摘 要 本文为了研究不同的燃用品质对柴油机的振动、噪声及排放的影响规律，通过运用LMS振动与噪声分析仪、AVL GAS 1000排放测试设备等设备和各类传感器，在专用发动机试验台架上对4DLD-18E5型号柴油机进行各动力性、经济性、振动噪声、排放和基本性能参数机械测试分析，通过对比燃用不同柴油的发动机性能指标，评价柴油品质优劣。 论文主要研究了柴油品质对柴油机的振动、噪声及排放性能影响。在进行了大量文献调研的基础上，通过搭建试验台架，分别对实验室已有的四种柴油（中石化0#柴油、优化后1#柴油、优化后2#柴油、优化后3#柴油）进行测试。分析得燃油品质对柴油机的性能有很大影响。燃油的不同成分在很大程度上对柴油机的燃烧过程造成影响，因而会影响柴油机的振动、噪声及排放。 研究结果表明：（1）将试验柴油机作为车用，燃用优化后2#柴油时的振动噪声测试最优，其次是燃用中石化0#柴油。在尾气排放方面，燃用优化后2#柴油时的排放表现最好，其次是燃用中石化0#柴油。因此，车用柴油机在燃用柴油时，尽量选择优化后2#柴油和中石化0#柴油。（2）将试验柴油机作为船用，燃用优化后2#柴油时，柴油机的振动烈度的数值最为稳定，产生振动最小，对于乘客而言，舒适度最高。其次是燃用中石化1#柴油。在尾气排放方面，燃用优化后2#柴油时的排放表现最好，其次是燃用中石化0#柴油。综合来看，将优化后2#柴油作为燃料为最优策略。 本文的特色在于：在试验台架上，通过分别调节柴油机在外特性和推进特性的不同工况，同时对振动、噪声和排放进行测试，经过数据分析即可将此试验结果分别用于车用柴油机和船用柴油机。 关键词：振动；噪声；排放 Abstract In order to study the effect of different fuel quality on the vibration, noise and emissions of diesel engines, the use of LMS vibration and noise analyzers, AVL GAS 1000 emission testing equipment and other types of sensors, on a dedicated engine test bench The 4DLD-18E5 diesel engine was tested mechanically for all dynamics, economics, vibration, noise, emissions, and basic performance parameters. The quality of the diesel was evaluated by comparing the performance of different diesel engines. The dissertation mainly studies the influence of diesel quality on the vibration, noise and emission performance of the diesel engine. On the basis of a large number of literature surveys, through the establishment of a test bench, there are four kinds of diesel oil in the laboratory (Sinopec 0# diesel, optimized 1# diesel, optimized 2# diesel, and optimized 3# diesel). carry out testing. Analysis of the fuel quality has a great influence on the performance of the diesel engine. The different components of the fuel affect the combustion process of the diesel engine to a great extent, and thus have an impact on the vibration, noise and emissions of the diesel engine. The results of the study show that: (1) The test diesel engine is used as a vehicle, and the vibration noise of the 2# diesel fuel after optimization is optimal, followed by the Sinopec 0# diesel fuel. In terms of tailpipe emissions, the best performance was achieved when using optimized 2# diesel, followed by Sinopec 0# diesel. Therefore, when diesel engines are used in diesel engines, they should try to optimise 2# diesel and Sinopec 0# diesel. (2) When the pilot diesel engine is used as a ship, and the fuel oil after optimization is used for 2# diesel, the vibration intensity of the diesel engine is the most stable and the vibration is minimal. For passengers, the comfort is the highest. Followed by burning Sinopec 1# diesel. In terms of tailpipe emissions, the best performance was achieved when using optimized 2# diesel, followed by Sinopec 0# diesel. From a comprehensive point of view, optimizing the 2# diesel fuel as the optimal strategy. The characteristics of this article are: on the test bench, by adjusting the diesel engine's external conditions and different characteristics of the propulsion characteristics, and testing the vibration, noise and emissions at the same time, after the data analysis, the test results can be used for vehicle diesel engine. And marine diesel engines. Key Words: Vibration; Noise; Emissions 目 录 第一章 绪论 1 1.1 课题研究的目的和意义 1 1.2国内外研究现状 2 1.3本文研究的主要内容及技术路线 4 第二章 测试原理与实验设备 5 2.1柴油机振动测试与评价方法 5 2.1.1测点布置方案 5 2.1.2主要测试设备 5 2.1.3振动参数的提取 6 2.2柴油机噪声测试与评价方法 6 2.2.1测点布置方案 6 2.2.2主要测试设备 7 2.2.3噪声参数的提取 7 2.3柴油机排放测试原理 9 2.4试验台架与主要仪器设备 10 2.5试验方案 11 第三章 振动测试结果对比分析 13 3.1中石化0#柴油振动烈度及总振级 13 3.2优化后1#柴油振动烈度及总振级 14 3.3优化后2#柴油振动烈度及总振级 15 3.4优化后3#柴油振动烈度及总振级 16 3.5四种不同柴油对振动的影响对比分析 17 第四章 噪声测试结果对比分析 21 4.1中石化0#柴油声压级和声功率计算分析 21 4.2优化后1#柴油声压级和声功率计算分析 22 4.3优化后2#柴油声压级和声功率计算分析 23 4.4优化后3#柴油声压级和声功率计算分析 24 4.5四种不同柴油对噪声的影响对比分析 25 第五章 排放测试结果对比分析 28 5.1中石化0#柴油尾气排放各成分含量 28 5.2优化后1#柴油尾气排放各成分含量 29 5.3优化后2#柴油尾气排放各成分含量 30 5.4优化后3#柴油尾气排放各成分含量 31 5.5四种不同柴油对排放的影响对比分析 32 第六章 总结与展望 35 6.1总结 35 6.2工作展望 35 参考文献 36 致 谢 37

第一章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

汽车工业作为一项技术密集型产业，在我国的经济发展中起着至关重要的作用。近些年来，汽车工业处于跨越式发展，汽车工业的快速发展所造成的环境污染和能源短缺也日益受到关注。因此，汽车工业和相关行业已经开始采取各种措施来节约能源、减少车辆排放、研究和开发新能源。然而，根据发展的情况来看，汽油和柴油仍然需要被长期用作主要燃料。而柴油与汽油对比来说，柴油的主要优点是：柴油机具有更好的燃料经济性。汽车的实际使用经验表明，在正常的行驶情况下，汽车燃用柴油时可以节省燃料约30%，而且柴油车在中小负载下运行时可节省燃料约40%。因此，省油、低成本是柴油汽车的最大特点。另外，柴油机没有点火系统，故障相对较少，维修间隔时间长，相对来说具有更好的工作可靠性和耐久性。 当柴油机在运转时，各个部件产生的振动都是不可避免的。目前，高速、高功率、轻量化的柴油机的发展趋势带来了越来越严重的振动和噪声问题，其特点是多种来源，频带宽，情况复杂。由于对柴油机的稳定性和精度的要求变得越来越高，因此对柴油机的振动和噪声控制的要求也越来越迫切。柴油机的振动主要包括活塞—连杆—曲轴机构惯性力/力矩引起的柴油机在垂直和水平方向的振动；由各缸倾覆力矩（水平）导致的柴油机的横向（H型或X型）振动；还包括由推力轴承上轴系不平衡轴向推力造成的柴油机的纵向L型振动等。在导致柴油机振动的众多激励源中，主要有燃烧激励；进、排气阀阀座冲击和排气阀节流冲击等，并且振动也可以从一个部件传递到另一个部件，在每个激励之间会相互影响。严重的振动会削弱发动机部件，增加磨损，减少生命。发动机噪声可分为结构噪声和空气噪声。结构噪声是由发动机内部的燃烧和机械运动产生的并通过发动机结构传递。空气噪声是直接在进气和排气系统产生然后传到空气中。柴油机运行期间的振动同样会带来噪声，过大的噪声会加速操作者的疲劳，长期处于这种恶劣环境下会影响工作人员的操作能力，也会阻碍周围设备的正常运行。因而发动机的振动噪声一直是重要的研究课题。 随着汽车排放法规越来越严格和大气环境的日益恶化，汽车发动机排放的污染物控制已经成为相关领域的研究热点。在影响汽车发动机排放的诸多因素中，最为关键的是燃料特性。近年来，随着全球汽车燃料标准的日益严格，燃油特性对柴油机污染物排放的影响也日趋明显。随着电子控制技术在柴油机上的广泛应用，并且配合柴油机内部和外部污染控制技术(包括微粒捕集器、废气再循环技术、NOx还原催化剂等)，可以有效地降低氮氧化物和微粒排放。但是这些优化技术的使用通常需要在燃用具有较高的清洁性能和物化性能的车用柴油的前提下。因此制约这些新技术发展和应用的主要因素就是低品质的柴油。在严格的排放法规和日益复杂的发动机尾气净化技术的要求下，提高车用燃油油品的质量尤为重要。 改善车用燃油品质不仅可以减少燃烧过程对发动机的损伤、降低汽车污染物的排放、延长发动机净化装置的使用寿命，而且对于汽车本身来说也具有一定的减振降噪作用。国内外在对柴油的应用研究上发现柴油的不同成分对柴油机运行过程产生不同影响，如：柴油的十六烷值会影响滞燃期，使用具有较高的十六烷值的柴油会缩短滞燃期，使压力升高率降低，燃烧过程会更加柔和，可以有效降低柴油机运行时期的振动与噪声；柴油中的含氧量会使得燃烧剧烈，燃烧过程中产生的振动噪声也会更加剧烈。柴油的十六烷值、硫含量和芳香烃含量等成分会影响尾气排放，如柴油中较低的芳香烃含量和硫含量有利于降低颗粒物和碳烟的排放；柴油的十六烷值很高会导致滞燃期过短，致使HC排放量增加。 因此为了研究不同柴油的品质对柴油机造成的影响，我们开展不同燃油在柴油机外特性和推进特性下的发动机性能试验，分析不同油品对发动机振动、噪声和排放等性能影响规律，希望可以通过改变油品来改善发动机运行中的振动、噪声和排放性能。

1.2国内外研究现状

国内外的研究人员针对于不同油品对发动机的性能的影响进行了大量的研究工作，取得了很多卓有成效的研究成果。 太原理工大学的左鹏等人在4100QBZL增压中冷柴油机上进行对比试验，针对F-T柴油和甲醇在柴油机性能上的各自的优势，通过对二者进行不同配比，对比分析了F-T柴油中混合不同的甲醇含量时会对试验柴油机的燃烧过程和振动特性造成的影响。最终的研究结果表明：相比于0#柴油，在燃用F-T柴油后，滞燃期缩短，压力升高率有较大程度的降低，使得燃烧更加柔和，但是振动加速度由于受到各种冲击的综合影响会稍有增加。相对于不同配比的F-T柴油，随混合燃料中甲醇体积分数的增加，滞燃期延长，压力升高率有所增大，推迟了燃烧始点，热效率提高，振动加速度明显增加^[1]。 廖文荣等人通过不同燃油的对比试验，分别研究了柴油机在燃用F-T柴油和0#柴油时的振动特性。研究结果表明：试验柴油机在不同工况下，燃用0#柴油时柴油机的缸盖振动加速度信号的幅值均高于F-T柴油。燃用F-T柴油时高频成分的能量比0#柴油少，在200~8000Hz范围内的振动加速度都有较大幅值^[2]。 张淑华在柴油品质对内燃机性能和排放的影响研究中，论述了柴油中十六烷值、硫含量以及芳烃等含量会对柴油机的噪声和排放产生的影响。 郝斌通过对发动机进行试验研究发现，相比于燃用石化柴油，试验柴油机在分别燃用煤制柴油和生物柴油时，其法规污染物的排放量、颗粒物的排放浓度以及气相和颗粒相多环芳香烃的排放量显著降低。研究结果对于继续深入研究不同燃油品质对排放污染物的影响具有很重要的理论性参考价值^[3]。 赵磊、李凯等人为了研究柴油品质对柴油机的影响，采用了3种柴油（国Ⅲ标准柴油、国Ⅳ标准柴油和京Ⅴ标准柴油），分别在JX493ZLQ3柴油机上进行了负荷特性试验，比较和分析了分别燃用3种柴油时柴油机的经济性和排放特性。研究结果表明，在不改装柴油机的情况下，柴油品质会影响的柴油机的燃油经济性；而对一氧化碳和碳氢化合物的排放情况的影响不是很明显；对氮氧化物和PM排放影响较为明显。 高树征、张庆林、高洪歌等人在柴油机试验台架上对市场上10种柴油进行对比试验。燃用不同燃油时，分别做全负荷速度特性测试和排放测试，比较燃用不同柴油时，对试验柴油机的动力性和排放性能的影响。 Gvidonas等人在其研究文献中指出，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和尾气排放的研究并不完善，最佳混合比例问题是该研究的热点，这有利于解决不同柴油品质对柴油机在动力特性和尾气排放中的影响问题^[4]。 Wilson Merchan-Merchan 等人研究了柴油与生物柴油在排放中的碳微粒的含量。在相同的实验条件下，发现由多种测试生物柴油生产的碳微粒的直径明显小于在普通柴油中生产的碳微粒。 Orkun Özener 等人在研究中比较了分别燃用传统柴油和生物柴油时的燃烧性能和排放特性。实验表明，相对于柴油来说，燃用生物柴油使扭矩下降了1%-4%，燃油消耗量增加了月2%-9%。但是燃用生物柴油使得排放的一氧化碳显著减少，降低了28%-46%，一氧化氮降低了6.95%-17.62%，二氧化碳降低了5.03%。这说明，生物柴油可以用作环保燃料。 刘泽民等人在试验研究中发现：加入柴油添加剂之后，一氧化碳和碳氢化合物的排放量几乎没有变化；氮氧化物的排放量在一定程度上有所降低，并且排放的变化趋势与不含柴油添加剂的基础柴油相近。在加入机油添加剂之后，氮氧化物的排放量有一定程度的升高，最高可达15%；而一氧化碳和碳氢化合物的排放没有明显的改变。在PODE与基础柴油混合后，可以降低一氧化碳和碳氢化合物的排放量，随着二者掺烧比的升高，氮氧化物的排放会呈现出先升高后降低的趋势但是总体水平还是升高的。最后，经过对比不同车用柴油油品改善技术发现，20%质量比的PODE-柴油掺烧燃料（P20）对发动机的排放控制最为理想 ^[5]。

1.3本文研究的主要内容及技术路线

本试验以4DLD-18E5型号柴油机为对象，在半消音室实验室内的专用发动机试验台架上进行不同燃油在外特性下不同工况（少数工况因台架共振原因有所删减）的发动机性能试验，根据柴油机的工作原理，设计技术方案。在柴油机上按照振动传感器的国家标准GJB4058-2000安装振动传感器，在柴油机周围按照标准GJB4058-2000安装声压传感器，收集信号通过线路传给LMS测试系统，然后进行信号的分析处理。另外，在排气管处连接一根铜管然后经过两个滤器和一个气液分离器，经管路连接到AVL Gas 1000 的尾气分析系统，记录排放尾气中的一氧化碳、氧气、一氧化氮、碳氢化合物、二氧化碳等成分含量。试验结束后，通过对各组数据的处理分析，对比燃用不同柴油时的发动机性能指标，评价柴油品质优劣。 由于试验台架搭建空间有限，为了测试将此柴油机作为船机使用时的性能，所以通过电控系统模拟推进特性，试验此柴油机在作为船机使用时，分别燃用不同柴油时试验柴油机运行的各项性能。