不同比例芳烴的費托柴油排放特性研究

（1-中國汽車技術研究中心天津3001622-濰柴動力股份有限公司）

不同比例芳烴的費托柴油排放特性研究

高鑫磊1熊興旺1王林波2

（1-中國汽車技術研究中心天津3001622-濰柴動力股份有限公司）

在一臺國五發動機上燃用5種不同油品，分別進行外特性、原排穩態ESC循環、帶SCR后處理穩態ESC循環及ELR試驗，通過發動機動力性能及排放性能得出結論：燃用FT-0、FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8四種油品，與國五柴油相比，功率、扭矩分別下降1.4%、1.3%、0.8%、1.2%；常規排放污染物THC、NOx、CO及煙度隨著芳烴比例增加，排放污染物結果呈上升趨勢；相比國五柴油，燃用FT-2.2、FT-7.4油品時，PM顆粒有小幅下降趨勢，芳烴比例達到14.8%時，PM顆粒上升50%。

國五柴油費托柴油（CTL）芳烴排放特性

引言

費托合成工藝是以合成氣為原料制備烴類化合物的過程。根據合成氣的原料不同，費托合成油可分為：煤制油、生物質制油和天然氣制油。煤制油（Coal-to-liquids，CTL）是以煤炭為原料，通過化學加工過程生產油品和石油化工產品的一項技術。煤的間接液化生產的油品具有十六烷值高、H/C含量較高、低硫和低芳烴以及能和普通柴油以任意比例互溶等特性。同時，煤制油具有運動粘度低，密度小、體積熱值低等特點。

此次試驗在試驗條件一致且發動機狀態未做調整情況下，通過外特性、原排穩態ESC循環、帶SCR后處理穩態循環工況ESC和ELR煙度試驗，研究燃用5種燃料對發動機動力性和排放性能的影響。油品為市售國五柴油和以費托油為基礎油配比不同比例芳烴組成，由中科合成油技術有限公司提供。

1關鍵試驗設備及燃料說明

1.1 關鍵試驗設備

試驗設備有AVL-PUMA全自動控制系統、AVL電力測功機、AVL735油耗儀、AVL-AMA i60多組分氣體分析儀，AVL-CVS全流稀釋系統和PSSi60顆粒物采樣系統，以及AVL439不透光煙度計。

1.2試驗樣機參數

試驗樣機參數如表1所示。

表1 試驗樣機參數

1.3燃油理化參數

燃油理化參數如表2所示。

表2 燃油理化參數

1.4試驗燃料

試驗燃料參數如表3所示。

表3 試驗燃料參數

2試驗結果分析

2.1 外特性比對

外特性如圖1，2所示。由圖1和圖2中可以看出，燃用費托柴油同國五柴油相比，功率扭矩均呈現下降趨勢，平均降幅為1.4%。隨著芳烴比例的加入，燃用FT-2.2，FT-7.4，FT-14.8 3種油品與費托柴油相比降幅分別為1.3%，0.8%，1.2%。考慮到測量帶來的誤差因素，在費托油中加入不同比例芳烴對柴油機動力性能影響不大。

這是由于費托柴油熱值和密度均低于普通柴油。熱值是所有液體燃料的重要品質指標之一。熱值越高，在相同條件下單位質量的燃料產生的動力就越大，在供油系統不作任何調整的情況下，體積供油量基本保持不變，低體積熱值的費托柴油會導致柴油機動力性降低。費托柴油十六烷值比普通柴油高，其滯燃期較短，滯燃期內噴入缸內的燃料量較少，預混合燃燒燃料較少，燃燒最高爆發壓力較低，從而導致柴油機輸出扭矩較小[1]。

圖1 外特性功率

圖2 外特性扭矩

2.2 原排穩態ESC循環

2.2.1 NOx比對

從圖3～圖5中可以看出在相同工況下，費托柴油與國五柴油相比，NOx排放均有所下降。燃用FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8 3種油品與費托柴油相比又有所上升。

這是由于F-T柴油的加入使混合燃料十六烷值增加，滯燃期縮短，預混放熱峰值減小，最高燃燒溫度降低；隨著燃油芳烴含量的增加，其釋放的熱值也會增加。另一方面，具有環狀結構的烴的絕熱燃燒溫度較高有利于在局部高溫環境下產生NOx[2]，因此導致燃用FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8 3種油品的NOx排放增加。

2.2.2 CO比對

從圖6～圖8中可以看出在同一工況下，燃用費托柴油相比國五柴油，CO排放有所下降。燃用FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8 3種油品與費托柴油相比隨著轉速及負荷的變化略有上升。

圖3 A轉速原排氮氧化物排放

圖4 B轉速原排氮氧化物排放

圖5 C轉速原排氮氧化物排放

圖6 A轉速原排一氧化碳排放

圖7 B轉速原排一氧化碳排放

圖8 C轉速原排一氧化碳排放

柴油機排放的CO主要源于噴注中過濃部分的不完全燃燒，生成的主因是由于燃燒時缺氧導致。一般工況下，生成的CO擴散出去與缸內富裕的氧氣相接觸后，當缸內溫度較高時都能再次氧化產生CO2。相比于國五柴油，費托柴油密度較低，燃油蒸發過程進行較快，從而更容易產生均勻的混合氣，降低了形成缸內局部過濃區的可能性，燃燒效率升高，自然CO排放就減少[3]。由于燃油中芳烴含量的加大，高芳烴燃油的碳氫質量比高，再加上苯環的著火和燃燒較難會導致燃燒持續期延長，因此導致CO排放增加。

2.2.3 THC比對

從圖9～圖11中可以看出：在相同負荷情況下，燃用費托柴油相比國五柴油，THC排放整體下降。在燃用費托柴油后又隨芳烴比例增加出現逐步上升趨勢。

這是由于柴油機燃燒過程中燃料與空氣混合不均勻導致混合物局部過濃或過稀，使燃燒不完全而產生THC排放[2]。此外，在靠近氣缸壁或燃燒室其他壁面的可燃混合物由于激冷效應使燃燒不完全，也會產生THC的排放[4]。

圖9 A轉速原排碳氫化合物排放

圖10 B轉速原排碳氫化合物排放

圖11 C轉速原排碳氫化合物排放

費托柴油中含氧量高，燃燒性能好，燃燒較充分，減少了未燃THC的排放。另外，費托柴油的黏度高，起到了一定的密封作用，從而減少了混合氣的泄漏，降低了THC的排放。隨著芳烴含量的增加，滯燃期延長，使得滯燃期內的未燃及裂解碳氫增加。因此，導致THC排放增加。

2.3 帶后處理穩態ESC循環

2.3.1 氮氧化物

從圖12中可以看出，同國五柴油相比，另外4種油品NOx排放同時下降，最大降幅達到28%，在燃用費托柴油后隨著芳烴比例增加呈現出上升趨勢。

這是由于費托柴油的十六烷值高，易于燃燒，使得燃燒過程中的滯燃期短，缸內溫度較低。在加入芳烴后，使得絕熱燃燒溫度高，有利于在局部高溫下產生NOx[2]。此外，芳烴中的大部分是致癌物質，芳烴含量的增加，除會使有毒物質的排放明顯增加外，還會導致燃燒室沉積物的增加，直接導致NOx污染物排放量的增加。

圖12 ESC循環工況下氮氧化物排放

2.3.2 PM顆粒

從圖13中可以看出，在5種不同油品中，當費托柴油中芳烴比例達到14.8%時，PM顆粒排放量顯著上升。除此之外，隨著芳烴比例的增加，PM顆粒排放量有小幅下降趨勢。

圖13 ESC循環工況下顆粒物排放

資料表明，燃料中芳烴含量增加時PM隨之也慢慢增加[5]。這是由于芳烴是具有至少一個苯環的燃油分子，其對排放的影響主要有兩個方面：

1）芳烴碳氫比高，燃燒火焰溫度高，芳烴含量增加造成PM排放量上升；

2）芳烴，特別是多環芳香烴作為碳煙生成的前驅體，其含量增加導致PM排放上升[6]。

2.3.3 一氧化碳

從圖14中可以看出，同國五柴油相比，其他4種油品的CO排放均有所降低，最大降幅達到38%；同費托柴油相比，FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8 3種油品隨芳烴比例的加大，CO排放量又呈上升趨勢。

這是因為費托柴油十六烷值高，著火性能大大改善所致。同時燃料中芳烴含量也會對CO排放產生一定影響。燃料中芳烴含量越高，含碳量就越高，在燃料不可能完全燃燒狀況下即可導致CO排放升高[3]。

圖14 ESC循環工況下一氧化碳排放

2.4 ELR循環

從圖15中可以看出，相比于國五柴油，燃用費托柴油煙度明顯降低，隨著芳烴的加入又呈現上升趨勢。

圖15 ELR循環工況下煙度排放

這是由于芳烴含量越高，則燃油總體碳氫質量比越高。芳烴物質在燃燒過程中很難分解和被氧化，隨著其含量升高，燃油中的飽和烴含量愈多，其化學結構牢固，不易燃燒，故容易形成碳煙。

碳煙產生于高負荷時的油束心部、油束尾部和后噴部氧濃度低的區域，在這些區域氣體溫度高，燃油分子容易發生高溫裂解而形成碳煙。燃料燃燒釋放出的濃煙就是燃料中芳香烴含量過多所致[7]。

3結論

1）費托柴油中加入不同芳烴含量對THC排放結果呈現出一定的規律。相比于國5柴油，燃用費托柴油后THC的排放結果均呈現下降趨勢，同時又隨著芳烴比例的增加呈現整體上升趨勢。

2）NOx方面：原排狀態下，燃用費托柴油與國五柴油相比呈現下降趨勢；ESC工況下燃用費托柴油與國五柴油相比排放結果下降，同時又隨芳烴比例增加呈現上升趨勢，最大達到13%。

3）煙度方面：同國五柴油相比，燃用費托柴油煙度值下降55%；同費托柴油相比，燃用FT-2.2，FT-7.4，FT-14.8 3種油品后煙度值出現上升趨勢，幅度在25%～35%之間。

4）CO方面：同國五柴油相比，費托柴油排放結果降幅達到28%；同費托柴油相比，燃用FT-2.2，FT-7.4，油品后呈現下降趨勢，燃用FT-14.8油品后又呈上升趨勢，同FT-0相比漲幅達到1.5%。

5）PM方面：整體變化趨勢很小，當芳烴比例達到14.8%時，顆粒物排放呈上升趨勢，最大達到50%。

1王鳳濱，景曉軍，高俊華.燃用費托柴油對國Ⅳ柴油機性能的影響[J].汽車技術，2012（10）：7-10

2汪恒，王鐵，史偉奇，等.F-T煤制油對增壓中冷柴油機性能與排放的影響[J].車用發動機，2013（2）：65-69

3郝斌.不同燃料對柴油機排氣顆粒物的影響研究[D].天津：天津大學，2014

4張建業，裴毅強，秦靜，等.混合煤制油對共軌柴油機性能及排放影響的試驗研究[J].內燃機工程，2015，36（2）：13-17，24

5周玉松.燃料性質和成份對內燃機車排放影響的研究[D].北京：北京交通大學，2006

6陳文淼，王建昕，帥石金.柴油品質對發動機排放性能的影響[J].汽車工程，2008，30（8）：657-663

7張麗英.合理降低油品芳香烴含量的重要性[J].油氣儲運，2003，22（5）：58-60

Emission Characteristics of Different Ratio of Aromatic Hydrocarbons Blended in the Fischer-tropsch Diesel

Gao Xinlei1,Xiong Xingwang1,Wang Linbo2
1-China Automotive Technology&Research Center(Tianjin,300162,China）2-Weichai Power Co.,Ltd.

A series of tests,including full load tests,ESC and ELR tests without and with SCR system,were conducted on a State-Ⅴdiesel engine fueled with five kinds of fuels respectively.Differences of power performances and emission performances between the five kinds of fuels were analyzed.Compared with State-Ⅴdiesel,power and torque of FT-0,FT-2.2,FT-7.4 and FT-14.8 see a decrease by 1.4%,1.3%, 0.8%and 1.2%respectively.With the ratio of aromatic hydrocarbons blended in the diesel increasing, THC,、NOx,CO and opacity increase.Compared with State-Ⅴdiesel,PM of FT-2.2 and FT-7.4 decrease slightly,while that of FT-14.8 increases by 50%.

State-Ⅴdiesel,Fischer-tropsch diesel(CTL),Aromatic hydrocarbons,Emission characteristics

TK421+.5

A

2095-8234（2016）06-0022-05

2016-09-13）

高鑫磊（1984-），男，大學本科，主要研究方向為發動機排放、性能測試。