高品质生物柴油燃烧性能评价系统技术方案

本发明专利技术公开了高品质生物柴油燃烧性能评价系统，包括实验数据库检索模块、拟合公式计算模块和机器学习预测模块。本发明专利技术可通过三个模块的使用预测高品质生物柴油与其他燃油混合之后的混合燃油的燃烧特性和排放特性，并且可通过误差曲线计算总误差比较拟合公式计算和机器学习预测的精度以确定实际应用方法。本发明专利技术主要解决的是高品质生物柴油添加应用时燃烧性能的评价问题，以反馈指导生物柴油制备工艺、调控优化生物柴油组分。同时，此发明专利技术不局限于混合了高品质生物柴油的燃油，任何系统中涉及到的燃油种类混合之后的燃烧性能都可预测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
高品质生物柴油燃烧性能评价系统


[0001]本专利技术涉及生物柴油燃烧性能领域，提供了一种使用数据软件预测燃油燃烧性能的方法及系统。

技术介绍

[0002]早在20世纪90年代，生物柴油就以其减排二氧化碳效果显著而受到重视，但由于第一代生物柴油使用过程中存在诸多问题，限制了其作为石化柴油替代品的使用前景。为了解决第一代生物柴油存在的问题，以油脂为原料、加氢催化为主要生产工艺制备的第二代生物柴油成为研究的焦点。
[0003]二代生物柴油以废弃油脂、动植物油脂等为生产原料，与以油料作物种子为原料的一代生物柴油相比，不需要占用用于种植粮食的土地，化学结构与化石柴油更为接近，而且有十六烷值更高、含硫量更低等优点，因此将二代生物柴油作为高品质生物柴油。其中由直接加氢脱氧工艺生产的二代生物柴油冷凝点高、低温流动性差，一般只能作为高十六烷值柴油添加组分。而由加氢脱氧异构工艺生产的高品质二代生物柴油有更高的十六烷值、更低的冷凝点和浊点，因此使用范围更广。
[0004]高品质生物柴油与传统低温石化柴油的掺混使用可提升非标低端柴油以达国标，而与国标柴油的掺混使用使发动机获得更低的油耗和排放。并且高品质生物柴油的产业化制备和市场推广，可降低对石化柴油的依赖，减少发动机尾气排放，为全球的节能减排做出贡献。因此对高品质生物柴油的研究重要且急切。
[0005]但是由于高品质生物柴油与其他燃料混合燃烧特性和排放特性不清晰，而且实验成本高，因此急需应用新的技术手段对不同组分混合燃油的燃烧性能进行预测评价。
专利技术内容
[0006]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于实验、公式、机器学习预测的高品质生物柴油燃烧性能的系统，能够对不同组分混合燃油的燃烧性能进行预测评价。
[0007]一种高品质生物柴油燃烧性能评价系统，使用数据软件建立包括实验数据库检索模块、拟合公式计算模块和机器学习预测模块的系统并输出混合燃油的燃烧特性和排放特性以反馈指导生物柴油制备工艺、调控优化生物柴油组分。
[0008]上述方案中，所述实验数据库检索模块包括燃油理化特性、实验工况和燃油燃烧性能。
[0009]上述方案中，所述燃油理化特性包括燃油种类和理化特性，其中，燃油种类包括纯燃油和混合燃油，燃油种类包括一代生物柴油、二代生物柴油
‑
直链、二代生物柴油
‑
异构及用于与生物柴油混合的柴油、汽油、正十二烷、甲醇、乙醇、丁醇、戊醇和辛醇，理化特性包括十六烷值、运动粘度、密度、含硫量、冷凝点和汽化潜热；其中，纯燃油的理化特性都通过实验测定；混合燃油的理化特性通过实验测定所得的数据，对于未测定过的混合燃油，其理化特性获得方式有两种：
[0010](1)对于未测定过此种混合比但测定过此种混合种类的情况，通过拟合获得；
[0011](2)对于未测定过此种混合种类的情况，通过纯燃油的理化特性按比例计算获得。
[0012]上述方案中，实验工况分为可设实验条件和固定实验条件，可设实验条件实验装置统一用高温高压定容燃烧弹，高温高压定容燃烧弹能够模拟发动机上止点的热力学环境，实验条件可控，能够调整环境温度、环境密度、环境氧含量、喷嘴直径和喷嘴压力；固定实验条件实验装置用发动机台架，固定实验条件为标准十三工况。
[0013]上述方案中，燃油燃烧性能包括燃烧特性和排放特性，规定所有值都使用统一的定义、统一的测试方式和统一的实验处理方法进行测量，燃烧特性通过定容燃烧弹实验处理获得，包括液相长度、着火延迟期、火焰浮起长度、碳烟质量和气相贯穿距；排放特性通过发动机台架实验获得，包括燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption)、CO、HC、PM和NO
X
的比排放量，由于发动机台架实验条件为标准十三工况，排放特性的定义和测量固定，而燃烧特性中的定义往往各有不同，因此，统一燃烧特性的定义、测量方式、实验处理方法为：
[0014]燃烧特性中的喷雾气相和液相轮廓分别由纹影法和阴影法获取，着火延迟期通过纹影图像判断获得，火焰浮起长度通过化学荧光法拍摄，碳烟质量基于扩散背景光消光法计算获得；
[0015]液相长度定义为当燃油蒸发速率等于燃油喷射速率时喷雾液相在轴向上稳定的最远距离，着火延迟期定义为喷射开始到高温燃烧开始之间的时间间隔，火焰浮起长度定义为喷嘴位置分别与稳定火焰反应轴上区和轴下区的最短距离的平均值，气相贯穿距定义为沿喷嘴轴线方向，喷嘴顶点与喷雾气相轮廓最远处之间的距离，碳烟质量用计算公式定义为：
[0016]m
soot
＝ρλAr
·
KL/k
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0017]其中，ρ表示碳烟密度，λ表示入射光波长，Ar表示碳烟区域的面积，K表示空间消光系数，L表示入射光在碳烟内的光学长度，k
e
表示无量纲消光系数，
[0018]其中，液相长度、着火延迟期、火焰浮起长度在单次喷雾循环中都为一个值，在测量时进行多次循环先剔除不可靠的数据再取平均值，气相贯穿距和碳烟质量都是随时间变化的一系列值，在测量时也可进行多次循环先剔除不可靠的数据再按时间点取平均值，最后结果也是一系列的值。
[0019]上述方案中，拟合公式计算模块为使用已知的拟合公式对混合燃油的燃烧特性进行预测，燃烧特性包括液相长度、着火延迟期、火焰浮起长度的拟合：
[0020]液相长度LL：
[0021]着火延迟期ID：
[0022]火焰浮起长度LOL：
[0023]其中，d表示喷嘴直径，ρ
f
表示燃油密度，ρ
a
表示环境密度，n表示组成混合燃油的种类，m
i
表示质量分数，h
vap,i
表示汽化潜热，T
b,max
表示最高沸点，T
f
表示燃油初始温度，C
p,i
表示组分比热，C
p,a
表示环境比热，T
a
表示环境温度，u
a
表示运动粘度，P
inj
表示喷射压力，P
a
表示环境压力，O2％表示环境氧含量，Z
st
表示化学计量燃料质量分数，CN表示燃油的十六烷值，A、B、C、D、E、F表示常数，通过已知的实验数据回归得到。
[0024]上述方案中，机器学习预测模块通过使用机器学习对燃油的燃烧性能进行预测，具体步骤如下：
[0025]S1：以实验数据库检索模块所用实验数据库作为数据集；
[0026]S2：根据输入与输出分为四种模型，分别对数据进行初筛和归一化，划分为训练集和测试集，用训练集训练出预测模型：模型一用于预测燃油在不同实验条件下的喷雾燃烧特性中的液相长度、着火延迟期和火焰浮起长度；模型二用于预测燃油在标准十三工况下的排放特性；模型三用于预测燃油的气相贯穿距；模型四用于预测燃油的碳烟质量，其中模型一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高品质生物柴油燃烧性能评价系统，其特征在于，使用数据软件建立包括实验数据库检索模块、拟合公式计算模块和机器学习预测模块的系统并输出混合燃油的燃烧特性和排放特性以反馈指导生物柴油制备工艺、调控优化生物柴油组分。2.根据权利要求1所述的高品质生物柴油燃烧性能评价系统，其特征在于，所述实验数据库检索模块包括燃油理化特性、实验工况和燃油燃烧性能。3.根据权利要求2所述的高品质生物柴油燃烧性能评价系统，其特征在于，所述燃油理化特性包括燃油种类和理化特性，其中，燃油种类包括纯燃油和混合燃油，燃油种类包括一代生物柴油、二代生物柴油
‑
直链、二代生物柴油
‑
异构及用于与生物柴油混合的柴油、汽油、正十二烷、甲醇、乙醇、丁醇、戊醇和辛醇，理化特性包括十六烷值、运动粘度、密度、含硫量、冷凝点和汽化潜热；其中，纯燃油的理化特性都通过实验测定；混合燃油的理化特性通过实验测定所得的数据，对于未测定过的混合燃油，其理化特性获得方式有两种：(1)对于未测定过此种混合比但测定过此种混合种类的情况，通过拟合获得；(2)对于未测定过此种混合种类的情况，通过纯燃油的理化特性按比例计算获得。4.根据权利要求2所述的高品质生物柴油燃烧性能评价系统，其特征在于，实验工况分为可设实验条件和固定实验条件，可设实验条件实验装置统一用高温高压定容燃烧弹，高温高压定容燃烧弹能够模拟发动机上止点的热力学环境，实验条件可控，能够调整环境温度、环境密度、环境氧含量、喷嘴直径和喷嘴压力；固定实验条件实验装置用发动机台架，固定实验条件为标准十三工况。5.根据权利要求2所述的高品质生物柴油燃烧性能评价系统，其特征在于，燃油燃烧性能包括燃烧特性和排放特性，规定所有值都使用统一的定义、统一的测试方式和统一的实验处理方法进行测量，燃烧特性通过定容燃烧弹实验处理获得，包括液相长度、着火延迟期、火焰浮起长度、碳烟质量和气相贯穿距；排放特性通过发动机台架实验获得，包括燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption)、CO、HC、PM和NO
X
的比排放量，由于发动机台架实验条件为标准十三工况，排放特性的定义和测量固定，而燃烧特性中的定义往往各有不同，因此，统一燃烧特性的定义、测量方式、实验处理方法为：燃烧特性中的喷雾气相和液相轮廓分别由纹影法和阴影法获取，着火延迟期通过纹影图像判断获得，火焰浮起长度通过化学荧光法拍摄，碳烟质量基于扩散背景光消光法计算获得；液相长度定义为当燃油蒸发速率等于燃油喷射速率时喷雾液相在轴向上稳定的最远距离，着火延迟期定义为喷射开始到高温燃烧开始之间的时间间隔，火焰浮起长度定义为喷嘴位置分别与稳定火焰反应轴上区和轴下区的最短距离的平均值，气相贯穿距定义为沿喷嘴轴线方向，喷嘴顶点与喷雾气相轮廓最远处之间的距离，碳烟质量用计算公式定义为：m
soot
＝ρλAr
·
KL/k
e
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，ρ表示碳烟密度，λ表示入射光波长，Ar表示碳烟区域的面积，K表示空间消光系数，L表示入射光在碳烟内的光学长度，k
e
表示无量纲消光系数，其中，液相长度、着火延迟期、火焰浮起长度在单次喷雾循环中都为一个值，在测量时进行多次循环先剔除不可靠的数据再取平均值，气相贯穿距和碳烟质量都是随时间变化的一系列值，在测量时也可进行多次循环先剔除不可靠的数据再按时间点取平均值，最后结果也是一系列的值。
6.根据权利要求1所述的高品质生物柴油燃烧性能评价系统，其特征在于，拟合公式计算模块为使用已知的拟合公式对混合燃油的燃烧特性进行预测，燃烧特性包括液相长度、着火延迟期、火焰浮起长度的拟合：液相长度LL：着火延迟期ID：火焰浮起长度LOL：其中，d表示喷嘴直径，ρ
f
表示燃油...

【专利技术属性】
技术研发人员：玄铁民，刘丹，何志霞，钟汶君，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：