柴油机燃用煤制柴油的性能和排放.docx

1、汽车工程AutomotiveEngineering2014032柴油机燃用煤制柴油的性能和排放尹超I,王凤滨'，董大陆2（1.中国汽车技术研究中心，天津300162；2.天津大学，内燃机国家重点实验室，天津300072）摘要在一台高压共轨柴油机上，分别燃用间接液化煤制柴油、直接液化煤制柴油和二者两种不同比例的混合油进行试验，研究了不同燃油对发动机动力性、经济性和排放性能的影响。试验结果表明：与直接液化煤制柴油相比，燃用间接液化煤制柴油时，发动机动力性有所恶化，但经济性更好;N0*和CO?的排放较低，而PM和CO的排放则明显降低;燃用两种燃油的混合油时，发动机的各项性能介乎两者之间，趋势

2、一致。关键词:柴油机;煤制柴油;动力性;经济性;排放PerformancesandEmissionsofDieselEngineFueledwithCoalDerivedDieselYinChao1,WangFengbin1&DongDalu21.ChinaAutomobileTechnologyandResearchCenter,Tianjin3（X）162;2.TianjinUniversity,StateKeyLaboratoryofInter-CombustionEngine,Tianjin300072AbstractAseriesoftestsareconductedonah

3、ighpressurecommonraildieselenginefueledwithdieselfromdirectcoalliquefaction(DDCL),dieselfromindirectcoalliquefaction(DIDL)andtheirblendwithdifferentproportionsrespectivelytoinvestigatetheeffectsofdifferentfuelsonthepowerperformance,fueleconomyandemissionsofengine.TheresultsshowthatcomparedwithDDCL,t

4、heenginefueledwithDICLhasslightlypoorpowerperformance,butbetterfueleconomy,lowerNOXandCO2emissions,andapparentlyloweremissionsofPMandCO,whilethecorrespondingperformancesofenginewithblendedfuelareinbetweenwithconsistenttrend.Keywords:dieselengine；coalderiveddiesel；powerperfonnance；fueleconomy；emissio

5、ns原稿收到日期为2012年2月3日，修改稿收到日期为2012年5月22日。刖百目前，车用柴油的生产主要依赖于石油,随着石油资源的不断减少，寻找其替代能源刻不容缓。我国石油资源匮乏，而煤炭资源丰富,大力发展煤炭液化产业无疑是保证国家能源安全最有效的手段。以煤为原料制取柴油的途径主要分为间接液化和直接液化两种方式:煤的间接液化是以煤气化制备的合成气为原料，在一定的温度和压力下,定向的催化合成炷类燃料和化工原料的工艺，也称为费托合成;煤的直接液化是煤在适当的温度和压力下，催化加氢裂化生成液体炷类,并脱除煤中氮、氧和硫等杂质元素的工艺。间接液化可以生产具有十六烷值高、无硫和低芳香母含量等优点的优质柴

6、油。直接液化可以生产高标号的汽油，但柴油偶分的芳香炷含量较高，因此十六烷值较低。间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调制成高品质的柴油本文中在一台未经任何改动的高压共轨柴油机上，分别进行燃用间接液化煤制柴油、直接液化煤制柴油和二者两种不同掺混比例的混合油的外特性试验、ESC（欧洲稳态循环）试验和ETC（欧洲瞬态循环）试验，考察了不同油品对发动机动力性、经济性和排放特性的影响,对于研究煤制柴油的应用前景具有较大的实际意义。1试验装置与燃料性质1.1试验设备试验发动机为匹配SCR后处理系统的高压共轨柴油机,满足国N排放标准。该机主要参数如表1所示。试验所用设备主要有AVL-PU

7、MA全自动试验台架、AVL.AMAi60多组分气体分析仪、AVCVSi60全流稀释系统和PSSi60颗粒采样系统。表1试验样机的主要技术参数项目参数型式直列6缸、增压中冷供油方式高压共轨排量/L11.15标定功率/kW221(2500r/min)最大转矩/(Nm)1100(1500r/min)后处理形式SCR1.2燃料特性油样序号组分编号油样1100%间接液化煤制柴油JJ100油样270%间接液化煤制柴油与30%直接液化煤制柴油JJ70+ZJ30油样330%间接液化煤制柴油与70%直接液化煤制柴油JJ30+ZJ70油样4100%直接液化煤制柴油，添加3000x10-6十六烷值改进剂ZJ100表

8、2试验油样本研究使用的4种油样的组分如表2所示,表3为各油样理化特性指标，燃料特性检测委托中国石油化工科学研究院完成。由表3可知，直接液化煤制柴油相比于间接液化煤制柴油，具有十六烷值低、表3各油样理化特性项目JJ100JJ70+ZJ30JJ30+ZJ70ZJ100十六烷值73.358.250.451.3密度(20r)/(kg/m3)758.4799.5827.5859.950%德出温度/T217219220.922295%tg出温度/Y292.5293294.8293.1C质量分数/%84.785.4585.9786.18H质量分数/%15.214.41413.8硫含量/(mg/L)2.49.

9、41523氮含量/(mg/L)0.810.94196动力黏度(20r)/(mm2/s)2.2552.4872.693.004密度大、碳硫元素含量高和动力黏度大等特点，其添加十六烷值改进剂后，十六烷值达到了50以上，接近市售柴油水平。对4种油样分别进行900-2500r/min之间8个转速下的全负荷试验，考察不同油样对发动机动力性和经济性的影响;通过ESC试验和ETC试验考察不同油样对发动机排放的影响O2试验结果和分析2.1不同油样对发动机性能的影响2.1.1动力性图1给出了发动机全负荷速度特性下,不同油样对动力性的影响。由图可见:随着油样中直接液化煤制柴油比例的提高，发动机各转速下的功率都呈现

10、增大的趋势。直接液化煤制柴油和间接液化煤制柴油相比,发动机各转速下功率增幅在1.6%3.9%之间，平均增幅为2.7%。在未对发动机进行任何调整的情况下,其循环体积供油量保持不变,而直接液化煤制柴油密度比间接液化煤制柴油大13.4%，单位循环燃油喷射质量也会相应的增大。尽管间接液化煤制柴油的氢含量较高,燃料质量热值较大，但使用直接液化煤制柴油时,喷油量的增大依然导致了发动机输出功率增大。90转速/(r/min)60-9001100140015001600190022002500402M*«502080O1A2岑必.夏步齐策-i.lF- JJ100JJ70+ZJ30JJ3Q4-ZJ70

11、ZJ100图1不同油样对发动机动力性的影响2.1.2经济性图2为发动机在1500r/min下进行负荷特性试验时，不同油样的燃油消耗量和燃油消耗率情况。由图可见:随着油样中直接液化煤制柴油比例的提高，不同负荷下发动机燃油消耗量和燃油消耗率都呈增大趋势。可见，尽管直接液化煤制柴油带来了发动机动力性的改善，但其燃油消耗量的增长程度更大，导致燃油消耗率增大,经济性恶化。直接液化图2不同油样对发动机经济性的影响2222222111(qMN)a)康炭霁舞鉴煤制柴油和间接液化煤制柴油相比，发动机不同负荷下燃油消耗率增幅在4.7%7.1%之间，平均增幅为5.2%。低负荷时,经济性恶化较明显。2.2不同油样对发

12、动机排放的影响2.2.1NO、排放图3为不同油样进行ESC试验时,A、B、C3个转速下NO,排放随柴油机负荷的变化。由图可见:各油样的NO,排放浓度在低负荷时较低，这是因为低负荷时气缸内温度低;随着负荷的上升,NO.排放逐渐增大，这是因为随着负荷的增大，循环供油量增加，最高燃烧温度升高所致;在同一负荷时，随着油样中直接液化煤制柴油比例的增大,NO,排放呈增大趋势，这是由于直接液化煤制柴油十六烷值较小,3)入转速(1478r/min)(b)B转速(1857r/min)图3不同负荷下NO,排放情况(c)C转速(2237r/min)燃料着火性能差，滞燃期较长,预混燃烧部分较多,最高燃烧温度和压力较大

13、,有助于NO,的生成。图4为不同油样ESC和ETC试验NO,最终排放结果。由图可见：同一油样ESC试验NO,排放水平普遍高于ETC试验,直接液化油样和间接液化油样相比，ESC和ETC试验NO,排放增幅分别为5.2%和5.5%0JJ100JJ70+ZJ30JJ30+ZJ70ZJ100油样505050.554433Z2zZ22.(qw)a)ON图4ESC和ETC试验NO、排放2.2.2PM排放图5为不同油样ESC和ETC试验PM最终排放结果。直接液化油样和间接液化油样相比,ESC和ETC试验PM排放增幅分别增大1.05倍和1.12倍。图6为PM排放与油样中直接液化煤制柴油比例的线性关系。由图可见:

14、随着油样中直接液化煤制柴油比例的增大,PM排放基本呈线性增大的趋势。这是由于直接液化煤制柴油十六烷值低，着火性差,碳元素含量高，增加了碳烟生成的几率,此外其硫含量较高,硫酸盐等燃烧产物的生成也会增大PM的(qMN)/ssd图5ESC和ETC试验PM排放(q.Mawsssd(q.MN)a)/asd(q.Mawsssd(q.MN)a)/asd02040600.020-0.018-0.016*0.014-0.012-0.010-0.008ESC试验r=0.00851+1.03207X1/?2=0.9880100油样中直接液化煤制油比例/%0.032-0.028«0.02430.020-0.

15、016-020406080100油样中直接液化煤制油比例/%图6PM排放与油样中直接液化煤制柴油比例的线性关系2.2.3CO排放图7为不同油样进行ESC试验时,A、B、C3个转速下NO,排放随柴油机负荷的变化。由图可见:在A、B两种转速下,C。排放随着负荷的增加呈现先降低后增大的趋势。低负荷时缸内温度低不利于燃油的雾化,燃烧温度低也不利于CO的完全氧化;高负荷时循环供油量增加，混合气较浓，局部缺氧导致CO排放较高。在相同负荷下，随着直接液化煤制柴油比例的增加,co排放升高，这是因为直接液化煤制柴油十六烷值低，含碳量高，燃料着火性差,而且其密度较大,循环供油量更多,燃烧不完全现象更严重。图8为不

16、同油样ESC和ETC试验CO最终排放结果。由图可见：直接液化油样和间接液化油样相86464201*11119-0UOU255000入转速。478r/min）图8ESC和ETC试验CO排放不同负荷下co排放情况JJ10050502211岬2、0。255075(b)B转速(1857r/min)0018000-09-0POUJJ100JJ70+ZJ30JJ30+ZJ70ZJ10010009080706050403020105250(c)C转速(2237r/min)0016000-14000-12000-10000-窗8000-6000-40002000-工况点怠速A100B50B75A50A75A2

17、5B100B25C100C25C75C50比,ESC和ETC试验CO排放分别增大为原来的1.3倍和3.7倍，油样中直接液化煤制柴油的比例增大导致ETC试验CO排放增大的趋势更明显。2.2.4CO?排放本试验4种油样的THC排放都基本为零，故不再进行对比分析，但温室气体CO?的排放随油样的改变存在明显的规律。图9为ESC试验各工况CO?排放情况，图10为ESC和ETC试验CO?最终排放图9ESC试验各工况CO?排放结果。由图可见:ESC试验同一工况下，随着油样中直接液化煤制柴油比例的提高,CO2排放呈现增大趋势,ESC和ETC试验结果也呈现相同规律。直接液化煤制柴油相比于间接液化煤制柴油，ESC

18、和ETC试验CO?排放增幅分别为4.3%和5.1%,这主要是由于直接液化煤制柴油碳质量分数较大所致。此JJ100JJ704ZJ30JJ30+ZJ70ZJ100油样图10ESC和ETC试验CO?最终排放外,直接液化煤制柴油密度较大，在发动机不作任何调整时，全负荷点循环体积供油量一定，循环供油质量更大，燃烧生成C02会更多。3结论(1) 随着油样中直接液化煤制柴油比例的提高，发动机动力性有所提高，经济性逐渐恶化。直接液化油样相比于间接液化油样,各试验转速下，全负荷功率平均增幅为2.7%,燃油消耗率平均增幅为5.8%。(2) 随着油样中直接液化煤制柴油比例的提高,NO,排放略有增大，同种油样下ESC

19、试验结果普遍高于ETC试验;PM排放基本呈线性增大的趋势，增幅较大;CO排放明显增大，直接液化油样相比于间接液化油样,ESC和ETC试验CO排放分别增大1.3倍和3.7倍;4种油样THC排放都基本为零，但温室气体CO?排放呈现增大的趋势，直接液化油样相比于间接液化油样,ESC和ETC试验CO?排放增幅分别为4.3%和5.1%。参考文献1 李博,楼狄明，等发动机燃用生物柴油的常规和非常规排放特性J.内燃机工程,2009(5):22-26.2 吴春来.煤炭液化在中国的发展前景J.地学前缘,2005(3)：309-313.3 叶青.神华集团煤直接液化示范工程J.煤炭科学技术，2003,31(4).4

20、 PaulNorton,KeithVertin.EmissionsfromBuseswithDDC6V92EnginesUsingSyntheticDieselFuelC.SAEPaper1999-01-1512.5：MikePMay,KeithVertin.DevelopmentofTruckEngineTechnologiesforUsewithFischer-TropschFuelsC.SAEPaper2001-01-3520.6 TeresaLAlleman,RobertLMcCormick.Fischer-TropschDieselFuels-PropertiesandExhaustEmissions:ALiteratureReviewC.SAEPaper2003-01-0763.7 吴春来.煤炭间接液化技术及其在中国的产业化前景J.煤炭转化,2003,26(2).8 GB17691-2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排放污染物限值及测量方法(中国m、n、v阶段)s.北京：中国标准出版社,2005.(上接第167页)王洪刚，张喜兵,李才良，等.利用缸盖噪声信息诊断柴油机失火故障J.振动工程学报,2002,15(2)：207-209.2 贾继德，葛同民,杨万成，等.基于非