柴油機燃用F-T合成柴油時的燃燒與排放特性分析

孫萬臣，張曙光，郭 亮，杜家坤，范魯艷，李國良，程 鵬

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025)

2016184

柴油機燃用F-T合成柴油時的燃燒與排放特性分析

孫萬臣，張曙光，郭 亮，杜家坤，范魯艷，李國良，程 鵬

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025)

對一臺增壓中冷高壓共軌的柴油發(fā)動機燃用煤基費托合成柴油(F-T柴油)時的燃燒、排放特性和微粒粒度分布特征進行試驗研究，分析了F-T柴油對發(fā)動機燃燒和排放的影響規(guī)律。結果表明，與國V柴油相比，燃用F-T柴油時因密度低，在噴油策略不做改變的情況下，轉矩有所降低。同時，由于F-T柴油主要成分為直鏈烷烴，燃料著火性好，十六烷值較高，滯燃期明顯縮短，預混合燃燒階段放熱量減少，燃燒時缸內溫度降低，有利于降低NOx排放。F-T柴油具有良好的燃燒特性，使CO，HC排放和消光煙度大幅降低。十三工況排放試驗中，CO，HC和 NOx的加權比排放量分別降低了51.42%，45.62%和14.35%。不同負荷工況下微粒總數量濃度、超細微粒和核態(tài)微粒的比例均有所下降。所有這些對滿足越來越嚴格的排放法規(guī)具有重要意義。

柴油機；費托合成柴油；燃燒；微粒排放

前言

面對我國石油產、儲量不足，同時汽車保有量持續(xù)增加的現狀，探索車用發(fā)動機替代燃料是研究開發(fā)的重點。據資料統(tǒng)計，我國已探明煤炭的可采儲量約占世界總儲量的11.6%，說明我國煤炭資源較豐富。同時我國石油缺口量較大，至2020年我國石油缺口量可能達到2.5億t以上。因此應充分利用煤炭資源來緩解石油緊缺的壓力。費托合成柴油(F-T柴油)是以煤炭為原料生產的柴油替代品,其基本成分是直鏈正構烷烴[1-3]。由于費托合成柴油幾乎不含硫與芳烴，十六烷值高，具有良好的冷起動與排放性能，是具有良好前景的替代油品，受到了廣泛關注。開展費托合成柴油在內燃機上的應用研究對緩解石油短缺，降低排氣污染，滿足越來越嚴格的排放法規(guī)具有重要意義[4]。

費托合成柴油能夠與石化柴油以任意比例互溶，用于發(fā)動機改裝的成本幾乎為零，同時還具有運輸分配方便等優(yōu)點。近年來，國內外很多高校和企業(yè)針對費托合成改質柴油開展了相關研究，得到了一些有意義的研究結論[5-6]。文獻[7]中研究了載貨汽車發(fā)動機燃用費托合成柴油時排放的變化規(guī)律，結果表明，與傳統(tǒng)柴油相比，燃用傳統(tǒng)柴油-費托合成柴油混合燃料發(fā)動機CO，HC，NOx和PM排放均顯著降低，且降低程度隨費托合成柴油比例增加而增加。文獻[8]中針對費托合成柴油應用中相關的基礎問題,研究了費托合成柴油噴霧和燃燒特性,系統(tǒng)分析了費托合成柴油對發(fā)動機性能和排氣污染物的影響。文獻[9]中利用費托合成柴油和不同種類含氧燃料(甲醇、生物柴油等)按不同比例混合，實現了3種燃料的優(yōu)勢互補。分析了混合替代燃料對發(fā)動機性能及燃燒和排放的影響，結果表明調整混合燃料組分比例，可獲得不同理化特性的燃料，滿足不同類型發(fā)動機的要求。

本文中以探索費托合成改質柴油對新一代超低排放高壓共軌柴油發(fā)動機性能、燃燒和排放特性的改善潛力為目標，在一臺國V壓燃式發(fā)動機上進行了ESC 十三工況和外特性試驗，分析了費托合成柴油對發(fā)動機燃燒和排放特性的影響規(guī)律，并與國V石化柴油進行了對比，研究結果對于F-T柴油的推廣應用具有重大的參考價值。

1 試驗裝置和研究方案

1.1 試驗用發(fā)動機和試驗燃料

采用一臺匹配高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的增壓中冷柴油機進行試驗研究，采用開放式電控燃油噴射系統(tǒng)進行噴油時刻和噴油量的實時在線控制。試驗用發(fā)動機主要技術參數如表1所示。研究中選取費托合成改質柴油和國V柴油作為燃料，對比研究兩種燃料對發(fā)動機性能、燃燒及排放的影響，表2為兩種燃料部分理化特性參數對比。由于費托合成柴油黏度較低，為避免發(fā)動機油泵、油嘴等部件內精密偶件過度磨損，試驗中通過向費托合成柴油添加潤滑劑來改善燃料潤滑性。

表1 發(fā)動機主要技術參數

表2 試驗燃料理化特性

1.2 發(fā)動機測試系統(tǒng)

試驗中采用的發(fā)動機測控系統(tǒng)主要包括凱邁機電有限公司生產的CW260程控式電渦流測功機、日本HORIBA7400DEGR型排氣分析儀、AVL439消光煙度計、日本小野DS-9100燃燒分析儀和日本小野測器生產的DF2420燃油流量計等。采用Kistler 6052C型缸壓傳感器測量缸壓，采用Kistler 6124B型編碼器輸出轉角信號，采樣分辨率為0.25°CA。為消除測量誤差，每個工況點示功圖均采集100個循環(huán)進行平均，并設置濾波參數對曲線進行平順處理。為使排氣在引入粒度儀前得到充分稀釋，研究中采用排氣二級稀釋系統(tǒng)對發(fā)動機尾氣進行稀釋與降溫。圖1為試驗臺架示意圖。

圖1 試驗臺架示意圖

1.3 研究方案

本文中選取ESC穩(wěn)態(tài)十三工況及外特性工況進行試驗研究，分別研究了不同運轉條件下的燃燒及排放特性參數。對于每種試驗燃料，燃油噴射模式均采用兩段噴射。本文中定義燃燒始點為累積放熱量的5%(CA05)所對應的曲軸轉角，燃燒終點為累積放熱量的90%(CA90)所對應的曲軸轉角；定義燃燒始點與噴油始點之差為滯燃期；定義燃燒終點與燃燒始點之差為燃燒持續(xù)期。

2 試驗結果及分析

2.1 發(fā)動機燃用F-T合成柴油外特性分析

圖2所示為外特性工況下燃用費托合成柴油和國V柴油時動力性、經濟性和煙度排放的對比。其中，圖2(a)為轉矩的對比，與國V柴油相比，燃用費托合成柴油時轉矩有所減小，動力性略有下降。主要原因在于費托合成柴油低熱值略高于國V柴油，但密度低于國V柴油，兩者綜合結果，費托合成柴油的體積熱值為7 832.31kcal/L，國V柴油體積熱值為8 554.25kcal/L。因此，在體積油耗量相同的情況下燃用費托合成柴油時，進入氣缸燃油的總熱量較低，導致發(fā)動機動力略有下降。

圖2(b)為燃油消耗率對比曲線，可以發(fā)現在不同轉速工況下，發(fā)動機改燃費托合成柴油后燃油消耗率基本不變或略有降低。圖2(c)為消光煙度對比，由圖可知，費托合成柴油在不同轉速工況下消光煙度均降低，且隨轉速增加降低幅度增大,在3 200r/min時消光煙度減低達66.67%。綜上所述，電控發(fā)動機在噴油策略不做改變的條件下，燃用費托合成柴油有助于降低消光煙度，同時經濟性略有改善，但由于費托合成柴油密度低于石化柴油，動力性略有下降。

圖2 燃用不同燃料時動力性、經濟性及煙度排放對比

2.2 燃燒特性分析

以往研究表明，不同理化特性的燃料對于內燃機燃燒過程有明顯的影響，進而影響排放污染物的生成，為揭示費托合成柴油對于發(fā)動機燃燒特征參數的影響規(guī)律，試驗研究了外特性工況和十三工況下費托合成柴油及國V石化柴油燃燒特性對比。圖3所示為發(fā)動機轉速為2 150r/min、負荷為50%工況下燃用不同燃料時燃燒特性曲線的對比。由圖3(a)可見，燃用費托合成柴油缸壓峰值略低于國V柴油，預噴放熱率峰值高于國V柴油，且預噴放熱率峰值相位較國V柴油有所提前。主要原因在于費托合成柴油主要成分為正構直鏈烷烴，其十六烷值和H/C比較高，著火性好，故滯燃期比國V柴油明顯縮短，預噴放熱提前。較短的滯燃期使得預混燃燒燃油量減少，參加擴散燃燒的燃油比例較大；同時，費托合成柴油密度較小，相同工況下每循環(huán)燃料質量消耗量減少，導致缸內最大爆發(fā)壓力略有降低。圖3(b)和圖3(c)所示分別為壓力升高率和溫度曲線對比，可以發(fā)現F-T柴油主噴階段壓力升高率峰值顯著降低，這對改善發(fā)動機工作平穩(wěn)性具有重要意義。同時燃用F-T柴油發(fā)動機缸內溫度峰值降低，有利于減少NOx的生成。

圖3 發(fā)動機燃燒特性曲線對比

圖4所示為發(fā)動機轉速為2 650r/min ,不同負荷下燃燒特征參數對比。由圖可見，燃用F-T柴油發(fā)動機著火始點明顯早于國V柴油，CA50(放熱中心)略有前移，更加靠近上止點，燃燒持續(xù)期有所延遲。燃用費托合成柴油時滯燃期對負荷的敏感度比石化柴油大，負荷率大于50%后，隨負荷增大著火始點明顯延長，但仍早于石化柴油。費托合成柴油的直鏈烷烴含量較高，十六烷值較高，滯燃期縮短。直鏈烷烴的化學鍵比烯烴和環(huán)烷烴更容易斷裂，直鏈烷烴的含量越高，燃油燃燒速度越快。但由于其預混合燃燒量較小，擴散燃燒量較大，影響了燃燒定容性，使得費托合成柴油的燃燒持續(xù)期有所延長。由圖4(d)可見，最大放熱率相位隨負荷的變化規(guī)律和放熱中心的規(guī)律基本一致，這是由于燃用費托合成柴油燃燒速度較快，但滯燃期短使預混燃燒量較少，燃燒速度和預混合燃燒量綜合影響最大放熱率相位，使在小負荷和全負荷工況下兩種燃油最大放熱率相位基本相同，在中等負荷工況下燃用費托合成柴油最大放熱率相位有所延后。

圖4 發(fā)動機燃燒特征參數對比

2.3 發(fā)動機燃用費托合成油排放特性分析

2.3.1 排放特性分析

本文中定義發(fā)動機每單位功排出的排放物質量為發(fā)動機比排放量。圖5所示為不同燃料十三工況下排氣污染物比排放對比，表3為排放污染物十三工況加權平均比排放量對比。從中可見，在不同工況下燃用費托合成柴油時CO，HC和NOx排放及排氣煙度都顯著降低。與國V石化柴油相比，CO，HC和NOx的十三工況加權平均比排放量分別降低了51.42%，45.62%和14.35%。主要原因是費托合成柴油餾程溫度較低，揮發(fā)性好，有利于燃油與空氣的混合，同時F-T柴油主要組分為正構直鏈烷烴，重烴成分較少，有利于改善燃料的燃燒特性，使CO和HC排放及消光煙度明顯降低。由圖5(c)可以看出，在小負荷下，由于F-T柴油十六烷值較高，著火提前，使缸內平均溫度較高，NOx排放增加。在大負荷下混合氣較濃，缸內平均溫度較高，十六烷值對NOx排放的影響降低，由于國V柴油中芳烴含量較高，芳烴的絕熱燃燒溫度高，使缸內局部溫度較高，NOx排放增加。因此在發(fā)動機十三工況試驗中，在不同工況下燃用兩種燃料的NOx排放規(guī)律存在一定差異。由于大負荷的權重因子整體較高，且大負荷下國V柴油NOx排放較高，因此國V柴油的十三工況加權比排放相對較高。

圖5 發(fā)動機十三工況比排放對比

燃料加權比排放/(g·(kW·h)-1)排放污染物及油耗率降低百分比/%COHCNOxCOHCNOx國V柴油3.640.5210.21---F-T合成柴油1.770.298.7445.6245.6214.35

圖6所示為十三工況排放試驗中不同工況下排放污染物分擔率對比。由圖可知，CO和HC排放分擔率較高的工況點都位于中高轉速。這是因為隨轉速增加，混合氣形成及燃燒持續(xù)時間縮短，在高速大負荷工況下循環(huán)噴油量大，局部缺氧區(qū)域增加，使CO和HC排放增加；小負荷工況下過量空氣系數增大，局部溫度過低的區(qū)域增加，將使HC排放增加。對于NOx排放，分擔率最高的3個工況點分別為A100，B100和C100。相同轉速下，分擔率隨著負荷增大而增大。這是因為低負荷工況下缸內燃燒溫度較低，NOx排放較少，隨著負荷增加，缸內燃燒溫度增加，NOx生成量增加。對比費托合成柴油和石化柴油的排放污染物分擔率，可以發(fā)現在分擔率較高的工況點燃用費托合成柴油的3種排放物降幅顯著高于其他工況點，因此燃用費托合成柴油的十三工況整體排放顯著降低。

圖6 不同工況下排放污染物分擔率對比

2.3.2 F-T 柴油微粒排放特性分析

為揭示發(fā)動機燃用費托合成柴油時微粒排放粒度分布特征，采用TSI 3090微粒粒度分析儀測量了不同工況下的微粒數量濃度。本文中定義核態(tài)微粒比例為核態(tài)微粒(小于50nm)數量排放占總微粒數量排放的比例，超細微粒比例為超細微粒(小于100nm)數量排放占總微粒數量排放的比例，積聚態(tài)微粒為粒徑50nm以上的顆粒物。圖7所示為發(fā)動機轉速為2 650r/min、全負荷工況下，不同燃料的微粒數量濃度、表面積濃度和體積濃度隨轉速的變化情況。由圖可見，兩種燃油的微粒排放大部分位于500nm以下，微粒數量濃度峰值在50nm左右；表面積濃度峰值位于50～110nm之間；體積濃度峰值不明顯，隨粒徑增大體積濃度持續(xù)增加，這是因為體積濃度和粒徑的三次方成正比，粒徑的增大彌補了微粒數量濃度減小對體積濃度的影響。與國V柴油相比，在全負荷工況下，燃用費托合成柴油，小于50nm的核態(tài)微粒數量濃度有所降低，隨粒徑增大，燃用兩種燃料的微粒數量濃度差別減小，表面積濃度、體積濃度影響規(guī)律與微粒數量濃度基本一致。

圖7 2 650r/min全負荷工況微粒粒度分布對比

圖8所示為發(fā)動機轉速為2 650r/min、不同負荷工況下微粒數量濃度和不同模態(tài)微粒所占比例的對比。由圖可見，燃用兩種燃料，核態(tài)微粒比例均在72%以上，隨負荷增加，微粒數量濃度增加。不同負荷下燃用費托合成柴油的微粒數量排放均低于國V柴油，在小負荷下燃用兩種燃油發(fā)動機微粒排放相差不大，這是因為小負荷空燃比較高，擴散燃燒比例較小，燃燒過程產生的顆粒物較少，同時抑制了顆粒物的生長和合并過程。因此在小負荷下國V柴油和F-T柴油的微粒數量排放均較低，燃料特性對微粒排放的影響程度較小。隨著負荷增大，燃用F-T柴油對微粒數量濃度降低效果明顯，這是因為燃用費托柴油的混合和燃燒過程改善，且費托柴油幾乎不含硫，使微粒總數量濃度顯著降低。與石化柴油相比，不同負荷工況下燃用費托合成柴油時超細微粒和核態(tài)微粒比例均有所降低，其主要原因在于費托合成柴油擴散燃燒比例較大，燃燒初期生成的微粒有足夠的時間聚集成為大粒徑微粒，導致超細微粒比例減少?？梢?，燃用費托合成柴油在降低微粒質量排放量的同時，可以有效降低微粒數量濃度，特別是核態(tài)微粒和超細微粒排放數量濃度，這對滿足越來越嚴格的排放法規(guī)具有重要意義。

圖8 2 650 r/min不同負荷工況下微粒濃度分布對比

3 結論

(1)燃料特性對發(fā)動機燃燒和排放均有顯著影響，燃用費托合成柴油，能夠提高十六烷值，改善燃料揮發(fā)性，著火性和油氣混合質量均提高。與國V柴油相比，電控發(fā)動機在噴油策略不做改變的條件下，燃用費托合成柴油的發(fā)動機在外特性工況下消光煙度顯著降低，同時經濟性略有改善，但由于費托合成柴油密度低于石化柴油，動力略有下降。

(2)燃用費托合成柴油發(fā)動機的比排放顯著降低，其CO，HC和NOx比排放比國V柴油分別降低了45.62%，45.62%和14.35%。同時,十三工況中高分擔率工況點的3種排放污染物降低幅度均顯著提高，使其整體NOx，CO和HC排放顯著降低。

(3)中等轉速全負荷工況下，兩種燃油微粒大部分位于500nm以下，微粒數量濃度峰值在50nm左右。與國V柴油相比，燃用費托合成柴油時小于50nm的核態(tài)微粒數量濃度有所降低，積聚態(tài)微粒數量濃度降幅減小，表面積濃度和體積濃度影響規(guī)律與微粒數量濃度基本一致。

(4)不同工況下燃用費托合成柴油時超細微粒和核態(tài)微粒的比例也有所降低?？梢姡加觅M托合成柴油在降低微粒質量排放量的同時，可有效降低微粒數量濃度，特別是核態(tài)微粒和超細微粒排放數量濃度，這對滿足越來越嚴格的排放法規(guī)具有重要意義。

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An Analysis on Combustion and Emission Characteristics of a Diesel Engine Fuelled with F-T Synthetic Diesel Fuel

Sun Wanchen, Zhang Shuguang, Guo Liang, Du Jiakun,Fan Luyan, Li Guoliang & Cheng Peng

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025

An experimental study on the combustion and emission characteristics and particulate size distribution feature of a turbocharged inter-cooled high-pressure common rail diesel engine fueled with coal-based Fischer-Tropsch synthetic diesel fuel (F-T diesel fuel) is conducted to analyze the effects of F-T diesel fuel on the combustion and emission of engine. The results show that compared with State-V diesel fuel, when F-T diesel fuel is used with the same injection strategy, engine torque reduces due to its lower density, meanwhile as its main constituent is straight-chain alkane, which increases its cetane number with good ignitability, the ignition delay period shortens, the heat release in premixed combustion stage reduces, and the combustion temperature in cylinder lowers, helping to reduce the emission of NOx, and its good combustion characteristics make the emissions of CO and HC and smoke opacity greatly lower. With 13-mode test cycle, the weighted specific emissions of CO, HC and NOxdecrease by 51.42%, 45.62% and 14.35% respectively, and under different load conditions the total number emission of particulates and the proportions of ultra-fine particulates and nucleation mode particulates totally reduce. All these have great significance in meeting increasingly stringent emission regulations.

diesel engine; Fischer-Tropsch synthetic diesel fuel; combustion; particulate emission

*國家自然科學基金(51476069)資助。

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月9日。