基于XUD-9臺架的煤液化調和柴油清凈性試驗研究

高章，趙凱，高海洋

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

能源是一個國家賴以生存和發展的動力，我國的能源結構是“富煤少油有氣”，且長期以來處于相對貧油的狀態。我國的供油大部分依賴于進口，近年來，隨著國內汽車數量的激增，加之國際形勢復雜多變以及國際油品主供地區局勢不太穩定，這可能會造成我國油品的供應量出現不足，進而直接影響我國的經濟發展和人民的正常生活，使我國的現代化進程受阻。另外，在環境污染嚴重的今天，世界的能源格局也正在轉變，各國都在尋求能源轉型之路，發展替代能源已成為大趨勢。我國也在大力提倡發展各種新型能源，煤制油就是其中之一。煤制油作為一種新型能源，長期以來受到國內外研究機構的關注，是新型能源中的重要角色。但是由于技術水平的限制，煤制油一直未能得到大范圍的推廣和使用，而清凈性是新型替代能源需要重點考核的指標之一。對煤制油清凈性的研究能加快煤制油技術的發展，也能推動國內油品的升級換代，對于國家能源轉型具有重要意義。本研究基于XUD-9臺架，以國Ⅵ柴油作為參考評價指標來評價煤液化調和柴油的清凈性。采用不同比例的煤液化調和柴油和國Ⅵ柴油在同樣的試驗工況條件下，加入不同含量不同組分的市場常用清凈劑，最終通過測量噴嘴的空氣流量損失率來判斷噴嘴的結焦程度，進而來探究煤液化調和柴油的清凈性。

1 概述

1.1 燃油清凈性

燃油清凈性是指燃油在使用過程中保持發動機供油系統和噴油器清潔的能力。清凈性作為燃油的重要特性，對發動機性能有重要的影響。對于柴油機而言，如果燃油的清凈性較差，將會有大量的沉積物在噴油器處聚積，形成膠狀沉積物，進而影響發動機的性能，導致噴嘴的噴射模式和發動機的燃燒狀態發生改變，最終造成燃油消耗率上升和尾氣有害物排放增加等不良影響[1-2]。隨著柴油發動機技術的發展，噴油器趨向于更小的噴油直徑、更多的油孔數目和更高的噴油壓力，這能夠改善發動機的動力性和排放，但同時也會增加結焦形成的可能性，因此研究柴油清凈性顯得尤為重要。而添加清凈劑是一個可行的解決方案，目前在DB 11/239-2016《車用柴油》北京地方標準中明確要求銷售的車用柴油中應加入標稱劑量以上的符合GB/T 32859要求的柴油清凈劑[3]。各種研究機構也在對柴油的清凈性進行跟蹤研究，隨著清凈劑技術的不斷發展，柴油清凈性也在不斷提高。煤液化調和柴油作為一種新型替代燃料，研究其清凈性存在一定的必要性。

1.2 清凈劑

柴油清凈劑是燃油添加劑的一種，在燃油中添入清凈劑有抑制積炭再生、清除噴嘴表面結焦等效果。劉瀏等研究發現，加入有效的清凈劑，對柴油機噴嘴有顯著的清潔效果[4]。李澤振等發現，在柴油中添加清凈劑可以清除發動機沉積物，降低功率損失[5]。不同的清凈劑所含成分不同，清凈效果也不同。根據清凈劑的清凈效果可大致分為兩類：清洗型清凈劑和保潔型清凈劑。為了對比分析，采用了兩種國內主流的清凈劑，分別是保潔型清凈劑和清洗型清凈劑。

1.3 煤液化調和柴油

煤液化柴油根據液化技術不同可分為煤直接液化柴油和煤間接液化柴油。兩者組成上的不同決定了各自的性質特點，就車用而言，煤直接液化柴油的凝點和冷濾點低，但十六烷值偏低；煤間接液化柴油的十六烷值高，但密度低，流動性偏差。兩者的密度、十六烷值等性質參數存在很好的互補關系。根據《世界燃料規范》Ⅱ類標準中對柴油的要求，過高和過低的燃料特征值均不符合規范要求。白雪梅通過研究分析得出，煤直接液化油和間接液化油有很好的相容性，油品性質穩定，調和后油品的密度和黏度均符合國Ⅳ標準[6]。本次試驗采用的煤液化調和柴油是將煤直接液化柴油和煤間接液化柴油按照一定的比例混合，再加入一定量的功能性添加劑配置而成的高性能煤基柴油。煤液化調和柴油的理化特性更加接近車用柴油指標要求，不需要對發動機進行任何改動即可直接在發動機上使用，滿足了柴油機對燃油的使用要求。

2 試驗內容

2.1 測試規范

為了更好地評價燃油清凈性，探究積炭的形成機理，要求測試規范能夠有條件快速地產生積炭并能積累積炭。目前關于燃油清凈性的研究，一系列標準化的測試已逐漸成熟。歐洲主要使用CEC F98和CEC F23兩種測試循環來評價燃油的清凈性。CEC F98是ECE目前正在研究的直接噴射柴油機的積炭試驗循環，這一套測試試驗循環是在DW10BTED4臺架試驗的基礎上開發而來，通過試驗前后的功率損失情況來評價噴嘴的結焦程度。CEC F23主要是用于模擬發動機中低轉速、中低負荷的試驗，通過測量試驗前后經過噴嘴的空氣流量之差，用損失率來評價噴嘴的結焦程度，適用于間接噴射的發動機。由于F98的測試條件尚不成熟，目前國內主要是依據SH/T 0764—2005 《柴油機噴嘴結焦試驗方法》來評價燃油的清凈性，該測試方法基于CEC(歐洲協調委員會)F-23-01《柴油機噴嘴結焦試驗方法》，根據我國燃油的實際特征形成[7]。

2.2 試驗發動機及測試設備

按照法規試驗方法，試驗發動機采用PCM XUD-9、A/L、直列4缸、四沖程、1.9 L自然吸氣、非直噴式柴油發動機，發動機的具體參數見表1。除此之外，試驗采用的設備包括德國申克250 kW測功機、AVL油耗儀和噴嘴流量測試儀。

表1 XUD-9發動機參數

2.3 XUD-9試驗循環

根據SH/T 0764—2005《柴油機噴嘴結焦試驗方法(XUD-9法)》[7]的測試規范進行試驗。將流量檢查合格的清潔噴嘴裝配在發動機上，在試驗規范要求的試驗工況下進行發動機循環，試驗總共10 h，共循環134次，測量試驗前后噴嘴的空氣流量變化情況來判定噴嘴的結焦情況，從而評價柴油的清凈性。

實際試驗時要先在檢查合格的發動機上進行預熱程序，檢驗發動機的狀態并判斷是否能進行正式試驗。試驗階段及工況見表2，試驗控制參數見表3。

表2 試驗循環工況

表3 試驗控制參數

2.4 試驗用油

試驗用油為國Ⅵ柴油和煤液化調和柴油。國Ⅵ柴油取自市場上常見的國Ⅵ柴油，經化驗柴油指標滿足國標《車用柴油(Ⅵ)》的要求。煤液化調和柴油由煤直接液化柴油和煤間接液化柴油按照一定比例調和而成。向兩種空白油品中加入不同比例的清凈劑形成不同指標的油品，油品試驗方案如表4所示，a，b，c分別代表不同的清凈劑劑量，且a

表4 油品試驗方案

2.5 評價方法

將流量檢查合格的清潔噴嘴裝配在發動機上，按照《柴油機噴嘴結焦試驗方法》的要求，發動機連續運轉10 h，通過測量試驗前后噴嘴的空氣流量變化來評價燃油的清凈性。試驗結果由所有噴嘴在 0.1 mm，0.2 mm和 0.3 mm針閥升程時試驗前后空氣流量損失率表示，評判燃油的標準只取決于4只噴嘴在 0.1 mm 針閥升程時空氣流量損失率的平均值。試驗評價空氣流量損失率如式(1)所示。

(1)

3 試驗結果分析

3.1 不同種類空白油品的對比

噴嘴的空氣流量變化主要取決于噴孔的有效直徑。試驗過程中會產生大量的沉積物，在噴孔處有一定量的積累，這減小了噴孔的有效直徑，從而直接導致噴嘴的空氣流量下降。使用空白國Ⅵ柴油和空白煤液化調和柴油分別進行XUD-9臺架試驗，結果如圖1a所示，使用兩種油品試驗后噴嘴及針閥外觀如圖1b所示。試驗表明：使用國Ⅵ柴油試驗的噴嘴，0.1 mm針閥升程處的空氣流量損失率為85.93%，使用煤液化調和柴油試驗的空氣流量損失率為72.36%，使用空白混合油的空氣流量損失率為77.20%。相比國Ⅵ柴油而言，煤液化調和柴油的清凈性較好，混合柴油的損失率接近國Ⅵ柴油損失率和煤液化調和柴油損失率的平均值，符合理論預期。總污染物含量、多環芳烴和硫含量是影響噴嘴結焦的因素，國Ⅵ油品的多環芳烴、總污染物含量(機械雜質)和硫含量明顯高于煤液化調和柴油，因此空白煤液化調和柴油的噴嘴結焦程度低于空白國Ⅵ柴油。

圖1 不同種類的空白油品對比

3.2 加入等量不同種類清凈劑的對比

在煤液化調和柴油和國Ⅵ柴油中分別加入相同劑量的保潔型清凈劑和清洗型清凈劑，共組成4種油樣，分別用每種油樣進行試驗，其試驗結果如圖2所示。

圖2 使用等量不同種類清凈劑的結果對比

試驗表明，整體上而言，在同樣的試驗條件下，加入保潔型清凈劑和清洗型清凈劑后，煤液化調和柴油的噴嘴空氣流量損失率均小于國Ⅵ柴油，因而可知煤液化調和柴油無論在加劑或不加劑的情況下，噴嘴處的結焦程度均優于國Ⅵ柴油，可以反映出煤液化調和柴油的清凈性較好。對于同種油樣，國Ⅵ柴油在加入一定量的保潔型清凈劑后流量損失率下降了21.7%，加入相同劑量的清洗型清凈劑后流量損失率下降了77.6%，而煤液化調和柴油加入相同劑量的保潔型清凈劑后流量損失率下降了70.4%，加入相同劑量的清洗型清凈劑后流量損失率下降了83.1%，可以看出清洗型清凈劑對噴嘴處積炭的改善效果更好，同時反映出煤液化調和柴油對清凈劑的敏感度更好。

3.3 加入同種不同梯度劑量清凈劑的對比

在煤液化調和柴油和國Ⅵ柴油中分別加入不同梯度劑量的保潔型清凈劑，劑量分別是a，b，c，且a

圖3 使用同種不同梯度劑量清凈劑的結果對比

4 結論

通過XUD-9臺架試驗對煤液化調和柴油和國Ⅵ柴油的清凈性進行分析，可以得到以下結論：

a) 在未添加任何清凈劑情況下，使用煤液化調和柴油的噴嘴空氣流量損失率低于國Ⅵ柴油，說明相比國Ⅵ柴油而言，煤液化調和柴油的清凈性較好；

b) 在添加等量不同種類的清凈劑之后，煤液化調和柴油和國Ⅵ柴油都對清洗型清凈劑的敏感度高，但煤液化調和柴油的敏感程度優于國Ⅵ柴油；在分別加等量同種類清凈劑的情況下，煤液化調和柴油的清凈性更好；

c) 在添加不同梯度的保潔型清凈劑之后，使用兩種油品的噴嘴空氣流量損失率都有一定的下降，這表明保潔型清凈劑對兩種油產生的沉積物都有一定的抑制作用，但從下降速率看出保潔型清凈劑對煤液化調和柴油產生的沉積物抑制效果更明顯。