F - T 煤制油/ 正丁醇混合燃料对电控柴油机性能的影响

张正午， 王 铁， 石晋宏， 刘瑞卿， 胡田天

（太原理工大学 车辆工程系， 山西 太原 030024)

0 引言

柴油机以热效率较高、燃油经济性和耐久性较佳等优点被广泛使用， 但是柴油机的NOx和Soot 的排放量较高。 随着世界工业化进程的不断加快和排放法规的日益严苛，环境污染和石油资源短缺问题越来越突出，仅通过对发动机本身进行优化难以解决柴油机污染物排放量较高的问题，而寻找高效清洁的代用燃料，如醇类、生物柴油和天然气等成为一条快捷且有效的途径，受到国内外学者的广泛关注。

十六烷值高的燃料可以缩短发动机的滞燃期，并在一定程度上降低燃料的燃烧温度，从而减少污染物的排放[1]，[2]。 通过Fisher-Tropsch 间接液化技术合成的F-T 煤制油（性能和普通柴油接近）具有十六烷值高、硫和芳烃含量低等优点。 大量研究表明，F-T 煤制油的污染物排放较少，易实现低温燃烧， 但是在CO 和Soot 排放方面存在争议[3]～[5]。与甲醇和乙醇相比，丁醇的气化潜热小、热值和能量密度较高，属于含氧燃料，不仅可以与柴油以较高比例掺混互溶， 还能降低CO 和Soot等的排放[6]～[9]。国内外研究者对正丁醇混合燃料做了大量研究。孙万臣的研究表明，柴油中加入正丁醇后，滞燃期延长，可以显著降低Soot 的排放，而NOx的排放基本不变[10]。 黄豪中的研究表明，将汽油或正丁醇掺入柴油中对发动机的燃烧性能有很大影响，可以一定程度降低污染物排放[11]。 孙丹丹研究了F-T 柴油/甲醇微乳化混合燃料对柴油机排放性能的影响，研究结果表明；混合燃料可以有效降低CO，NOx和Soot 的排放， 同时降低柴油机的缸内压力和放热率；随着甲醇掺混比例的增加，污染物中的未燃甲醇含量也随之增加[12]。

目前，有关F-T 煤制油和正丁醇混合燃料的研究很少，为了研究其对柴油机性能的影响，本文结合F-T 煤制油的低温燃烧特性以及正丁醇的含氧特性，将两者混合制备F-T 煤制油/正丁醇混合燃料（正丁醇体积占比为10%），基于柴油机台架试验分析了柴油机燃用不同燃料时的燃烧排放特性，从而为寻找清洁代用燃料奠定基础。

1 材料与方法

1.1 燃料的理化特性

F-T 煤制油（通过Fisher-Tropsch 催化间接液化合成）由山西潞安矿业（集团）有限责任公司提供，0#柴油为标准国Ⅵ柴油。 以F-T 煤制油为基础， 配制正丁醇的体积分数为10%的混合燃料，记为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 试验设备及方法

试验使用一台电控四缸柴油机，该柴油机的具体技术参数如表2 所示。 图1 为发动机台架示意图。

表2 试验柴油机主要技术参数Table 2 The technical specifications of the test engine

图1 发动机台架示意图Fig.1 Diagram of engine bench

测量设备主要包括AVL FTIR i 60 Fourier 多组分排放仪、AVL 483 Micro Soot Sensor 碳烟仪和Kistler 6050A41 缸压传感器。 试验中不改变原发动机参数，对3 种燃料进行2 000 r/min 下的负荷特性试验。 为确保试验数据可靠，发动机工况稳定后，缸内压力和瞬时放热率数据取100 次工作循环并取平均值，排放数据连续测量30 s 后取中间20 s 数据的平均值作为试验结果，油耗率连续测量3 次并取平均值作为试验结果。

2 结果与分析

以压缩冲程阶段上止点（TDC）为0°CA，上止点之前用负值表示，上止点之后用正值表示。燃烧始点取放热率曲线第一次出现峰值后曲线明显上升前的第一个极小值点； 滞燃期为喷油始点到燃烧始点对应的时期；燃烧重心（CA50）取累积放热率大于50%的第一个点。

2.1 燃烧特性分析

发动机燃用各燃料时的燃烧特性如图2 所示。

图2 发动机燃用各燃料时的燃烧特性Fig.2 Combustion characteristics of engine fueled with various fuels

从图2 可以看出：相比于0#柴油，燃用F-T煤制油时，发动机的燃烧始点提前，滞燃期缩短，CA50 滞后；相比于F-T 煤制油，燃用F90B10 时，发动机的燃烧始点提前了0.1～0.7°CA，滞燃期延长了0.2～0.9°CA，CA50 提前了0.4～2°CA。 这是因为F-T 煤制油的十六烷值比0#柴油高很多，发动机的着火速度加快，燃烧始点提前，滞燃期缩短，导致扩散燃烧的比例增大， 主燃烧阶段的燃烧速度相对降低，所以CA50 远离上止点且由于CA50相对滞后， 导致燃烧持续期增长； 当掺入正丁醇后，F90B10 的十六烷值比F-T 煤制油低，且正丁醇的气化潜热较高， 燃油喷入初期会因雾化而吸收更多的热量，使得发动机的缸内温度降低，燃烧始点延后，滞燃期延长，CA50 提前。 随着负荷的增加， 发动机燃用3 种燃料时的滞燃期均缩短，CA50 靠近上止点，燃烧始点不断提前。 这是因为随着负荷的增加，发动机的喷油始点提前，且缸内温度上升，缸内燃烧条件较好，易于着火，所以燃烧始点不断提前，滞燃期缩短，CA50 提前；负荷过高后，喷油量增大，缸内混合气浓度较大的区域增多，虽然燃烧始点继续提前，但残余废气增多，燃烧速度相对减慢，CA50 无明显变化。

2.2 燃烧过程分析

缸内压力峰值和放热率峰值是反映燃烧状况的综合指标[13]，[14]。在不同负荷下，发动机的缸内压力和放热率的变化情况分别如图3，4 所示。

图3 不同负荷下的缸内压力Fig.3 In-cylinder pressure under different loads

图4 不同负荷下的放热率Fig.4 Heat release rate under different loads

从图3，4 可以看出： 燃用3 种不同燃料时，发动机的缸内压力峰值和放热率峰值均随负荷的增加而升高； 不同负荷下， 燃用F-T 煤制油时，发动机的缸内压力峰值和放热率峰值均比燃用0#柴油时低；燃用F90B10 时，发动机的缸内压力峰值和放热率峰值较燃用F-T 煤制油时均有所提高，当负荷为75%时，提高幅度最大，分别为9.3%和11.2%。 由上文可知，燃用F-T 煤制油时，发动机的滞燃期缩短，滞燃期内形成的可燃混合气减少，导致预混燃烧量与扩散燃烧量的比值降低，主燃烧阶段的燃烧速度降低；此外，F-T煤制油的馏程温度和粘度均较低，可以改善燃烧条件。 在上述因素的共同作用下，燃用F-T 煤制油时，发动机的缸内压力峰值和放热率峰值均有所降低。 相比于F-T 煤制油，燃用F90B10 时，发动机的滞燃期延长，预混燃烧比例增加，由于正丁醇的粘度较低和挥发性较高， 使得F90B10 的雾化性较好，混合气质量得到提高，燃烧条件得到改善，最终使得发动机的缸内压力峰值和放热率峰值增加。

2.3 柴油机性能分析

有效燃油消耗率（BSFC）和有效热效率（BTE）是反映发动机经济性的重要指标[13]，[14]。 燃用不同燃料时，发动机的BSFC 和BTE 如图5 所示。

图5 发动机的经济性Fig.5 The economy of engine

从图5（a）可以看出，燃用3 种燃料时，发动机的BSFC 均随着功率的增大而减小，其中，燃用F90B10 时，发动机的BSFC 最低，比燃用F-T 煤制油降低1.4%。 这是因为相较于0#柴油，F-T 煤制油的低位热值较高，同时馏程温度较低，蒸发速度更快，所以燃用F-T 煤制油时，发动机的BSFC较低；掺入正丁醇后，F90B10 燃料含氧，燃烧更加充分，使得发动机的BSFC 进一步降低。

从图5（b）可以看出：燃用F-T 煤制油时，发动机的BTE 低于燃用0#柴油时； 燃用F90B10时，发动机的平均BTE 比燃用F-T 煤制油时增加0.9%。 由上文可知，燃用F-T 煤制油时，发动机的CA50 远离上止点，所以燃烧等容度降低，缸壁的热泄露增多， 缸壁的热交换增多， 热能损失也增多，使得发动机的BTE 较低；燃用F90B10 时，发动机的滞燃期比燃用F-T 煤制油时长，使得预混燃烧比例增加，CA50 更靠近上止点， 所以燃用F90B10 时， 发动机的BTE 比燃用F-T 煤制油时高。 燃用不同燃料时，发动机的BTE 均随着发动机功率的增加而增加。 这是因为随着发动机功率的增加，燃烧始点提前，CA50 靠近上止点，等容度增加，热损失减少，所以BTE 也随之增加。

2.4 排放特性分析

2.4.1 NOx排放分析

燃用不同燃料时， 发动机的NOx的排放规律如图6 所示。

图6 NOx 的排放规律Fig.6 The emission disciplin of NOx

由图6 可以看出， 在不同负荷下， 燃用F-T煤制油时，发动机的NOx排放量均比燃用0#柴油时低，燃用F90B10 时，发动机的NOx排放量处于最低水平， 比燃用F-T 柴油时降低了14.5%～33.4%。 这是因为F-T 煤制油的十六烷值比0#柴油高，燃用F-T 煤制油时，发动机的滞燃期缩短，缸内燃烧温度降低， 所以发动机的NOx排放量较小；由于正丁醇的汽化潜热较高，燃用F90B10 使得缸内燃烧温度进一步下降， 导致NOx的排放量处于最低水平，并且随着负荷的增加，NOx的降低效果更加明显。 局部高温以及高温持续时间是NOx产生的重要因素[13]，[14]。 燃用3 种燃料时，发动机的NOx排放量均随着负荷增加而增加。 在低负荷阶段，喷油量较少，缸内平均温度较低，燃烧温度较低，这是限制NOx生成的主要原因，此时NOx的排放量较低；在高负荷阶段，缸内温度上升到较高水平，高温环境导致NOx的排放量呈上升趋势。

2.4.2 CO 排放分析

CO 是有毒物质，其生成的主要原因是燃料在气缸中的不充分燃烧， 主要与过量空气系数和燃烧温度有关[13]，[14]。 燃用不同燃料时，发动机的CO的排放规律如图7 所示。

图7 CO 的排放规律Fig.7 The emission disciplin of CO

从图7 可以看出， 在不同负荷下， 燃用F-T煤制油时，发动机的CO 排放量比燃用0#柴油时低，燃用F90B10 时，发动机的CO 排放量处于最低水平， 比燃用0#柴油时降低了15.7%～67.0%，比燃用F-T 煤制油时降低了5.5%～14.1%。 这是因为0#柴油的粘度较F-T 煤制油高，雾化性能较差，浓度较大的区域较多，此区域的CO 氧化不完全，所以CO 的生成量较大；而F90B10 的雾化性较好，滞燃期较短，同时正丁醇的含氧性导致CO更易被氧化，所以CO 的排放量减少。

2.4.3 Soot 排放分析

Soot 是以碳为主体的不完全燃烧的产物，由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解生成，柴油机采用的是缸内喷射的混合燃烧模式，油气混合过程中会产生局部过浓区域， 所以燃烧过程中生成Soot 不可避免[13]，[14]。 燃用不同燃料时，发动机的Soot 的排放规律如图8 所示。

图8 Soot 的排放规律Fig.8 The emission disciplin of Soot

从图8 可以看出， 在不同负荷下， 燃用F-T煤制油时，发动机的Soot 排放量比燃用0#柴油时低，燃用F90B10 时，发动机的Soot 排放量处于最低水平， 比燃用F-T 煤制油时降低了0.1～0.17 mg/m3， 比燃用0#柴油时降低了0.21～1.73 mg/m3。这是因为当负荷较低时，由于F-T 煤制油的低温燃烧特性，缸内燃烧温度较低，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过浓区域， 所以F90B10可以更好地降低Soot 的生成量；F90B10 具有粘度低和雾化性能好的优点，这也可以改善局部缺氧的情况；正丁醇具有十六烷值低和气化潜热高的特点，这使得发动机的滞燃期延长，也使油气混合得更均匀，从而进一步减少Soot 的生成。 当负荷超过75%后， 缸内温度已经达到很高的水平，产生的Soot 大部分被氧化， 所以到了高负荷阶段，发动机燃用3 种燃料时的Soot 排放量均处于较低水平。

3 结论

本文在一台电控柴油机上探究了0#柴油、FT 煤制油和F-T 煤制油/正丁醇混合燃料对发动机各项性能的影响，得出如下结论。

①随着负荷增加，发动机燃用各种燃料时的燃烧始点提前， 滞燃期减小，CA50 靠近上止点，缸内压力和放热率均升高，BTE 增高，BSFC 降低；与燃用F-T 煤制油时相比，燃用F90B10 时，发动机的燃烧始点延后， 滞燃期延长，CA50 提前，缸内燃烧压力峰值和放热率峰值均增加，动力性提高，达到了和燃用0#柴油时相接近的水平。

②相比于F-T 煤制油，燃用F90B10 时，发动机的CO，NOx和Soot 的排放量均降低，使发动机在各种负荷下的排放性能得到改善；燃用F90B10时，发动机的BSFC 最低，BTE 比燃用F-T 煤制油时高。

F-T 煤制油对于降低柴油机的排放水平具有重要作用，是一种良好的代用燃料，利用正丁醇的特性可以进一步降低柴油机的排放水平，更好的达到国家排放标准。