（动力机械及工程专业论文）ft柴油混合燃料对柴油机性能与排放的影响规律.pdf

中文摘要 煤通过f i s c h e r - t r o p s c h 合成可以获得十六烷值高、硫和芳香烃含量极低的高 品质柴油，f i s c h e r - t r o p s c h ( f t ) 柴油能大幅度降低柴油机的污染物排放。为了阐 明f t 柴油对发动机性能和排放的影响规律，本文以高压共轨车用柴油机为基础， 结合h o r i b a 气体和颗粒物采集系统，以及衍生化样品前处理方法和高效液相色 谱( h p l c ) 分析技术，开展了燃用f t 柴油混合燃料时柴油机性能、常规排放、 非常规排放特性的研究。实验采用五种不同含量的f t 柴油混合燃料，其f t 柴油 含量分别为0 ( 纯柴油，f t o ) 、1 5 f t ( f t i5 ) 、3 0 f t ( f t 3 0 ) 、5 0 f t ( f t 5 0 ) 、1 0 0 f t ( f t 1 0 0 ) 。研究结果表明： 1 、在不改变原机结构参数的条件下，发动机的功率随f t 柴油掺烧比例的增 加而降低，f t 1 0 0 与f t o 相比，最大扭矩降低2 2 ，其他工况均有不同程度的降 低。 2 、随著f t 柴油添加比例的增加，燃油消耗率逐渐下降，热效率提高，f t 1 0 0 相对于f t o 平均燃油消耗率降低7 1 。 3 、发动机燃用f t 柴油时，p m 、c o 、h c 、n o x 的排放得到了改善，在负 荷特性上p m 、c o 、h c 、n o x 的排放随着f t 柴油的添加量的增加而降低。 4 、通过分析f t 柴油掺烧比例、发动机转速及负荷对羰基类污染物排放特性 的影响发现，不论燃用常规柴油还是f t 柴油混合燃料，羰基类污染物中甲醛和 乙醛的含量最多，总羰基污染物的比排放量随负荷的增加而降低。f t 1 0 0 的甲醛 和乙醛的最大比排放量为1 7 4 3 m g ( k w h ) 和8 9 7 m g ( k w h ) ，分别是f t o 的5 3 倍和 2 1 4 倍；f t 1 0 0 羰基化合物的总比排放量为6 5 4 - 4 9 2 6m g ( k w h ) ，是f t o 的 1 8 2 8 倍。 关键词：f t 柴油柴油机性能排放特性羰基污染物 a b s t r a c t t h r o u g hf i s c h e r t r o p s c h ( f t ) p r o c e s s e s ，c o a lc a nb ec o n v e n e dt of td i e s e lf u e l ， w h i c hh a sh i g hc e t a n en u m b e r v e r yl o ws u l f u ra n da r o m a t i cc o n t e n t s f td i e s e lf u e l c a nm a k ear e d u c t i o no ft h ep o l l u t a n t se m i s s i o ni nt h ed i e s e le n g i n e t os h e dl i g h to n t h ee f f e c t so ft h ef i s c h e r - t r o p s c h ( f - t ) d i e s e lf u e lo nt h ep e r f o r m a n c ea n de x h a u s t e m i s s i o n so fd i e s e le n g i n e t h et e s t sw e r ec o n d u c t e do nac o m m o n - - r a i lh e a v y d u t y d i e s e le n g i n e ，c o u p l e dw i t hm d l t 一13 0 2 t m ap a r t i a lf l o wd i l u t i o nc h a n n e ls y s t e m a n dh o r i b a re x h a u s tg a sa n a l y z e r a d d i t i o n a l l y t h em e t h o dc o m b i n i n g d e r i v a t i v es a m p l ep r e t r e a t m e n ta n dh i g h p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) a n a l y s i st e c h n o l o g yw e r eu s e dt om e a s u r ef o u r t e e nk i n d so fa l d e h y d ea n dk e t o n e e m i s s i o n s f i v ef u e l sw e r eu s e di nt h et e s t s ，c o n t a i n i n g0 ，15 ，3 0 。5 0 a n d 1 0 0 f - tb yv o l u m e ，m a r k e da sf - t 0 ，f - t 1 5 ，f - t 3 0 ，f - t 5 0a n d f t 1 0 0 ，r e s p e c t i v e l y t h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r ei i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ee n g i n ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tw i t h o u ta n ym o d i f i c a t i o no nt h e d i e s e le n g i n e t h eo u t p u tp o w e rd e c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s ei nt h ec o n t e n to ff - td i e s e l f u e l i nt h eb l e n d s f t 10 0s h o w e da2 2 r e d u c t i o ni nt h ee n g i n em a x i m u mo u t p u t t o r q u er e l a t i v et of t o a n dt h es a m er e n dw a sa l s oo b s e r v e du n d e ro t h e re n g i n e o p e m t i n gc o n d i t i o n s 2 w i t ht h ei n c r e a s ei nf tc o n t e n ti nf u e l s t h eb r a k es p e c i f i cr u e lc o n s u m p t i o n a n dt h ee f f e c t i v et h e r m a le f f i c i e n c yw e r ee v i d e n t l yi m p r o v e d t h eb r a k es p e c i f i cf u e l c o n s u m p t i o nf o rf - t l0 0w a s7 1 l o w e rt h a nt h a tf o rf t o 3 t h ei n t r o d u c t i o no ff td i e s e lf u e lr e s u l t e di nad e c r e a s eo fn o x 。c o h ca n d ( p m ) e m i s s i o n su n d e rt h ew h o l ee n g i n eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s 4 a st ot h ec a r b o n y le m i s s i o n s ，i tw a sf o u n dt h a tf o r m a l d e h y d ea n da c e t a l d e h y d e w e r em o s ta b u n d a n ti nt h et o t a lc a r b o n y le m i s s i o n sf o ra l lt h ef u e l su s e dd u r i n gt h e t e s tr u n s t h ei n c r e a s eo fe n g i n el o a dc o u l dd e c r e a s et h et o t a lb r a k es p e c i f i cc a r b o n y l e m i s s i o n s t h eh i g h e s tb r a k es p e c i f i ce m i s s i o n so ff o r m a l d e h y d ea n da c e t a l d e h y d ef o r f t 10 0w e r e17 4 3a n d8 9 7m g ( k w h 1r e s p e c t i v e l y , w h i c hw e r e5 3a n d2 14t i m e s h i g h e rt h a nt h o s ef o rf t 0 r e s p e c t i v e l y ；t h et o t a lc a r b o n y le m i s s i o n sf o rf - t 1 0 0w e r e 6 5 4 4 9 2 6m g ( k w h ) d e p e n d i n go nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hw e r e1 8 2 8 t i m e sh i g h e rt h a nt h o s ef o rf t 0 k e yw o r d s ：f - td i e s e lf u e l ，d i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c e ，e x h a u s te m i s s i o n ， c a r b o n y lc o m p o u n d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杠么弋 签字日期： 沙7 年厂月叼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 疹土虫u 导师签名： 宕獬 签字日期：p 。7 年夕月碍日签字日期：j 1 年月2 留日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在我国，随着经济的迅速发展，汽车保有量不断增加，车用汽油和柴油的需 求量也随之增大。我国在1 9 8 1 1 9 9 0 年期间，原油产量年平均增) ) 1 1 3 2 0 万t ，增长率 为3 2 ，同期消费量平均增力f 1 2 2 0 万t 。增长率为2 1 。可是到了1 9 9 1 1 9 9 8 年期 间，原油产量年平均增加2 7 5 万t ，增长率为1 9 ，而同期年平均消费增加1 0 0 0 万 t ，增长率为7 7 ，于是从1 9 9 3 年就成为原油净进口国。2 0 0 2 年石油净进口量达 到7 1 8 5 2 万吨比2 0 0 1 年增加了1 0 7 。而由于价格的上涨，2 0 0 0 年用于进口原油 花去1 8 5 2 亿美元，比1 9 9 9 年费用的增幅达到1 5 2 3 ，而进口量只增加了5 3 8 。 2 0 0 2 年石油进口量已占消费量的2 9 8 1 1 1 。目前，中国已经成为仅次于美国和日 本第三大石油消费国。我国还处于发展中国家，经济还有进一步持续发展，汽车 的产量和保有量还会大幅度增加，石油缺口量将会逐年增大。表1 1 是对我国进 几年石油进口量和缺v 1 量的预测【2 3 】。对未来需要较难预测，不同单位预测结果 有所不同，但逐年加大的情况是显然的。 表1 1 我国进口石油及石油缺口预测 与此同时，汽车排放所引起的大气污染日益严重，我国的汽车排放已成为城 市大气环境的一个主要污染源，直接威胁到人类健康。据研究，大气中3 8 5 的 一氧化碳( c o ) 、2 1 7 的碳氢化合物( h c ) 、8 7 6 的氮氧化合物( n o x ) 、1 1 7 的二氧化碳( c 0 2 ) 、6 2 的二氧化硫( s 0 2 ) 、3 2 的微粒( p m ) 来自汽车尾气 排放【4 】。1 9 9 9 年世界卫生组织评估的1 0 大质量不好城市中，有7 个在中国，我国 对6 6 0 个城市空气质量分析表明，达到一级质量标准的城市仅占1 。而在统计的 3 3 8 个大中城市中，3 3 达到国家空气质量二级标准，达不n - - 级标准的占6 7 ， 其中达不到三级标准的为4 0 ，2 0 0 2 年环保局公报指出仅有2 6 3 的城市人口生 活在达标的空气中。总悬浮颗粒物及氮氧化物是污染空气中的主要物质。近年来 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 上海城区内机动车排放的c o ，h c 和n o x 已分别占总排污负荷的8 6 ，9 0 和5 6 ， 北京市在菲采暖期，城区内机动车排放的c o ，h c 和n o x 已分别占总排污负荷的 6 0 ，8 6 8 和5 4 7 1 5 1 。 此外，发动机尾气中还有羰基化合物，若长期处在具有低浓度羰基化合物的 环境中，会产生慢性危害，这种危害往往不易引人注意，逐渐对身体组织产生致 毒性及致突变性，更进一步会使体内组织产生病变，如肿瘤、癌症等【6 l ，发达国 家近三十年来患呼吸道疾病人数和死亡率不断增加，就是这种慢性危害的结果。 目前，国内外虽然已经开展对尾气中部分非常规排放物的检测研究，但没 有对发动机的非常规排放物检测方法作标准规定，也没有形成统一的排放标准。 更多对醛酮类化合物的研究集中在大气和室内环境污染的研究上，对其浓度的规 定多是参考空气质量或固定污染源( 如烟囱等) 相关法规。柴油机羰基类污染物 中醛类种类丰富，其中甲醛含量最多，乙醛次之。随着人们对代用燃料( 醇类燃 料、生物柴油、煤化柴油等) 的广泛关注，研究燃烧代用燃料引起的羰基类污染 物的排放特性也成为目前国内外关注的热点。就柴油机而言，柴油的成分对醛排 放有很大影响i7 。由于柴油较汽油含高沸点的成分多，组分复杂，因此柴油机醛 酮排放的种类较汽油机多，如甲醛，乙醛，丙烯醛，丙醛，丁醛，丁烯醛，异丁 醛，苯醛，己醛和丙酮等。对于柴油机醛酮类羰基化合物基本随着发动机负荷的 增加而减少，燃烧温度对醛酮的生成起着主导作用。发动机运行中的结构调整等 也会影响到醛的排放。研究表明，柴油机醛酮排放也直接对应h c 的排放。燃油 中或在燃烧过程中产生的部分h c 被转化为醛的其他化合物。在加大对进气的节 流会增加醛酮排放，不正确的调整喷油正时和在排气歧管中提高背压，也会增加 醛排放。甲醛的排放在低负荷时比全负荷时要高很多。而在发动机上装有尾气催 化剂时，不仅氧化了c o ，h c 和还原了n o x ，而且催化剂对醛也会起作用，并且可 以除去全部芳香族醛酮。不过使用陶瓷整体式微粒过滤器对醛排放不起作用。 由于柴油机具有热效率高、燃油经济性好、爆发压力较高、输出扭矩比较大、 c o 和h c 排放量低等优点，在汽车上得到越来越广泛的应用。在我国，汽车保 有量一直保持1 0 以上的速度增长，截止至1 j 2 0 0 6 年，中国的年产汽车台数已经达 7 2 0 万辆，因此，即使柴油车的比重基本保持不变，但是随着汽车保有量的急剧 增长，柴油车的数量也将急剧增加。在2 0 0 7 年1 8 月，国内商用车销售量为1 6 7 5 7 万辆，其中柴油车为1 3 5 8 2 万辆，同比增长3 3 8 ；柴油机在乘用车上的应用也 在增加，2 0 0 7 年的前8 个月，国内生产的乘用车销售量为3 9 4 6 5 万辆，其中柴油 车为2 9 3 万辆，同比增长1 4 1 8 。但是柴油机在其排气中含有大量微粒，其质量 浓度是汽油机的3 0 8 0 倍悼j 。这些微粒主要是由黑色含碳物质组成，粒径小，沉 降速率很低，能长期悬浮于大气中，加上其表面常吸附着一层有致癌作用的多环 天津大学硕士学位论文第一章绪论 芳香烃等物质【9 】，易被人体吸收而沉积在肺泡内，对人体健康造成了极大危害。 我国很多城市空气中的微粒( p m ) 浓度为3 0 9 , u g 聊3 ，比世界空气质量标准 9 0 耀，1 3 高得多，有些城市甚至高达8 6 0 , u g m 3 。车辆尾气排放所引起的环境问 题是汽车工业必须面临的严峻挑战，为此，各国制定的关于汽车尾气排放的法规 愈来愈严，对机动车尾气处理装置和车用燃料的要求随之更加苛刻。 因此，在当前广泛使用柴油机的情况下，开发柴油机的清洁代用燃料具有很 大的现实意义。就我国而言，我国富煤少油，中国工程科学院在1 9 9 4 1 9 9 5 年统 计，1 9 9 7 年发表的能源供需矛盾报告，我国矿物燃料资源情况如表1 2 所列l i 。 表1 - 2 我国矿物燃料资源情况 能源类型煤天然气 石油 占世界可采储量 ll 1 2 2 4 占世界第几位 31 91 0 可开采年限年 8 56 21 9 2 0 0 8 年计，石油的储存量只够开采1 4 年，从我国油品缺口与能源资源储量来 看，除了发展各种车用替代燃料( 如天然气、液化石油气、醇和二甲醚等) 外，利 用我国丰富的煤炭资源也是一条实现我国油品基本自给、保障我国经济可持续发 展的最为现实可行的途径。近年来研究表明：煤通过间接液化，即先将煤气化为 合成气( c o + h 2 ) ，经f i s c h e r - t r o p s c h ( f t ) 催化反应合成，所获得的f t 柴油具有十 六烷值高、几乎不含硫和芳香烃的优良特性【1 1 1 ，燃用f t 柴油可大幅降低柴油机 的排放 1 2 - 1 3 】。此外f t 柴油可与常规柴油以任意比例混合，可以提高常规柴油的 品质，s c h a b e r g 等人对发动机燃用f t 柴油以及其与常规柴油的混合燃料时的排 放特性的研究表明：与常规柴油相比，f t 柴油的h c 、n o x 、c o 和p m 分别降低 4 9 、2 7 、3 3 和2 1 而且发动机排放随着混合燃料中f t 柴油比例的增加而降 低【1 4 】。因此f 。t 柴油被认为是比柴油优秀的代用燃料或混合剂。目前我国已决定 建设一批煤炭液化工厂，为此研究煤基合成燃料在发动机中的燃烧与排放特性以 便发展新一代高效低污染的合成燃料发动机具有重大意义。我国从1 9 8 0 年开始把 煤炭液化技术列为国家科技攻关计划，经过多年努力，取得了一系列成果。在拥 有煤炭资源优势的地区，煤制柴油的成本会进一步降低。因此，与其他国家相比， f t 柴油在我国更有发展前途。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2f t 柴油及其在柴油机上的应用 1 2 1f t 柴油的特性 我国是一个富煤缺油的国家。煤炭经过液化后，可以脱除其中的灰分、硫和 氮，生产出清洁高效的液体燃料，因此，煤炭液化是解决石油短缺、平衡能源结构、 改善环境污染的一条有效的技术途径。煤炭液化洁净煤技术和煤基合成燃油( f t ) 发动机的开发被列入我国“十五 规划i l 引。 采用f i s c h e r - t r o p s c h 法由煤制油，始于上世纪3 0 年代，经过近7 0 年的发展， 目前在技术上已经成熟，并具备商业应用价值l l 纠。 煤炭液化有两种途径：直接液化和间接液化【l 卜1 9 】。煤直接液化是煤在高温高 压下加氢直接液化，虽然它的油收率较高，但对煤种的适应性差，反应及操作条 件苛刻( 需在4 3 5 - 4 4 5 ( 2 、1 5 - - - 2 0 m p a 下) ，产出的燃油品质较低( 芳烃、硫和氮等 杂质含量高) ，在发动机上直接燃用较为困难 2 0 , 2 1 。煤间接液化是先将煤气化为 合成气( c o + h 2 ) ，合成气经脱除硫、氮和氧净化后，经水煤气反应使h 2 c o 比调整到 合适值，再经f i s c h e r - t r o p s c h 催化反应合成液体燃料。典型的( f i s c h e r - t r o p s c h ) 催化 反应合成柴油工艺包括：煤的气化及煤气净化、变换和脱碳；f t 合成反应；油品 加工等3 个步骤。气化装置产出的粗煤气经除尘、冷却得到净煤气，净煤气经c o 宽温耐硫变换和酸性气体脱除，得到成分合格的合成气合成气进入合成反应器， 在一定温度、压力及催化剂作用下，h 2 和c o 转化为直链烃类、水及少量的含氧 有机化合物其中油相采用常规石油炼制手段，经进一步加工得到合格的柴油。 f t 合成柴油的特点是：合成条件较温和，无论是固定床、流化床还是浆态床， 反应温度均低于3 5 0 ，反应压力为2 0 3 0 m p a ，且转化率高。 间接液化几乎不依赖于煤种( 适用于天然气及其它含碳资源) ，而且反应及操 作条件温和。间接液化所合成的柴油( 简称f t 柴油) ，具有十六烷值高、低硫和低 芳烃等优良特性，可同时大幅降低柴油机的碳烟和n o x 排放，是一种清洁的代用 燃料。 表1 3 给出s a s o l 公司和马来西亚s h e l l 公司生产的有代表性f t 合成柴油的 特性及其与美国联邦标准2 号轻柴油特性的比较 2 2 , 2 3 】。虽然f t 柴油特性随着液化 过程中所采用的催化剂与反应器技术以及工艺流程的不同而有一定的差异，但与 2 号轻柴油相比，f t 柴油在物性上具有的共同优点：( 1 ) 主要组成成分是直链饱和 烃( 烷烃，c 9 - , c 2 0 ) 和分枝异构的饱和烃，烯烃含量较少，因而十六烷值高，具有较高 的h c 比。( 2 ) 几乎不含s ，所以对排气后处理催化器和e g r 系统的工作有利，p m 排放低。( 3 ) 芳香烃含量低，有利于改善发动机的燃烧，降低高致癌的h c 排放。( 4 ) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 密度比2 号柴油小，但低热值比2 号柴油高，两者乘积之比为0 9 6 ，因此在使用f t 柴 油时，柴油机的供油系统不必进行更多改动。( 5 ) 能和普通柴油进行任意比例的互 溶成为混合油，可用来提高普通柴油的品质。f t 柴油也存在不足：润滑性较差， 需通过添加润滑剂来解决【冽；云点和倾点较高，低温特性较差；芳香烃含量极低，可 能使弹性体收缩，产生漏油现象。 表1 3f t 柴油与2 号轻柴油特性的比较 1 2 2f t 柴油在柴油机上应用的国内外现状 目前，国内对于f t 柴油的研究还不多，也主要在单缸机上进行，西安交通 大学对f t 柴油的燃烧特性和排放特性进行了研究，并对比了f t 和纯柴油混合掺 烧的发动机性能和排放，研究表明，f ，t 具有较高的十六烷值，较低的硫含量， 几乎不含芳香烃，能有效降低n o x 和p m 的排放。 美国能源技术实验室的m c m i l l i a n 在一台单缸、四冲程、直喷式柴油机上，在 采用相同的发动机结构参数的前提下，对f t 柴油和2 号轻柴油的燃烧特性进行了 详细的比较【2 3 l 。研究结果表明：由于f t 柴油的十六烷值较高，故其滞燃期比2 号 轻柴油短，在所有工况内平均缩短了约3 0 。较短的滞燃期导致参与预混燃烧的燃 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 油量较少，因而f t 柴油预混燃烧放热峰值较低。由于f t 柴油参与预混燃烧的燃 油量较少，密度比2 号轻柴油低，在保证相同功率输出的条件下，比2 号轻柴油多喷 4 5 的油，导致喷油持续期较长，因此，f t 柴油的扩散燃烧阶段的放热率峰值较高， 并在峰值处持续一段时间，处于5 0 至9 0 已燃燃油质量分数区间内的扩散燃烧 持续时间较短，即f t 柴油的扩散燃烧速度比2 号轻柴油快。两者总的燃烧持续期 差别很小，两者的排气温度和有效热效率也几乎相同。f t 柴油的最高燃烧压力比 2 号轻柴油略低或相当，最高压力升高率比2 号轻柴油低得多，燃烧较柔和【1 5 】。 a t k i n s o n 等人在一台重型直喷式v 8 柴油机上，在1 2 个工况点上对f t 柴油和2 号轻柴油的燃烧特性进行了比较【2 5 1 。研究结果表明：与2 号轻柴油相比，f t 柴油 的滞燃期平均缩短了约1 4 ，预混燃烧峰值平均低3 5 ，滞燃期与燃烧持续期的 总和相当，f t 柴油的最高燃烧压力平均低3 4 ，并且所在相位有所延迟，排气温度 低9 1 1 6 。 1 9 9 7 年s a s o l 公司s c h a b e r g 等人1 2 6 】在一台1 9 9 1 d d c 系列6 0 型重型发动机上 对燃用f t 柴油时的排放特性进行了研究，结果表明：与2 号柴油相比，f t 柴油的 h c 、c o 、n o x 和p m 排放分别降低4 9 、3 3 、2 7 和21 。在2 0 0 0 年，s c h a b e r g 等人在采用新技术的1 9 9 9 d d c 系列6 0 型发动机上进行了相似的研列2 7 1 ，结果表 明：与2 号柴油相比，f t 柴油的h c 、c o 、n o x 和p m 排放分别降低了3 7 、3 7 、 1 7 和3 7 。 1 9 9 9 年a t k i n s o n 等人研究表明1 2 习：发动机参数不变的条件下，与2 号柴油相比， 燃用f t 柴油时在选取的1 2 个工况点上的n o x 、p m 、h c 和c o 都显著降低。燃用 f t 柴油时最高燃烧压力较低，因而缸内温度水平较低，从而使n o x 排放平均降低 了2 0 ，由于f t 柴油的含硫量极低，其微粒排放降低了3 1 。此外，其h c 、c o 、c 0 2 排放也分别要比燃用常规柴油时的低1 4 、2 1 、4 9 。 2 0 0 0 年s i r m a n 等人【2 5 j 在一台d b o m 6 1 l 型轻型发动机上，在1 3 个工况点上研 究了f t 柴油的排放特性。研究表明：与2 号柴油相比，燃用f t 柴油时，所有的工况 点上的p m 、h c 和c o 排放都显著降低，除了两个工况点上的n o x 排放略有增加外， 其余工况都降低。燃用f t 柴油时的h c 、c o 、n o x 和p m 排放平均比燃用2 号柴 油时分别降低了4 2 、2 7 、6 和3 7 。 2 0 0 2 年s y n t r o l e u m 公司采用美国联邦测试循环( f t p ) i 贝i j 量了一辆轻型货车燃 用f t 柴油时的法规排放和非法规排放【2 8 1 。结果表明：与燃用2 号柴油相比，发动机 燃用f t 柴油时不仅能大幅降低法规排放，而且还能降低排放法规未限定的有毒 排放【2 引，如苯、萘、芴和苯并芘等。 为了充分利用f t 柴油十六烷值高、硫和芳烃含量极低的优良特性，r i c a r d o 公司的m a y 等人1 2 8 j 对一台2 0 0 2 康明斯i s m 型发动机的活塞形状进行了优化，并采 天津大学硕士学位论文第一章绪论 用了更高的e g r 率，增加了l e a n - n o x 催化器和微粒捕集器，发动机燃用f t 柴油时 的排放得到了进一步的降低。此外，s c h a b e r g 等人f 2 6 j 研究发现：燃用f t 柴油时，喷油 定时适当的推迟可以更进一步大幅降低n o x 排放，而p m 排放和燃油消耗率增加 不多。因此，要想充分发挥f t 柴油降低排放的潜力，必须针对f t 柴油的特性对发 动机的参数进行优化。 一般用燃油馏出9 0 的温度t 9 0 来表征馏程温度对排放的影响。研究也表明： 当t 9 0 降低时，燃油中难以燃烧的重分子减少，从而降低p m 和h c 排放，对降低 n o x 排放的影响较d , i 引】。单独改善燃油某一特性通常对降低发动机排放的效果较 小。但如果同时改善燃油这些特性，那么大幅降低发动机排放的可能性就很大。 由f t 柴油的物化特性可知：与常规柴油相比，f t 柴油的这些特性同时得到了改 善。 由于f t 柴油可以和普通柴油进行任意比例的互溶，发动机燃用混合燃料时， 随着f t 柴油的比例增加，发动机的排放逐渐降低【3 1 1 ，因此，可以用来提高普通柴油 的品质。目前，美国a r g o n n e l 蓍家实验室正在对f t 5 0 ( 即柴油中j j i l 5 0 f t 柴油) 进 行广泛试验与研究。美国能源部也正在着手研究f t 柴油作为柴油的代用燃料或 混合剂在发动机上的应用，主要研究f t 柴油的物理化学特性以及发动机燃用合 成柴油时系统参数的优化1 3 1 1 。 l e e 等人发现，十六烷值对n o x 排放的影响程度还与发动机所采用的技术有 关，当燃料十六烷值增加1 0 时，对于高n o x 排放的发动机，n o x 排放可以降低5 ，而 对于低n o x 排放发动机，n o x 排放仅降低2 1 3 2 3 3 。十六烷值的增加，对改善燃烧、 降低h c 和c o 排放也有一定效梨3 1 】。十六烷值的增加，使p m 中可溶性有机物显著 减少，但不可溶部分增加，因而对p m 的影响不明显1 3 1 。降低燃油中硫的含量可以降 低p m 排放量【3 2 1 。此外，降低硫的含量对缓解硫酸盐对e g r 装置的腐蚀、增加p m 和n o x 后处理装置的转换效率和耐久性都有利【3 引。 降低燃油中芳香烃含量对于降低p m 、n o x 、c o 和h c 都有利【3 1 1 。由于具有 环状结构的烃的绝热燃烧温度较高1 3 5 , 在局部高温环境下利于n o x 的形成，而碳烟 是燃料在高温缺氧的条件下经过热裂解和脱氢聚合而成，芳烃不易裂解，更容易在 缺氧条件下直接聚合形成碳烟【3 5 1 ，所以降低芳香烃对于降低n o x 和p m 有利。当芳 香烃的总含量从3 0 降至1 0 时，n o x 排放可降低约5 t 3 2 j 。此外，柴油机的非常 规排放物因其对环境和人体都有严重危害，也引起了国内外的重视，也已经开展 对尾气中部分非常规排放物的检测研究。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文研究的内容和意义 随着我国经济建设的迅猛发展，对能源的需求也在飞速增长，特别是汽车拥 有量的增加，加剧了对燃油的需求。我国富煤少油，利用我国丰富的煤炭资源通 过直接或间接液化的方法合成液体燃料也是一条重要的途径。 f - t 柴油能有效降低发动机的n o x 、c o 、h c 、p m 等常规排放物，但是在发 动机排气中也存在着醛酮等非常规排放物。测定柴油机排放出的羰基化合物的浓 度可以研究柴油机排放的毒性醛酮化合物对环境大气的影响，以及对人类健康的 危害。本文重点研究了f t 柴油与纯柴油混合燃料对发动机动力性、经济性及排 放特性的影响，同时，为了能够全面了解代用燃料对非常规排放物的影响，本研 究选用f t 柴油与纯柴油混合燃料作为考察对象，以色谱技术作为实现排放测试 的基础，对羰基化合物的分离检测、排放特性进行研究。主要研究内容如下： l 、发动机燃料的配置。按体积比配制了五种不同比例的f t 柴油混合燃料， 含f t 柴油量分别为o 、1 5 、3 0 、5 0 及1 0 0 ( 分别用f t o 、f t 1 5 、f t 3 0 、 f t s 0 、f t 10 0 表示) ，并对混合燃料进行油品特性研究。 2 、f t 柴油混合燃料对发动机性能的影响。在雷沃动力( 天津) 有限公司 生产的p h a s e d 4 0 t i 柴油机上进行了台架试验( 不改变原机结构) ，研究了不同掺 混比例的f t 柴油混合燃料对发动机动力性和经济性及常规排放物的影响。分析 了f - t 柴油添加比例及发动机转速、负荷对排放物的影响规律。 3 、发动机燃用f t 柴油燃料羰基化合物排放的研究，设计f t 柴油燃料发 动机尾气中羰基化合物的在线衍生化的采集方法，并利用高效液相色谱- - 极管 阵列检测器对1 4 种羰基衍生物优化分离，分析了f t 柴油添加比例及发动机转 速、负荷对非常会排放物的影响规律。 天津大学硕士学位论文第二章实验设备及其采样方法 第二章实验设备及其采样方法 2 1 常规排放物的试验装置及试验方法 按燃料的体积计算，配置f - t 柴油和常规欧柴油的混合燃料，分别配置浓 度为1 0 0 f t ，5 0 f t ，3 0 f t ，1 5 f t 和纯柴油，并分别记为f - t 1 0 0 ，f - t 5 0 ， f t 3 0 ，f t 1 5 和f t o 。 试验发动机为雷沃动力( 天津) 有限公司p h a s e r l 4 0 t i e 3 0 ，电控高压共轨、 四气门柴油机，满足欧排放标准，具体参数如表2 1 。 表2 1 雷沃动力( 天津) 有限公司p h a s e r l 4 0 t i e 3 0 采用的实验测试设备如下：杭州奕科机电技术有限公司的e i m 0 3 0 1 d p d 型 转速、扭矩测控仪；杭州奕科机电技术有限公司的f c m 0 4 瞬态油耗测量仪；上 海同圆环保科技有限公司t o c e i l 2 0 n 1 2 5 热式气体质量流量计；日本h o r i b a 公司m e x a 7 1 0 0 d e g r 发动机排气气体分析系统；日本h o r i b a 公司发动机微 粒分流稀释采集系统。 实验时，按e s c 测试标准进行测试五种柴油( f t o 、f t 1 5 、f t 3 0 、f t 5 0 、 f t 1 0 0 ) 的n o x 、c o 、h c 及p m 的比排放量，得出f t 柴油添加比例对该柴 油机常规排放物( 比排放) 的影响。并以此分析各种混合燃料对发动机动力性、 经济性的影响。此后，按照确定的三个转速( 高转速、中转速、低转速) ，每个 转速4 个扭矩点做负荷特性。标定转速定为高转速，最大扭矩转速定为中转速， 低转速定为1 2 0 0 r m i n ，燃用f t 1 0 0 时的负荷特性测试表如表2 2 所示。其他不 同浓度的混合燃料负荷特性均以表2 2 为基准。根据试验所得到负荷特性，分析 在转速一定时，负荷的变化对柴油机排放及性能的影响；进一步分析发动机在转 速一定，发出相同功率的情况下，各种混合燃料对发动机常规排放的影响。 天津大学硕士学位论文第二章实验设备及其采样方法 2 2 非常规排放物的采集及分析方法 2 2 1 非常规排放物采样系统及方法 本文对发动机尾气中羰基化合物实行在线衍生化的采集方法，即利用排气中 的羰基类化合物在酸性条件下与2 ，4 二硝基苯阱( d n p h ) 发生高度特异性的 衍生化反应，生成稳定的化合物腙。化学反应方程式见公式2 1 。 r c h l o + 卜1 2 n n 甲 - 一c n n + h 2 0 公式( 2 1 ) 对发动机尾气中的羰基类非常规污染物进行在线收集，用色谱纯乙腈淋洗吸 附柱，用带有二极管阵列检测器的高效液相色谱仪( h p l c ) 在二元梯度分离条件 下测定淋洗液中各种腙的浓度，并推断出相应羰基污染物的排放浓度。此方法可 同时测定尾气中的甲醛、乙醛、丙烯醛、丙酮、丙醛、丁烯醛、异丁烯醛、丁酮、 丁醛、苯甲醛、正戊醛、对甲基苯甲醛、正己醛等1 4 种化合物。表2 3 为2 ，4 二硝基苯阱吸附柱的主要技术指标l j 引。 本研究使用的非常规排放物采样装置是依循美国环保总局e p am e t h o d t o 1 1 对羰基污染物的采集要求，并结合国产发动机及测控设备的特点，自行设 计建立的，系统结构如示意图2 1 所示【3 7 】。主要结构部件包括稀释通道、涂敷2 ， 4 二硝基苯阱( d n p h ) 的吸附柱( w a t e r ss e p p a k ，美国) 、除臭氧柱( w a t e r s ， 美国) 、质量流量计( d 0 7 7 b l z m 型，北京七星华创电子有限公司) 、流量显示 仪( d 0 8 3 b z m 型，七星华创) 、温控仪( d h c l t - d r k 4 0 0 ，温州大华仪器仪表 有限公司) 、旋片型真空泵( x z - 1 b 型，浙江温岭真空泵厂) 、高纯氮气( 9 9 9 9 9 天津化工试剂厂) 。 慨冷 卜 天津大学硕士学位论文第二章实验设备及其采样方法 表2 3 姗吸附柱技术指标 a d s o r b e n t c h r o m a t o g r a p h i cg r a d es i l i c ac o a t e dw i t h2 , 4 一d n p h q ：垒：堡垒迦地里望! 堡z 查塑鲤曼2 p a r t i c l es i z e15 0 2 5 0 1 m a ( 6 0 1 0 0m e s h ) d n p hl o a d i n g 0 2 9 ( 1 i n g c a r t r i d g e ) c a p a x i t ya p p r o x i m a t e l y7 5 l a gf o r m a l d e h y d e b a c k g r o u n d - 0 15 l a gf o r m a l d e h y d ep e rc a r t r i d g e 0 15 9 9a c e t a l d e h y d ep e rc a r t r i d g e 0 5 0 b ga c e t o n ep e rc a r t r i d g e p r e s s u r ed r o p 7 k p aa t1 5 l r a i n 2 8i n c h e sw a t e r 2 1i n c h e sm e r c u r y s t o r a g e r e f r i g e r a t e 9 5 ，洗脱 比较完全。 天津大学硕士学位论文 第二章实验设备及其采样方法 表2 42 5 负荷时高、中、低三个转速下的穿透率 3 ) 准确度、精度实验 。 将标准样品溶液配制成甲醛d n p h 浓度为2 2 4 0 1 t g l ，其它醛酮一d n p h 浓度 为11 2 0 p g l 的标准溶液，分别平行进样6 次，计算其平均值( x ) 及相对标准 偏差( r s d ) ，结果见表2 5 。从表中可以看出，各种衍生物的相对标准偏差为 0 1 6 1 0 7 ，具有较高的测试准确度。 表2 - 51 4 种醛、酮d n p h 6 次平行测定的平均值及相对标准偏差单位：p g 九 化合物x+s r s d ( ) 甲醛一d n p h 2 2 4 0 5 。7 2 50 2 6 乙醛一d 咿h 1 1 2 8 0 2 1 30 2 0 丙烯醛一d n p h 11 2 5 o 4 4 20 3 9 丙酮一d n p h l1 3 1 0 6 1 60 5 4 丙醛一d n p h l1 3 2 0 2 0 30 1 8 丁烯醛一d n p h 1 1 3 0 0 1 8 20 1 6 异丁烯醛一d n p h 11 3 9 o 11 2 o 0 9 丁酮一d n p h 丁醛一d n p h 2 2 6 6 0 6 2 0 0 2 7 苯甲醛一嗍1 1 3 5 0 3 5 0 0 3 1 正戊醛一d n p h l1 2 1 4 - 0 2 2 30 2 1 对甲基苯甲醛一d n p h l1 2 0 0 9 4 20 8 4 己醛一d n p h 1 1 2 1 1 1 9 71 0 7 1 5 - 天津大学硕士学位论文 第二章实验设备及其采样方法 2 3 本章小结 本章分别介绍了常规排放物和非常规排放物的实验设备、实验路线以及采集 分析方法。具体如下： 1 、搭建实验台架，实验所用发动机为雷沃动力有限公司的p h a s e r l 4 0 t i e 3 0 高压共轨四气门柴油机。配合奕科测功机和日本h o r i b a 公司的 m e x a 7 1 0 0 d e g r 发动机排气分析系统，测量发动机排气中的n o x 、c o 、c 0 2 及h c 。h o r i b a 公司的分流稀释系统采集发动机的微粒。为后