煤制柴油添加比例對高壓共軌柴油機燃油經濟性的影響

李帥+孫運才+孫興玉

摘要：隨著柴油質量升級，部分煉廠成品柴油受原料性質影響，在生產基礎柴油時十六烷值不足，采用添加煤制柴油的方法提升產品十六烷值。通過發動機臺架實驗發現，添加不同比例煤制柴油的調和柴油與市售車用柴油相比，綜合油耗最大增加了1.21%，而這種差異在大負荷工況下并不明顯；同時添加煤制柴油的調和柴油的從燃燒性能上也沒有降低油品的使用性能，證實在基礎柴油中加入煤制柴油是一種可行的方法。

關鍵詞：高壓共軌柴油機；煤制柴油；十六烷值；燃油經濟性

0 前言

我國石油資源匱乏，是制約我國經濟發展的重要因素。2016年，我國原油表觀消費量為5.78億噸，進口量3.81億噸，進口依存度高達65.4%。但是，我國煤炭資源豐富，把煤炭轉化為液體燃料來代替石油作為柴油機燃料是貫徹這項方針的一個重要方面。

煤炭燃料按所采取的方法可分為直接液化燃料和間接液化燃料兩類[1]。煤間接液化是以指以煤為原料先進行氣化制備的合成氣，然后在一定的溫度和壓力下將合成氣定向的催化合成烴類燃料和化工原料的工藝，也就是我們通常說的費托合成。煤的直接液化是將煤在適當的溫度和壓力下，直接催化加氫裂化生成液體烴類，并需要進一步脫除其中氮、氧和硫等雜質元素的工藝[2]。間接液化工藝生產的產品具備十六烷值高、無硫和低芳香烴含量等優點，可以作為優質柴油的調和組分。直接液化產品中主要以芳香烴為主，因此十六烷值較低。

隨著國家標準的不斷更新，柴油產品質量需要隨之升級，但由于加工工藝的限制以及部分煉廠受原料性質限制，催化裂化柴油十六烷值偏低，直餾柴油和焦化柴油大部分用來生產車用柴油，導致基礎柴油十六烷值不足。因此，采用價格較為低廉、十六烷值較高的煤制柴油進行調和生產基礎柴油具有一定的優勢。但是，煤制柴油鏈烷烴含量80%以上，添加不同的比例的煤制柴油對下游油品用戶在使用過程中最關心的燃油消耗率問題進行了研究。本次實驗選擇十六烷值高的間接液化煤制柴油為研究對象，驗證不同添加比例煤制柴油調和而成的柴油在燃油經濟性的具體表現，與市售車用柴油進行對比，判斷添加煤制柴油后油耗是否有較大的差異。

1 實驗條件和實驗燃油性質

1.1 實驗工況

按照國家標準《汽車發動機性能試驗方法》規定的測試方法進行。實驗過程中采用缸壓傳感器、電荷放大器、燃燒分析儀測量不同測試燃料的燃燒過程；采用湘儀燃油消耗儀測量燃油消耗率。

測量參數：油耗（以常規氣體中CO穩定為測量時刻，每組工況點測量兩次取均值）、轉速、水溫、油溫、中冷后溫度、進氣壓力、排氣壓力、進氣溫度、排氣溫度。

1.2 實驗發動機及實驗油品指標

本次實驗在一臺滿足國Ⅳ排放標準的高壓共軌柴油機上進行。本次實驗采用國V車用柴油為對照樣，以市售組分柴油為基礎油，將煤制柴油按照不同比例進行調和，得到不同理化性質的實驗燃油。把國V車用柴油定義為A，普通柴油中添加煤制柴油體積比為10%和20%的實驗油品記作B和C。以這三種實驗油品在高壓共軌發動機測試平臺上進行實驗，通過分析添加煤制柴油后的B、C柴油與對市售國V車用柴油A在測試發動機上燃油經濟性表現出的差異性，討論煤制柴油如何在生產發揮作用。

2 測試結果及分析

添加煤制柴油的B、C兩種試驗油品，不同負荷下發動機燃油消耗率與對照組A國V車柴相比，B、C柴油的燃油消耗量都呈增大趨勢。A、B柴油在中等負荷30-50%范圍內存在經濟燃油區間，對照組A柴油的經濟區間相對更寬；B、C柴油在測試工況范圍內燃油消耗率相近，但B柴油在1200-1400rpm的中等負荷燃燒有一定的惡化，燃油消耗率上漲2.1%。

將這三種實驗油品測試所得50個工況點的試驗數據放入同一表格，以A柴油作為燃油消耗率基準，計算出B、C兩種柴油的節油率（%）：（被測油品燃油消耗率-A燃油消耗率）/A燃油消耗率-100。為便于分析節油效果，首先以轉速先排序、每一轉速中再以缸壓排序，將這50個工況點依次編號作為橫坐標，以節油率為縱坐標，繪制的B、C油品相對于A油品的節油率曲線。

在整個測試工況下，B、C兩種柴油相對于對照組A柴油而言節油率波動較大，其中以每個轉速下首個最小扭矩工況點（根據缸壓換算后扭矩為10.5Nm）波動最為劇烈，這是因為發動機在低負荷下調控響應速度相對于測試系統反饋頻率嚴重滯后所致，故首個工況點下節油率不予考慮。在整個測試范圍內，除去各轉速下第一個最小扭矩工況點外，添加煤制柴油的B、C兩種柴油的節油率隨著發動機負荷的增大呈現差距逐漸縮小的趨勢。B、C柴油芳烴含量比A柴油高，而芳烴特別是多環芳烴的滯燃期較烷烴要長，低負荷下混合時間較長，混合程度較為均勻，燃燒持續期會較短，放熱率峰值較A柴油更高，因此在小負荷下，反映在節油率方面波動較為劇烈。隨負荷增大特別是當接近最大負荷時，噴油持續時間變長，缸內噴油量增多，噴油結束時刻更接近上止點，混合時間縮短，混合均勻程度相對惡化，而且大負荷下缸內溫度更高，使得燃油燃燒特性的差異進一步減小，反映到燃油消耗量方面，這三種實驗油油品的差異也會減小。調研發現柴油機車輛，特別是運輸車輛，行駛工況多處于大負荷，若柴油機運輸車輛加注含有煤制柴油的車用柴油，對油耗影響程度相對其他行駛工況要小很多。

定義相同測試工況下的油耗之和為綜合油耗，統計得出三種實驗柴油油耗， 以對照組A柴油為基準，B柴油的相對油耗高1.21%，C柴油的相對油耗高1.16%，這是因為煤制柴油中含有較多的鏈烷烴，密度小，體積熱值低，最終導致加入煤制柴油的B、C柴油相對油耗增加；B柴油相對油耗比C柴油高0.05%，是因為煤制柴油的十六烷值遠高于基礎柴油，隨著煤制柴油的比例增加，混合柴油的十六烷值增加，有效熱效率增加所致。

4 結論

（1）B、C兩種柴油的節油率隨著發動機負荷的增大呈現差距逐漸縮小的趨勢。這是因為隨負荷增大噴油持續時間變長，缸內噴油量增多，混合均勻程度相對惡化，而且大負荷下缸內溫度使得燃油燃燒特性的差異進一步減小，反映到燃油消耗量上的差異變得不明顯。

（2）B柴油相對油耗比C柴油高0.05%，是因為煤制柴油的十六烷值遠高于基礎柴油，隨著煤制柴油的比例增加，混合柴油的十六烷值增加，有效熱效率增加所致。

（3）煤制柴油飽和烷烴含量高，體積熱值相對低，柴油中加入煤制柴油后油耗有不同程度的上漲，但在大負荷工況下添加前后油耗差異較小，而運輸車輛多運行在大負荷工況下，故柴油中添加煤制柴油是一種可行的方法。

作者簡介：

李帥（1991-），男，山東濱州人，本科，工程師，畢業于中國石油大學（華東），主要從事油品與發動機匹配的研究工作。*為通訊作者。

參考文獻：

[1]錢宇清.煤制柴油在柴油機中燃用的研究及其用作船舶燃料的前景[J].大連海運學院學報，1993，1：46.

[2]葉青.神華集團煤直接液化示范工程[J].煤炭科學技術.2003，31（4）.endprint