直接/间接煤制油对重型柴油机燃烧和排放的影响

刘海峰，崔雁清，董 芳，杨 勇，刘馨璐，陈 鹏，马俊生，马桂香，尧命发

(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2.中国石化销售有限公司油品技术研究所，天津 300384)

随着汽车保有量的快速增长，能源消耗与环境污染问题日趋严重[1].为有效解决石油资源短缺以及环境污染等问题，国内外学者在内燃机替代燃料上进行许多研究[2-5].此外，利用我国丰富的煤炭资源优势，将煤炭合成液体燃料也是解决石油短缺和降低有害排放物的重要途径之一[6].

按合成工艺的不同，煤制油可以分为煤直接液化(direct coal liquefaction，DCL)燃油和煤间接液化(indirect coal liquefaction，ICL)燃油，两种煤制油的组分不同，对应的理化特性参数不同，从而对发动机燃烧与排放特性的影响也不相同[6].王真等[7]在一台电控共轨柴油机上的研究发现，与柴油相比，DCL的预混燃烧比例增大，其 NOx、CO和 HC排放显著增加.庄健等[8]在一台以 DCL为燃料的柴油机中探究了 EGR对其燃烧和排放特性的影响，研究表明，DCL的滞燃期较长，燃烧持续期较短，这种差异在40%EGR率下更显著；不同控制策略下，DCL的碳烟排放均低于柴油，HC、CO均高于柴油；随着EGR率的增加，DCL的燃油经济性较柴油变差.还有一些研究[9-11]认为，ICL能同时降低 CO、HC、NOx和碳烟排放，且 ICL能有效降低压力升高率，改善燃烧过程，使有效热效率和燃油消耗率得到改善.孙万臣等[12]研究 ICL对颗粒物排放特性的影响规律，认为 ICL能有效降低颗粒物质量与颗粒物数量，特别是核态颗粒物和超细颗粒物的数密度.

国内外对煤制油在内燃机上的应用进行了大量研究，但涉及 DCL与 ICL的对比研究鲜有报道；同时先前研究主要是针对某些工况展开，而在发动机不同工况下煤制油特性的研究报道相对较少.因此本文将 DCL、ICL两种不同工艺的煤制油以及国Ⅴ柴油作为试验燃料，在一台电控高压共轨重型柴油机上研究不同工艺煤制油对燃烧和排放的影响，试验采用ESC十三工况法，以揭示煤制油对柴油机综合性能的影响规律，为煤制油应用提供一定的理论基础和技术参考.

1 试验装置及研究方法

1.1 发动机试验装置

本试验所用发动机为一台 8.42L、四冲程、直列六缸的重型柴油机，同时配备BOSCH高压共轨燃油喷射系统.为满足国Ⅳ排放要求，原机配备 SCR系统.发动机技术参数如表 1所示，试验台架示意图如图1所示，主要仪器设备如表 2所示.关于发动机和试验装置的详细参数可参见文献[13-14].

缸内燃烧压力采用压电晶体传感器(Kistler 6125 C)测量，采样间隔为 0.5°,CA，每个工况采集100个循环用于计算燃烧相位、压力升高率等参数.

表1 发动机技术参数Tab.1 Engine specifications

图1 试验台架示意Fig.1 Schematic of experimental setup

表2 主要仪器设备Tab.2 Main instruments and apparatuses

废气测量使用 Horiba公司排气测量仪，其 UHC分析使用氢离子火焰法，CO分析使用不分光红外测试法，NOx分析使用化学发光法.碳烟比排放通过AVL415S烟度计测量计算公式得到[15].

式中：BFSN为实测烟度值；mair为进气流量，kg/h；mfuel为柴油机每小时油耗量，kg/h；Pe为有效功率；e≈2.7183.

1.2 试验燃料

为探究DCL和ICL对柴油机的影响规律，选取国Ⅴ柴油作为基础参考燃料.加工工艺不同，决定了煤直接液化合成油与间接液化合成油结构组成和理化特性略有不同.ICL将煤先气化后再合成，其理化特性受不同原料煤的影响较小；DCL由于直接液化，受原料煤种类影响相对较大，但后期会对 DCL燃油进行脱硫、脱氮等去除杂质的处理，因此综合来看，本研究选取的DCL和ICL理化特性可以较好地代表煤制油燃料的普遍特性.如图2(a)所示，与柴油相比，煤制油具有较低馏程温度，ICL的 T90/T95略高于 DCL.图2(b)表明，ICL具有很高的十六烷值和很低的芳香烃含量，且运动黏度较低；DCL的十六烷值最低，具有和 ICL一样较低的芳香烃含量，运动黏度略高于 ICL.由图2(c)可知，ICL的体积热值远小于其他两种燃料，但其质量热值较高；DCL体积热值略低于柴油，质量热值略高于柴油.详细的燃料理化特性参数可以参见表3.

1.3 研究方法

柴油机ESC 循环包括 1330r/min、1660r/min、1990r/min共3个转速，每个转速分别对应4个不同的负荷点作为循环测试工况点.除选取上述 12个工况点外，再测试一个怠速工况(转速 650r/min)共 13个工况.按法规中ESC测试循环要求，在相同工况点下，保证不同燃料之间轨压、喷油时刻等控制边界条件一致.根据 ESC循环 13工况加权结果，对比分析不同燃料在循环工况下燃油经济性和排放特性差异.本研究讨论煤制油对柴油机原机性能的影响，排放数据均为尾气未经过后处理器的原始排放数据.

图2 试验燃料的理化特性Fig.2 Physical and chemical properties of test fuels

表3 基于标准测试结果的柴油、间接煤制油、直接煤制油的燃料特性Tab.3 Properties of diesel，ICL，and DCL fuels based on standard test results

2 试验结果及分析

2.1 煤制油对燃烧特性与性能的影响

图3为1990r/min时不同负荷下煤制油对柴油机缸内压力和放热率的影响规律.在小负荷时(BMEP为0.43MPa)，DCL燃烧始点最迟，预混燃烧放热率峰值最高；ICL燃烧始点最早，预混燃烧比例较低.这主要与燃料的十六烷值相关.图3(a)表明，在扩散燃烧阶段两种煤制油放热率均高于柴油.主要由于两种煤制油的馏程温度均较低，有利于燃油蒸发扩散，加快混合速率，从而加快燃烧速率；此外，DCL由于预混燃烧比例较高，缸内温度较高，同样也会使扩散燃烧速率加快.随负荷增大，不同燃料之间的缸压和放热率差异逐渐减小.图3(c)和(d)表明在较高负荷下，不同燃料之间的燃烧压力和放热率差异很小，主要原因是在缸内的高温环境下燃料的理化特性对燃烧过程的影响将被逐渐削弱.

图3 煤制油对缸内压力、放热率的影响Fig.3 Effects of coal-to-liquid fuels on cylinder pressure and heat release rate

图4 煤制油对燃烧特性的影响Fig.4 Effects of coal-to-liquid fuels on combustion characteristics

图4为1990r/min时不同负荷下煤制油对燃烧特性的影响规律.图4(a)表明，小负荷下滞燃期(定义为喷油开始到累计放热量达 10%所对应的曲轴转角)呈现出 DCL＞柴油＞ICL的规律，这主要与不同燃料的十六烷值相对应.随负荷增大，不同燃料之间滞燃期差异逐渐减小.图4(b)和(c)表明，在小负荷下，滞燃期延长，最大压力升高率增大，初期燃烧持续期(CA10～CA50)较短，原因在于滞燃期长的燃料预混燃烧比例增加，使最大压力升高率升高，CA10～CA50缩短.随负荷增大，不同燃料之间最大压力升高率和CA10～CA50差异均减小.图4(d)表明，不同燃料的 CA50差值较小，这主要因为滞燃期长的燃料其 CA10～CA50较短，综合影响下不同燃料CA50基本相当.图4(e)表明，喷油持续期呈现ICL＞DCL＞柴油的规律.主要由于维持相同工况，体积热值小的燃料需要喷入更多燃料，且随着负荷增大，循环喷油量增加，造成喷油持续期的差异更加明显.对于 ICL，其体积热值远小于其他两种燃料，故喷油持续期较长.图4(f)表明，两种煤制油燃烧持续期(定义为放热量达总放热量的 10%到 90%所对应的曲轴转角)均短于柴油.如图3缸压放热率所示，因为煤制油较低的馏出温度，在中小负荷下扩散燃烧阶段的放热率高于柴油，从而使煤制油的燃烧持续期短于柴油.此外，DCL的燃烧持续期略短于 ICL.一方面，DCL预混燃烧比例较高，放热率快速且集中，从而缩短燃烧持续期；另一方面 ICL的喷油持续期稍长于 DCL.两方面综合影响，使 DCL的燃烧持续期略短于ICL.

图5为在 1990r/min，BMEP为 0.87MPa下煤制油对指示热效率、有效热效率和机械效率的影响规律.图中指示热效率呈现 DCL＞ICL＞柴油的规律.由于不同燃料之间的 CA50差异较小(如图4(d))，燃烧持续期短的燃料对应的燃烧定容度较高，所以指示热效率较高.两种煤制油的机械效率低于柴油，主要由于煤制油的黏度较低、润滑性较差使得燃油泵中泄漏增加，导致附件功增加，从而造成机械损失增加[16].DCL的黏度略高于ICL，故其机械效率较高，但两者差异不大.因此，在指示热效率与机械效率共同作用下，有效热效率呈现柴油＞DCL＞ICL的规律.

图5 煤制油对指示热效率、有效热效率和机械效率的影响Fig.5 Effects of coal-to-liquid fuels on indicated thermal efficiency，brake thermal efficiency，and mechanical efficiency

2.2 煤制油对排放特性的影响

图6为发动机在不同转速和负荷下，不同燃料的氮氧化物(NOx)排放结果.在各个转速不同负荷下，两种煤制油 NOx排放均低于柴油，ICL的 NOx低于DCL.对于 ICL，一方面由于十六烷值较大滞燃期较短，预混燃烧比例较低，缸内温度低于其他两种燃料；另一方面芳香烃的绝热燃烧温度较高[17]，但ICL芳香烃含量极低.使得ICL的NOx排放低于其他燃料.对于DCL，其十六烷值较小，预混燃烧比例较高，缸内温度较高，但其芳香烃含量同样较低，综合两方面影响，由于芳香烃的主导影响使DCL的NOx排放低于柴油，而较低的十六烷值使其NOx排放高于ICL.

图6 煤制油对NOx排放的影响Fig.6 Effects of coal-to-liquid fuels on NOx emissions

图7为不同转速和负荷下煤制油对碳烟排放的影响规律.在各转速下，碳烟排放基本上呈现DCL＜ICL＜柴油.对于 DCL，一方面其十六烷值较低，滞燃期较长利于油气混合使碳烟排放降低；另一方面其芳香烃含量较低，芳香烃作为碳烟生成的前驱物，其含量降低有利于降低碳烟排放[18]；此外 DCL的馏程温度较低，利于燃油蒸发，从而有利于降低碳烟排放.三方面的综合影响使 DCL的碳烟排放最低.对于 ICL，与 DCL具有一样低的芳香烃含量以及较低的馏程温度，但其十六烷值较高，滞燃期较短不利于燃油与空气混合，此外，ICL的 T90/T95高于 DCL，则燃料中重质成分含量更高，增加碳烟排放[19].综合影响是芳香烃和馏程温度的主导影响超过十六烷值，使 ICL的碳烟排放低于柴油，而较高的十六烷值和T90/T95使其碳烟排放高于DCL.

图8和图9为发动机不同转速和负荷下，不同燃料的HC和CO排放结果.由图8可知，在各个转速下，两种煤制油的 HC排放均高于柴油，DCL的 HC排放高于 ICL.由于煤制油较低的馏程温度，有利于燃油蒸发，从而易于生成过稀混合气，使 HC排放增加.对于 DCL，由于其十六烷值较小，滞燃期较长，利于燃油与空气混合，进一步加剧过稀区形成，使DCL的HC排放比ICL高.由图9可知，CO呈现的规律与 HC类似，在各个转速下，两种煤制油的 CO排放均高于柴油，DCL的CO排放高于ICL.煤制油较低的馏程温度，使燃油易于蒸发从而更多混合气进入低温近壁面区域，不利于 CO进一步氧化.对于DCL，较长的滞燃期也会使更多燃料进入低温近壁面区域，使DCL的CO排放比ICL高.在小负荷时，由于缸内温度较低，不利于 HC和 CO的进一步氧化，此外喷油过程与燃烧过程在小负荷时彼此分离(见图4，喷油持续期小于滞燃期)，导致燃料有相对充足的时间形成过稀区和进入低温近壁面区域.两方面影响使HC和CO排放在小负荷时较高，且不同燃料之间的差异较大，但随着负荷增大缸内温度升高，HC和CO排放基本上呈现逐渐减小趋势，而且不同燃料之间的排放物差异也逐渐减小.同时也应该注意到，本研究中燃用ICL燃料的HC和CO排放较柴油增大的规律与文献[9-11]的报道不同，这与发动机不同的控制策略相关，例如先前文献中报道的发动机排放标准在国Ⅲ法规之前或是采用了颗粒捕集器策略，而本研究为 SCR国Ⅳ排放标准柴油机，这可能是造成规律不同的原因所在.

图7 煤制油对碳烟排放的影响Fig.7 Effects of coal-to-liquid fuels on soot emissions

图8 煤制油对HC排放的影响Fig.8 Effects of coal-to-liquid fuels on HC emissions

图9 煤制油对CO排放的影响Fig.9 Effects of coal-to-liquid fuels on CO emissions

2.3 ESC加权测试循环

图10为煤制油对 ESC循环加权后燃油经济性和排放的影响规律.由图10(a)可知，两种煤制油加权后的有效热效率低于柴油，主要原因在于煤制油黏度较低，进而造成机械损失升高.对于煤制油 DCL和 ICL，有效热效率相对柴油分别降低 2.6%和3.4%.由图10(b)可知，两种煤制油均有降低 NOx和碳烟的潜力.对于 NOx，ICL燃料相对柴油降低2.5%，降幅大于 DCL燃料.对于碳烟，DCL燃料的降幅 63.1%大于 ICL的 53.7%.由图10(c)可知，两种煤制油均使 HC和 CO相对柴油存在不同程度的升高.对于 ICL，其 HC增大幅度 17.1%与 CO增大幅度9.1%均分别小于DCL的32.4%、29.5%.

相比 DCL，ICL具有更低的 NOx、HC和 CO 排放，且 ICL的碳烟排放已显著低于柴油.相比 ICL，DCL具有更低的碳烟排放和更高的有效热效率，且DCL的 NOx排放低于柴油，但不可忽视其较高的HC与CO排放.综合ESC加权结果，ICL具备替代柴油的更大潜力，DCL同样也是一种良好的替代燃料.其各自的应用还依赖上游生产过程中的成本以及对环境的影响.

图10 煤制油对ESC循环加权后燃油经济性与排放的影响Fig.10 Effects of coal-to-liquid fuels on weighted BTE and weighted emissions in ESC

3 结 论

(1) 小负荷时 DCL滞燃期较长，预混燃烧比例较高，最大压力升高率较大，ICL滞燃期较短，预混燃烧比例较低，最大压力升高率较小；在扩散燃烧阶段，两种煤制油的放热率均高于柴油，燃烧持续期均短于柴油.随着负荷增大，燃烧特性的差异逐渐减小.

(2) 两种煤制油的有效热效率均低于柴油，其中DCL的有效热效率略高于 ICL.这种煤制油的机械效率均低于柴油.

(3) 在不同转速和负荷下，两种煤制油的 NOx和碳烟排放均低于柴油，但煤制油的HC和CO排放高于柴油.

(4) 对于ESC循环加权结果，煤制油DCL、ICL的有效热效率相对柴油分别降低2.6%和3.4%；煤制油均有降低 NOx和碳烟的潜力；对于 NOx，ICL的降幅大于 DCL，相对柴油降低 2.5%，对于碳烟，DCL的降幅为 63.1%，大于 ICL的 53.7%；煤制油均使HC和 CO排放相对柴油存在不同程度的升高，对于ICL，其HC增大幅度17.1%与CO增大幅度9.1%均分别小于DCL的32.4%和29.5%.