F-T柴油對電控高壓共軌柴油機(jī)燃燒特性的影響

劉立東，宋崇林，呂 剛，張華偉，裴毅強(qiáng)

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

煤通過氣化，再經(jīng) Fischer-Tropsch(F-T)催化反應(yīng)合成，可獲得十六烷值高、幾乎不含硫和芳香烴的F-T柴油[1]，F(xiàn)-T柴油因其優(yōu)良的特性，被公認(rèn)為最具潛力的普通柴油替代燃料之一．美國能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究表明， F-T柴油十六烷值較高，發(fā)動機(jī)在燃用 F-T柴油時(shí)，其滯燃期比輕柴油短，平均縮短了約30%，由此導(dǎo)致參與預(yù)混燃燒的燃油量較少，預(yù)混燃燒放熱峰值較低，最高燃燒壓力較輕柴油略低或相當(dāng)，而且所在相位有所延遲，排氣溫度下降，最高壓力升高率也較輕柴油低得多，燃燒較柔和[2]；Yehliu等[3-4]研究表明，在相同的噴油提前角時(shí)，與低硫柴油和生物柴油相比，F(xiàn)-T柴油滯燃期明顯縮短，預(yù)混燃燒放熱峰值提前，燃油消耗率降低，并且發(fā)動機(jī)污染物的排放量均較普通柴油和生物柴油降低．黃勇成等[5]研究顯示，隨著混合燃料(0號柴油與 F-T柴油)中 F-T柴油比例的增加，預(yù)混燃燒放熱峰值降低，擴(kuò)散燃燒放熱峰值增大，燃燒持續(xù)期略有延長，缸內(nèi)最高燃燒壓力和氣體最高平均溫度降低，最大壓力升高率顯著下降，發(fā)動機(jī)的燃燒噪音和機(jī)械損失減小，有效燃油消耗率和有效熱效率得到改善．我國從 2006年就開始了F-T柴油的產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)已具有一定的生產(chǎn)規(guī)模，但是由于合成工藝及煤種的不同，生產(chǎn)出的 FT柴油物理化學(xué)特性有所差異，這必然影響發(fā)動機(jī)燃燒過程，而國內(nèi)在電控高壓共軌柴油機(jī)上開展的相應(yīng)研究工作甚少．鑒于此，筆者在研究了 F-T柴油的排放特性優(yōu)于國Ⅲ柴油的基礎(chǔ)上，對比研究了國Ⅲ柴油和F-T柴油對電控高壓共軌、排放滿足國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的影響，研究工作對于今后F-T柴油的廣泛應(yīng)用具有指導(dǎo)意義．

1 燃料的理化性質(zhì)及試驗(yàn)用柴油機(jī)

本試驗(yàn)所用 0號國Ⅲ柴油為中石油燕山石化公司產(chǎn)品，F(xiàn)-T柴油由中科院山西煤化所中科合成油有限公司提供，表 1給出了國Ⅲ柴油(記為柴油)、F-T柴油的主要物性參數(shù)．

表1 2種燃料的主要物性參數(shù)Tab.1 Main physical properties of two fuels

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為雷沃動力(天津)有限公司生產(chǎn)的 Phaser140Ti-E30型電控高壓共軌柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：缸徑×行程為 100,mm×127,mm、排量為 3.98,L、標(biāo)定轉(zhuǎn)速為 2,500,r/min、最大扭矩/轉(zhuǎn)速為446,N·m/1,600,r/min、最高共軌壓力為 160,MPa．缸內(nèi)壓力信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號由 Kistler公司的壓力傳感器及電荷放大器和角標(biāo)器獲得，數(shù)據(jù)采集利用美國NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡，燃燒分析系統(tǒng)采用LabVIEW 軟件自行編制而成．為了研究 F-T柴油和柴油對電控高壓共軌柴油機(jī)燃燒特性的影響，本文選擇了最大扭矩轉(zhuǎn)速 1,600,r/min及油門處于 50%位置(噴油脈寬，負(fù)荷)的工況，且有預(yù)噴(預(yù)噴角度相對于主噴角度為 13°CA)和后噴(后噴時(shí)間相對于壓縮上止點(diǎn)向后延遲1.8,ms)．

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)動機(jī)壓力升高率分析

圖1給出了柴油機(jī)燃用2種燃料時(shí)，不同噴油角度下汽缸壓力及壓力升高率的對比．從圖1可以看出，缸壓的2個(gè)尖峰分別對應(yīng)預(yù)噴燃燒和主噴燃燒，且柴油缸壓高于 F-T柴油．其原因主要為：F-T柴油的十六烷值高于柴油，滯燃期縮短，燃燒較柴油柔和，放熱峰值較低，相應(yīng)的缸壓也較低．

從圖1中可以看出，2種燃料的最高壓力升高率均出現(xiàn)在預(yù)噴著火階段，且柴油在此處的壓力升高率曲線呈尖峰狀態(tài)，說明其缸內(nèi)壓力變化劇烈，而F-T柴油此處的壓力升高率曲線較平緩，說明缸壓變化較柔和．由于預(yù)噴射壓力升高率對燃燒噪聲影響很大[6]，所以，發(fā)動機(jī)燃用F-T柴油，可以降低整機(jī)噪聲．主噴射著火后，F(xiàn)-T柴油的最高壓力升高率大于柴油，但此時(shí)最高壓力升高率只有預(yù)噴時(shí)的20%左右．

圖2給出了在不同預(yù)噴射角條件下，2種燃料最高壓力升高率及其對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的對比．由圖 2可知，隨著預(yù)噴射角向上止點(diǎn)靠近，2種燃料最高壓力升高率均逐漸降低．并且，除預(yù)噴角 11°CA 時(shí) F-T柴油的最高壓力升高率與柴油相近，其他預(yù)噴射角均是 F-T柴油低于柴油．其原因?yàn)?F-T柴油十六烷值高于柴油，燃料滯燃期縮短，壓力升高率平緩，最高燃燒壓力也較低．而隨著噴射角向上止點(diǎn)靠近，缸內(nèi)溫度逐漸升高，柴油與 F-T柴油的滯燃期相差不大，所以其最高壓力升高率相近．

圖1 不同預(yù)噴射角2種燃料壓力升高率及缸壓對比Fig.1 Comparisons of pressure rise rates and in-cylinder pressures of the two types of fuels with different pilot injection angles

圖2 不同預(yù)噴射角2種燃料最高壓力升高率及對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的對比Fig.2 Comparisons of maximum pressure rise rates of the two types of fuels and their corresponding crank angles with different pilot injection angles

最高壓力升高率對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角柴油比 F-T柴油靠近上止點(diǎn)．其原因同樣決定于燃料的十六烷值的高低．

2.2 發(fā)動機(jī)燃燒放熱率分析

圖3給出了柴油機(jī)燃用柴油和F-T柴油時(shí)，隨著不同主噴油角度的變化，缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率及相應(yīng)缸壓的對比．圖中瞬時(shí)放熱率的 3個(gè)尖峰分別由預(yù)噴燃燒、主噴燃燒和后噴燃燒形成，3種噴油角度對應(yīng)缸壓和瞬時(shí)放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化趨勢均相同．由圖 3(a)可以看出在預(yù)噴射時(shí)，F(xiàn)-T柴油先于柴油著火，且F-T柴油的滯燃期較柴油縮短 14%左右．預(yù)噴射燃燒持續(xù)期柴油大約是 F-T柴油的 2倍．其原因?yàn)椋弘m然預(yù)噴時(shí)柴油機(jī)缸內(nèi)溫度較低，但 F-T柴油的十六烷值高，黏度較柴油低，且重餾分少，易蒸發(fā)霧化，所以燃燒較柴油迅速．在上止點(diǎn)前 2 °CA 的主噴射后，燃料經(jīng)過極短的滯燃期迅速著火，由于此時(shí)缸內(nèi)溫度較高，F(xiàn)-T柴油和柴油的滯燃期均較短，所以F-T柴油與柴油幾乎同時(shí)達(dá)到最高燃燒放熱峰值，而 F-T柴油的燃燒持續(xù)期略短于柴油．后噴射燃燒時(shí)，隨著活塞下行且主噴射燃燒接近尾聲，缸內(nèi)溫度有所下降，F(xiàn)-T柴油的高十六烷值優(yōu)勢又占主導(dǎo)位置，致使其先于柴油著火，放熱峰值與柴油相當(dāng)，燃燒持續(xù)期仍然略低于柴油．

圖3 不同主噴射角2種燃料瞬時(shí)放熱率及缸壓對比Fig.3 Comparisons of heat release rates and in-cylinder pressures the of two types of fuels with different main injection angles

整個(gè)燃燒過程中，F(xiàn)-T柴油的燃燒持續(xù)期略短于柴油，致使其所對應(yīng)的氣缸壓力略低于柴油．

圖3(b)和(c)2種噴射角的燃燒放熱率趨勢與圖3(a)相同，只是隨著噴油角度的推遲，燃燒相位也相應(yīng)推遲．

圖4給出了不同預(yù)噴射角 2種燃料放熱峰值的對比．從圖 4中可以看出，F(xiàn)-T柴油的預(yù)噴射放熱峰值明顯低于柴油．其原因?yàn)轭A(yù)噴燃燒階段屬于預(yù)混燃燒，且 F-T柴油的十六烷值極高，燃燒柔和．在放熱峰值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角圖中，F(xiàn)-T柴油較柴油離上止點(diǎn)遠(yuǎn)，說明F-T柴油均是先于柴油達(dá)到放熱峰值點(diǎn)．

圖4 不同預(yù)噴射角2種燃料放熱峰值對比Fig.4 Comparison of peak value of heat release rate of the two types of fuels with different pilot injection angles

圖5 給出了不同主噴射角時(shí)2種燃料放熱峰值的對比．由圖5可以看出，上止點(diǎn)前F-T柴油的放熱峰值低于柴油，隨著主噴射角向后推移，在上止點(diǎn)后F-T柴油和柴油趨于接近．這種現(xiàn)象主要原因?yàn)椋涸谏现裹c(diǎn)前，2種燃料與空氣的混合較充分，燃燒質(zhì)量基本相近，但是由于 F-T柴油的密度與熱值乘積小于柴油[7]，試驗(yàn)中噴油脈寬又未單獨(dú)針對F-T柴油更改，同等體積量的F-T柴油放熱量低于柴油；而在上止點(diǎn)后，活塞已經(jīng)下行，氣流運(yùn)動強(qiáng)度減弱，燃料與空氣的混合不充分導(dǎo)致燃燒質(zhì)量下降，而此時(shí)，F(xiàn)-T柴油的優(yōu)良特性致使燃燒質(zhì)量優(yōu)于柴油而使得兩者的放熱峰值接近．另外，從放熱峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角圖可以看出，F(xiàn)-T柴油的放熱峰值點(diǎn)在柴油之下，原因是預(yù)噴著火燃燒后，主噴射在極短的滯燃期后迅速著火，F(xiàn)-T柴油蒸發(fā)、擴(kuò)散和燃燒速率較快而率先迅速燃燒[8]，致使先于柴油達(dá)到放熱峰值；同時(shí)說明F-T柴油在相對較低的膨脹比下放熱，熱量能夠有效地利用，提高了燃料的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還可降低排氣溫度[9]．

圖5 不同主噴射角2種燃料放熱峰值對比Fig.5 Comparison of peak values of heat release rate of the two types of fuels with different main injection angles

圖6 為發(fā)動機(jī)的外特性．由圖6可以看出，發(fā)動機(jī)燃用F-T柴油發(fā)出的扭矩較柴油略有減少，在最大扭矩轉(zhuǎn)速即1,600,r/min時(shí)降低2.2%，其余工況接近．

圖7和圖8為發(fā)動機(jī)外特性上的燃油消耗率和有效熱效率對比．由圖7和圖8可以看出，F(xiàn)-T柴油的燃油消耗率低于柴油，平均降低了7.1%，而有效熱效率平均提高了4.5%．

綜上所述，對使用F-T柴油發(fā)動機(jī)的噴油脈寬和噴油提前角以及其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重新標(biāo)定后，F(xiàn)-T柴油完全可以替代柴油應(yīng)用在電控高壓共軌柴油機(jī)上．

圖6 2種燃料的外特性對比Fig.6 Comparison of full-load performance curves of the two types of fuels

圖7 外特性上2種燃料的燃油消耗率對比Fig.7 Comparison of brake specific fuel consumption of the two types of fuels on full-load performance curves

圖8 外特性上2種燃料的有效熱效率對比Fig.8 Comparison of thermal efficiencies of the two types of fuels on full-load performance curves

3 結(jié) 論

(1) 在柴油機(jī)預(yù)、主噴射脈寬未做調(diào)整情況下，F(xiàn)-T柴油的缸壓略低于柴油；2種燃料的最高壓力升高率均出現(xiàn)在預(yù)噴射著火階段，且F-T柴油明顯低于柴油；主噴射時(shí)，F(xiàn)-T柴油的最高壓力升高率高于柴油，但僅為預(yù)噴時(shí)的20%左右．

(2) 預(yù)噴射時(shí)，F(xiàn)-T柴油的滯燃期及燃燒持續(xù)期均較柴油縮短，放熱峰值低于柴油．

(3) 主噴射時(shí)，F(xiàn)-T柴油先于柴油著火現(xiàn)象不明顯，且放熱峰值與柴油相差不大；后噴射時(shí)，F(xiàn)-T柴油先于柴油著火，放熱峰值與柴油相當(dāng)，燃燒持續(xù)期略低于柴油．

(4) 在發(fā)動機(jī)的外特性上，與柴油相比，F(xiàn)-T柴油的動力性略有下降，燃油消耗率平均降低了 7.1%，有效熱效率平均提高了4.5%．

致謝：

本研究工作得到中科院山西煤化所中科合成油有限公司的資助！

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