直接/間接煤制油對重型柴油機燃燒和排放的影響

劉海峰，崔雁清，董 芳，楊 勇，劉馨璐，陳 鵬，馬俊生，馬桂香，堯命發(fā)

(1.天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072；2.中國石化銷售有限公司油品技術(shù)研究所，天津 300384)

隨著汽車保有量的快速增長，能源消耗與環(huán)境污染問題日趨嚴重[1].為有效解決石油資源短缺以及環(huán)境污染等問題，國內(nèi)外學(xué)者在內(nèi)燃機替代燃料上進行許多研究[2-5].此外，利用我國豐富的煤炭資源優(yōu)勢，將煤炭合成液體燃料也是解決石油短缺和降低有害排放物的重要途徑之一[6].

按合成工藝的不同，煤制油可以分為煤直接液化(direct coal liquefaction，DCL)燃油和煤間接液化(indirect coal liquefaction，ICL)燃油，兩種煤制油的組分不同，對應(yīng)的理化特性參數(shù)不同，從而對發(fā)動機燃燒與排放特性的影響也不相同[6].王真等[7]在一臺電控共軌柴油機上的研究發(fā)現(xiàn)，與柴油相比，DCL的預(yù)混燃燒比例增大，其 NOx、CO和 HC排放顯著增加.莊健等[8]在一臺以 DCL為燃料的柴油機中探究了 EGR對其燃燒和排放特性的影響，研究表明，DCL的滯燃期較長，燃燒持續(xù)期較短，這種差異在40%EGR率下更顯著；不同控制策略下，DCL的碳煙排放均低于柴油，HC、CO均高于柴油；隨著EGR率的增加，DCL的燃油經(jīng)濟性較柴油變差.還有一些研究[9-11]認為，ICL能同時降低 CO、HC、NOx和碳煙排放，且 ICL能有效降低壓力升高率，改善燃燒過程，使有效熱效率和燃油消耗率得到改善.孫萬臣等[12]研究 ICL對顆粒物排放特性的影響規(guī)律，認為 ICL能有效降低顆粒物質(zhì)量與顆粒物數(shù)量，特別是核態(tài)顆粒物和超細顆粒物的數(shù)密度.

國內(nèi)外對煤制油在內(nèi)燃機上的應(yīng)用進行了大量研究，但涉及 DCL與 ICL的對比研究鮮有報道；同時先前研究主要是針對某些工況展開，而在發(fā)動機不同工況下煤制油特性的研究報道相對較少.因此本文將 DCL、ICL兩種不同工藝的煤制油以及國Ⅴ柴油作為試驗燃料，在一臺電控高壓共軌重型柴油機上研究不同工藝煤制油對燃燒和排放的影響，試驗采用ESC十三工況法，以揭示煤制油對柴油機綜合性能的影響規(guī)律，為煤制油應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考.

1 試驗裝置及研究方法

1.1 發(fā)動機試驗裝置

本試驗所用發(fā)動機為一臺 8.42L、四沖程、直列六缸的重型柴油機，同時配備BOSCH高壓共軌燃油噴射系統(tǒng).為滿足國Ⅳ排放要求，原機配備 SCR系統(tǒng).發(fā)動機技術(shù)參數(shù)如表 1所示，試驗臺架示意圖如圖1所示，主要儀器設(shè)備如表 2所示.關(guān)于發(fā)動機和試驗裝置的詳細參數(shù)可參見文獻[13-14].

缸內(nèi)燃燒壓力采用壓電晶體傳感器(Kistler 6125 C)測量，采樣間隔為 0.5°,CA，每個工況采集100個循環(huán)用于計算燃燒相位、壓力升高率等參數(shù).

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

圖1 試驗臺架示意Fig.1 Schematic of experimental setup

表2 主要儀器設(shè)備Tab.2 Main instruments and apparatuses

廢氣測量使用 Horiba公司排氣測量儀，其 UHC分析使用氫離子火焰法，CO分析使用不分光紅外測試法，NOx分析使用化學(xué)發(fā)光法.碳煙比排放通過AVL415S煙度計測量計算公式得到[15].

式中：BFSN為實測煙度值；mair為進氣流量，kg/h；mfuel為柴油機每小時油耗量，kg/h；Pe為有效功率；e≈2.7183.

1.2 試驗燃料

為探究DCL和ICL對柴油機的影響規(guī)律，選取國Ⅴ柴油作為基礎(chǔ)參考燃料.加工工藝不同，決定了煤直接液化合成油與間接液化合成油結(jié)構(gòu)組成和理化特性略有不同.ICL將煤先氣化后再合成，其理化特性受不同原料煤的影響較??；DCL由于直接液化，受原料煤種類影響相對較大，但后期會對 DCL燃油進行脫硫、脫氮等去除雜質(zhì)的處理，因此綜合來看，本研究選取的DCL和ICL理化特性可以較好地代表煤制油燃料的普遍特性.如圖2(a)所示，與柴油相比，煤制油具有較低餾程溫度，ICL的 T90/T95略高于 DCL.圖2(b)表明，ICL具有很高的十六烷值和很低的芳香烴含量，且運動黏度較低；DCL的十六烷值最低，具有和 ICL一樣較低的芳香烴含量，運動黏度略高于 ICL.由圖2(c)可知，ICL的體積熱值遠小于其他兩種燃料，但其質(zhì)量熱值較高；DCL體積熱值略低于柴油，質(zhì)量熱值略高于柴油.詳細的燃料理化特性參數(shù)可以參見表3.

1.3 研究方法

柴油機ESC 循環(huán)包括 1330r/min、1660r/min、1990r/min共3個轉(zhuǎn)速，每個轉(zhuǎn)速分別對應(yīng)4個不同的負荷點作為循環(huán)測試工況點.除選取上述 12個工況點外，再測試一個怠速工況(轉(zhuǎn)速 650r/min)共 13個工況.按法規(guī)中ESC測試循環(huán)要求，在相同工況點下，保證不同燃料之間軌壓、噴油時刻等控制邊界條件一致.根據(jù) ESC循環(huán) 13工況加權(quán)結(jié)果，對比分析不同燃料在循環(huán)工況下燃油經(jīng)濟性和排放特性差異.本研究討論煤制油對柴油機原機性能的影響，排放數(shù)據(jù)均為尾氣未經(jīng)過后處理器的原始排放數(shù)據(jù).

圖2 試驗燃料的理化特性Fig.2 Physical and chemical properties of test fuels

表3 基于標(biāo)準測試結(jié)果的柴油、間接煤制油、直接煤制油的燃料特性Tab.3 Properties of diesel，ICL，and DCL fuels based on standard test results

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 煤制油對燃燒特性與性能的影響

圖3為1990r/min時不同負荷下煤制油對柴油機缸內(nèi)壓力和放熱率的影響規(guī)律.在小負荷時(BMEP為0.43MPa)，DCL燃燒始點最遲，預(yù)混燃燒放熱率峰值最高；ICL燃燒始點最早，預(yù)混燃燒比例較低.這主要與燃料的十六烷值相關(guān).圖3(a)表明，在擴散燃燒階段兩種煤制油放熱率均高于柴油.主要由于兩種煤制油的餾程溫度均較低，有利于燃油蒸發(fā)擴散，加快混合速率，從而加快燃燒速率；此外，DCL由于預(yù)混燃燒比例較高，缸內(nèi)溫度較高，同樣也會使擴散燃燒速率加快.隨負荷增大，不同燃料之間的缸壓和放熱率差異逐漸減小.圖3(c)和(d)表明在較高負荷下，不同燃料之間的燃燒壓力和放熱率差異很小，主要原因是在缸內(nèi)的高溫環(huán)境下燃料的理化特性對燃燒過程的影響將被逐漸削弱.

圖3 煤制油對缸內(nèi)壓力、放熱率的影響Fig.3 Effects of coal-to-liquid fuels on cylinder pressure and heat release rate

圖4 煤制油對燃燒特性的影響Fig.4 Effects of coal-to-liquid fuels on combustion characteristics

圖4為1990r/min時不同負荷下煤制油對燃燒特性的影響規(guī)律.圖4(a)表明，小負荷下滯燃期(定義為噴油開始到累計放熱量達 10%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)呈現(xiàn)出 DCL＞柴油＞ICL的規(guī)律，這主要與不同燃料的十六烷值相對應(yīng).隨負荷增大，不同燃料之間滯燃期差異逐漸減小.圖4(b)和(c)表明，在小負荷下，滯燃期延長，最大壓力升高率增大，初期燃燒持續(xù)期(CA10～CA50)較短，原因在于滯燃期長的燃料預(yù)混燃燒比例增加，使最大壓力升高率升高，CA10～CA50縮短.隨負荷增大，不同燃料之間最大壓力升高率和CA10～CA50差異均減小.圖4(d)表明，不同燃料的 CA50差值較小，這主要因為滯燃期長的燃料其 CA10～CA50較短，綜合影響下不同燃料CA50基本相當(dāng).圖4(e)表明，噴油持續(xù)期呈現(xiàn)ICL＞DCL＞柴油的規(guī)律.主要由于維持相同工況，體積熱值小的燃料需要噴入更多燃料，且隨著負荷增大，循環(huán)噴油量增加，造成噴油持續(xù)期的差異更加明顯.對于 ICL，其體積熱值遠小于其他兩種燃料，故噴油持續(xù)期較長.圖4(f)表明，兩種煤制油燃燒持續(xù)期(定義為放熱量達總放熱量的 10%到 90%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)均短于柴油.如圖3缸壓放熱率所示，因為煤制油較低的餾出溫度，在中小負荷下擴散燃燒階段的放熱率高于柴油，從而使煤制油的燃燒持續(xù)期短于柴油.此外，DCL的燃燒持續(xù)期略短于 ICL.一方面，DCL預(yù)混燃燒比例較高，放熱率快速且集中，從而縮短燃燒持續(xù)期；另一方面 ICL的噴油持續(xù)期稍長于 DCL.兩方面綜合影響，使 DCL的燃燒持續(xù)期略短于ICL.

圖5為在 1990r/min，BMEP為 0.87MPa下煤制油對指示熱效率、有效熱效率和機械效率的影響規(guī)律.圖中指示熱效率呈現(xiàn) DCL＞ICL＞柴油的規(guī)律.由于不同燃料之間的 CA50差異較小(如圖4(d))，燃燒持續(xù)期短的燃料對應(yīng)的燃燒定容度較高，所以指示熱效率較高.兩種煤制油的機械效率低于柴油，主要由于煤制油的黏度較低、潤滑性較差使得燃油泵中泄漏增加，導(dǎo)致附件功增加，從而造成機械損失增加[16].DCL的黏度略高于ICL，故其機械效率較高，但兩者差異不大.因此，在指示熱效率與機械效率共同作用下，有效熱效率呈現(xiàn)柴油＞DCL＞ICL的規(guī)律.

圖5 煤制油對指示熱效率、有效熱效率和機械效率的影響Fig.5 Effects of coal-to-liquid fuels on indicated thermal efficiency，brake thermal efficiency，and mechanical efficiency

2.2 煤制油對排放特性的影響

圖6為發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速和負荷下，不同燃料的氮氧化物(NOx)排放結(jié)果.在各個轉(zhuǎn)速不同負荷下，兩種煤制油 NOx排放均低于柴油，ICL的 NOx低于DCL.對于 ICL，一方面由于十六烷值較大滯燃期較短，預(yù)混燃燒比例較低，缸內(nèi)溫度低于其他兩種燃料；另一方面芳香烴的絕熱燃燒溫度較高[17]，但ICL芳香烴含量極低.使得ICL的NOx排放低于其他燃料.對于DCL，其十六烷值較小，預(yù)混燃燒比例較高，缸內(nèi)溫度較高，但其芳香烴含量同樣較低，綜合兩方面影響，由于芳香烴的主導(dǎo)影響使DCL的NOx排放低于柴油，而較低的十六烷值使其NOx排放高于ICL.

圖6 煤制油對NOx排放的影響Fig.6 Effects of coal-to-liquid fuels on NOx emissions

圖7為不同轉(zhuǎn)速和負荷下煤制油對碳煙排放的影響規(guī)律.在各轉(zhuǎn)速下，碳煙排放基本上呈現(xiàn)DCL＜ICL＜柴油.對于 DCL，一方面其十六烷值較低，滯燃期較長利于油氣混合使碳煙排放降低；另一方面其芳香烴含量較低，芳香烴作為碳煙生成的前驅(qū)物，其含量降低有利于降低碳煙排放[18]；此外 DCL的餾程溫度較低，利于燃油蒸發(fā)，從而有利于降低碳煙排放.三方面的綜合影響使 DCL的碳煙排放最低.對于 ICL，與 DCL具有一樣低的芳香烴含量以及較低的餾程溫度，但其十六烷值較高，滯燃期較短不利于燃油與空氣混合，此外，ICL的 T90/T95高于 DCL，則燃料中重質(zhì)成分含量更高，增加碳煙排放[19].綜合影響是芳香烴和餾程溫度的主導(dǎo)影響超過十六烷值，使 ICL的碳煙排放低于柴油，而較高的十六烷值和T90/T95使其碳煙排放高于DCL.

圖8和圖9為發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速和負荷下，不同燃料的HC和CO排放結(jié)果.由圖8可知，在各個轉(zhuǎn)速下，兩種煤制油的 HC排放均高于柴油，DCL的 HC排放高于 ICL.由于煤制油較低的餾程溫度，有利于燃油蒸發(fā)，從而易于生成過稀混合氣，使 HC排放增加.對于 DCL，由于其十六烷值較小，滯燃期較長，利于燃油與空氣混合，進一步加劇過稀區(qū)形成，使DCL的HC排放比ICL高.由圖9可知，CO呈現(xiàn)的規(guī)律與 HC類似，在各個轉(zhuǎn)速下，兩種煤制油的 CO排放均高于柴油，DCL的CO排放高于ICL.煤制油較低的餾程溫度，使燃油易于蒸發(fā)從而更多混合氣進入低溫近壁面區(qū)域，不利于 CO進一步氧化.對于DCL，較長的滯燃期也會使更多燃料進入低溫近壁面區(qū)域，使DCL的CO排放比ICL高.在小負荷時，由于缸內(nèi)溫度較低，不利于 HC和 CO的進一步氧化，此外噴油過程與燃燒過程在小負荷時彼此分離(見圖4，噴油持續(xù)期小于滯燃期)，導(dǎo)致燃料有相對充足的時間形成過稀區(qū)和進入低溫近壁面區(qū)域.兩方面影響使HC和CO排放在小負荷時較高，且不同燃料之間的差異較大，但隨著負荷增大缸內(nèi)溫度升高，HC和CO排放基本上呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，而且不同燃料之間的排放物差異也逐漸減小.同時也應(yīng)該注意到，本研究中燃用ICL燃料的HC和CO排放較柴油增大的規(guī)律與文獻[9-11]的報道不同，這與發(fā)動機不同的控制策略相關(guān)，例如先前文獻中報道的發(fā)動機排放標(biāo)準在國Ⅲ法規(guī)之前或是采用了顆粒捕集器策略，而本研究為 SCR國Ⅳ排放標(biāo)準柴油機，這可能是造成規(guī)律不同的原因所在.

圖7 煤制油對碳煙排放的影響Fig.7 Effects of coal-to-liquid fuels on soot emissions

圖8 煤制油對HC排放的影響Fig.8 Effects of coal-to-liquid fuels on HC emissions

圖9 煤制油對CO排放的影響Fig.9 Effects of coal-to-liquid fuels on CO emissions

2.3 ESC加權(quán)測試循環(huán)

圖10為煤制油對 ESC循環(huán)加權(quán)后燃油經(jīng)濟性和排放的影響規(guī)律.由圖10(a)可知，兩種煤制油加權(quán)后的有效熱效率低于柴油，主要原因在于煤制油黏度較低，進而造成機械損失升高.對于煤制油 DCL和 ICL，有效熱效率相對柴油分別降低 2.6%和3.4%.由圖10(b)可知，兩種煤制油均有降低 NOx和碳煙的潛力.對于 NOx，ICL燃料相對柴油降低2.5%，降幅大于 DCL燃料.對于碳煙，DCL燃料的降幅 63.1%大于 ICL的 53.7%.由圖10(c)可知，兩種煤制油均使 HC和 CO相對柴油存在不同程度的升高.對于 ICL，其 HC增大幅度 17.1%與 CO增大幅度9.1%均分別小于DCL的32.4%、29.5%.

相比 DCL，ICL具有更低的 NOx、HC和 CO 排放，且 ICL的碳煙排放已顯著低于柴油.相比 ICL，DCL具有更低的碳煙排放和更高的有效熱效率，且DCL的 NOx排放低于柴油，但不可忽視其較高的HC與CO排放.綜合ESC加權(quán)結(jié)果，ICL具備替代柴油的更大潛力，DCL同樣也是一種良好的替代燃料.其各自的應(yīng)用還依賴上游生產(chǎn)過程中的成本以及對環(huán)境的影響.

圖10 煤制油對ESC循環(huán)加權(quán)后燃油經(jīng)濟性與排放的影響Fig.10 Effects of coal-to-liquid fuels on weighted BTE and weighted emissions in ESC

3 結(jié) 論

(1) 小負荷時 DCL滯燃期較長，預(yù)混燃燒比例較高，最大壓力升高率較大，ICL滯燃期較短，預(yù)混燃燒比例較低，最大壓力升高率較??；在擴散燃燒階段，兩種煤制油的放熱率均高于柴油，燃燒持續(xù)期均短于柴油.隨著負荷增大，燃燒特性的差異逐漸減小.

(2) 兩種煤制油的有效熱效率均低于柴油，其中DCL的有效熱效率略高于 ICL.這種煤制油的機械效率均低于柴油.

(3) 在不同轉(zhuǎn)速和負荷下，兩種煤制油的 NOx和碳煙排放均低于柴油，但煤制油的HC和CO排放高于柴油.

(4) 對于ESC循環(huán)加權(quán)結(jié)果，煤制油DCL、ICL的有效熱效率相對柴油分別降低2.6%和3.4%；煤制油均有降低 NOx和碳煙的潛力；對于 NOx，ICL的降幅大于 DCL，相對柴油降低 2.5%，對于碳煙，DCL的降幅為 63.1%，大于 ICL的 53.7%；煤制油均使HC和 CO排放相對柴油存在不同程度的升高，對于ICL，其HC增大幅度17.1%與CO增大幅度9.1%均分別小于DCL的32.4%和29.5%.