調(diào)和煤制油在柴油機上的尾氣排放性能試驗研究

李永倫白雪梅　李克健劉衛(wèi)林高海洋（.中國神華煤制油化工有限公司上海研究院，上海 008；.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

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調(diào)和煤制油在柴油機上的尾氣排放性能試驗研究

李永倫1白雪梅1李克健1劉衛(wèi)林2高海洋2
（1.中國神華煤制油化工有限公司上海研究院，上海 201108；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

【摘要】為配合車用煤制柴油油品開發(fā)，在裝備可滿足國Ⅳ排放的DOC+POC后處理系統(tǒng)和SCR后處理系統(tǒng)的柴油發(fā)動機上，測試3種煤制調(diào)和柴油及國Ⅳ、國Ⅴ石化柴油在法規(guī)要求的ESC、ETC、ELR循環(huán)下的排放性能。結果表明，煤制柴油DY-1整體排放性能表現(xiàn)最好，相對于GBⅤ柴油在NOx方面降低6.7%，在PM方面降低15.9%；同一油品在兩類后處理發(fā)動機上的NOx排放整體趨勢大致相同，且硫含量對顆粒物的排放影響較大。

主題詞：柴油機煤制柴油排放性能

1　前言

近年來，國家對霧霾天氣等環(huán)境污染問題的治理越來越重視，為此機動車排放標準也不斷提高，其直接推動了發(fā)動機技術、后處理技術以及油品性質(zhì)的改進與開發(fā)。然而相對于前兩者，油品性質(zhì)的提高在發(fā)動機降低排放方面有很大空間。我國富含煤炭資源，近年來也加大了對煤制油技術的研究［1］。神華集團將開發(fā)的直接液化油與生產(chǎn)的間接液化油兩種燃料進行調(diào)和，發(fā)揮各自的優(yōu)點，從而使得調(diào)和煤制油全面滿足車用柴油理化要求。

本文在裝備SCR后處理系統(tǒng)的國Ⅳ排放重型發(fā)動機和裝備DOC+POC后處理系統(tǒng)的國Ⅳ排放輕型柴油發(fā)動機上，分別燃用國Ⅳ、國Ⅴ石化柴油和3種調(diào)和煤制油，測試其在法規(guī)要求循環(huán)下表現(xiàn)的排放性能，并分析5種油樣以及相同油樣在不同類型發(fā)動機上排放性能的差異。

2　試驗系統(tǒng)組成與研究方法

2.1試驗發(fā)動機與設備

試驗發(fā)動機分別選用裝備兩種不同技術路徑排放后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，兩款發(fā)動機都滿足國Ⅳ排放標準。型號為YC6K10的重型高壓共軌式柴油機通過控制缸內(nèi)燃燒溫度來減少PM的生成，后處理匹配SCR系統(tǒng)減少NOx排放；型號為YC4S輕型柴油機通過EGR技術控制NOx生成，后處理匹配DOC+POC控制PM排放。試驗發(fā)動機主要技術參數(shù)如表1所列。

試驗所用設備主要有AVL-PUMA全自動試驗臺架、AVL-AMAi60多組分氣體分析儀、AVL-CVSi60全流稀釋系統(tǒng)和PSSi60顆粒采樣系統(tǒng)。

2.2試驗用油

5種油樣的理化特性如表2所列。

表1　試驗發(fā)動機主要技術參數(shù)

表2　5種油樣的理化特性

直接液化油的密度較高、十六烷值較低，而間接液化油十六烷值高、密度低［2～5］，所以使用兩種液化油進行調(diào)和，得到既符合十六烷值要求、密度也比較恰當?shù)挠蜆樱蛊洳粌H符合國家法規(guī)的要求、適應發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)，而且也不會造成體積油耗的顯著變化，有利于市場推廣。本次試驗3種煤制油和GBⅣ柴油的理化性質(zhì)方面均滿足國Ⅳ車用柴油標準（GB 19147-2013）要求，GBⅤ柴油滿足國Ⅴ車用柴油標準（GB 19147-2013）要求。3種煤制油都是按照相同的質(zhì)量比由煤直接液化柴油和煤間接液化柴油調(diào)和而成，與DY-1相比，DY-3使用了高初餾點的調(diào)和原料，提高了調(diào)和柴油的密度；DY-2添加了另外的功能性添加劑，提高了調(diào)和柴油的粘度。

2.3研究方法

依據(jù)GB 17691-2005車用壓燃式、氣體點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法［6］要求，測試兩種發(fā)動機燃燒5種不同油樣的13工況穩(wěn)態(tài)循環(huán)（ESC）、1 800 s瞬態(tài)工況循環(huán)（ETC）、負荷煙度試驗（ELR），對比試驗結果，分析燃燒不同調(diào)和煤制柴油的排放特點及不同技術路徑排放后處理發(fā)動機的表現(xiàn)，并與燃燒兩種石化柴油的排放結果進行對比。

3　試驗結果與分析

3.1NOx排放對比分析

NOx的生成主要取決于燃燒過程中氧的濃度、溫度和反應時間，因此降低NOx的措施主要有降低最高燃燒溫度和氧的濃度以及減少高溫持續(xù)的時間，當燃料中的氮含量較多時，氮氧化物的排放量相對增加，但影響很?。?、8］。2種工況下YC4S發(fā)動機和YC6K10發(fā)動機的NOx排放對比如圖1和圖2所示。

圖1　YC4S發(fā)動機的NOx排放對比

圖2　YC6K10發(fā)動機的NOx排放對比

由圖1和圖2可知，在兩種發(fā)動機對比中，由于發(fā)動機的標定策略不同，5種油樣在ETC循環(huán)下的NOx排放值均低于ESC循環(huán)下的排放值，且都滿足國Ⅳ排放標準限值。在ETC工況下，YC4S發(fā)動機燃用油樣GBⅣ、DY-2、DY-3時的NOx排放量相對于油樣GBⅤ分別升高3.42%、4.6%、2.51%，而燃用油樣DY-1相對于油樣GBⅤ下降0.52%；YC6K10發(fā)動機燃用油樣GBⅣ、DY-1、DY-3時的NOx排放量相對于油樣GBⅤ分別降低1.27%、12.97%、5.24%，而燃用油樣DY-2相對于GBⅤ升高2.52%。兩發(fā)動機在ESC和ETC循環(huán)下，五種油樣的排放趨勢表現(xiàn)一致，其中DY-1表現(xiàn)最好。NOx排放方面，輕型柴油機升高5.4%，重型柴油機升高17.6%。3種煤制油幾乎不含多環(huán)芳烴，而兩種基準油含有4%的多環(huán)芳烴，有增大NOx排放的趨勢。

通過對比5種油樣在輕型和重型兩種發(fā)動機下的NOx排放可以看出，不同后處理形式以及缸內(nèi)燃燒控制策略對NOx排放基本不影響，煤制油也不影響SCR系統(tǒng)對NOx的處理效果。

3.2PM排放對比分析

柴油機微粒成分一般有固體碳或干炭煙（DS）、可溶有機成分（SOF）和硫酸鹽組成。DS主要是燃料在高溫缺氧的條件下燃燒裂解而成；SOF主要是未燃燒和未完全燃燒的中間產(chǎn)物或裂解后再化合的產(chǎn)物構成的未燃大分子HC。

兩種發(fā)動機的PM排放對比如圖3和圖4所示。由圖3和4可以看出，在PM排放方面，采用后處理形式減少PM生成的YC4S發(fā)動機ETC循環(huán)比ESC循環(huán)的PM排放高；而采用缸內(nèi)燃燒控制PM的YC6K10發(fā)動機ETC循環(huán)較ESC循環(huán)的排放值升高幅度較大。

圖3　YC4S的PM排放對比

圖4　YC6K10的PM排放對比

綜合YC4S發(fā)動機ESC和ETC循環(huán)下的PM排放值，GBⅣ油樣相對于GBⅤ升高49.17%。而DY-1、DY-2、DY-3油樣相對于GBⅤ分別降低8.12%、9.18%、3.9%。油樣GBⅣ的硫含量為27.56 μg/mg，遠高于其它4種油樣，對于氧化性后處理的柴油機，由于硫轉化為硫酸鹽的比率增加，導致最后PM增加較大；GBⅤ油樣的硫含量為4.39 μg/g，而3種煤制油中含硫量很少且相差不大，最終的PM排放也相近，但使用煤制油仍然略有優(yōu)勢。所以，對于采用后處理形式為DOC+POC的YC4S柴油機，油樣中的硫含量很大程度的影響了其最終PM排放的高低，而煤制油幾乎無硫的特點具有優(yōu)勢。

綜合YC6K10發(fā)動機ESC和ETC循環(huán)下的PM排放值，GBⅣ、DY-1、DY-2、DY-3油樣相對于GBⅤ油樣分別降低8.75%、23.75%、19.38%、16.67%?？梢钥闯?，硫含量較高的GBⅣ油樣的PM排放并沒有升高，表明硫含量在法規(guī)要求范圍內(nèi)，對靠燃燒控制PM的國Ⅳ重型SCR系統(tǒng)發(fā)動機PM排放幾乎沒有影響。但相對于石化柴油，使用煤制油PM排放仍然保持一定的優(yōu)勢。

多環(huán)芳烴的含量影響GBⅣ和GBⅤ油樣中H/C的高低，低H/C值增加了碳煙生成前體，從而增加了PM排放。而煤制油中幾乎不含多環(huán)芳香烴，對于減少PM的生成影響較大。其次，柴油的分餾過程也影響柴油機PM的排放量。較重的餾分組成使柴油霧化變差、蒸發(fā)遲緩、且造成局部過濃的混合氣并產(chǎn)生較多的顆粒物，煤制油的T95相對于基準油樣平均降低20%，因此良好的霧化對減少PM的排放量有很大幫助。

3.3CO排放對比分析

CO排放主要是燃料中烴類成分燃燒時的中間產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物之一［9～11］。影響柴油燃料CO排放的根本因素為缸內(nèi)溫度、缺氧程度和反應時間。渦輪增壓直噴柴油機的空燃比非常大，不易生成CO，這正是柴油機的CO排放量遠小于汽油機的原因。在中速、中負荷工況下，柴油機的CO排放量最小，柴油機CO的高排放量也出現(xiàn)在小負荷工況區(qū)，原因是柴油機的循環(huán)供油量較少，燃燒室內(nèi)存在較多的過稀混合氣區(qū)。

兩種發(fā)動機CO排放對比如圖5所示。可以看出，同一發(fā)動機對比中，ESC循環(huán)和ETC循環(huán)下的CO排放值相差較大，但全部滿足國Ⅳ排放標準，同時不同發(fā)動機的ESC循環(huán)和ETC循環(huán)下的排放量相差較大。5種油樣ETC循環(huán)下的NOx排放值均低于ESC循環(huán)下的排放值，且都滿足國Ⅳ排放標準限值。

圖5　兩種發(fā)動機CO排放對比

對于YC4S發(fā)動機，油樣GBⅣ、DY-2、DY-3相對于油樣GBⅤ分別升高3.42%、4.6%、2.51%，而油樣DY-1相對于GBⅤ下降0.52%。對于YC6K10發(fā)動機，油樣GBⅣ、DY-1、DY-3相對于GBⅤ分別降低1.27%、12.97%、5.24%，而油樣DY-2相對于GBⅤ升高2.52%。不同發(fā)動機在同一排放循環(huán)下的CO排放相差較大，這是由于SCR系統(tǒng)對HC具有氧化作用，而DOC+POC系統(tǒng)對HC 和CO都具有氧化作用，使CO和HC排放很少。

分析對比ESC和ETC循環(huán)下的排放規(guī)律，煤制油在兩種發(fā)動機上的排放呈相反趨勢，采用SCR后處理形式的重型柴油機缸內(nèi)溫度相對較高，燃油理化性質(zhì)中影響CO排放的主要為十六烷值，油樣GBⅣ和GBⅤ十六烷值指標相近，高于煤制油8.2%，而較高的密度也增加缸內(nèi)放熱量，減少了CO的排放，從而使得基礎油整體的CO排放低于煤制油。對于后處理形式為DOC+POC的YC4S發(fā)動機，CO排放極少，而油品性質(zhì)中主要影響因素為T95的高低。

3.4THC排放對比分析

THC排放包括燃料中未燃燒的碳氫化合物，燃燒和氧化反應形成的碳氫化合物中間產(chǎn)物，裂解和再化合反應形成的碳氫化合物產(chǎn)物，其生成機理比CO排放要復雜得多［9］。兩種發(fā)動機THC排放對比如圖6所示。

圖6　兩種發(fā)動機THC排放對比

從圖6可以看出，在THC排放方面，YC6K10發(fā)動機相對于YC4S發(fā)動機增加將近一倍。對于YC4S發(fā)動機，油樣DY-3與GBⅤ持平，而油樣GBⅣ、DY-1、DY-2相對于GBⅤ分別升高3.57%、82.54%、14.19%。對于YC6K10發(fā)動機，油樣GBⅣ與GBⅤ持平，油樣DY-1、DY-2、DY-3相對于GBⅤ分別升高88.54%、94.17%、77.17%。

3.5煙度對比分析

碳煙主要是柴油機在高壓燃燒條件下，由于燃燒室局部高溫及缺氧發(fā)生裂解和脫氫反應而生成的主要成分為碳的固態(tài)小顆粒，缺氧、高溫和高壓是碳煙生成的基本條件［7、11］。

兩種發(fā)動機ELR結果對比如圖7所示。由圖7可知，5種油樣在YC4S發(fā)動機上的ELR煙度全部高于YC6K10發(fā)動機。對于YC6K10發(fā)動機，油樣GBⅣ與GBⅤ持平，而油樣DY-1、DY-2、DY-3分別相對于GBⅤ降低23.81%、11.11%、8.59%。而對于YC4S發(fā)動機，油樣GBⅣ的ELR煙度為0.522m-1，相對于油樣GBⅤ升高24.51%，而油樣DY-1、DY-2、DY-3相對于GBⅤ分別降低27.12、34.57%、22.78%。該結果與PM的試驗結果基本上相互印證。

圖7　兩種發(fā)動機ELR結果對比

4　結束語

a.調(diào)和煤制油的NOx排放與柴油相當，但油樣DY-1相對石化柴油具有一定優(yōu)勢；煤制油在兩種發(fā)動機上的NOx排放表現(xiàn)趨勢一致；

b.調(diào)和煤制油在PM排放方面有一定優(yōu)勢，且沒有潤滑性添加劑的油樣DY-1優(yōu)勢更加明顯；煤制油在兩種發(fā)動機上的PM排放表現(xiàn)趨勢一致；

c.3種煤制油中，油樣DY-1應用于兩種后處理類型柴油發(fā)動機的排放性能有一定優(yōu)勢，且相對于石化柴油在PM排放方面優(yōu)勢明顯。

d.硫含量為27.5 mg/g的油樣GBⅣ對帶有DOC+ POC后處理的柴油發(fā)動機排放負面影響程度較大，但對于帶有SCR后處理的重型發(fā)動機無明顯影響。

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（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年2月18日。

中圖分類號：U464

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）07-0052-04

Research on Exhaust Emission from Diesel Engines Fueled with CTL

Li Yonglun1，Bai Xuemei1，Li Kejian1，Liu Weilin2，Gao Haiyang2
（1.Shanghai Research Institute of China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Company，Shanghai 201108；2.China Automotive Technology&Research Center，Tianjin 300300）

【Abstract】To cooperate with the development of Coal-to-Liquid diesel for automobile，emission performance of CTL diesel，ChinaⅣ diesel and ChinaⅤ diesel are tested on diesel engines equipped with DOC+POC aftertreatment system and SCR aftertreatment system and comply with ChinaⅣ emission standard under ESC cycle，ETC cycle and ELR cycle. The results show that CTL diesel DY-1 displays the optimal performance emission，which reduces NOxemission by 6.7%，and PM emission by 15.9%as compared with ChinaⅤdiesel；whereas this CTL fuel shows the generally identical trend of NOxemission for two engines with aftertreatment system，and sulfur content affects PM emission remarkably.

Key words:Diesel Engine，Coal to liquid diesel，Emission