展中国家，直接威胁到国家的战略安全。保障本国能源稳定对发 展国名经济起到至关重要的作用，然而我国石油储备极少，发展生物柴油产业 是我国最行之有效的方法之一。 我国大部分农民种田不挣钱，出现土地荒芜，西北有很多地方出现土地沙漠化， 4 第1 章绪论 发展生物柴油产业可以开发利用这些土地，种植生物柴油原料如：麻疯树、棕榈树、 蓖麻树等。可以调节农业产业结构，增加农民收入，提高农民劳动积极性。 每年城市都会产生大量的地沟油，有些不法商家直接将废弃油经过简单的加 工就直接卖给消费者，导致各省市都出现餐饮地沟油事件，人们对社会的食用油 产生严重恐慌。生物柴油可以利用城市废弃油作为原料来提炼生物柴油，对这些 地沟油得到了有效的处理，使它变废为宝。增加食用油安全，保障人民身体健康。 1 3 国内外发展现状 1 3 1 美国 美国是最早研究生物柴油的国家。美国对生物柴油的关注始于1 9 9 0 年的“清 洁法案”，美国的能源署和环保署要求联邦政府部门车辆部分使用生物柴油替代 石化柴油。2 0 0 5 年3 月，美国海军要求其符合条件的车船均使用b 2 0 燃油，许 多联邦政府、州政府和地方政府相继效仿，如今大部分政府车辆、公共汽车和 校车已经用上了b 2 0 。到2 0 0 9 年，美国现已有1 0 5 家生物柴油企业，总产能达 到3 2 7 1 7 5 万吨，美国预计到2 0 2 0 年，生物燃油要占交通燃油的2 0 。并对生 物柴油进行零税利【1 0 1 。 1 3 2 欧洲 欧盟是全球最大的生物柴油生产国。目前，欧洲生物柴油份额已占成品油 市场的5 以上。2 0 0 3 年5 月通过的在交通领域促进使用生物柴油燃料油或其 他可再生燃料油条例中要求2 0 1 0 年生物质燃料占总燃料的5 7 5 ，并预计2 0 2 0 年达到2 0 。欧盟有2 0 个成员国在生产生物柴油，2 0 0 5 年产量约为3 2 0 万吨， 每年增长6 5 。 德国是全球最大生物柴油生产国，其生产和消费的生物柴油占世界总生产 量的1 3 。2 0 0 4 年德国政府强制加入5 的生物柴油之后，生物柴油就形成了很 大规模，在每l o 个加油站就有1 个可以加生物柴油。另外，法国、意大利、比 利时、捷克也在大力发展生物柴油项目。 1 3 3 亚洲 日本1 9 9 5 年开始研究用饭店剩余的煎炸油生产生物柴油，2 0 0 5 年生产生物 5 第1 章绪论 柴油达到当年消耗量的1 。 菲律宾于2 0 0 6 年5 月投资6 5 亿比索建设椰子生物柴油厂，年产生物柴油 6 0 0 0 万升，成为亚洲首位大型生物炼油厂。 新加坡2 0 0 7 年宣布推出实验性计划，到2 0 0 8 年底，新加坡将成为亚洲最 大的生物柴油出产地，年产1 8 0 万吨。 我国海南正和生物能源公司于2 0 0 1 年在河北邯郸城建成年产近1 万吨的生 物柴油实验工厂。2 0 0 2 年8 月四川古杉油脂化学公司以植物油下脚料为原料， 成功开发出了生物柴油，性能指标达到德国d n 5 1 6 0 6 标准。2 0 0 2 年9 月，福建 省龙岩市建成2 万吨年生物柴油装置，标志着我国生物柴油实现了产业化，成 本可以控制在2 0 0 0 元吨。 2 0 0 6 年1 2 月，在比利时布鲁塞尔举办的第5 5 届尤里卡世界发明博览会上， 北京清研利华石油化学有限公司以其最新发明的拥有自主知识产权的q y 生物 柴油技术，获得发明金奖【1 1 1 。表1 3 列出了我国实行生物柴油的指标 表1 3 中华人民共和国柴油机燃料调合用生物柴油( b d l o o ) 技术要求和试验方法 质量指标 项目试验方法 $ 5 0 0$ 5 0 密度( 2 0 c ) ( k g m 3 ) 8 2 0 9 0 0 g b 厂r 2 5 4 0 运动粘度( 4 0 c ) ( m m 2 s )1 9 - 6 0 g b t 2 6 5 闪点( 闭口) 不低于 1 3 0g b 厂r 2 6 1 冷滤点报告 s h 厂r 0 2 4 8 硫含量( 质量分数) 不大于 0 0 50 0 0 5s h 厂r 0 6 8 9 1 0 蒸余物残炭( 质量分数) 不大于 o 3g b 厂r1 7 1 4 4 硫酸盐灰分( 质量分数) 不大于 0 0 2 0g b 厂r2 4 3 3 水含量( 质量分数) 不大于 0 0 5s h 厂r 0 2 4 6 机械杂质无 g b 广r 5 l l 铜片腐蚀( 5 0 c ，3 h ) 级 不大于 lg b 厂r5 0 9 6 十六烷值不小于 4 9g b t 3 8 6 氧化安定性( 1 1 0 ( 2 ) 小时 不小于6 0 e 1 呵1 4 1 1 2 酸值( m g k o h g ) 不大于 0 8 0g b t 2 6 4 游离甘油含量( 质量分数) 不大于 0 0 2 0a s t m d 6 5 8 4 总甘油含量( 质量分数) 不大于0 2 4 0a s t m d 6 5 8 4 9 0 回收温度不高于 3 6 0 g b t6 5 3 6 6 第1 章绪论 1 4 生物柴油研究现状 国内外众多学者对生物柴油做了大量的研究工作，他们对生物柴油的配制、 燃烧、排放及雾化方面有了一定的成果，其中有代表性的有： r a m d h a s t l 4 】等在基于橡胶籽制取的生物柴油的性能和排放特性的试验研究 中指出不同浓度的生物柴油无需任何改动就可以应用于压燃式内燃机，且燃用不 同混合浓度燃油对内燃机的性能和排放有很大的影响。 s h a r p t l 5 】等研究了生物柴油在柴油机上的排放特性，得出的结论为：生物柴 油可以大大降低颗粒的排放，可降低6 0 左右，混合燃油b 2 0 ( 2 0 生物柴油和 8 0 的普通石化柴油) 也可以降低颗粒排放，但柴油机的型号的对颗粒排放的影 响程度是不一样的。 c h i o 1 6 】等在研究喷油对生物柴油的性能和排放影响的试验中指出：在重载 单喷工况下，微粒和一氧化碳的排放减少，氮氧化合物随着生物柴油的浓度增 加而有微量增加，但是在重载多喷工况时，微粒排放有所减少，而氮氧化合物 几乎没有发生变化。 g v i d o n a s 1 7 】等在文献中指出，生物柴油及其与普通石化柴油的混合燃油对柴 油机的动力性能，特别是油耗量以及尾气排放作用的研究并不完善，最佳混合 比例问题是该研究领域所讨论的热点，它的优化有利于解决生物柴油在动力特 性、油耗量及尾气排放的矛盾问题。 王忠【1 8 】等通过对生物柴油的排放特性实验，得出以下结论：燃烧生物柴油 时柴油机的排放污染物，包括烟度、c o 、h c 浓度均有大幅降低，随着生物柴 油中油酸油脂含量的增加，各种污染物也均有所降低。燃烧生物柴油时，随着 负荷的增加，其n o x 排放略有增加。但h c 的浓度在高速、大负荷时仍然呈平 缓下降趋势；c o 在中速、部分负荷时呈下降趋势 谭丕强【1 9 】等在燃用生物柴油的排放特性试验研究中，选取的混掺比例为 o 、5 、2 0 、8 0 和1 0 0 。在不对内燃机和供油系统改动的情况下，分别对 以上混合燃油进行了全负荷速度特性试验及两个典型转速的负荷特性试验。并 在结论中指出：非直喷式柴油机不作任何调整的情况下，燃用生物柴油后动力 性略有下降，燃用b 1 0 0 燃油，功率下降了2 5 以内。油耗上升明显，油耗增 加幅度与生物柴油混掺比例基本呈线性关系。混掺生物柴油对外特性下排放影 响最大，其烟度下降和n o x 上升幅度大多为最高，影响最小的是标定转速下的 负荷特性。合适的生物柴油混掺比例为5 * , , - - 2 0 ，既可以保持柴油机性能，又可 7 第1 章绪论 以有效地降低碳烟排放。 徐元浩【2 0 l 等通过生命周期分析法指出：生物柴油在诸多有害气体排放方面 比石化柴油低，可以减少温室效应。生物柴油和石化柴油的生命周期能量效率 相近，但石化效能比大大增加，说明了生物柴油的可再生性。 张恬、袁银南f 2 l 】等在对比供油提前角多生物柴油的动力和排放特性的试验 中指出：推迟供油对燃烧生物柴油的柴油机的动力性能和排放有很大的影响。供 油推迟将导致喷油的推迟，而推迟燃烧过程，可以明显降低氮氧化合物合碳氢 化合物的排放，但由于燃烧的推迟，燃油消耗率、一氧化碳和颗粒排放有所增 加。 国内研究者对生物柴油的混合燃料的经济性能和排放特性进行了其他方面 试验研究，例如生物柴油喷雾特性的研究( 曹建明，2 0 0 8 ) ；生物柴油燃烧过程的 研究( 陈文森等，2 0 0 6 ；王忠等，z 0 0 7 ) ；生物柴油排放颗粒物的研究( 梅德清等， 2 0 0 6 ；陆小明等，2 0 0 7 ) 。但是生物柴油原料的不同以及制取工艺的差别，造成 了生物柴油的理化特性差异，从而影响了柴油机燃用生物柴油的性能和排放特 性。因此在实际运行条件下，生物柴油和石化柴油不同比例的混合燃油对柴油 机动力与排放性能的影响还需要进行大量的试验研究。 1 5 本课题研究的主要内容和目标 本论文通过测量生物柴油与石化柴油的4 种不同混合燃油( b 0 、b 1 0 、b 2 0 、 b 3 0 ) 在不同的工况下的有效燃油油耗率、示功图，分析计算得到不同混合燃油 的燃烧放热率及放热量的对比及发动机使用性能的影响。主要研究内容如下： ( 1 ) 建立基于l a b v i e w 软件的柴油机示功图、压力升高率、放热率及放热量 的系统设计，包括： 试验台架的组建 数据采集系统的硬件设计 数据采集系统的软件设计 ( 2 ) 在不同工况下，柴油机燃用4 种燃油的实验研究，包括： 负荷特性实验对比与分析 示功图测量及对比与分析 一 压力升高率对比与分析 8 第1 章绪论 放热率对比与分析 1 6 课题来源 本课题来源于江西省教育厅科学技术研究项目 压燃式发动机燃用生物柴 油的实验及模拟研究。 9 第2 章数据采集系统硬件组成 第2 章数据采集系统硬件组成 在采集数据之前，必须对所要采集的信号的特性有所了解，因为不同信号 的测量方式和对应采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号的特征，才能 选择合适的测量方式和采集系统配置。 信号根据不同的分类准则，信号可以分为确定信号与随机信号、连续信号 与离散信号、能量信号与功率信号以及时域信号与频域信号等。但在数据采集 应用领域，常将被测信号分为数字信号和模拟信号( 连续时间信号) 。数字( - - 进制) 信号分为开关信号或脉冲信号；模拟信号可分为直流、时域、频域信号。 采集发动机缸压信号属于对模拟时域信号的测量，测量时域信号的采集系 统包括一个模数转换器、一个采样时钟和一个触发器。模数转换器的分辨率决 定了采集数据的精度，带宽决定了采样的频率。 本数据采集及燃烧分析系统的硬件系统由n ip c i 一6 2 5 0 高速p c i 总线a d 卡、6 0 5 6 压力传感器、2 6 1 3 曲轴转角信号发生器、电荷放大器、p c 机等硬件组 成。硬件系统结构如图2 1 。 图2 - 1 系统结构 p c 机在这采集系统中具有执行数据采集、数据处理、燃烧分析和数据管理 等功能。通过高速p c i 总线a d 卡得到的数据在p c 机中显示，再经过数据缓 存、数据计算、数据保存等技术将计算结果输出界面。 2 1p c i 总线a d 数据采集卡 2 1 1 数据采集卡总体介绍 n ip c i 6 2 5 0 是一款高速m 系列多功能d a q 板卡，在高采样率下也能保持 1 0 第2 章数据采集系统硬件组成 高精度。采用1 8 位模数转换器，使分辨率提高了4 倍。高速m 系列设备包括了 一些高级特色，如n i s t c2 系统控制器、n i 。p g 队2 可编程放大器和n i m c a l 校准技术，从而提高了性能和精度。高速m 系列设备的板载n i p g i a2 放大器 专为高速扫描速率下的快速稳定时间而设计，它可确保即使以最快速度测量所 有通道时也可达到1 6 位精度。n ip c i 6 2 5 0 可以直接插在与之兼容的p c 机的p c i 插槽中，安装完驱动n i d a q m x 之后就可以直接使用。如图2 2 所示。 图2 - 2n ip c i 6 2 5 0 数据采集卡 p c i6 2 5 0 数据采集卡具体的技术指标： 1 ) 通道数 1 6 ，8 2 ) 单端通道 1 6 3 ) 差分通道 8 4 ) 分辨率 1 6b i t s 5 ) 最大模拟输入电压 1 0 v 6 ) 最大电压范围 1 0 v ，1 0 v 7 ) 最大电压范围精度 1 9 2 0 u v 8 ) 最大电压范围敏感度1 1 2 u v 9 ) 最小电压范围 1 0 0 m v ，1 0 0 m v 1 0 ) 最小电压范围的精度 5 2 u v 1 1 ) 最小电压范围的敏感度 6 u v 第2 章数据采集系统硬件组成 1 2 ) 量程数 1 3 ) 同步采样 1 4 1 板上存储量 1 5 ) 计数器定时器数目 1 6 ) 最大信号源频率 1 7 ) 最小输入脉冲宽度 1 8 ) 逻辑电平 7 否 4 0 9 5 样本 2 8 0 m h z 1 2 5 n s t t l 2 1 2 数据采集卡的引脚接入 n ip c i 6 2 5 0 采集卡插入p c 机后，将采样信号、外触发信号( 上止点信号) 、 外部时钟信号( 转角信号) 分别接入通道a 1 0 、p f l 0 、p f l l 中，接线方式如图 2 3 所示。外触发信号设置由数字信号上升沿触发，外部时钟信号设置为数字信 号上升沿计时。所有设置都可以在d a q 助手中完成，选择内部时钟时，需根据 采集信号的特点，合理的选择采样频率，根据n y q u i s t 采样原理，采样频率应该 大于带限频率最高频率n l 的2 倍，但实际应用中我们取3 一4 f h 。选择外部时钟 时，信号的采集则根据外部时钟提供的频率采集。触发方式分为外触发和内触 发两种方式，其应用场合分别为：对于瞬间变化( 持续时间短、变化频率较快) 、 或随机性较强的信号的测量和采样，或是需要精确定位所要采集的一批a d 数据 中的第一个点的时间轴，那么需要使用外触发方式；而对于持续变化时间较长， 不需要精确定位信号起点的信号，则一般使用内触发方式。 图2 - 3 信号接线方式 1 2 第2 章数据采集系统硬件组成 2 1 3 模拟输入信号的连接方式 根据信号本身特点不同，为了能更精确的采集到我们所要的信号类型，模 拟信号输入可以有三种连接方式，这三种方式分别是r s e 、n r s e 、差分三种( 实 际应用还有一种伪差分p s e u d o d i f f e r e n t i a l ) 。 r s e ：r e f e r e n c es i g n a l e n d e d ，参考单端测量系统，被测试信号一端接模拟输入 通道，另外一端接系统地，如图2 4 所示。 图2 - 4 参考单端测量系统 n r s e ：n o n r e f e r e n c es i g n a l - e n d e d ，非参考单端测量系统，被测信号的一端接 模拟输入通道，另外一端接公用的参考端，但是这个参考端对电压相对于测量 系统的地来说是不断变化的，如图2 5 所示。 x c h 0 + c h 2 + c h l 4 - c h 7 + 图2 - 5 非参考单端测量系统 1 3 第2 章数据采集系统硬件组成 差分测量系统中，信号输入端的正负极分别与两个不同的模拟输入接口连 接，通过多路开关分别连接到放大器的正负极上，理想的差分测量系统应该只 能测出信号输入的正负极之间的电位差，而无法测到共模电压，但是在实际应 用中数据采集卡的共模电压的范围限制了相对测量系统地的输入电压的波动范 围，共模电压的范围是一个数据采集卡的重要指标。差分方式可以消除共模噪 声的影响，但通道数减半，如图2 6 差分测量系统。 m j r 洲0 + c h 2 + c h 土+ c h 7 + c h 0 - o t 2 - c h l - c h 7 - i g h d 图2 - 6 差分测量系统 表2 1 模拟输入信号的连接方式 注：表示推荐使用的方式 在经过对三种接线方式对比后，r s e 是最适合测量系统的接线方式。 2 2 气缸压力传感器 压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件( 或应变计) 组成。弹性 敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由 1 4 第2 章数据采集系统硬件组成 位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件 的功能集于一体。 力学传感器的种类繁多，但常用的压力传感器有电阻应变片压力传感器、 半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压 力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器，光纤压力传感器等。 本课题采用6 0 5 6 型压电式传感器，压电效应是压电传感器的主要工作原理， 压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后产生的电荷，只有在回路 具有无限大的输入阻抗时才得到保存。它具有结构简单、体积小、重量轻、使 用寿命长等优异的特点。为了减少曲轴发生扭转产生的误差一般把气缸压力传 感器安装在第一缸内。 表2 - 26 0 5 6 压力传感器的参数 2 3 电荷放大器 电荷放大器将压电式传感器产生的电荷输出转换成比例的电压，用作分析 系统的输入变量，如需要可在模数( a d ) 转换器中数字化。电荷放大器主要由一 个高开环增益和电容负反馈组成。它依赖于金属氧化物半导体场效应晶体管 ( m o s f e t ) 或面结型场效应晶体管q f e t ) 作为输入来获得高绝缘电阻和泄漏电 流最小化。如果开环增益足够高，电缆和传感器电容可以忽略不计，输出电压 只由电荷放大器输入和量程电容决定。 u o - - - q c r 放大器可看成是积分器，它总是以大小相等、极向相反的电荷补偿传感器 产生的电荷。通过电容的电压同传感器产生的电荷和被测量成正比。实际上， 电荷放大器是将输入的电荷q 转换为可处理的成比例输出电压u o 。大部分电荷 放大器具有传感器灵敏度和测量范围设置功能，因此，测量值以被测量值的力 学单位显示，输出信号与被测量成比例。电荷放大器的作用除了将微弱的信号 进行放大，增强功率外，还要能够抑制干扰和降低噪声并满足数据脉冲反应时 1 5 第2 章数据采集系统硬件组成 间的需要，使采集到的信号有足够大的电平，及时且不失真。图2 7 为放大器原 理图。 ：t ， ：， 一 ， o m g e 羽n p 婚睇 ： - - _ - - - - - - i 图2 7 放大器原理图 u o ：输出电压 a ；增益 c t ：传感器电容 c 。：电缆电容 c ，：量程或反馈电容 r ：时间常数电阻( 或量程电容的绝缘电阻) ：输入绝缘阻抗( 电缆和传感器) q ：压电元件产生的电荷 2 4 曲轴转角信号发生器 发动机瞬时缸压采集过程中，一般以曲轴转角位置而不以时间为基准，因 为内燃机的转速波动比较严重，在同一个周期内，在压缩上止点和换气上止点 两个位置由于压力的影响瞬时速度也不相等，角加速度在曲轴旋转过程中一般 不为零，简单以时间作为采集时钟不能反应某一位置气缸压力的值，精确的感 应某一曲轴位置并对缸压的测量对测量示功图是很有重要的。 1 6 第2 章数据采集系统硬件组成 图2 - 8 曲轴转角信号发生器的安装 曲轴转角信号发生器安装在发动机前端曲轴上，当它跟曲轴一起转动的时 候，能同时发出两路信号，一路用于触发信号( 转一圈只发出一个信号) ，另一 路用于外部时钟( 转一圈可以发出7 2 0 个信号，每o 5 度发出一个信号) ，k i s t e r 转角发生器可以根据精度的需要调节信号的个数。( 最小可以达到o 1 度) 工作 原理如图2 9 所示。 表2 3 曲轴转角信号发生器的参数 窿；囹 转青信号 图2 - 9 光电式转角信号发生器 1 7 厂 厂 厂 几 广 第2 章数据采集系统硬件组成 2 5 本章小结 本章介绍了发动机数据采集系统( 以采用p c 机数据采集系统为例) 的结构 和特点，重点介绍了本系统的主要部件如缸压传感器，电荷放大器，数据采集 卡，曲轴转角信号发生器的功能及特性。 1 8 第3 章发动机数据采集系统的开发及应用 第3 章发动机数据采集系统的开发及应用 3 1 测试系统开发 3 1 1l a b v i e w 软件介绍 l a b v i e w ( 1 a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h , 实验室虚拟仪 器工作平台) 是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p , n i 公司) 推出的创 新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成 环境，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 从1 9 8 6 年发明至 今，已推出了不同的版本，可以支持多个目前流行的操作系统。 学习l a b v i e w ，必须掌握以个很重要的概念一虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t , v i ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器结合是目前仪器发展的一个 重要方向。这种结合方式大致可以分两种，一种是将计算机装入仪器，如所谓 的智能化仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器 的功能越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种就是将仪器装 入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟 仪器主要是指这种方式。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集 系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处 理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国n i 公司的l a b v i e w 。 l a b v l e w 是一种图形化的编程语言，它广泛的被工业界、学术界和研究实 验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了与满 足g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。 它还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。这是一个功能强大 且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得 编程及使用过程都一目了然。 图形化的程序语言，又称为“g 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程 序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所 熟悉的术语、图标和概念，因此l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具，使用 它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提供工作效率。 l a b v i e w 开发平台编辑的程序叫做虚拟仪器程序，也称v i 。v i 包括三个 1 9 第3 章发动机数据采集系统的开发及应用 部分：前面板、程序框图和连接器。 图3 - 1 测试系统前面板 前面板是图形用户界面，也是v i 的虚拟仪器面板，这里有用户需要输入和 显示的对象，如：开关、按钮、图表以及其他控制和显示对象。图3 1 本实验测 量数据的前面板。上面显示的是，根据测量得到的示功图计算出燃烧特性。 图3 - 2 测量系统程序流程图 2 0 第3 章发动机数据采集系统的开发及应用 流程图主要是v i 的源程序，对源程序编程可以控制前面板的输入和显示功 能，流程图当中包括前面板的连线端子，还包括前面板没有的，如函数、结构 及连线。图3 2 为测量系统程序流程图，其中把对于缸压的测试，均化处理，示 功图的实验及放热规律计算都做成了子v i 。 l a b v i e w 具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模 板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类， 分别为工具( t o o l s ) 模板、控$ 1 j ( c o n t r o l s ) 模板和功能( f u n c t i o n s ) 模板。工具模板为 编程者提供了各种用于创建，修改和调试v i 程序的工具。控件选板用来给前面 板设置所需的各种输入控件和输出控件，建立用户应用程序的界面。而函数选 板是创建程序框图的工具，函数选板根据不同的类型分了很多子选板，相关的 程序都可以在这里找到。 3 1 2 实际应用 在开始采集前有几步准备工作要先做好才能开始测量。 第一，计算采集卡缓存时间，我们假设以发动机2 4 0 0 r p m 为例，我们的曲 轴转角信号发生器是o 5 度发一个订l 信号，则我们实际的采样频率为2 8 8 k h z , 因为n ip c i 6 2 5 0 具有达4 m 的缓存空间，可以为用户提供缓存时间为1 4 2 秒， 也就是我们的测试过程应该在这1 4 2 秒以内能保证我们数据的连续性。然而实 际的测试只有大概6 秒以内，所以我们的数据的连续性能够很好的保证。 第二，在每次测量如果发生偏差或者不满意时，需要进行从新测量，但上 一次测得的数据会停留在数据存储库中，对计算结果会产生很大影响。因此在 测量之前我们应该对系统进行一次清零。正如m a t