F - T 煤制油/ 正丁醇混合燃料對電控柴油機性能的影響

張正午， 王 鐵， 石晉宏， 劉瑞卿， 胡田天

（太原理工大學 車輛工程系， 山西 太原 030024)

0 引言

柴油機以熱效率較高、燃油經(jīng)濟性和耐久性較佳等優(yōu)點被廣泛使用， 但是柴油機的NOx和Soot 的排放量較高。 隨著世界工業(yè)化進程的不斷加快和排放法規(guī)的日益嚴苛，環(huán)境污染和石油資源短缺問題越來越突出，僅通過對發(fā)動機本身進行優(yōu)化難以解決柴油機污染物排放量較高的問題，而尋找高效清潔的代用燃料，如醇類、生物柴油和天然氣等成為一條快捷且有效的途徑，受到國內(nèi)外學者的廣泛關注。

十六烷值高的燃料可以縮短發(fā)動機的滯燃期，并在一定程度上降低燃料的燃燒溫度，從而減少污染物的排放[1]，[2]。 通過Fisher-Tropsch 間接液化技術合成的F-T 煤制油（性能和普通柴油接近）具有十六烷值高、硫和芳烴含量低等優(yōu)點。 大量研究表明，F(xiàn)-T 煤制油的污染物排放較少，易實現(xiàn)低溫燃燒， 但是在CO 和Soot 排放方面存在爭議[3]～[5]。與甲醇和乙醇相比，丁醇的氣化潛熱小、熱值和能量密度較高，屬于含氧燃料，不僅可以與柴油以較高比例摻混互溶， 還能降低CO 和Soot等的排放[6]～[9]。國內(nèi)外研究者對正丁醇混合燃料做了大量研究。孫萬臣的研究表明，柴油中加入正丁醇后，滯燃期延長，可以顯著降低Soot 的排放，而NOx的排放基本不變[10]。 黃豪中的研究表明，將汽油或正丁醇摻入柴油中對發(fā)動機的燃燒性能有很大影響，可以一定程度降低污染物排放[11]。 孫丹丹研究了F-T 柴油/甲醇微乳化混合燃料對柴油機排放性能的影響，研究結果表明；混合燃料可以有效降低CO，NOx和Soot 的排放， 同時降低柴油機的缸內(nèi)壓力和放熱率；隨著甲醇摻混比例的增加，污染物中的未燃甲醇含量也隨之增加[12]。

目前，有關F-T 煤制油和正丁醇混合燃料的研究很少，為了研究其對柴油機性能的影響，本文結合F-T 煤制油的低溫燃燒特性以及正丁醇的含氧特性，將兩者混合制備F-T 煤制油/正丁醇混合燃料（正丁醇體積占比為10%），基于柴油機臺架試驗分析了柴油機燃用不同燃料時的燃燒排放特性，從而為尋找清潔代用燃料奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 燃料的理化特性

F-T 煤制油（通過Fisher-Tropsch 催化間接液化合成）由山西潞安礦業(yè)（集團）有限責任公司提供，0#柴油為標準國Ⅵ柴油。 以F-T 煤制油為基礎， 配制正丁醇的體積分數(shù)為10%的混合燃料，記為F90B10。 各燃料的理化特性如表1 所示。

表1 燃料的理化特性Table 1 The main specifications of the fuels

1.2 試驗設備及方法

試驗使用一臺電控四缸柴油機，該柴油機的具體技術參數(shù)如表2 所示。 圖1 為發(fā)動機臺架示意圖。

表2 試驗柴油機主要技術參數(shù)Table 2 The technical specifications of the test engine

圖1 發(fā)動機臺架示意圖Fig.1 Diagram of engine bench

測量設備主要包括AVL FTIR i 60 Fourier 多組分排放儀、AVL 483 Micro Soot Sensor 碳煙儀和Kistler 6050A41 缸壓傳感器。 試驗中不改變原發(fā)動機參數(shù)，對3 種燃料進行2 000 r/min 下的負荷特性試驗。 為確保試驗數(shù)據(jù)可靠，發(fā)動機工況穩(wěn)定后，缸內(nèi)壓力和瞬時放熱率數(shù)據(jù)取100 次工作循環(huán)并取平均值，排放數(shù)據(jù)連續(xù)測量30 s 后取中間20 s 數(shù)據(jù)的平均值作為試驗結果，油耗率連續(xù)測量3 次并取平均值作為試驗結果。

2 結果與分析

以壓縮沖程階段上止點（TDC）為0°CA，上止點之前用負值表示，上止點之后用正值表示。燃燒始點取放熱率曲線第一次出現(xiàn)峰值后曲線明顯上升前的第一個極小值點； 滯燃期為噴油始點到燃燒始點對應的時期；燃燒重心（CA50）取累積放熱率大于50%的第一個點。

2.1 燃燒特性分析

發(fā)動機燃用各燃料時的燃燒特性如圖2 所示。

圖2 發(fā)動機燃用各燃料時的燃燒特性Fig.2 Combustion characteristics of engine fueled with various fuels

從圖2 可以看出：相比于0#柴油，燃用F-T煤制油時，發(fā)動機的燃燒始點提前，滯燃期縮短，CA50 滯后；相比于F-T 煤制油，燃用F90B10 時，發(fā)動機的燃燒始點提前了0.1～0.7°CA，滯燃期延長了0.2～0.9°CA，CA50 提前了0.4～2°CA。 這是因為F-T 煤制油的十六烷值比0#柴油高很多，發(fā)動機的著火速度加快，燃燒始點提前，滯燃期縮短，導致擴散燃燒的比例增大， 主燃燒階段的燃燒速度相對降低，所以CA50 遠離上止點且由于CA50相對滯后， 導致燃燒持續(xù)期增長； 當摻入正丁醇后，F(xiàn)90B10 的十六烷值比F-T 煤制油低，且正丁醇的氣化潛熱較高， 燃油噴入初期會因霧化而吸收更多的熱量，使得發(fā)動機的缸內(nèi)溫度降低，燃燒始點延后，滯燃期延長，CA50 提前。 隨著負荷的增加， 發(fā)動機燃用3 種燃料時的滯燃期均縮短，CA50 靠近上止點，燃燒始點不斷提前。 這是因為隨著負荷的增加，發(fā)動機的噴油始點提前，且缸內(nèi)溫度上升，缸內(nèi)燃燒條件較好，易于著火，所以燃燒始點不斷提前，滯燃期縮短，CA50 提前；負荷過高后，噴油量增大，缸內(nèi)混合氣濃度較大的區(qū)域增多，雖然燃燒始點繼續(xù)提前，但殘余廢氣增多，燃燒速度相對減慢，CA50 無明顯變化。

2.2 燃燒過程分析

缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值是反映燃燒狀況的綜合指標[13]，[14]。在不同負荷下，發(fā)動機的缸內(nèi)壓力和放熱率的變化情況分別如圖3，4 所示。

圖3 不同負荷下的缸內(nèi)壓力Fig.3 In-cylinder pressure under different loads

圖4 不同負荷下的放熱率Fig.4 Heat release rate under different loads

從圖3，4 可以看出： 燃用3 種不同燃料時，發(fā)動機的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值均隨負荷的增加而升高； 不同負荷下， 燃用F-T 煤制油時，發(fā)動機的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值均比燃用0#柴油時低；燃用F90B10 時，發(fā)動機的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值較燃用F-T 煤制油時均有所提高，當負荷為75%時，提高幅度最大，分別為9.3%和11.2%。 由上文可知，燃用F-T 煤制油時，發(fā)動機的滯燃期縮短，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣減少，導致預混燃燒量與擴散燃燒量的比值降低，主燃燒階段的燃燒速度降低；此外，F(xiàn)-T煤制油的餾程溫度和粘度均較低，可以改善燃燒條件。 在上述因素的共同作用下，燃用F-T 煤制油時，發(fā)動機的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值均有所降低。 相比于F-T 煤制油，燃用F90B10 時，發(fā)動機的滯燃期延長，預混燃燒比例增加，由于正丁醇的粘度較低和揮發(fā)性較高， 使得F90B10 的霧化性較好，混合氣質(zhì)量得到提高，燃燒條件得到改善，最終使得發(fā)動機的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值增加。

2.3 柴油機性能分析

有效燃油消耗率（BSFC）和有效熱效率（BTE）是反映發(fā)動機經(jīng)濟性的重要指標[13]，[14]。 燃用不同燃料時，發(fā)動機的BSFC 和BTE 如圖5 所示。

圖5 發(fā)動機的經(jīng)濟性Fig.5 The economy of engine

從圖5（a）可以看出，燃用3 種燃料時，發(fā)動機的BSFC 均隨著功率的增大而減小，其中，燃用F90B10 時，發(fā)動機的BSFC 最低，比燃用F-T 煤制油降低1.4%。 這是因為相較于0#柴油，F(xiàn)-T 煤制油的低位熱值較高，同時餾程溫度較低，蒸發(fā)速度更快，所以燃用F-T 煤制油時，發(fā)動機的BSFC較低；摻入正丁醇后，F(xiàn)90B10 燃料含氧，燃燒更加充分，使得發(fā)動機的BSFC 進一步降低。

從圖5（b）可以看出：燃用F-T 煤制油時，發(fā)動機的BTE 低于燃用0#柴油時； 燃用F90B10時，發(fā)動機的平均BTE 比燃用F-T 煤制油時增加0.9%。 由上文可知，燃用F-T 煤制油時，發(fā)動機的CA50 遠離上止點，所以燃燒等容度降低，缸壁的熱泄露增多， 缸壁的熱交換增多， 熱能損失也增多，使得發(fā)動機的BTE 較低；燃用F90B10 時，發(fā)動機的滯燃期比燃用F-T 煤制油時長，使得預混燃燒比例增加，CA50 更靠近上止點， 所以燃用F90B10 時， 發(fā)動機的BTE 比燃用F-T 煤制油時高。 燃用不同燃料時，發(fā)動機的BTE 均隨著發(fā)動機功率的增加而增加。 這是因為隨著發(fā)動機功率的增加，燃燒始點提前，CA50 靠近上止點，等容度增加，熱損失減少，所以BTE 也隨之增加。

2.4 排放特性分析

2.4.1 NOx排放分析

燃用不同燃料時， 發(fā)動機的NOx的排放規(guī)律如圖6 所示。

圖6 NOx 的排放規(guī)律Fig.6 The emission disciplin of NOx

由圖6 可以看出， 在不同負荷下， 燃用F-T煤制油時，發(fā)動機的NOx排放量均比燃用0#柴油時低，燃用F90B10 時，發(fā)動機的NOx排放量處于最低水平， 比燃用F-T 柴油時降低了14.5%～33.4%。 這是因為F-T 煤制油的十六烷值比0#柴油高，燃用F-T 煤制油時，發(fā)動機的滯燃期縮短，缸內(nèi)燃燒溫度降低， 所以發(fā)動機的NOx排放量較??；由于正丁醇的汽化潛熱較高，燃用F90B10 使得缸內(nèi)燃燒溫度進一步下降， 導致NOx的排放量處于最低水平，并且隨著負荷的增加，NOx的降低效果更加明顯。 局部高溫以及高溫持續(xù)時間是NOx產(chǎn)生的重要因素[13]，[14]。 燃用3 種燃料時，發(fā)動機的NOx排放量均隨著負荷增加而增加。 在低負荷階段，噴油量較少，缸內(nèi)平均溫度較低，燃燒溫度較低，這是限制NOx生成的主要原因，此時NOx的排放量較低；在高負荷階段，缸內(nèi)溫度上升到較高水平，高溫環(huán)境導致NOx的排放量呈上升趨勢。

2.4.2 CO 排放分析

CO 是有毒物質(zhì)，其生成的主要原因是燃料在氣缸中的不充分燃燒， 主要與過量空氣系數(shù)和燃燒溫度有關[13]，[14]。 燃用不同燃料時，發(fā)動機的CO的排放規(guī)律如圖7 所示。

圖7 CO 的排放規(guī)律Fig.7 The emission disciplin of CO

從圖7 可以看出， 在不同負荷下， 燃用F-T煤制油時，發(fā)動機的CO 排放量比燃用0#柴油時低，燃用F90B10 時，發(fā)動機的CO 排放量處于最低水平， 比燃用0#柴油時降低了15.7%～67.0%，比燃用F-T 煤制油時降低了5.5%～14.1%。 這是因為0#柴油的粘度較F-T 煤制油高，霧化性能較差，濃度較大的區(qū)域較多，此區(qū)域的CO 氧化不完全，所以CO 的生成量較大；而F90B10 的霧化性較好，滯燃期較短，同時正丁醇的含氧性導致CO更易被氧化，所以CO 的排放量減少。

2.4.3 Soot 排放分析

Soot 是以碳為主體的不完全燃燒的產(chǎn)物，由烴類燃料在高溫缺氧條件下裂解生成，柴油機采用的是缸內(nèi)噴射的混合燃燒模式，油氣混合過程中會產(chǎn)生局部過濃區(qū)域， 所以燃燒過程中生成Soot 不可避免[13]，[14]。 燃用不同燃料時，發(fā)動機的Soot 的排放規(guī)律如圖8 所示。

圖8 Soot 的排放規(guī)律Fig.8 The emission disciplin of Soot

從圖8 可以看出， 在不同負荷下， 燃用F-T煤制油時，發(fā)動機的Soot 排放量比燃用0#柴油時低，燃用F90B10 時，發(fā)動機的Soot 排放量處于最低水平， 比燃用F-T 煤制油時降低了0.1～0.17 mg/m3， 比燃用0#柴油時降低了0.21～1.73 mg/m3。這是因為當負荷較低時，由于F-T 煤制油的低溫燃燒特性，缸內(nèi)燃燒溫度較低，抑制了Soot 的生成；F-T 煤制油中添加含氧的正丁醇燃料后，由于含氧燃料可以改善局部過濃區(qū)域， 所以F90B10可以更好地降低Soot 的生成量；F90B10 具有粘度低和霧化性能好的優(yōu)點，這也可以改善局部缺氧的情況；正丁醇具有十六烷值低和氣化潛熱高的特點，這使得發(fā)動機的滯燃期延長，也使油氣混合得更均勻，從而進一步減少Soot 的生成。 當負荷超過75%后， 缸內(nèi)溫度已經(jīng)達到很高的水平，產(chǎn)生的Soot 大部分被氧化， 所以到了高負荷階段，發(fā)動機燃用3 種燃料時的Soot 排放量均處于較低水平。

3 結論

本文在一臺電控柴油機上探究了0#柴油、FT 煤制油和F-T 煤制油/正丁醇混合燃料對發(fā)動機各項性能的影響，得出如下結論。

①隨著負荷增加，發(fā)動機燃用各種燃料時的燃燒始點提前， 滯燃期減小，CA50 靠近上止點，缸內(nèi)壓力和放熱率均升高，BTE 增高，BSFC 降低；與燃用F-T 煤制油時相比，燃用F90B10 時，發(fā)動機的燃燒始點延后， 滯燃期延長，CA50 提前，缸內(nèi)燃燒壓力峰值和放熱率峰值均增加，動力性提高，達到了和燃用0#柴油時相接近的水平。

②相比于F-T 煤制油，燃用F90B10 時，發(fā)動機的CO，NOx和Soot 的排放量均降低，使發(fā)動機在各種負荷下的排放性能得到改善；燃用F90B10時，發(fā)動機的BSFC 最低，BTE 比燃用F-T 煤制油時高。

F-T 煤制油對于降低柴油機的排放水平具有重要作用，是一種良好的代用燃料，利用正丁醇的特性可以進一步降低柴油機的排放水平，更好的達到國家排放標準。