重型車用柴油機(jī)燃用煤基代用燃料特性

王憲成， 王 雪， 劉國(guó)浩， 李若亭

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072； 2. 陸軍西安軍代局，陜西 西安 710032)

隨著世界范圍內(nèi)石化能源短缺問(wèn)題的日益嚴(yán)重，車用替代能源成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。煤制油也稱為煤液化，是以煤為原料，通過(guò)化學(xué)加工過(guò)程將煤轉(zhuǎn)化加工生產(chǎn)出的液體燃料。我國(guó)煤礦資源儲(chǔ)藏豐富，采用液化技術(shù)生產(chǎn)煤制油具有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的石化柴油相比，煤制油燃料具有十六烷值高、低硫和低芳烴等優(yōu)良特性，可同時(shí)大幅降低柴油機(jī)的碳煙和NOx排放，是一種清潔的代用燃料[2]。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)節(jié)能減排問(wèn)題對(duì)柴油機(jī)燃用煤基代用燃料進(jìn)行了一系列研究[3-14]。如：黃勇成等[9]在一臺(tái)單缸四沖程柴油機(jī)上進(jìn)行了煤質(zhì)油燃料與0#柴油燃料的燃燒與排放對(duì)比試驗(yàn)；劉立東等[10]在電控高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)煤制油與0#柴油燃料進(jìn)行了研究； ANDREWS等[12]對(duì)煤制油燃料在高速柴油機(jī)上的燃燒和排放性能進(jìn)行了研究； PISCHINGER等[14]研究了標(biāo)定工況下直噴式柴油機(jī)燃用煤制油的性能表現(xiàn)。然而，針對(duì)大缸徑重型車用柴油機(jī)燃用煤制油代用燃料的研究報(bào)道較少，且研究對(duì)象多采用F-T直接液化法生產(chǎn)的煤制油，對(duì)其他途徑制取的煤基代用燃料的研究極少見(jiàn)諸報(bào)道。

鑒于此，筆者通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)國(guó)內(nèi)目前3種主要煤基燃料的主要理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試分析，在150 mm缸徑單缸柴油機(jī)臺(tái)架上對(duì)標(biāo)定工況與最大扭矩工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用煤制油代用燃料缸內(nèi)燃燒及發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化開(kāi)展研究，以期對(duì)煤基代用燃料在重型車用柴油機(jī)上的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 煤制油主要理化性質(zhì)

目前，國(guó)內(nèi)主要煤制油來(lái)源包括伊泰集團(tuán)生產(chǎn)的間接煤制油(煤制油#1)、神華集團(tuán)生產(chǎn)的直接煤制油(煤制油#2)和潞安集團(tuán)生產(chǎn)的間接煤制油(煤制油#3)。采用試驗(yàn)方法對(duì)上述3種煤制油與-10#柴油(簡(jiǎn)稱“柴油”)進(jìn)行測(cè)試，燃料主要理化性質(zhì)對(duì)比如表1所示。

表1 燃料主要理化性質(zhì)對(duì)比

由表1可以看出：與柴油相比，3種煤制油的運(yùn)動(dòng)黏度較小，且多環(huán)芳烴含量較低，說(shuō)明其其流動(dòng)性良好但潤(rùn)滑性能不佳；煤制油#1和#2的密度與柴油接近，十六烷值略低，回收溫度高，說(shuō)明其著火性能及蒸發(fā)性能不佳；煤制油#3的密度低，十六烷值高，回收溫度低，說(shuō)明其著火性能及蒸發(fā)性能相比柴油較好。

2 試驗(yàn)臺(tái)架及試驗(yàn)步驟

采用單缸柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)柴油和3種煤制油的缸內(nèi)燃燒特性及發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化特性開(kāi)展研究，單缸柴油機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2，其試驗(yàn)臺(tái)架主要測(cè)試設(shè)備的型號(hào)、量程和精度如表3所示。

表2 單缸柴油機(jī)主要參數(shù)

表3 單缸柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架主要測(cè)試設(shè)備

圖1為單缸柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意圖。試驗(yàn)步驟為：首先，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行預(yù)熱；然后，待冷卻水和機(jī)油溫度達(dá)到75 ℃時(shí)，調(diào)節(jié)控制臺(tái)至100%油門位置時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)速，分別在標(biāo)定工況(2 000 r/min，滿負(fù)荷)與最大扭矩工況(1400r/min，滿負(fù)荷)下采集發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，每個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行3次數(shù)據(jù)采集；最后，進(jìn)行燃燒特性分析。

圖1 單缸柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 缸壓和放熱率

圖2為標(biāo)定工況下燃用不同燃料時(shí)柴油機(jī)的缸壓與放熱率變化曲線。由圖2(a)可以看出，標(biāo)定工況下柴油機(jī)燃用3種煤制油呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：當(dāng)燃用煤制油#1和#2時(shí)，二者的缸壓曲線與燃用柴油的缸壓曲線幾乎完全重合，峰值壓力分別上升了0.06、0.07 MPa，對(duì)應(yīng)的相位分別滯后了0.1、0.2 ℃A；當(dāng)燃用煤制油#3時(shí)，峰值壓力下降了0.12 MPa，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前了5.7 ℃A。

由圖2(b)可以看出：與燃用柴油相比，燃用煤制油#1和#2的燃燒始點(diǎn)分別推遲了0.7、0.8 ℃A，煤制油#3的燃燒始點(diǎn)提前了4.9 ℃A，這是因?yàn)榍?種煤制油的回收溫度高、十六烷值低。

圖2 標(biāo)定工況下柴油機(jī)缸壓和放熱率變化曲線

圖3為最大扭矩工況下燃用不同燃料時(shí)柴油機(jī)的缸壓與放熱率變化曲線，可以看出與標(biāo)定工況下呈現(xiàn)的變化規(guī)律基本相同：與燃用柴油相比，燃用煤制油#1和#2時(shí)，燃燒始點(diǎn)分別推遲了0.3、0.7 ℃A，峰值壓力分別下降了0.12、0.11 MPa，對(duì)應(yīng)相位均滯后0.2 ℃A，這說(shuō)明2種煤制油在做功行程放熱更多，更有利于做功；煤制油#3的燃燒始點(diǎn)提前了1.1 ℃A，峰值壓力下降了0.13 MPa，說(shuō)明煤制油#3放熱過(guò)于平緩，柴油機(jī)做功能力下降。

圖3 最大扭矩工況下柴油機(jī)缸壓和放熱率變化曲線

3.2 壓升率與排溫

壓升率是反映柴油機(jī)缸內(nèi)機(jī)械負(fù)荷的重要參數(shù)。2種工況下柴油機(jī)燃用不同燃料的壓升率變化曲線如圖4所示。

由圖4(a)可以看出：與燃用柴油相比，標(biāo)定工況下燃用煤制油#1和#2的壓升率峰值分別上升了0.037、0.038 MPa/°CA，而燃用煤制油#3則下降了0.032 MPa/°CA。分析其原因?yàn)椋好褐朴?1和#2的燃燒始點(diǎn)推遲，導(dǎo)致滯燃期內(nèi)氣缸中預(yù)混合的可燃?xì)怏w量增大，進(jìn)而造成缸壓迅速增大、壓升率峰值上升，最終導(dǎo)致柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷增加；與之相反，燃用煤制油#3會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷減小。

由圖4(b)可以看出：與燃用柴油相比，最大扭矩工況下燃用煤制油#1和#2的壓升率峰值相差不大，而燃用煤制油#3則下降了0.079 MPa/°CA，這使得柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷顯著減小。

圖4 2種工況下柴油機(jī)燃用不同燃料的壓升率變化曲線

排溫是反映柴油機(jī)熱負(fù)荷的一項(xiàng)重要指標(biāo)。2種工況下柴油機(jī)燃用不同燃料的排溫對(duì)比如表4所示?？梢钥闯觯号c燃用柴油相比，相同工況下燃用3種煤制油的排溫變化在5 K以內(nèi)。這說(shuō)明：燃用3種煤制油時(shí)柴油機(jī)的熱負(fù)荷與燃用柴油時(shí)無(wú)顯著區(qū)別。

表4 2種工況下柴油機(jī)燃用不同燃料排溫對(duì)比 K

3.3 功率和扭矩

圖5為柴油機(jī)燃用不同燃料時(shí)最大功率及最大扭矩比較?？梢钥闯觯翰裼蜋C(jī)燃用煤制油#1和#2的最大功率分別為29.28、28.82 kW，最大扭矩分別為164.81、167.06 N·m，與燃用柴油相比分別上升了2.85%、1.23%和0.17%、1.53%；燃用煤制油#3的最大功率為27.08 kW，最大扭矩為157.23 N·m，與燃用柴油相比下降了4.88%和4.43%。分析其原因?yàn)椋号c燃用柴油相比，燃用煤制油#1和#2的燃燒始點(diǎn)推遲，壓升率峰值更大，最大扭矩上升；而燃用煤制油#3時(shí)，由于煤制油#3的十六烷值較大，造成局部的不完全燃燒、壓升率峰值下降，從而導(dǎo)致燃用煤制油#3時(shí)柴油機(jī)最大功率和最大扭矩下降，表現(xiàn)為燃用煤制油#3時(shí)柴油機(jī)的輸出性能下降。

圖5 柴油機(jī)燃用不同燃料時(shí)最大功率及最大扭矩比較

2種工況下柴油機(jī)燃用不同燃料的油耗率對(duì)比如表5所示?？梢钥闯觯号c燃用柴油相比，標(biāo)定工況下燃用3種煤制油的油耗率相當(dāng)，相差在1%以內(nèi)；最大扭矩工況下，柴油機(jī)燃用煤制油#2和#3的油耗率較低，分別下降了1.37%、2.51%，其原因是煤制油#2和#3密度較煤制油#1和柴油更小而十六烷值更大，說(shuō)明在最大扭矩工況下經(jīng)濟(jì)性更好。

表5 2種工況下柴油機(jī)燃用不同燃料油耗率對(duì)比 g·kW-1·h-1

4 結(jié)論

筆者利用150 mm缸徑單缸柴油機(jī)臺(tái)架，對(duì)標(biāo)定工況與最大扭矩工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用3種煤制油和柴油時(shí)的缸內(nèi)燃燒及發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)展了對(duì)比研究。結(jié)果表明：與燃用柴油相比，單缸機(jī)燃用煤制油#1和#2的最大功率和最大扭矩上升，而燃用煤制油#3則下降明顯，說(shuō)明燃用煤制油#3時(shí)柴油機(jī)的輸出性能顯著下降；標(biāo)定工況下，柴油機(jī)燃用3種煤基代用燃料的油耗率與燃用柴油相當(dāng)，最大扭矩工況下燃用煤制油#2和#3的油耗率較低，說(shuō)明最大扭矩工況下二者的經(jīng)濟(jì)性更好。

下一步，將以上述研究結(jié)論為基礎(chǔ)進(jìn)行柴油-煤制油混合燃用的燃燒特性研究，探索柴油機(jī)燃用混合燃料的性能表現(xiàn)。

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