尹 超,王鳳濱,董大陸
(1.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300162; 2.天津大學,內(nèi)燃機國家重點實驗室,天津 300072)
目前,車用柴油的生產(chǎn)主要依賴于石油,隨著石油資源的不斷減少,尋找其替代能源刻不容緩[1]。我國石油資源匱乏,而煤炭資源豐富,大力發(fā)展煤炭液化產(chǎn)業(yè)無疑是保證國家能源安全最有效的手段[2]。
以煤為原料制取柴油的途徑主要分為間接液化和直接液化兩種方式:煤的間接液化是以煤氣化制備的合成氣為原料,在一定的溫度和壓力下,定向的催化合成烴類燃料和化工原料的工藝,也稱為費托合成;煤的直接液化是煤在適當?shù)臏囟群蛪毫ο拢呋託淞鸦梢后w烴類,并脫除煤中氮、氧和硫等雜質(zhì)元素的工藝[3]。間接液化可以生產(chǎn)具有十六烷值高、無硫和低芳香烴含量等優(yōu)點的優(yōu)質(zhì)柴油。直接液化可以生產(chǎn)高標號的汽油,但柴油餾分的芳香烴含量較高,因此十六烷值較低。間接液化合成的高十六烷值柴油和直接液化低十六烷值柴油可以調(diào)制成高品質(zhì)的柴油[4-7]。
本文中在一臺未經(jīng)任何改動的高壓共軌柴油機上,分別進行燃用間接液化煤制柴油、直接液化煤制柴油和二者兩種不同摻混比例的混合油的外特性試驗、ESC(歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán))試驗和ETC(歐洲瞬態(tài)循環(huán))試驗,考察了不同油品對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放特性的影響,對于研究煤制柴油的應用前景具有較大的實際意義。
試驗發(fā)動機為匹配SCR后處理系統(tǒng)的高壓共軌柴油機,滿足國Ⅳ排放標準。該機主要參數(shù)如表1所示。試驗所用設備主要有AVL-PUMA全自動試驗臺架、AVL-AMA i60多組分氣體分析儀、AV-CVS i60全流稀釋系統(tǒng)和PSS i60顆粒采樣系統(tǒng)。
表1 試驗樣機的主要技術(shù)參數(shù)
本研究使用的4種油樣的組分如表2所示,表3為各油樣理化特性指標,燃料特性檢測委托中國石油化工科學研究院完成。由表3可知,直接液化煤制柴油相比于間接液化煤制柴油,具有十六烷值低、密度大、碳硫元素含量高和動力黏度大等特點,其添加十六烷值改進劑后,十六烷值達到了50以上,接近市售柴油水平。
表2 試驗油樣
表3 各油樣理化特性
對4種油樣分別進行900~2 500r/min之間8個轉(zhuǎn)速下的全負荷試驗,考察不同油樣對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的影響;通過ESC試驗和ETC試驗考察不同油樣對發(fā)動機排放的影響[8]。
2.1.1 動力性
圖1給出了發(fā)動機全負荷速度特性下,不同油樣對動力性的影響。由圖可見:隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高,發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下的功率都呈現(xiàn)增大的趨勢。直接液化煤制柴油和間接液化煤制柴油相比,發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下功率增幅在1.6%~3.9%之間,平均增幅為2.7%。在未對發(fā)動機進行任何調(diào)整的情況下,其循環(huán)體積供油量保持不變,而直接液化煤制柴油密度比間接液化煤制柴油大13.4%,單位循環(huán)燃油噴射質(zhì)量也會相應的增大。盡管間接液化煤制柴油的氫含量較高,燃料質(zhì)量熱值較大,但使用直接液化煤制柴油時,噴油量的增大依然導致了發(fā)動機輸出功率增大。
2.1.2 經(jīng)濟性
圖2為發(fā)動機在1 500r/min下進行負荷特性試驗時,不同油樣的燃油消耗量和燃油消耗率情況。由圖可見:隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高,不同負荷下發(fā)動機燃油消耗量和燃油消耗率都呈增大趨勢。可見,盡管直接液化煤制柴油帶來了發(fā)動機動力性的改善,但其燃油消耗量的增長程度更大,導致燃油消耗率增大,經(jīng)濟性惡化。直接液化煤制柴油和間接液化煤制柴油相比,發(fā)動機不同負荷下燃油消耗率增幅在4.7%~7.1%之間,平均增幅為5.2%。低負荷時,經(jīng)濟性惡化較明顯。
2.2.1 NOx排放
圖3為不同油樣進行ESC試驗時,A、B、C 3個轉(zhuǎn)速下NOx排放隨柴油機負荷的變化。由圖可見:各油樣的NOx排放濃度在低負荷時較低,這是因為低負荷時氣缸內(nèi)溫度低;隨著負荷的上升,NOx排放逐漸增大,這是因為隨著負荷的增大,循環(huán)供油量增加,最高燃燒溫度升高所致;在同一負荷時,隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的增大,NOx排放呈增大趨勢,這是由于直接液化煤制柴油十六烷值較小,燃料著火性能差,滯燃期較長,預混燃燒部分較多,最高燃燒溫度和壓力較大,有助于NOx的生成。
圖4為不同油樣ESC和ETC試驗NOx最終排放結(jié)果。由圖可見:同一油樣ESC試驗NOx排放水平普遍高于ETC試驗,直接液化油樣和間接液化油樣相比,ESC和ETC試驗NOx排放增幅分別為5.2%和5.5%。
2.2.2 PM排放
圖5為不同油樣ESC和ETC試驗PM最終排放結(jié)果。直接液化油樣和間接液化油樣相比,ESC和ETC試驗PM排放增幅分別增大1.05倍和1.12倍。圖6為PM排放與油樣中直接液化煤制柴油比例的線性關(guān)系。由圖可見:隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的增大,PM排放基本呈線性增大的趨勢。這是由于直接液化煤制柴油十六烷值低,著火性差,碳元素含量高,增加了碳煙生成的幾率,此外其硫含量較高,硫酸鹽等燃燒產(chǎn)物的生成也會增大PM的排放。
2.2.3 CO排放
圖7為不同油樣進行ESC試驗時,A、B、C 3個轉(zhuǎn)速下NOx排放隨柴油機負荷的變化。由圖可見:在A、B兩種轉(zhuǎn)速下,CO排放隨著負荷的增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢。低負荷時缸內(nèi)溫度低不利于燃油的霧化,燃燒溫度低也不利于CO的完全氧化;高負荷時循環(huán)供油量增加,混合氣較濃,局部缺氧導致CO排放較高。在相同負荷下,隨著直接液化煤制柴油比例的增加,CO排放升高,這是因為直接液化煤制柴油十六烷值低,含碳量高,燃料著火性差,而且其密度較大,循環(huán)供油量更多,燃燒不完全現(xiàn)象更嚴重。
圖8為不同油樣ESC和ETC試驗CO最終排放結(jié)果。由圖可見:直接液化油樣和間接液化油樣相比,ESC和ETC試驗CO排放分別增大為原來的1.3倍和3.7倍,油樣中直接液化煤制柴油的比例增大導致ETC試驗CO排放增大的趨勢更明顯。
2.2.4 CO2排放
本試驗4種油樣的THC排放都基本為零,故不再進行對比分析,但溫室氣體CO2的排放隨油樣的改變存在明顯的規(guī)律。圖9為ESC試驗各工況CO2排放情況,圖10為ESC和ETC試驗CO2最終排放結(jié)果。由圖可見:ESC試驗同一工況下,隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高,CO2排放呈現(xiàn)增大趨勢,ESC和ETC試驗結(jié)果也呈現(xiàn)相同規(guī)律。直接液化煤制柴油相比于間接液化煤制柴油,ESC和ETC試驗CO2排放增幅分別為4.3%和5.1%,這主要是由于直接液化煤制柴油碳質(zhì)量分數(shù)較大所致。此外,直接液化煤制柴油密度較大,在發(fā)動機不作任何調(diào)整時,全負荷點循環(huán)體積供油量一定,循環(huán)供油質(zhì)量更大,燃燒生成CO2會更多。
(1) 隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高,發(fā)動機動力性有所提高,經(jīng)濟性逐漸惡化。直接液化油樣相比于間接液化油樣,各試驗轉(zhuǎn)速下,全負荷功率平均增幅為2.7%,燃油消耗率平均增幅為5.8%。
(2) 隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高,NOx排放略有增大,同種油樣下ESC試驗結(jié)果普遍高于ETC試驗;PM排放基本呈線性增大的趨勢,增幅較大;CO排放明顯增大,直接液化油樣相比于間接液化油樣,ESC和ETC試驗CO排放分別增大1.3倍和3.7倍;4種油樣THC排放都基本為零,但溫室氣體CO2排放呈現(xiàn)增大的趨勢,直接液化油樣相比于間接液化油樣,ESC和ETC試驗CO2排放增幅分別為4.3%和5.1%。
[1] 李博,樓狄明,等.發(fā)動機燃用生物柴油的常規(guī)和非常規(guī)排放特性[J].內(nèi)燃機工程,2009(5):22-26.
[2] 吳春來.煤炭液化在中國的發(fā)展前景[J].地學前緣,2005(3):309-313.
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[6] Teresa L Alleman, Robert L McCormick. Fischer-Tropsch Diesel Fuels-Properties and Exhaust Emissions: A Literature Review[C]. SAE Paper 2003-01-0763.
[7] 吳春來.煤炭間接液化技術(shù)及其在中國的產(chǎn)業(yè)化前景[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(2).
[8] GB 17691—2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排放污染物限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)[S].北京:中國標準出版社,2005.