柴油機燃用煤制柴油的性能和排放.docx

1、汽車工程AutomotiveEngineering2014032柴油機燃用煤制柴油的性能和排放尹超I,王鳳濱'，董大陸2（1.中國汽車技術研究中心，天津300162；2.天津大學，內(nèi)燃機國家重點實驗室，天津300072）摘要在一臺高壓共軌柴油機上，分別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比例的混合油進行試驗，研究了不同燃油對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性能的影響。試驗結果表明：與直接液化煤制柴油相比，燃用間接液化煤制柴油時，發(fā)動機動力性有所惡化，但經(jīng)濟性更好;N0*和CO?的排放較低，而PM和CO的排放則明顯降低;燃用兩種燃油的混合油時，發(fā)動機的各項性能介乎兩者之間，趨勢

2、一致。關鍵詞:柴油機;煤制柴油;動力性;經(jīng)濟性;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原稿收到日期為2012年2月3日，修改稿收到日期為2012年5月22日。刖百目前，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。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。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,定向的催化合成炷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?，催化加氫裂化生成液體炷類,并脫除煤中氮、氧和硫等雜質元素的工藝。間接液化可以生產(chǎn)具有十六烷值高、無硫和低芳香母含量等優(yōu)點的優(yōu)質柴

6、油。直接液化可以生產(chǎn)高標號的汽油，但柴油偶分的芳香炷含量較高，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)制成高品質的柴油本文中在一臺未經(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。1試驗裝置與燃料性質1.1試驗設備試驗發(fā)動機為匹配SCR后處理系統(tǒng)的高壓共軌柴油機,滿足國N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-PU

7、MA全自動試驗臺架、AVL.AMAi60多組分氣體分析儀、AVCVSi60全流稀釋系統(tǒng)和PSSi60顆粒采樣系統(tǒng)。表1試驗樣機的主要技術參數(shù)項目參數(shù)型式直列6缸、增壓中冷供油方式高壓共軌排量/L11.15標定功率/kW221(2500r/min)最大轉矩/(Nm)1100(1500r/min)后處理形式SCR1.2燃料特性油樣序號組分編號油樣1100%間接液化煤制柴油JJ100油樣270%間接液化煤制柴油與30%直接液化煤制柴油JJ70+ZJ30油樣330%間接液化煤制柴油與70%直接液化煤制柴油JJ30+ZJ70油樣4100%直接液化煤制柴油，添加3000x10-6十六烷值改進劑ZJ100表

8、2試驗油樣本研究使用的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、表3各油樣理化特性項目JJ100JJ70+ZJ30JJ30+ZJ70ZJ100十六烷值73.358.250.451.3密度(20r)/(kg/m3)758.4799.5827.5859.950%德出溫度/T217219220.922295%tg出溫度/Y292.5293294.8293.1C質量分數(shù)/%84.785.4585.9786.18H質量分數(shù)/%15.214.41413.8硫含量/(mg/L)2.49.

9、41523氮含量/(mg/L)0.810.94196動力黏度(20r)/(mm2/s)2.2552.4872.693.004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。對4種油樣分別進行900-2500r/min之間8個轉速下的全負荷試驗，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O2試驗結果和分析2.1不同油樣對發(fā)動機性能的影響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)動機各轉速下的功率都呈現(xiàn)

10、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。90轉速/(r/min)60-9001100140015001600190022002500402M*«502080O1A2岑必.夏步齊策-i.lF- JJ100JJ70+ZJ30JJ3Q4-ZJ70

11、ZJ100圖1不同油樣對發(fā)動機動力性的影響2.1.2經(jīng)濟性圖2為發(fā)動機在1500r/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。直接液化圖2不同油樣對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響2222222111(qMN)a)康炭霽舞鑒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不同油樣對發(fā)

12、動機排放的影響2.2.1NO、排放圖3為不同油樣進行ESC試驗時,A、B、C3個轉速下NO,排放隨柴油機負荷的變化。由圖可見:各油樣的NO,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,NO.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,NO,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,3)入轉速(1478r/min)(b)B轉速(1857r/min)圖3不同負荷下NO,排放情況(c)C轉速(2237r/min)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

13、,有助于NO,的生成。圖4為不同油樣ESC和ETC試驗NO,最終排放結果。由圖可見：同一油樣ESC試驗NO,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NO,排放增幅分別為5.2%和5.5%0JJ100JJ70+ZJ30JJ30+ZJ70ZJ100油樣505050.554433Z2zZ22.(qw)a)ON圖4ESC和ETC試驗NO、排放2.2.2PM排放圖5為不同油樣ESC和ETC試驗PM最終排放結果。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系。由圖可見:

14、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(qMN)/ssd圖5ESC和ETC試驗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試驗r=0.00851+1.03207X1/?2=0.9880100油樣中直接液化煤制油比例/%0.032-0.028«0.02430.020-0.

15、016-020406080100油樣中直接液化煤制油比例/%圖6PM排放與油樣中直接液化煤制柴油比例的線性關系2.2.3CO排放圖7為不同油樣進行ESC試驗時,A、B、C3個轉速下NO,排放隨柴油機負荷的變化。由圖可見:在A、B兩種轉速下,C。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

16、同油樣ESC和ETC試驗CO最終排放結果。由圖可見：直接液化油樣和間接液化油樣相86464201*11119-0UOU255000入轉速。478r/min）圖8ESC和ETC試驗CO排放不同負荷下co排放情況JJ10050502211岬2、0。255075(b)B轉速(1857r/min)0018000-09-0POUJJ100JJ70+ZJ30JJ30+ZJ70ZJ10010009080706050403020105250(c)C轉速(2237r/min)0016000-14000-12000-10000-窗8000-6000-40002000-工況點怠速A100B50B75A50A75A2

17、5B100B25C100C25C75C50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。2.2.4CO?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CO?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CO?排放情況，圖10為ESC和ETC試驗CO?最終排放圖9ESC試驗各工況CO?排放結果。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

18、和ETC試驗CO?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量分數(shù)較大所致。此JJ100JJ704ZJ30JJ30+ZJ70ZJ100油樣圖10ESC和ETC試驗CO?最終排放外,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)供油質量更大，燃燒生成C02會更多。3結論(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,NO,排放略有增大，同種油樣下ESC

19、試驗結果普遍高于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CO?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CO?排放增幅分別為4.3%和5.1%。參考文獻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)：309-313.3 葉青.神華集團煤直接液化示范工程J.煤炭科學技術，2003,31(4).4

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