柴油機燃用煤制柴油的性能和排放

尹 超，王鳳濱，董大陸

(1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162； 2.天津大學，內(nèi)燃機國家重點實驗室，天津 300072)

前言

目前，車用柴油的生產(chǎn)主要依賴于石油，隨著石油資源的不斷減少，尋找其替代能源刻不容緩[1]。我國石油資源匱乏，而煤炭資源豐富，大力發(fā)展煤炭液化產(chǎn)業(yè)無疑是保證國家能源安全最有效的手段[2]。

以煤為原料制取柴油的途徑主要分為間接液化和直接液化兩種方式：煤的間接液化是以煤氣化制備的合成氣為原料，在一定的溫度和壓力下，定向的催化合成烴類燃料和化工原料的工藝，也稱為費托合成；煤的直接液化是煤在適當?shù)臏囟群蛪毫ο拢呋託淞鸦梢后w烴類，并脫除煤中氮、氧和硫等雜質(zhì)元素的工藝[3]。間接液化可以生產(chǎn)具有十六烷值高、無硫和低芳香烴含量等優(yōu)點的優(yōu)質(zhì)柴油。直接液化可以生產(chǎn)高標號的汽油，但柴油餾分的芳香烴含量較高，因此十六烷值較低。間接液化合成的高十六烷值柴油和直接液化低十六烷值柴油可以調(diào)制成高品質(zhì)的柴油[4-7]。

本文中在一臺未經(jīng)任何改動的高壓共軌柴油機上，分別進行燃用間接液化煤制柴油、直接液化煤制柴油和二者兩種不同摻混比例的混合油的外特性試驗、ESC(歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán))試驗和ETC(歐洲瞬態(tài)循環(huán))試驗，考察了不同油品對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放特性的影響，對于研究煤制柴油的應用前景具有較大的實際意義。

1 試驗裝置與燃料性質(zhì)

1.1 試驗設備

試驗發(fā)動機為匹配SCR后處理系統(tǒng)的高壓共軌柴油機，滿足國Ⅳ排放標準。該機主要參數(shù)如表1所示。試驗所用設備主要有AVL-PUMA全自動試驗臺架、AVL-AMA i60多組分氣體分析儀、AV-CVS i60全流稀釋系統(tǒng)和PSS i60顆粒采樣系統(tǒng)。

表1 試驗樣機的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 燃料特性

本研究使用的4種油樣的組分如表2所示，表3為各油樣理化特性指標，燃料特性檢測委托中國石油化工科學研究院完成。由表3可知，直接液化煤制柴油相比于間接液化煤制柴油，具有十六烷值低、密度大、碳硫元素含量高和動力黏度大等特點，其添加十六烷值改進劑后，十六烷值達到了50以上，接近市售柴油水平。

表2 試驗油樣

表3 各油樣理化特性

對4種油樣分別進行900～2 500r/min之間8個轉(zhuǎn)速下的全負荷試驗，考察不同油樣對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的影響；通過ESC試驗和ETC試驗考察不同油樣對發(fā)動機排放的影響[8]。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 不同油樣對發(fā)動機性能的影響

2.1.1 動力性

圖1給出了發(fā)動機全負荷速度特性下，不同油樣對動力性的影響。由圖可見：隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高，發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下的功率都呈現(xiàn)增大的趨勢。直接液化煤制柴油和間接液化煤制柴油相比，發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下功率增幅在1.6%～3.9%之間，平均增幅為2.7%。在未對發(fā)動機進行任何調(diào)整的情況下，其循環(huán)體積供油量保持不變，而直接液化煤制柴油密度比間接液化煤制柴油大13.4%，單位循環(huán)燃油噴射質(zhì)量也會相應的增大。盡管間接液化煤制柴油的氫含量較高，燃料質(zhì)量熱值較大，但使用直接液化煤制柴油時，噴油量的增大依然導致了發(fā)動機輸出功率增大。

2.1.2 經(jīng)濟性

圖2為發(fā)動機在1 500r/min下進行負荷特性試驗時，不同油樣的燃油消耗量和燃油消耗率情況。由圖可見：隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高，不同負荷下發(fā)動機燃油消耗量和燃油消耗率都呈增大趨勢。可見，盡管直接液化煤制柴油帶來了發(fā)動機動力性的改善，但其燃油消耗量的增長程度更大，導致燃油消耗率增大，經(jīng)濟性惡化。直接液化煤制柴油和間接液化煤制柴油相比，發(fā)動機不同負荷下燃油消耗率增幅在4.7%～7.1%之間，平均增幅為5.2%。低負荷時，經(jīng)濟性惡化較明顯。

2.2 不同油樣對發(fā)動機排放的影響

2.2.1 NOx排放

圖3為不同油樣進行ESC試驗時，A、B、C 3個轉(zhuǎn)速下NOx排放隨柴油機負荷的變化。由圖可見：各油樣的NOx排放濃度在低負荷時較低，這是因為低負荷時氣缸內(nèi)溫度低；隨著負荷的上升，NOx排放逐漸增大，這是因為隨著負荷的增大，循環(huán)供油量增加，最高燃燒溫度升高所致；在同一負荷時，隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的增大，NOx排放呈增大趨勢，這是由于直接液化煤制柴油十六烷值較小，燃料著火性能差，滯燃期較長，預混燃燒部分較多，最高燃燒溫度和壓力較大，有助于NOx的生成。

圖4為不同油樣ESC和ETC試驗NOx最終排放結(jié)果。由圖可見：同一油樣ESC試驗NOx排放水平普遍高于ETC試驗，直接液化油樣和間接液化油樣相比，ESC和ETC試驗NOx排放增幅分別為5.2%和5.5%。

2.2.2 PM排放

圖5為不同油樣ESC和ETC試驗PM最終排放結(jié)果。直接液化油樣和間接液化油樣相比，ESC和ETC試驗PM排放增幅分別增大1.05倍和1.12倍。圖6為PM排放與油樣中直接液化煤制柴油比例的線性關(guān)系。由圖可見：隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的增大，PM排放基本呈線性增大的趨勢。這是由于直接液化煤制柴油十六烷值低，著火性差，碳元素含量高，增加了碳煙生成的幾率，此外其硫含量較高，硫酸鹽等燃燒產(chǎn)物的生成也會增大PM的排放。

2.2.3 CO排放

圖7為不同油樣進行ESC試驗時，A、B、C 3個轉(zhuǎn)速下NOx排放隨柴油機負荷的變化。由圖可見：在A、B兩種轉(zhuǎn)速下，CO排放隨著負荷的增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢。低負荷時缸內(nèi)溫度低不利于燃油的霧化，燃燒溫度低也不利于CO的完全氧化；高負荷時循環(huán)供油量增加，混合氣較濃，局部缺氧導致CO排放較高。在相同負荷下，隨著直接液化煤制柴油比例的增加，CO排放升高，這是因為直接液化煤制柴油十六烷值低，含碳量高，燃料著火性差，而且其密度較大，循環(huán)供油量更多，燃燒不完全現(xiàn)象更嚴重。

圖8為不同油樣ESC和ETC試驗CO最終排放結(jié)果。由圖可見：直接液化油樣和間接液化油樣相比，ESC和ETC試驗CO排放分別增大為原來的1.3倍和3.7倍，油樣中直接液化煤制柴油的比例增大導致ETC試驗CO排放增大的趨勢更明顯。

2.2.4 CO2排放

本試驗4種油樣的THC排放都基本為零，故不再進行對比分析，但溫室氣體CO2的排放隨油樣的改變存在明顯的規(guī)律。圖9為ESC試驗各工況CO2排放情況，圖10為ESC和ETC試驗CO2最終排放結(jié)果。由圖可見：ESC試驗同一工況下，隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高，CO2排放呈現(xiàn)增大趨勢，ESC和ETC試驗結(jié)果也呈現(xiàn)相同規(guī)律。直接液化煤制柴油相比于間接液化煤制柴油，ESC和ETC試驗CO2排放增幅分別為4.3%和5.1%，這主要是由于直接液化煤制柴油碳質(zhì)量分數(shù)較大所致。此外，直接液化煤制柴油密度較大，在發(fā)動機不作任何調(diào)整時，全負荷點循環(huán)體積供油量一定，循環(huán)供油質(zhì)量更大，燃燒生成CO2會更多。

3 結(jié)論

(1) 隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高，發(fā)動機動力性有所提高，經(jīng)濟性逐漸惡化。直接液化油樣相比于間接液化油樣，各試驗轉(zhuǎn)速下，全負荷功率平均增幅為2.7%，燃油消耗率平均增幅為5.8%。

(2) 隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高，NOx排放略有增大，同種油樣下ESC試驗結(jié)果普遍高于ETC試驗；PM排放基本呈線性增大的趨勢，增幅較大；CO排放明顯增大，直接液化油樣相比于間接液化油樣，ESC和ETC試驗CO排放分別增大1.3倍和3.7倍；4種油樣THC排放都基本為零，但溫室氣體CO2排放呈現(xiàn)增大的趨勢，直接液化油樣相比于間接液化油樣，ESC和ETC試驗CO2排放增幅分別為4.3%和5.1%。

[1] 李博,樓狄明,等.發(fā)動機燃用生物柴油的常規(guī)和非常規(guī)排放特性[J].內(nèi)燃機工程,2009(5):22-26.

[2] 吳春來.煤炭液化在中國的發(fā)展前景[J].地學前緣,2005(3):309-313.

[3] 葉青.神華集團煤直接液化示范工程[J].煤炭科學技術(shù),2003,31(4).

[4] Paul Norton, Keith Vertin. Emissions from Buses with DDC 6V92 Engines Using Synthetic Diesel Fuel[C]. SAE Paper 1999-01-1512.

[5] Mike P May, Keith Vertin. Development of Truck Engine Technologies for Use with Fischer-Tropsch Fuels[C]. SAE Paper 2001-01-3520.

[6] Teresa L Alleman, Robert L McCormick. Fischer-Tropsch Diesel Fuels-Properties and Exhaust Emissions: A Literature Review[C]. SAE Paper 2003-01-0763.

[7] 吳春來.煤炭間接液化技術(shù)及其在中國的產(chǎn)業(yè)化前景[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(2).

[8] GB 17691—2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排放污染物限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)[S].北京:中國標準出版社,2005.