航空燃油 JP-8 應用於柴油引擎的燃燒特性分析

This research is to investigate about combustion characteristics,engine performance and pollution emission by adding aviation fuel JP-8 into six cylinder diesel engine.and choosing operation point from European Steady State Cycle (ESC) to do steady state experiment, including mode7(1650rpm,25%load),mode11(1950rpm,25%load), mode2 (1650rpm,100%load) and mode10 (1950rpm,25%load).These four modes can do comparison by the same engine speed but different load and same load but different engine speed. This research also establish the common rail system in the first cylinder,it means to move out the original fueling system from first cylinder,and use the independent motor to connect common rail and injector, PLC is used to control the injection timing.This studyis to investigate the combustion characteristics of JP-8 by changing injection timing, common rail pressure and engine speed.The results reveal that the fuel consumption of JP-8 is lower than diesel fuel about 6~10%, leads to the lower torque about 10% in full load.BSFC is higher than diesel fuel, it become better after adjust 2°crank angle.COV of JP-8 is lower than 3% in every mode , almost the same with diesel fuel.It is obviously about ignition deley of JP-8.JP-8 is longer than diesel fuel in θsoc about 2°~4°, that is 0.0003~0.0004 sec.In common rail system, θsoc of JP-8 is close to diesel fuel by adjusting 2°crank angle,and pressure of JP-8 is close to diesel fuel by 2~4°crank angle.Maximan pressure of JP-8 is higher by raise the common rail pressure to 250 bar.JP-8 is delay for 1°in θsoc by raise engine speed from 750 to 1000rpm.NOx is lower than diesel fuel about 4~14% in every mode,and opacity and PM are 50% lower than diesel fuel. keywords : JP-8 , diesel engine , common rail system , cylinder pressure, injection timing本研究以航空燃油 JP-8 為燃料，加入一具六缸柴油引擎，利用 歐 盟 穩 態 測 試 程 序 (ESC) 進 行 穩 態 測 試 ， 選 擇 操 作 點 為 mode7(1650rpm，25%load)、mode11 (1950rpm，25%load) 、mode2 (1650rpm，100%load) 和 mode11 (1950rpm，100%load)，利用上述四點即可進行同轉速不同負載或是同負載不同轉速情形下的比較，探討其燃燒特性、引擎性能、污染物排放等。本研究另在測試引擎中第一缸位置建立一套共軌噴射系統，即移除第一缸原本的噴油系統，改由利用外部馬達帶動油泵，連接至共軌管及共軌式噴嘴，搭配 PLC 可程式控制器進行控制。本研究改變噴油角度、共軌壓力及引擎轉速來探討 JP-8 的燃燒特性。其結果顯示 JP-8 在各操作條件下 JP-8 的燃油消耗率比柴油低約 6~10%，使得 JP-8 在扭力輸出亦低於柴油，在全負載下有 10%的差距。BSFC 則較高於柴油，此情況在噴油角度提前 2°後有較明顯改善 JP-8 在各個模式下的 COV 值均低於 3% 與柴油相近JP-8。有明顯的燃燒延遲的現象，燃燒起始角約有 2°~4°的差異，約比柴油晚0.0003~0.由0004 sec。共軌系統改變噴油角度，JP-8 噴油角度提前 2°後燃燒起始點會比較接近，若將 JP-8 噴油角度提前 2~4°後在最高汽缸壓力表現上會較接近。改變共軌壓力，共軌壓力 250 bar 在最大壓 力與燃燒起始角均高於和早於 150 bar，提早約 1°。引擎運轉於 1000 rpm 時，在相同噴油角度下有延遲約 1°。NOx 排放 JP-8 在各模式下 約有 4~14%的降幅，而不透光率及 PM 排放皆有 20~50%的降幅。 關鍵字: JP-8、柴油引擎、共軌噴射系統、汽缸壓力、噴油正時致謝................................................... I 中文摘要............................................... II 英文摘要.............................................. III 目錄.................................................. IV 圖目錄................................................ VI 表目錄................................................ IX 第一章、緒論 ........................................... 1 1.1 前言............................................... 1 1.2 研究目的............................................ 4 1.3 研究方法............................................ 5 1.4 文獻回顧............................................ 6 第二章、實驗設備、系統建立及測試程序 ..................... 11 2.1 實驗引擎及基本量測 ................................. 11 2.1.1 測試引擎 .................................... 13 2.1.2 引擎動力計 .................................. 16 2.1.3 燃油消耗量量測 .............................. 17 2.1.4 引擎進氣量量測 .............................. 17 2.1.5 噴油正時調整 ................................ 18 2.1.6 汙染物量測 .................................. 20 2.1.7PM 及 PM2.5 稀釋道採樣系統 .................... 25 2.1.8 汽缸壓力量測系統 ............................. 30 2.2 引擎穩態測試程序 ................................... 30 2.3 共軌噴射系統之設計建立 ............................. 33 2.3.1 共軌噴射系統構成 ............................. 33 2.3.2 共軌系統之設備 .............................. 35 第三章、燃燒特性相關理論模式 ............................ 45 3.1 平均有效壓力 ...................................... 45 3.2 燃燒穩定性......................................... 47 3.3 熱釋放率........................................... 48 3.4 指示熱效率......................................... 49 3.5 汽缸內氣體溫度 .................................... 50 3.6 點火延遲時間 ...................................... 50 第四章、JP-8 應用於柴油引擎燃燒特性之探討 .................52 4.1 航空燃油 JP-8 基本性質 ..............................52 4.2 航空燃油 JP-8 燃燒特性探討...........................53 4.2.1 各操作條件下引擎性能影響 .......................54 4.2.2 各操作條件下汽缸壓力與燃燒穩定性 ...............60 4.2.3 各操作條件下熱釋放率及著火延遲探討 ..............69 4.2.4 各操作條件下排放汙染影響 .......................79 4.3 航空燃油 JP-8 應用於共軌噴射系統燃燒特性探討 ..........85 4.3.1 改變噴油角度之燃燒特性比較 .....................85 4.3.2 改變共軌壓力之燃燒特性比較 .....................89 4.3.3 改變引擎轉速之燃燒特性比較 .....................92 第五章、結論 .......................................... 95 參考文獻............................................... 98 附件一、航空燃油 JP-8 檢驗報告 ......................... 102 圖目錄 圖 1- 1 共軌第一缸系統圖 ................................ 5 圖 2- 1 本研究整體實驗設備設置圖 ........................ 12 圖 2- 2 日野(HINO)公司 W06E 柴油引擎 ................... 13 圖 2- 3 日野(HINO)W06E 柴油引擎剖面圖 .................. 14 圖 2- 4 日野(HINO)W06E 柴油引擎性能曲線圖 ............... 14 圖 2- 5 SCHENCK-W230 引擎動力計 ....................... 16 圖 2- 6 SHINKO 電子式磅秤 ............................. 17 圖 2- 7 Meriam 50MC2-4F 層流式流量計 .................. 18 圖 2- 8 MEXA 441JE 排氣分析儀 ......................... 18 圖 2- 9 NGK NOx sensor ............................... 19 圖 2- 10 MA-200A 光學式煙度計 ......................... 19 圖 2- 11 汽缸壓力量測系統 .............................. 20 圖 2- 12 AVL GH13P 汽缸壓力計.......................... 21 圖 2- 13 研華 USB-4716 高速信號擷取卡 .................. 22 圖 2- 14 BEI-H25 旋轉編碼器 ........................... 23 圖 2- 15 KISTLER-5011 電荷訊號放大器 ................... 24 圖 2- 16 PM 採樣設備系統示意圖 ......................... 25 圖 2- 17 稀釋道系統示意圖 .............................. 26 圖 2- 18 採樣筒(左)與旋風分離器(右)...................... 27 圖 2- 19 高溫烘烤爐(左)及五位電子天平(右)................ 27 圖 2- 20 正時器正時線示意圖 ............................ 30 圖 2- 21 歐盟穩態測試(ESC)之 13Mode..................... 32 圖 2- 22 共軌噴射系統架構圖 ............................ 34 圖 2- 23 電裝(Denso)高壓供油泵 ......................... 35 圖 2- 24 運用 555IC 製作 PWM 信號接線圖 ................ 35 圖 2- 25 PWM 訊號 20% Duty Time(左)、80% Duty Time(右). 35 圖 2- 26 博世(Bosch)四缸共軌管 ......................... 36 圖 2- 27 Atlantis 高壓指針式壓力錶 ..................... 36 圖 2- 28 電裝(Denso)共軌噴油嘴 ......................... 37 圖 2- 29 電裝(Denso)柴油噴嘴驅動器 EDU ................. 38 圖 2- 30 伺服馬達及伺服馬達驅動器 ....................... 40 圖 2- 31 伺服馬達速度模式接線圖 ......................... 42 圖 2- 32 Kuble 旋轉編碼器 ............................. 43 圖 2- 33 三菱 FX3U PLC 可程式控制器..................... 44 圖 2- 34 普羅菲斯(Proface)控制介面 ..................... 44 圖 3- 1 柴油引擎燃燒過程示意圖 .......................... 50 圖 4- 1 各操作條件下 JP-8 及柴油的燃油消耗率 ............ 54 圖 4- 2 各操作條件下 JP-8 及柴油的輸出扭力 .............. 55 圖 4- 3 各操作條件下 JP-8 及柴油的空燃比 ................ 56 圖 4- 4 各操作條件下 JP-8 及柴油的制動燃油消耗率 ......... 57 圖 4- 5 各操作條件下 JP-8 及柴油的制動單位能量消耗率 ..... 58 圖 4- 6 各操作條件下 JP-8 及柴油的熱效率 ................ 58 圖 4- 7 各操作條件下 JP-8 及柴油的制動平均有效壓力 ....... 59 圖 4- 8 mode7(1650rpm，25%load)JP-8 及柴油的汽缸壓力.... 60 圖 4- 9 mode11(1950rpm，25%load)JP-8 及柴油的汽缸壓力 .. 61 圖 4- 10 mode2(1650rpm，100%load)JP-8 及柴油的汽缸壓力.. 62 圖 4- 11 mode10(1950rpm，100%load)JP-8 及柴油的汽缸壓力. 62 圖 4- 12 各操作條件下 JP-8 及柴油指示平均有效壓力 ........ 65 圖 4- 13 柴油-100 組連續循環的指示平均有效壓力............ 66 圖 4- 14 JP-8(8°BTDC)-100 組連續循環的指示平均有效壓力 .. 67 圖 4- 15 JP-8(10°BTDC)-100 組連續循環的指示平均有效壓力 . 67 圖 4- 16 mode7(1650rpm，25%load)下 JP-8 及柴油之熱釋放率 69 圖 4- 17 mode11(1950rpm，25%load)下 JP-8 及柴油之熱釋放率 ...................................................... 70 圖 4- 18 mode2(1650rpm，100%load)下 JP-8 及柴油之熱釋放率.................................................... 70 圖 4- 19 mode10(1950rpm，100%load)下 JP-8 及柴油之熱釋放率.................................................... 71 圖 4- 20 mode7(1650rpm，25%load)下 JP-8 及柴油之總熱釋放.................................................... 72 圖 4- 21 mode11(1950rpm，25%load)下 JP-8 及柴油之總熱釋放 ...................................................... 73 圖 4- 22 mode2(1650rpm，100%load)下 JP-8 及柴油之總熱釋放.................................................... 74 圖 4- 23 mode10(1950rpm，100%load)下 JP-8 及柴油之總熱釋放.................................................... 74 圖 4- 24 mode7(1650rpm，25%load)下 JP-8 及柴油之燃燒溫度.................................................... 75 圖 4- 25 mode11(1950rpm，25%load)下 JP-8 及柴油之燃燒溫度 ...................................................... 76 圖 4- 26 mode2(1650rpm，100%load)下 JP-8 及柴油之燃燒溫度.................................................... 76 圖 4- 27 mode10(1950rpm，100%load)下 JP-8 及柴油之燃燒溫度.................................................... 77 圖 4- 28 各操作條件下 JP-8 及柴油的一氧化碳(CO)濃度.................................................... 79 圖 4- 29 各操作條件下 JP-8 及柴油單位輸出功的一氧化碳(CO)排放.................................................... 79 圖 4- 30 各操作條件下 JP-8 及柴油的氮氧化物(NOx)濃度 ..... 80 圖 4- 31 各操作條件下 JP-8 及柴油單位輸出功率的氮氧化物排放 81 圖 4- 32 各操作條件下 JP-8 及柴油的不透光率 ............. 81 圖 4- 33 各操作條件下 JP-8 及柴油的排放微粒(PM)濃度 ...... 82 圖 4- 34 各操作條件下 JP-8 及柴油的排放微粒(PM2.5)濃度 ... 83 圖 4- 35 柴油及 JP-8 改變噴油角度之汽缸壓力變化圖(750rpm,250bar)....................................... 86 圖 4- 36 柴油及 JP-8 改變噴油角度之熱釋放率變化圖(750rpm,250bar) ...................................... 87 圖 4- 37 柴油及 JP-8 改變噴油角度之總熱釋放變化圖(750rpm,250bar) ...................................... 87 圖 4- 38 柴油及 JP-8 改變噴油角度之燃燒溫度變化圖(750rpm,250bar) ...................................... 88 圖 4- 39 柴油及 JP-8 於 750rpm,250bar 改變噴油角度的著火延遲時間 ................................................. 89 圖 4- 40 JP-8 改變共軌壓力( 150bar 和 250bar )的汽缸壓力變化圖 ................................................... 90 圖 4- 41 JP-8 改變共軌壓力( 150bar 和 250bar )的熱釋放率變化圖 ................................................... 90 圖 4- 42 JP-8 改變共軌壓力( 150bar 和 250bar )的總熱釋放變化圖 ................................................... 91 圖 4- 43 JP-8 改變共軌壓力( 150bar 和 250bar )的燃燒溫度變化圖 ................................................... 91 圖 4- 44 JP-8 改變引擎轉速( 750rpm 和 1000rpm )的汽缸壓力變化圖 ................................................. 92 圖 4- 45 JP-8 改變引擎轉速( 750rpm 和 1000rpm )的熱釋放率變化圖 ................................................. 93 圖 4- 46 JP-8 改變引擎轉速( 750rpm 和 1000rpm )的總熱釋放變化圖 ................................................. 93 圖 4- 47 JP-8 改變引擎轉速( 750rpm 和 1000rpm )的著火延遲時間 ................................................... 94 圖 4- 48 JP-8 改變引擎轉速( 750rpm 和 1000rpm )的燃燒溫度變化圖 ................................................. 94 表目錄 表 1- 1 全台灣柴油車與汽油車總數 ......................... 1 表 1- 2 台灣重型柴油車各期排放法規 ....................... 2 表 1- 3 柴油與 JP-8 文獻整理 ........................... 10 表 2- 1 日野(HINO) W06E 柴油引擎參數及裝置種類 .......... 15 表 2- 2 SCHENCK-W230 引擎動力計規格 .................... 16 表 2- 3 MEXA 441JE 排氣分析儀規格 ...................... 19 表 2- 4 研華 USB-4716 高速信號擷取卡規格 ................ 22 表 2- 5 BEI-H25 旋轉編碼器訊號線說明 ................... 23 表 2- 6 引擎 13 Mode 的測試條件......................... 32 表 2- 7 電裝(Denso)柴油噴嘴驅動器 EDU 接腳定義 .......... 39 表 2- 8 伺服驅動器的連接線與端子記號說明 ................. 41 表 2- 9 伺服驅動器 CN1 接腳定義 ........................ 41 表 3- 1 汽缸體積符號代表意義 ........................... 46 表 4- 1 航空燃油 JP-8 基本性質表 ....................... 53 表 4- 2 各操作條件下 JP-8 與柴油的最大汽缸壓力及發生角度 .. 64 表 4- 3 各操作條件下 JP-8 與柴油的最大汽缸壓力上升率及發生角度 ...................................................... 64 表 4- 4 各操作條件下 JP-8 及柴油指示循環變異係數 ......... 68 表 4- 5 JP-8 及柴油的最高燃燒溫度與發生角度 ............. 77 表 4- 6 JP-8 及柴油的著火延遲角度與時間 ................. 78 表 4- 7 JP-8 各模式下排氣污染與柴油相比的降幅 ............ 8