高壓共軌柴油機燃用F-T柴油的性能與排放特性試驗研究

王鳳濱，高俊華，景曉軍

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162)

前言

F-T柴油是煤通過氣化，再經(jīng) Fischer-Tropsch(F-T)催化反應(yīng)合成而得［1］，具有十六烷值高、幾乎不含硫和芳香烴等優(yōu)點，能和普通柴油進(jìn)行任意比例的互溶而成為混合油，可用來提高普通柴油的品質(zhì)［2］。F-T柴油是超清潔柴油機的一種代用燃料［3］。

盡管之前有關(guān)人員對F-T油的性能和排放的影響進(jìn)行了研究，但是這些研究主要針對某些特定工況，均沒有基于法規(guī)要求的試驗項目。為此，本文中使用6種不同比例的國Ⅲ和F-T柴油混合油，在對發(fā)動機的外特性和燃油經(jīng)濟性測試的基礎(chǔ)上，依據(jù)法規(guī)GB 17691—2005進(jìn)行穩(wěn)態(tài)循環(huán)ESC(European steady state cycle)和瞬態(tài)循環(huán)ETC(European transient cycle)試驗;同時，為研究顆粒物成分中的毒性成分，還分析了F-T柴油對顆粒物中可溶性有機物(SOF)和多環(huán)芳烴(PAHs)的影響。

1 試驗設(shè)備和方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗所用的排放測試設(shè)備包括CVS i60全流稀釋采樣測試系統(tǒng)，AMA i60氣體分析儀，PSS i60顆粒物采樣系統(tǒng)和AVL 439不透光煙度計。圖1為臺架測試系統(tǒng)的示意圖。

1.2 試驗發(fā)動機與燃油

試驗用發(fā)動機為高壓共軌柴油機，其主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機基本技術(shù)參數(shù)

表2為試驗燃料主要特性參數(shù)。

表2 燃料特性參數(shù)

F-T柴油的合成工藝決定了F-T柴油的主要成分為直鏈飽和烴，具有十六烷值高、硫和芳香烴含量低等特點。

國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)柴油與F-T油按不同比例混合，共有6種試驗用油。F-T柴油占0%、20%、40%、60%、80%和100%比例(質(zhì)量比)的F-T混合油分別記為F0、F2、F4、F6、F8 和 F10，即 F0 為國Ⅲ柴油，F(xiàn)10 為純F-T柴油。

1.3 試驗方案

1.3.1 常規(guī)排放測試方案

按照GB 17691—2005的測試方法，使用各燃油分別進(jìn)行發(fā)動機外特性、ESC和ETC試驗［4］。燃油更換前，發(fā)動機在額定點熱車15min，以充分燃燒發(fā)動機及油耗儀中剩余燃油。

1.3.2 SOF和PAHs的分析方法

采樣結(jié)束后，對顆粒物樣品進(jìn)行可溶性有機物組分SOF的前處理:首先將按照ESC和 ETC循環(huán)采集的帶有顆粒物樣品的石英濾膜分別放入索氏提取器中，然后用60mL的二氯甲烷于60℃恒溫水浴中提取24h，最后將提取溶液在加氮氣保護下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至1.5mL，上機分析PAHs。同時將提取SOF后濾膜上的二氯甲烷在通風(fēng)柜中揮發(fā)干凈，然后放入干燥器中干燥，8h之內(nèi)稱重，萃取前后濾膜質(zhì)量之差為SOF質(zhì)量。

PAHs分析所用的儀器為Agilent公司生產(chǎn)的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS7890a-5975c)。氣相質(zhì)譜聯(lián)機條件為:進(jìn)樣口溫度為280℃，采用不分流進(jìn)樣方式，進(jìn)樣量為1μL;載氣為高純氦氣，色譜柱為HP-5MS(30m × 0.25mm × 0.25μm)，柱流量為1.0mL/min;色譜柱溫程序升溫條件為55℃(1min)，以20℃/min升至200℃(2min)，再以8℃/min升至310℃(6min);質(zhì)譜為EI源，離子源溫度為230℃，掃描方式采用 Scan方式定性和 SIM方式定量。PAHs標(biāo)準(zhǔn)溶液含有16種多環(huán)芳烴。根據(jù)各化合物的保留時間和NIST05譜庫對樣品中的各種PAHs進(jìn)行定性分析，采用外標(biāo)法定量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 動力性和經(jīng)濟性

圖2為6種燃料外特性下的輸出轉(zhuǎn)矩對比圖。可以看出，總體上，隨著F-T柴油比例的增大，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩降低，中低轉(zhuǎn)速下尤其明顯。國Ⅲ柴油與F-T柴油最大轉(zhuǎn)矩偏差為2.57%。一方面，F(xiàn)-T柴油含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于普通柴油，而F-T柴油的密度小，其體積熱值也低。在供油系統(tǒng)不作任何調(diào)整的情況下，體積供油量基本保持不變，低體積熱值的F-T柴油會導(dǎo)致發(fā)動機動力性降低。另一方面，F(xiàn)-T柴油十六烷值高，滯燃期短，預(yù)混合燃燒燃料較少，燃燒最高爆發(fā)壓力下降，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩降低。

圖3 為6種燃油消耗率的對比，可以看出，F(xiàn)-T比例增大，消耗率降低。一般純F-T比國Ⅲ柴油約降低10g/(kW·h)，最大偏差為5.25%。

F-T柴油能改善燃油經(jīng)濟性的原因，一方面，F(xiàn)T柴油的最高燃燒壓力和最高壓力升高率較低，燃燒較柔和，機械效率較高;另一方面，F(xiàn)-T柴油辛烷值高，滯燃期短，燃料著火性能好，燃燒更充分。

2.2 排放性能

2.2.1 NOx排放

圖4為不同燃油ESC和ETC最終測試的NOx比排放結(jié)果。由圖可見，無論是穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，隨著F-T油比例的增大，NOx的排放呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。尤其是F0到F2的降低趨勢較明顯，穩(wěn)態(tài)時F2相比F0降低了5.06%，瞬態(tài)時下降了4.39%;而F2～F10趨勢趨于平穩(wěn)。總體上看，穩(wěn)態(tài)ESC時，F(xiàn)10比F0低7.62%，瞬態(tài)ETC時降低了9.37%。

分析NOx降低的原因，一方面，F(xiàn)-T柴油的十六烷值高、滯然期短，發(fā)動機燃用F-T柴油時的最高燃燒壓力和最大壓力升高率偏小，使得缸內(nèi)燃燒溫度降低［5］;另一方面，F(xiàn)-T柴油的芳香烴含量極低，高溫燃燒時，所需氧濃度偏低［6］。較低的溫度和相對缺氧的狀態(tài)導(dǎo)致NOx生成量減少。

2.2.2 THC排放

不同燃油的THC比排放結(jié)果如圖5所示。

隨著F-T油比例的增大，ESC和ETC測試的THC比排放均呈降低趨勢。ESC時，F(xiàn)10比F0降低了48.47%;ETC時降低幅度達(dá)到了67.47%。

這是因為相比國Ⅲ柴油，F(xiàn)-T柴油的滯燃期較短，在滯燃期內(nèi)產(chǎn)生的過稀區(qū)較小，THC生成幾率降低;此外，F(xiàn)-T柴油的餾程溫度較低，蒸發(fā)過程進(jìn)行較快，產(chǎn)生過濃區(qū)和油束碰壁激冷的可能性較小［7］。

2.2.3 CO排放

圖6為CO比排放結(jié)果。可以看出，無論是穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，隨著F-T油比例的增大，CO的排放逐漸降低。ESC時的F10比F0降低56.23%，ETC時CO降低了72.65%。

柴油機中CO主要是由于混合氣不均勻?qū)е戮植窟^濃、燃燒過程中缺氧導(dǎo)致燃燒不完全［8］。F-T柴油同一負(fù)荷下油耗量低于普通柴油，燃燒過程中，噴油量低，過量空氣系數(shù)較大;此外，F(xiàn)-T柴油的餾程溫度低，蒸發(fā)過程進(jìn)行較快，改善混合氣質(zhì)量也是降低CO排放的因素之一［9］。

2.2.4 顆粒物排放

圖7為各燃油ESC和ETC循環(huán)的顆粒物比排放結(jié)果。從圖中可以看出，無論是穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，隨著F-T油比例的增大，顆粒物的排放幾乎呈線性下降。ESC循環(huán)的F10比F0低61.56%，而ETC顆粒物降低了72.71%。

顆粒物降低的主要原因是F-T柴油幾乎不含S，燃燒形成的硫酸鹽很低，直接降低了顆粒物的生成量。此外，F(xiàn)-T柴油的芳香烴含量低和擴散燃燒速度較快，這些都有利于碳煙排放的降低。

2.2.5 SOF和PAHs的成分分析

圖8為不同燃油下的顆粒物稱重和萃取得到的SOF的質(zhì)量對比。

隨著F-T柴油比例的增大，濾紙上采集的顆粒物的質(zhì)量和SOF的質(zhì)量均呈現(xiàn)降低的趨勢。純F-T相比國Ⅲ柴油，穩(wěn)態(tài)循環(huán)下，顆粒物降低了61.71%，SOF降低了76.57%，SOF所占顆粒物的比例由33.52%降為20.51%;瞬態(tài)循環(huán)下，顆粒物降低了53.64%，SOF降低了74.32%，SOF所占顆粒物的比例由29.76%降為16.48%。這說明隨著F-T比例增大，SOF的生成量及所占比例均降低。

分析原因是，國Ⅲ柴油的含硫量高，低熱值也低，燃料消耗量相比F-T柴油偏大，燃燒效率降低，SOF的酸化率下降［10］，更多的SOF排出。

圖9為ESC和ETC循環(huán)下的PAHs的排放量。可以看出，F(xiàn)-T比例越大，PAHs的量越低，ESC時，國Ⅲ柴油 PAHs為 528.89μg，F(xiàn)-T油的 PAHs為137.52μg，降低了73.99%;ETC 時，PAHs質(zhì)量分別為690.65μg和190.89μg，降低了72.36%。這是由于F-T的十六烷值和H/C比高，硫和芳香烴含量極低，黏度小，燃燒質(zhì)量優(yōu)于普通柴油，并且餾程溫度較低，生成的碳?xì)浠衔镙^輕，不易被顆粒吸附［11］，故F-T的總PAHs排放量會大幅度減少。

3 結(jié)論

使用F-T柴油與國Ⅲ柴油比例分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%的6中燃油分別進(jìn)行外特性、比油耗和排放測試。結(jié)果表明:

(1)隨著F-T柴油比例的增大，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩呈降低的趨勢，國Ⅲ柴油與F-T柴油最大轉(zhuǎn)矩偏差為2.57%;

(2)F-T柴油能夠提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，燃油消耗率隨著比例增大而降低，純F-T比國Ⅲ柴油燃油消耗率可降低5.25%;

(3)隨著F-T柴油比例的增大，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)試驗下，NOx、THC、CO和顆粒物的排放呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢;

(4)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)循環(huán)下，SOF和PAHs隨著F-T比例的增加而降低。

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