柴油机燃用F-T合成柴油时的燃烧与排放特性分析

孙万臣，张曙光，郭 亮，杜家坤，范鲁艳，李国良，程 鹏

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025)

2016184

柴油机燃用F-T合成柴油时的燃烧与排放特性分析

孙万臣，张曙光，郭 亮，杜家坤，范鲁艳，李国良，程 鹏

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025)

对一台增压中冷高压共轨的柴油发动机燃用煤基费托合成柴油(F-T柴油)时的燃烧、排放特性和微粒粒度分布特征进行试验研究，分析了F-T柴油对发动机燃烧和排放的影响规律。结果表明，与国V柴油相比，燃用F-T柴油时因密度低，在喷油策略不做改变的情况下，转矩有所降低。同时，由于F-T柴油主要成分为直链烷烃，燃料着火性好，十六烷值较高，滞燃期明显缩短，预混合燃烧阶段放热量减少，燃烧时缸内温度降低，有利于降低NOx排放。F-T柴油具有良好的燃烧特性，使CO，HC排放和消光烟度大幅降低。十三工况排放试验中，CO，HC和 NOx的加权比排放量分别降低了51.42%，45.62%和14.35%。不同负荷工况下微粒总数量浓度、超细微粒和核态微粒的比例均有所下降。所有这些对满足越来越严格的排放法规具有重要意义。

柴油机；费托合成柴油；燃烧；微粒排放

前言

面对我国石油产、储量不足，同时汽车保有量持续增加的现状，探索车用发动机替代燃料是研究开发的重点。据资料统计，我国已探明煤炭的可采储量约占世界总储量的11.6%，说明我国煤炭资源较丰富。同时我国石油缺口量较大，至2020年我国石油缺口量可能达到2.5亿t以上。因此应充分利用煤炭资源来缓解石油紧缺的压力。费托合成柴油(F-T柴油)是以煤炭为原料生产的柴油替代品,其基本成分是直链正构烷烃[1-3]。由于费托合成柴油几乎不含硫与芳烃，十六烷值高，具有良好的冷起动与排放性能，是具有良好前景的替代油品，受到了广泛关注。开展费托合成柴油在内燃机上的应用研究对缓解石油短缺，降低排气污染，满足越来越严格的排放法规具有重要意义[4]。

费托合成柴油能够与石化柴油以任意比例互溶，用于发动机改装的成本几乎为零，同时还具有运输分配方便等优点。近年来，国内外很多高校和企业针对费托合成改质柴油开展了相关研究，得到了一些有意义的研究结论[5-6]。文献[7]中研究了载货汽车发动机燃用费托合成柴油时排放的变化规律，结果表明，与传统柴油相比，燃用传统柴油-费托合成柴油混合燃料发动机CO，HC，NOx和PM排放均显著降低，且降低程度随费托合成柴油比例增加而增加。文献[8]中针对费托合成柴油应用中相关的基础问题,研究了费托合成柴油喷雾和燃烧特性,系统分析了费托合成柴油对发动机性能和排气污染物的影响。文献[9]中利用费托合成柴油和不同种类含氧燃料(甲醇、生物柴油等)按不同比例混合，实现了3种燃料的优势互补。分析了混合替代燃料对发动机性能及燃烧和排放的影响，结果表明调整混合燃料组分比例，可获得不同理化特性的燃料，满足不同类型发动机的要求。

本文中以探索费托合成改质柴油对新一代超低排放高压共轨柴油发动机性能、燃烧和排放特性的改善潜力为目标，在一台国V压燃式发动机上进行了ESC 十三工况和外特性试验，分析了费托合成柴油对发动机燃烧和排放特性的影响规律，并与国V石化柴油进行了对比，研究结果对于F-T柴油的推广应用具有重大的参考价值。

1 试验装置和研究方案

1.1 试验用发动机和试验燃料

采用一台匹配高压共轨燃油喷射系统的增压中冷柴油机进行试验研究，采用开放式电控燃油喷射系统进行喷油时刻和喷油量的实时在线控制。试验用发动机主要技术参数如表1所示。研究中选取费托合成改质柴油和国V柴油作为燃料，对比研究两种燃料对发动机性能、燃烧及排放的影响，表2为两种燃料部分理化特性参数对比。由于费托合成柴油黏度较低，为避免发动机油泵、油嘴等部件内精密偶件过度磨损，试验中通过向费托合成柴油添加润滑剂来改善燃料润滑性。

表1 发动机主要技术参数

表2 试验燃料理化特性

1.2 发动机测试系统

试验中采用的发动机测控系统主要包括凯迈机电有限公司生产的CW260程控式电涡流测功机、日本HORIBA7400DEGR型排气分析仪、AVL439消光烟度计、日本小野DS-9100燃烧分析仪和日本小野测器生产的DF2420燃油流量计等。采用Kistler 6052C型缸压传感器测量缸压，采用Kistler 6124B型编码器输出转角信号，采样分辨率为0.25°CA。为消除测量误差，每个工况点示功图均采集100个循环进行平均，并设置滤波参数对曲线进行平顺处理。为使排气在引入粒度仪前得到充分稀释，研究中采用排气二级稀释系统对发动机尾气进行稀释与降温。图1为试验台架示意图。

图1 试验台架示意图

1.3 研究方案

本文中选取ESC稳态十三工况及外特性工况进行试验研究，分别研究了不同运转条件下的燃烧及排放特性参数。对于每种试验燃料，燃油喷射模式均采用两段喷射。本文中定义燃烧始点为累积放热量的5%(CA05)所对应的曲轴转角，燃烧终点为累积放热量的90%(CA90)所对应的曲轴转角；定义燃烧始点与喷油始点之差为滞燃期；定义燃烧终点与燃烧始点之差为燃烧持续期。

2 试验结果及分析

2.1 发动机燃用F-T合成柴油外特性分析

图2所示为外特性工况下燃用费托合成柴油和国V柴油时动力性、经济性和烟度排放的对比。其中，图2(a)为转矩的对比，与国V柴油相比，燃用费托合成柴油时转矩有所减小，动力性略有下降。主要原因在于费托合成柴油低热值略高于国V柴油，但密度低于国V柴油，两者综合结果，费托合成柴油的体积热值为7 832.31kcal/L，国V柴油体积热值为8 554.25kcal/L。因此，在体积油耗量相同的情况下燃用费托合成柴油时，进入气缸燃油的总热量较低，导致发动机动力略有下降。

图2(b)为燃油消耗率对比曲线，可以发现在不同转速工况下，发动机改燃费托合成柴油后燃油消耗率基本不变或略有降低。图2(c)为消光烟度对比，由图可知，费托合成柴油在不同转速工况下消光烟度均降低，且随转速增加降低幅度增大,在3 200r/min时消光烟度减低达66.67%。综上所述，电控发动机在喷油策略不做改变的条件下，燃用费托合成柴油有助于降低消光烟度，同时经济性略有改善，但由于费托合成柴油密度低于石化柴油，动力性略有下降。

图2 燃用不同燃料时动力性、经济性及烟度排放对比

2.2 燃烧特性分析

以往研究表明，不同理化特性的燃料对于内燃机燃烧过程有明显的影响，进而影响排放污染物的生成，为揭示费托合成柴油对于发动机燃烧特征参数的影响规律，试验研究了外特性工况和十三工况下费托合成柴油及国V石化柴油燃烧特性对比。图3所示为发动机转速为2 150r/min、负荷为50%工况下燃用不同燃料时燃烧特性曲线的对比。由图3(a)可见，燃用费托合成柴油缸压峰值略低于国V柴油，预喷放热率峰值高于国V柴油，且预喷放热率峰值相位较国V柴油有所提前。主要原因在于费托合成柴油主要成分为正构直链烷烃，其十六烷值和H/C比较高，着火性好，故滞燃期比国V柴油明显缩短，预喷放热提前。较短的滞燃期使得预混燃烧燃油量减少，参加扩散燃烧的燃油比例较大；同时，费托合成柴油密度较小，相同工况下每循环燃料质量消耗量减少，导致缸内最大爆发压力略有降低。图3(b)和图3(c)所示分别为压力升高率和温度曲线对比，可以发现F-T柴油主喷阶段压力升高率峰值显著降低，这对改善发动机工作平稳性具有重要意义。同时燃用F-T柴油发动机缸内温度峰值降低，有利于减少NOx的生成。

图3 发动机燃烧特性曲线对比

图4所示为发动机转速为2 650r/min ,不同负荷下燃烧特征参数对比。由图可见，燃用F-T柴油发动机着火始点明显早于国V柴油，CA50(放热中心)略有前移，更加靠近上止点，燃烧持续期有所延迟。燃用费托合成柴油时滞燃期对负荷的敏感度比石化柴油大，负荷率大于50%后，随负荷增大着火始点明显延长，但仍早于石化柴油。费托合成柴油的直链烷烃含量较高，十六烷值较高，滞燃期缩短。直链烷烃的化学键比烯烃和环烷烃更容易断裂，直链烷烃的含量越高，燃油燃烧速度越快。但由于其预混合燃烧量较小，扩散燃烧量较大，影响了燃烧定容性，使得费托合成柴油的燃烧持续期有所延长。由图4(d)可见，最大放热率相位随负荷的变化规律和放热中心的规律基本一致，这是由于燃用费托合成柴油燃烧速度较快，但滞燃期短使预混燃烧量较少，燃烧速度和预混合燃烧量综合影响最大放热率相位，使在小负荷和全负荷工况下两种燃油最大放热率相位基本相同，在中等负荷工况下燃用费托合成柴油最大放热率相位有所延后。

图4 发动机燃烧特征参数对比

2.3 发动机燃用费托合成油排放特性分析

2.3.1 排放特性分析

本文中定义发动机每单位功排出的排放物质量为发动机比排放量。图5所示为不同燃料十三工况下排气污染物比排放对比，表3为排放污染物十三工况加权平均比排放量对比。从中可见，在不同工况下燃用费托合成柴油时CO，HC和NOx排放及排气烟度都显著降低。与国V石化柴油相比，CO，HC和NOx的十三工况加权平均比排放量分别降低了51.42%，45.62%和14.35%。主要原因是费托合成柴油馏程温度较低，挥发性好，有利于燃油与空气的混合，同时F-T柴油主要组分为正构直链烷烃，重烃成分较少，有利于改善燃料的燃烧特性，使CO和HC排放及消光烟度明显降低。由图5(c)可以看出，在小负荷下，由于F-T柴油十六烷值较高，着火提前，使缸内平均温度较高，NOx排放增加。在大负荷下混合气较浓，缸内平均温度较高，十六烷值对NOx排放的影响降低，由于国V柴油中芳烃含量较高，芳烃的绝热燃烧温度高，使缸内局部温度较高，NOx排放增加。因此在发动机十三工况试验中，在不同工况下燃用两种燃料的NOx排放规律存在一定差异。由于大负荷的权重因子整体较高，且大负荷下国V柴油NOx排放较高，因此国V柴油的十三工况加权比排放相对较高。

图5 发动机十三工况比排放对比

燃料加权比排放/(g·(kW·h)-1)排放污染物及油耗率降低百分比/%COHCNOxCOHCNOx国V柴油3.640.5210.21---F-T合成柴油1.770.298.7445.6245.6214.35

图6所示为十三工况排放试验中不同工况下排放污染物分担率对比。由图可知，CO和HC排放分担率较高的工况点都位于中高转速。这是因为随转速增加，混合气形成及燃烧持续时间缩短，在高速大负荷工况下循环喷油量大，局部缺氧区域增加，使CO和HC排放增加；小负荷工况下过量空气系数增大，局部温度过低的区域增加，将使HC排放增加。对于NOx排放，分担率最高的3个工况点分别为A100，B100和C100。相同转速下，分担率随着负荷增大而增大。这是因为低负荷工况下缸内燃烧温度较低，NOx排放较少，随着负荷增加，缸内燃烧温度增加，NOx生成量增加。对比费托合成柴油和石化柴油的排放污染物分担率，可以发现在分担率较高的工况点燃用费托合成柴油的3种排放物降幅显著高于其他工况点，因此燃用费托合成柴油的十三工况整体排放显著降低。

图6 不同工况下排放污染物分担率对比

2.3.2 F-T 柴油微粒排放特性分析

为揭示发动机燃用费托合成柴油时微粒排放粒度分布特征，采用TSI 3090微粒粒度分析仪测量了不同工况下的微粒数量浓度。本文中定义核态微粒比例为核态微粒(小于50nm)数量排放占总微粒数量排放的比例，超细微粒比例为超细微粒(小于100nm)数量排放占总微粒数量排放的比例，积聚态微粒为粒径50nm以上的颗粒物。图7所示为发动机转速为2 650r/min、全负荷工况下，不同燃料的微粒数量浓度、表面积浓度和体积浓度随转速的变化情况。由图可见，两种燃油的微粒排放大部分位于500nm以下，微粒数量浓度峰值在50nm左右；表面积浓度峰值位于50～110nm之间；体积浓度峰值不明显，随粒径增大体积浓度持续增加，这是因为体积浓度和粒径的三次方成正比，粒径的增大弥补了微粒数量浓度减小对体积浓度的影响。与国V柴油相比，在全负荷工况下，燃用费托合成柴油，小于50nm的核态微粒数量浓度有所降低，随粒径增大，燃用两种燃料的微粒数量浓度差别减小，表面积浓度、体积浓度影响规律与微粒数量浓度基本一致。

图7 2 650r/min全负荷工况微粒粒度分布对比

图8所示为发动机转速为2 650r/min、不同负荷工况下微粒数量浓度和不同模态微粒所占比例的对比。由图可见，燃用两种燃料，核态微粒比例均在72%以上，随负荷增加，微粒数量浓度增加。不同负荷下燃用费托合成柴油的微粒数量排放均低于国V柴油，在小负荷下燃用两种燃油发动机微粒排放相差不大，这是因为小负荷空燃比较高，扩散燃烧比例较小，燃烧过程产生的颗粒物较少，同时抑制了颗粒物的生长和合并过程。因此在小负荷下国V柴油和F-T柴油的微粒数量排放均较低，燃料特性对微粒排放的影响程度较小。随着负荷增大，燃用F-T柴油对微粒数量浓度降低效果明显，这是因为燃用费托柴油的混合和燃烧过程改善，且费托柴油几乎不含硫，使微粒总数量浓度显著降低。与石化柴油相比，不同负荷工况下燃用费托合成柴油时超细微粒和核态微粒比例均有所降低，其主要原因在于费托合成柴油扩散燃烧比例较大，燃烧初期生成的微粒有足够的时间聚集成为大粒径微粒，导致超细微粒比例减少。可见，燃用费托合成柴油在降低微粒质量排放量的同时，可以有效降低微粒数量浓度，特别是核态微粒和超细微粒排放数量浓度，这对满足越来越严格的排放法规具有重要意义。

图8 2 650 r/min不同负荷工况下微粒浓度分布对比

3 结论

(1)燃料特性对发动机燃烧和排放均有显著影响，燃用费托合成柴油，能够提高十六烷值，改善燃料挥发性，着火性和油气混合质量均提高。与国V柴油相比，电控发动机在喷油策略不做改变的条件下，燃用费托合成柴油的发动机在外特性工况下消光烟度显著降低，同时经济性略有改善，但由于费托合成柴油密度低于石化柴油，动力略有下降。

(2)燃用费托合成柴油发动机的比排放显著降低，其CO，HC和NOx比排放比国V柴油分别降低了45.62%，45.62%和14.35%。同时,十三工况中高分担率工况点的3种排放污染物降低幅度均显著提高，使其整体NOx，CO和HC排放显著降低。

(3)中等转速全负荷工况下，两种燃油微粒大部分位于500nm以下，微粒数量浓度峰值在50nm左右。与国V柴油相比，燃用费托合成柴油时小于50nm的核态微粒数量浓度有所降低，积聚态微粒数量浓度降幅减小，表面积浓度和体积浓度影响规律与微粒数量浓度基本一致。

(4)不同工况下燃用费托合成柴油时超细微粒和核态微粒的比例也有所降低。可见，燃用费托合成柴油在降低微粒质量排放量的同时，可有效降低微粒数量浓度，特别是核态微粒和超细微粒排放数量浓度，这对满足越来越严格的排放法规具有重要意义。

[1] OSCAR P R, Van Vliet, ANDRE P C. Fischer-Tropsch diesel production in a well-to-wheel perspective: a carbon, energy flow and cost analysis[J]. Energy Conversion and Management,2009,50:855-876.

[2] 杜家坤,孙万臣,王晓丹,等.GTL添加比例对高压共轨柴油机微粒排放粒度分布的影响[J].内燃机学报,2013(3):241-247.

[3] HAO Bin, SONG Chonglin, LV Gang, et al. Evaluation of the reduction in carbonyl emissions from a diesel engine using Fischer-Tropsch fuel synthesized from coal[J]. Fuel,2014,133:115-122.

[4] KOOK S, PICKETT M. Soot volume fraction and morphology of conventional, Fischer-Tropsch, coal-derived, and surrogate fuel at diesel conditions[C]. SAE Paper 2012-01-0678.

[5] 黄勇成,潘克煜,李永旺,等.直喷式柴油机燃用F-T柴油时的性能与排放[J].内燃机学报,2005(6):497-502.

[6] SCHIHL P, et al. The ignition behavior of a coal to liquid Fischer-Tropsch jet fuel in a military relevant single cylinder dieselengine[C]. SAE Paper 2012-01-1197.

[7] 孙万臣,谭满志,陈士宝,等.燃料特性对柴油机排放微粒粒度分布的影响[J].汽车工程,2010,32(7):570-574.

[8] NORTON P, et al. Emissions from trucks using Fischer-Tropsch diesel fuel[C]. SAE Paper 982526.

[9] 杨甜甜,王铁,刘磊.F-T柴油-生物柴油-甲醇多元燃料性能和排放特性分析[J].车用发动机,2014(4):64-68.

An Analysis on Combustion and Emission Characteristics of a Diesel Engine Fuelled with F-T Synthetic Diesel Fuel

Sun Wanchen, Zhang Shuguang, Guo Liang, Du Jiakun,Fan Luyan, Li Guoliang & Cheng Peng

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025

An experimental study on the combustion and emission characteristics and particulate size distribution feature of a turbocharged inter-cooled high-pressure common rail diesel engine fueled with coal-based Fischer-Tropsch synthetic diesel fuel (F-T diesel fuel) is conducted to analyze the effects of F-T diesel fuel on the combustion and emission of engine. The results show that compared with State-V diesel fuel, when F-T diesel fuel is used with the same injection strategy, engine torque reduces due to its lower density, meanwhile as its main constituent is straight-chain alkane, which increases its cetane number with good ignitability, the ignition delay period shortens, the heat release in premixed combustion stage reduces, and the combustion temperature in cylinder lowers, helping to reduce the emission of NOx, and its good combustion characteristics make the emissions of CO and HC and smoke opacity greatly lower. With 13-mode test cycle, the weighted specific emissions of CO, HC and NOxdecrease by 51.42%, 45.62% and 14.35% respectively, and under different load conditions the total number emission of particulates and the proportions of ultra-fine particulates and nucleation mode particulates totally reduce. All these have great significance in meeting increasingly stringent emission regulations.

diesel engine; Fischer-Tropsch synthetic diesel fuel; combustion; particulate emission

*国家自然科学基金(51476069)资助。

原稿收到日期为2016年7月4日，修改稿收到日期为2016年8月9日。