柴油機(jī)燃用煤制柴油的性能和排放.docx

1、汽車工程AutomotiveEngineering2014032柴油機(jī)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(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300162；2.天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）摘要在一臺(tái)高壓共軌柴油機(jī)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(jìn)行試驗(yàn)，研究了不同燃油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響。試驗(yàn)結(jié)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有所惡化，但經(jīng)濟(jì)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能介乎兩者之間，趨勢(shì)

2、一致。關(guān)鍵詞:柴油機(jī);煤制柴油;動(dòng)力性;經(jīng)濟(jì)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(guó)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(wú)疑是保證國(guó)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(fèi)托合成;煤的直接液化是煤在適當(dāng)?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(zhì)元素的工藝。間接液化可以生產(chǎn)具有十六烷值高、無(wú)硫和低芳香母含量等優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)柴

6、油。直接液化可以生產(chǎn)高標(biāo)號(hào)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(zhì)的柴油本文中在一臺(tái)未經(jīng)任何改動(dòng)的高壓共軌柴油機(jī)上，分別進(jìn)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(yàn)、ESC（歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)）試驗(yàn)和ETC（歐洲瞬態(tài)循環(huán)）試驗(yàn)，考察了不同油品對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響,對(duì)于研究煤制柴油的應(yīng)用前景具有較大的實(shí)際意義。1試驗(yàn)裝置與燃料性質(zhì)1.1試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為匹配SCR后處理系統(tǒng)的高壓共軌柴油機(jī),滿足國(guó)N排放標(biāo)準(zhǔn)。該機(jī)主要參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)所用設(shè)備主要有AVL-PU

7、MA全自動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)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(biāo)定功率/kW221(2500r/min)最大轉(zhuǎn)矩/(Nm)1100(1500r/min)后處理形式SCR1.2燃料特性油樣序號(hào)組分編號(hào)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(jìn)劑ZJ100表

8、2試驗(yàn)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(biāo)，燃料特性檢測(cè)委托中國(guó)石油化工科學(xué)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(xiàng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)/%84.785.4585.9786.18H質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%15.214.41413.8硫含量/(mg/L)2.49.

9、41523氮含量/(mg/L)0.810.94196動(dòng)力黏度(20r)/(mm2/s)2.2552.4872.693.004密度大、碳硫元素含量高和動(dòng)力黏度大等特點(diǎn)，其添加十六烷值改進(jìn)劑后，十六烷值達(dá)到了50以上，接近市售柴油水平。對(duì)4種油樣分別進(jìn)行900-2500r/min之間8個(gè)轉(zhuǎn)速下的全負(fù)荷試驗(yàn)，考察不同油樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響;通過(guò)ESC試驗(yàn)和ETC試驗(yàn)考察不同油樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響O2試驗(yàn)結(jié)果和分析2.1不同油樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響2.1.1動(dòng)力性圖1給出了發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷速度特性下,不同油樣對(duì)動(dòng)力性的影響。由圖可見(jiàn):隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下的功率都呈現(xiàn)

10、增大的趨勢(shì)。直接液化煤制柴油和間接液化煤制柴油相比,發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下功率增幅在1.6%3.9%之間，平均增幅為2.7%。在未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(zhì)量也會(huì)相應(yīng)的增大。盡管間接液化煤制柴油的氫含量較高,燃料質(zhì)量熱值較大，但使用直接液化煤制柴油時(shí),噴油量的增大依然導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增大。90轉(zhuǎn)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響2.1.2經(jīng)濟(jì)性圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)在1500r/min下進(jìn)行負(fù)荷特性試驗(yàn)時(shí)，不同油樣的燃油消耗量和燃油消耗率情況。由圖可見(jiàn):隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高，不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量和燃油消耗率都呈增大趨勢(shì)?？梢?jiàn)，盡管直接液化煤制柴油帶來(lái)了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的改善，但其燃油消耗量的增長(zhǎng)程度更大，導(dǎo)致燃油消耗率增大,經(jīng)濟(jì)性惡化。直接液化圖2不同油樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)不同負(fù)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(fù)荷時(shí),經(jīng)濟(jì)性惡化較明顯。2.2不同油樣對(duì)發(fā)

12、動(dòng)機(jī)排放的影響2.2.1NO、排放圖3為不同油樣進(jìn)行ESC試驗(yàn)時(shí),A、B、C3個(gè)轉(zhuǎn)速下NO,排放隨柴油機(jī)負(fù)荷的變化。由圖可見(jiàn):各油樣的NO,排放濃度在低負(fù)荷時(shí)較低，這是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)氣缸內(nèi)溫度低;隨著負(fù)荷的上升,NO.排放逐漸增大，這是因?yàn)殡S著負(fù)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(fù)荷時(shí)，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(shì)，這是由于直接液化煤制柴油十六烷值較小,3)入轉(zhuǎn)速(1478r/min)(b)B轉(zhuǎn)速(1857r/min)圖3不同負(fù)荷下NO,排放情況(c)C轉(zhuǎn)速(2237r/min)燃料著火性能差，滯燃期較長(zhǎng),預(yù)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(yàn)NO,最終排放結(jié)果。由圖可見(jiàn)：同一油樣ESC試驗(yàn)NO,排放水平普遍高于ETC試驗(yàn),直接液化油樣和間接液化油樣相比，ESC和ETC試驗(yàn)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(yàn)NO、排放2.2.2PM排放圖5為不同油樣ESC和ETC試驗(yàn)PM最終排放結(jié)果。直接液化油樣和間接液化油樣相比,ESC和ETC試驗(yàn)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(guān)系。由圖可見(jiàn):

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(shì)。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(huì)增大PM的(qMN)/ssd圖5ESC和ETC試驗(yàn)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(yàn)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(guān)系2.2.3CO排放圖7為不同油樣進(jìn)行ESC試驗(yàn)時(shí),A、B、C3個(gè)轉(zhuǎn)速下NO,排放隨柴油機(jī)負(fù)荷的變化。由圖可見(jiàn):在A、B兩種轉(zhuǎn)速下,C。排放隨著負(fù)荷的增加呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)。低負(fù)荷時(shí)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(fù)荷時(shí)循環(huán)供油量增加，混合氣較濃，局部缺氧導(dǎo)致CO排放較高。在相同負(fù)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?yàn)橹苯右夯褐撇裼褪橹档?，含碳量高，燃料著火性?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(yán)重。圖8為不

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

17、5B100B25C100C25C75C50比,ESC和ETC試驗(yàn)CO排放分別增大為原來(lái)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(dǎo)致ETC試驗(yàn)CO排放增大的趨勢(shì)更明顯。2.2.4CO?排放本試驗(yàn)4種油樣的THC排放都基本為零，故不再進(jìn)行對(duì)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(yàn)各工況CO?排放情況，圖10為ESC和ETC試驗(yàn)CO?最終排放圖9ESC試驗(yàn)各工況CO?排放結(jié)果。由圖可見(jiàn):ESC試驗(yàn)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(shì),ESC和ETC試驗(yàn)結(jié)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(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)較大所致。此JJ100JJ704ZJ30JJ30+ZJ70ZJ100油樣圖10ESC和ETC試驗(yàn)CO?最終排放外,直接液化煤制柴油密度較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)不作任何調(diào)整時(shí)，全負(fù)荷點(diǎn)循環(huán)體積供油量一定，循環(huán)供油質(zhì)量更大，燃燒生成C02會(huì)更多。3結(jié)論(1) 隨著油樣中直接液化煤制柴油比例的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有所提高，經(jīng)濟(jì)性逐漸惡化。直接液化油樣相比于間接液化油樣,各試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下，全負(fù)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(yàn)結(jié)果普遍高于ETC試驗(yàn);PM排放基本呈線性增大的趨勢(shì)，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(yàn)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(shì)，直接液化油樣相比于間接液化油樣,ESC和ETC試驗(yàn)CO?排放增幅分別為4.3%和5.1%。參考文獻(xiàn)1 李博,樓狄明，等發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的常規(guī)和非常規(guī)排放特性J.內(nèi)燃機(jī)工程,2009(5):22-26.2 吳春來(lái).煤炭液化在中國(guó)的發(fā)展前景J.地學(xué)前緣,2005(3)：309-313.3 葉青.神華集團(tuán)煤直接液化示范工程J.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003,31(4).4

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