F - T 煤制油/ 正丁醇混合燃料對電控柴油機性能的影響

張正午， 王 鐵， 石晉宏， 劉瑞卿， 胡田天

（太原理工大學 車輛工程系， 山西 太原 030024)

0 引言

柴油機以熱效率較高、燃油經濟性和耐久性較佳等優點被廣泛使用， 但是柴油機的NOx和Soot 的排放量較高。 隨著世界工業化進程的不斷加快和排放法規的日益嚴苛，環境污染和石油資源短缺問題越來越突出，僅通過對發動機本身進行優化難以解決柴油機污染物排放量較高的問題，而尋找高效清潔的代用燃料，如醇類、生物柴油和天然氣等成為一條快捷且有效的途徑，受到國內外學者的廣泛關注。

十六烷值高的燃料可以縮短發動機的滯燃期，并在一定程度上降低燃料的燃燒溫度，從而減少污染物的排放[1]，[2]。 通過Fisher-Tropsch 間接液化技術合成的F-T 煤制油（性能和普通柴油接近）具有十六烷值高、硫和芳烴含量低等優點。 大量研究表明，F-T 煤制油的污染物排放較少，易實現低溫燃燒， 但是在CO 和Soot 排放方面存在爭議[3]～[5]。與甲醇和乙醇相比，丁醇的氣化潛熱小、熱值和能量密度較高，屬于含氧燃料，不僅可以與柴油以較高比例摻混互溶， 還能降低CO 和Soot等的排放[6]～[9]。國內外研究者對正丁醇混合燃料做了大量研究。孫萬臣的研究表明，柴油中加入正丁醇后，滯燃期延長，可以顯著降低Soot 的排放，而NOx的排放基本不變[10]。 黃豪中的研究表明，將汽油或正丁醇摻入柴油中對發動機的燃燒性能有很大影響，可以一定程度降低污染物排放[11]。 孫丹丹研究了F-T 柴油/甲醇微乳化混合燃料對柴油機排放性能的影響，研究結果表明；混合燃料可以有效降低CO，NOx和Soot 的排放， 同時降低柴油機的缸內壓力和放熱率；隨著甲醇摻混比例的增加，污染物中的未燃甲醇含量也隨之增加[12]。

目前，有關F-T 煤制油和正丁醇混合燃料的研究很少，為了研究其對柴油機性能的影響，本文結合F-T 煤制油的低溫燃燒特性以及正丁醇的含氧特性，將兩者混合制備F-T 煤制油/正丁醇混合燃料（正丁醇體積占比為10%），基于柴油機臺架試驗分析了柴油機燃用不同燃料時的燃燒排放特性，從而為尋找清潔代用燃料奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 燃料的理化特性

F-T 煤制油（通過Fisher-Tropsch 催化間接液化合成）由山西潞安礦業（集團）有限責任公司提供，0#柴油為標準國Ⅵ柴油。 以F-T 煤制油為基礎， 配制正丁醇的體積分數為10%的混合燃料，記為F90B10。 各燃料的理化特性如表1 所示。

表1 燃料的理化特性Table 1 The main specifications of the fuels

1.2 試驗設備及方法

試驗使用一臺電控四缸柴油機，該柴油機的具體技術參數如表2 所示。 圖1 為發動機臺架示意圖。

表2 試驗柴油機主要技術參數Table 2 The technical specifications of the test engine

圖1 發動機臺架示意圖Fig.1 Diagram of engine bench

測量設備主要包括AVL FTIR i 60 Fourier 多組分排放儀、AVL 483 Micro Soot Sensor 碳煙儀和Kistler 6050A41 缸壓傳感器。 試驗中不改變原發動機參數，對3 種燃料進行2 000 r/min 下的負荷特性試驗。 為確保試驗數據可靠，發動機工況穩定后，缸內壓力和瞬時放熱率數據取100 次工作循環并取平均值，排放數據連續測量30 s 后取中間20 s 數據的平均值作為試驗結果，油耗率連續測量3 次并取平均值作為試驗結果。

2 結果與分析

以壓縮沖程階段上止點（TDC）為0°CA，上止點之前用負值表示，上止點之后用正值表示。燃燒始點取放熱率曲線第一次出現峰值后曲線明顯上升前的第一個極小值點； 滯燃期為噴油始點到燃燒始點對應的時期；燃燒重心（CA50）取累積放熱率大于50%的第一個點。

2.1 燃燒特性分析

發動機燃用各燃料時的燃燒特性如圖2 所示。

圖2 發動機燃用各燃料時的燃燒特性Fig.2 Combustion characteristics of engine fueled with various fuels

從圖2 可以看出：相比于0#柴油，燃用F-T煤制油時，發動機的燃燒始點提前，滯燃期縮短，CA50 滯后；相比于F-T 煤制油，燃用F90B10 時，發動機的燃燒始點提前了0.1～0.7°CA，滯燃期延長了0.2～0.9°CA，CA50 提前了0.4～2°CA。 這是因為F-T 煤制油的十六烷值比0#柴油高很多，發動機的著火速度加快，燃燒始點提前，滯燃期縮短，導致擴散燃燒的比例增大， 主燃燒階段的燃燒速度相對降低，所以CA50 遠離上止點且由于CA50相對滯后， 導致燃燒持續期增長； 當摻入正丁醇后，F90B10 的十六烷值比F-T 煤制油低，且正丁醇的氣化潛熱較高， 燃油噴入初期會因霧化而吸收更多的熱量，使得發動機的缸內溫度降低，燃燒始點延后，滯燃期延長，CA50 提前。 隨著負荷的增加， 發動機燃用3 種燃料時的滯燃期均縮短，CA50 靠近上止點，燃燒始點不斷提前。 這是因為隨著負荷的增加，發動機的噴油始點提前，且缸內溫度上升，缸內燃燒條件較好，易于著火，所以燃燒始點不斷提前，滯燃期縮短，CA50 提前；負荷過高后，噴油量增大，缸內混合氣濃度較大的區域增多，雖然燃燒始點繼續提前，但殘余廢氣增多，燃燒速度相對減慢，CA50 無明顯變化。

2.2 燃燒過程分析

缸內壓力峰值和放熱率峰值是反映燃燒狀況的綜合指標[13]，[14]。在不同負荷下，發動機的缸內壓力和放熱率的變化情況分別如圖3，4 所示。

圖3 不同負荷下的缸內壓力Fig.3 In-cylinder pressure under different loads

圖4 不同負荷下的放熱率Fig.4 Heat release rate under different loads

從圖3，4 可以看出： 燃用3 種不同燃料時，發動機的缸內壓力峰值和放熱率峰值均隨負荷的增加而升高； 不同負荷下， 燃用F-T 煤制油時，發動機的缸內壓力峰值和放熱率峰值均比燃用0#柴油時低；燃用F90B10 時，發動機的缸內壓力峰值和放熱率峰值較燃用F-T 煤制油時均有所提高，當負荷為75%時，提高幅度最大，分別為9.3%和11.2%。 由上文可知，燃用F-T 煤制油時，發動機的滯燃期縮短，滯燃期內形成的可燃混合氣減少，導致預混燃燒量與擴散燃燒量的比值降低，主燃燒階段的燃燒速度降低；此外，F-T煤制油的餾程溫度和粘度均較低，可以改善燃燒條件。 在上述因素的共同作用下，燃用F-T 煤制油時，發動機的缸內壓力峰值和放熱率峰值均有所降低。 相比于F-T 煤制油，燃用F90B10 時，發動機的滯燃期延長，預混燃燒比例增加，由于正丁醇的粘度較低和揮發性較高， 使得F90B10 的霧化性較好，混合氣質量得到提高，燃燒條件得到改善，最終使得發動機的缸內壓力峰值和放熱率峰值增加。

2.3 柴油機性能分析

有效燃油消耗率（BSFC）和有效熱效率（BTE）是反映發動機經濟性的重要指標[13]，[14]。 燃用不同燃料時，發動機的BSFC 和BTE 如圖5 所示。

圖5 發動機的經濟性Fig.5 The economy of engine

從圖5（a）可以看出，燃用3 種燃料時，發動機的BSFC 均隨著功率的增大而減小，其中，燃用F90B10 時，發動機的BSFC 最低，比燃用F-T 煤制油降低1.4%。 這是因為相較于0#柴油，F-T 煤制油的低位熱值較高，同時餾程溫度較低，蒸發速度更快，所以燃用F-T 煤制油時，發動機的BSFC較低；摻入正丁醇后，F90B10 燃料含氧，燃燒更加充分，使得發動機的BSFC 進一步降低。

從圖5（b）可以看出：燃用F-T 煤制油時，發動機的BTE 低于燃用0#柴油時； 燃用F90B10時，發動機的平均BTE 比燃用F-T 煤制油時增加0.9%。 由上文可知，燃用F-T 煤制油時，發動機的CA50 遠離上止點，所以燃燒等容度降低，缸壁的熱泄露增多， 缸壁的熱交換增多， 熱能損失也增多，使得發動機的BTE 較低；燃用F90B10 時，發動機的滯燃期比燃用F-T 煤制油時長，使得預混燃燒比例增加，CA50 更靠近上止點， 所以燃用F90B10 時， 發動機的BTE 比燃用F-T 煤制油時高。 燃用不同燃料時，發動機的BTE 均隨著發動機功率的增加而增加。 這是因為隨著發動機功率的增加，燃燒始點提前，CA50 靠近上止點，等容度增加，熱損失減少，所以BTE 也隨之增加。

2.4 排放特性分析

2.4.1 NOx排放分析

燃用不同燃料時， 發動機的NOx的排放規律如圖6 所示。

圖6 NOx 的排放規律Fig.6 The emission disciplin of NOx

由圖6 可以看出， 在不同負荷下， 燃用F-T煤制油時，發動機的NOx排放量均比燃用0#柴油時低，燃用F90B10 時，發動機的NOx排放量處于最低水平， 比燃用F-T 柴油時降低了14.5%～33.4%。 這是因為F-T 煤制油的十六烷值比0#柴油高，燃用F-T 煤制油時，發動機的滯燃期縮短，缸內燃燒溫度降低， 所以發動機的NOx排放量較小；由于正丁醇的汽化潛熱較高，燃用F90B10 使得缸內燃燒溫度進一步下降， 導致NOx的排放量處于最低水平，并且隨著負荷的增加，NOx的降低效果更加明顯。 局部高溫以及高溫持續時間是NOx產生的重要因素[13]，[14]。 燃用3 種燃料時，發動機的NOx排放量均隨著負荷增加而增加。 在低負荷階段，噴油量較少，缸內平均溫度較低，燃燒溫度較低，這是限制NOx生成的主要原因，此時NOx的排放量較低；在高負荷階段，缸內溫度上升到較高水平，高溫環境導致NOx的排放量呈上升趨勢。

2.4.2 CO 排放分析

CO 是有毒物質，其生成的主要原因是燃料在氣缸中的不充分燃燒， 主要與過量空氣系數和燃燒溫度有關[13]，[14]。 燃用不同燃料時，發動機的CO的排放規律如圖7 所示。

圖7 CO 的排放規律Fig.7 The emission disciplin of CO

從圖7 可以看出， 在不同負荷下， 燃用F-T煤制油時，發動機的CO 排放量比燃用0#柴油時低，燃用F90B10 時，發動機的CO 排放量處于最低水平， 比燃用0#柴油時降低了15.7%～67.0%，比燃用F-T 煤制油時降低了5.5%～14.1%。 這是因為0#柴油的粘度較F-T 煤制油高，霧化性能較差，濃度較大的區域較多，此區域的CO 氧化不完全，所以CO 的生成量較大；而F90B10 的霧化性較好，滯燃期較短，同時正丁醇的含氧性導致CO更易被氧化，所以CO 的排放量減少。

2.4.3 Soot 排放分析

Soot 是以碳為主體的不完全燃燒的產物，由烴類燃料在高溫缺氧條件下裂解生成，柴油機采用的是缸內噴射的混合燃燒模式，油氣混合過程中會產生局部過濃區域， 所以燃燒過程中生成Soot 不可避免[13]，[14]。 燃用不同燃料時，發動機的Soot 的排放規律如圖8 所示。

圖8 Soot 的排放規律Fig.8 The emission disciplin of Soot

從圖8 可以看出， 在不同負荷下， 燃用F-T煤制油時，發動機的Soot 排放量比燃用0#柴油時低，燃用F90B10 時，發動機的Soot 排放量處于最低水平， 比燃用F-T 煤制油時降低了0.1～0.17 mg/m3， 比燃用0#柴油時降低了0.21～1.73 mg/m3。這是因為當負荷較低時，由于F-T 煤制油的低溫燃燒特性，缸內燃燒溫度較低，抑制了Soot 的生成；F-T 煤制油中添加含氧的正丁醇燃料后，由于含氧燃料可以改善局部過濃區域， 所以F90B10可以更好地降低Soot 的生成量；F90B10 具有粘度低和霧化性能好的優點，這也可以改善局部缺氧的情況；正丁醇具有十六烷值低和氣化潛熱高的特點，這使得發動機的滯燃期延長，也使油氣混合得更均勻，從而進一步減少Soot 的生成。 當負荷超過75%后， 缸內溫度已經達到很高的水平，產生的Soot 大部分被氧化， 所以到了高負荷階段，發動機燃用3 種燃料時的Soot 排放量均處于較低水平。

3 結論

本文在一臺電控柴油機上探究了0#柴油、FT 煤制油和F-T 煤制油/正丁醇混合燃料對發動機各項性能的影響，得出如下結論。

①隨著負荷增加，發動機燃用各種燃料時的燃燒始點提前， 滯燃期減小，CA50 靠近上止點，缸內壓力和放熱率均升高，BTE 增高，BSFC 降低；與燃用F-T 煤制油時相比，燃用F90B10 時，發動機的燃燒始點延后， 滯燃期延長，CA50 提前，缸內燃燒壓力峰值和放熱率峰值均增加，動力性提高，達到了和燃用0#柴油時相接近的水平。

②相比于F-T 煤制油，燃用F90B10 時，發動機的CO，NOx和Soot 的排放量均降低，使發動機在各種負荷下的排放性能得到改善；燃用F90B10時，發動機的BSFC 最低，BTE 比燃用F-T 煤制油時高。

F-T 煤制油對于降低柴油機的排放水平具有重要作用，是一種良好的代用燃料，利用正丁醇的特性可以進一步降低柴油機的排放水平，更好的達到國家排放標準。