F-T柴油發(fā)動機燃燒排放特性研究
葛振宇，朱建軍
（1．山西潞安煤基合成油有限公司，山西長治046103;2．山西潞安礦業(yè)（集團）有限責任公司，山西長治046299;3．太原理工大學車輛工程系，山西太原030024）
摘要：為實現(xiàn)F-T柴油在柴油發(fā)動機上的推廣應用，通過改變供油提前角和壓縮比對F-T柴油發(fā)動機的燃燒和排放特性進行了研究。試驗結果表明：燃用F-T柴油時，如果供油時刻提前，那么爆發(fā)壓力、瞬時放熱率、滯燃期和持續(xù)期均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而且PM，THC，CO排放下降，NOX排放上升；如果壓縮比降低，那么爆發(fā)壓力和持續(xù)期下降，瞬時放熱率略有上升。
關鍵詞：F-T柴油；燃燒；排放；供油提前角；壓縮比
O引言
隨著日益嚴格的汽車污染物排放法規(guī)的頒布和國際社會對全球變暖問題及C0：減排問題的日益重視，減少PM，NO，排放和節(jié)能將逐漸成為汽車工業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。結合我國富煤、貧氣、少油的能源結構現(xiàn)狀，提高煤炭資源的利用率及其清潔利用的方法對緩解能源壓力和改善環(huán)境問題具有重大意義。
F-T柴油是一種煤炭間接液化的產(chǎn)物。研究表明，F(xiàn)-T柴油具有十六烷值高、H/C比高、低硫和低芳烴以及能和普通柴油以任意比例互溶等優(yōu)良特性。柴油機燃用F-T柴油可降低CO和HC排放，并能同時減少碳煙和NOX排放，提高燃油經(jīng)濟性。
目前，國外已有很多國家商業(yè)化運行煤間接合成技術，其中包括南非的SASOL公司的F-T合成技術，荷蘭Shell公司的SMDS（殼牌公司中間餾分油合成技術）技術等。我國中科院山西煤炭化學研究所深入開展了鐵基、鉆基兩大類催化劑費一托合成油煤炭間接液化技術的研究和工程開發(fā)，提出了MFT(固定床兩段法合成)和SMFT(漿態(tài)床一固定床兩段合成)工藝，不僅取得了較高的油收率，同時保證了油的品質(zhì)。
由于F-T柴油生產(chǎn)技術的成熟，其大范圍推廣應用已迫在眉睫。本文在國內(nèi)外學者研究的基礎上，將F-T柴油應用在單缸柴油機上，定量地研究供油提前角和壓縮比對其燃燒和排放特性的影響。
1試驗設備及方法
1.1試驗設備
本試驗所用發(fā)動機為CY25TQ型單缸、水冷、臥式柴油機，發(fā)動機具體參數(shù)見表1。
試驗所用儀器有：ET2000型柴油機測試系統(tǒng)（四川誠邦科技有限公司），DW100型電渦流測功機（四川誠邦科技有限公司），ET2400型智能油耗儀（四川誠邦科技有限公司），6125C11型缸壓傳感器（瑞士Kistler儀器公司）．4618A2型電荷放大器（瑞士Kistler儀器公司），2613B型角標儀（德維創(chuàng)公司），DEWE-800-CA-SE型燃燒分析儀，SESAM I60 FT型傅氏轉換紅外線光譜分析儀（奧地利AVL公司），AVL DISMOKE 4800型不透光碳煙計（奧地利AVL公司）。
1.2試驗方法
試驗中同定發(fā)動機轉速為1 200 r/min，平均有效壓力為0.3 MPa，對比分析發(fā)動機燃用F-T柴油和0#柴油時的燃燒排放特性，然后定量地研不同供油提前角和壓縮比對發(fā)動機燃用F-T柴油時的燃燒和排放特性的影響。
2結果與分析
2.1 F-T柴油和0#柴油對比
發(fā)動機燃用0#柴油和F-T柴油時的燃燒排放特性參數(shù)見表2。
從表2可以看出：燃用F-T柴油后發(fā)動機最大爆發(fā)壓力和最大壓升率均降低，發(fā)動機工作柔和：雖然缸內(nèi)最高燃燒溫度較高，但是燃燒持續(xù)期度較短，即高溫持續(xù)期短，反應迅速，促使NOX排放下降，降幅高達34%；南F-T柴油理化特性可知，F(xiàn)-T柴油具有較高的H/C比，硫和芳香烴的含量較低，餾程溫度也較低，燃油中難以燃燒的重餾分較少，這都有利于PM的降低。CO的產(chǎn)生來自于燃油的不完全燃燒，F(xiàn)-T柴油十六烷值高，著火性能好，燃燒過程優(yōu)于柴油，出現(xiàn)低溫和藍焰反應的低溫區(qū)較少，所以CO排放下降。F-T柴油的THC排放較0#柴油高出30%以上，這可能是因為F-T柴油密度小，同一工況下，噴人缸內(nèi)的油量較大，缸內(nèi)混合氣的壁面淬熄效應和縫隙效應增加所致。
2.2供油提前角對燃燒特性的影響
圖1所示為壓縮比為15.93時供油提前角對發(fā)動機缸內(nèi)壓力的影響。由圖1可知，供油提前角為20。CA BTDC時缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力最大，提前或推遲供油，最大爆發(fā)壓力均降低。爆發(fā)壓力的變化規(guī)律與缸內(nèi)燃燒反應初期放熱速率密切相關。
圖2所示為壓縮比為15.93時供油提前角對發(fā)動機瞬時放熱率的影響。由圖2可知，供油提前角為20。CA BTDC時，瞬時放熱率峰值最大，提前或推遲供油，瞬時放熱率峰值均降低。瞬時放熱率峰值的大小取決于滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣的多少，可以認為滯燃期的長短決定了預混合氣的量。
圖3所示為壓縮比為15.93時供油提前角對滯燃期和持續(xù)期的影響。
由圖3可知，隨供油時刻提前，滯燃期、持續(xù)期均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。供油時刻改變，滯燃期主要受缸內(nèi)溫度及壓力影響。18。CABTDC供油時刻更接近上止點，壓縮終點溫度壓力均較高，利于預混合氣著火，22 0CA BTDC供油時刻，雖然壓縮終點缸內(nèi)壓力溫度相對較低，但是預混合氣大量吸收來自缸壁的熱量，使其滯燃期縮短。由滯燃期變化可以看出在20 0CA BTDC供油時刻，持續(xù)期主要發(fā)生在活塞下行過程中，燃燒速率下降必然引起持續(xù)期延長。
2.3壓縮比對燃燒特性的影響
圖4所示為供油提前角為20 0CA BTDC時壓縮比對缸內(nèi)壓力的影響。由圖4可知，隨壓縮比的降低，最高爆發(fā)壓力下降，且出現(xiàn)時刻后移。壓縮比降低導致活塞在上止點時燃燒室容積變大，這有利于降低爆發(fā)壓力。
圖5所示為供油提前角為20。CA BTDC時壓縮比對瞬時放熱率的影響。
南圖5可知，隨壓縮比的降低瞬時放熱率峰值略有升高且峰值出現(xiàn)時刻后移。在發(fā)動機負荷不變情況下，壓縮比降低，其燃油消耗量必然增加，由于初期預混燃油量增加，達到著火點時吸收熱量增加導致放熱峰值升高，且出現(xiàn)位置后移。
圖6所示為供油提前角為20 0CA BTDC時壓縮比對滯燃期、持續(xù)期的影響。
由圖6可知，隨壓縮比降低滯燃期出現(xiàn)先升后降趨勢，而持續(xù)期則呈上升趨勢。滯燃期長短跟燃油霧化、蒸發(fā)及燃油量多少關系密切。不同壓縮比下缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)氣流運動共同作用決定滯燃期變化規(guī)律。圖5放熱率曲線顯示壓縮比降低，放熱主要集中在上止點附近，燃燒等容度提高，這很大程度上決定持續(xù)期變化。
2.4壓縮比、供油提前角對排放特性的影響
圖7所示為壓縮比和供油提前角對PM排放（用消光系數(shù)表示）的影響。
由圖7可知，供油提前，PM排放下降，壓縮比降低，PM呈先升后降趨勢。供油提前，且在適當壓縮比下，燃料滯燃期較短，預混階段放熱少，擴散階段放熱多，利于PM后期氧化。
圖8所示為壓縮比和供油提前角對NOX排放的影響。由圖8可知，壓縮比為15.93左右時，NOX排放較低；供油提前，NOX排放升高。壓縮比為15.93左右時持續(xù)期較長，即高溫時間較長，促進NOX排放生成。供油提前，著火時刻較早，燃燒重心接近上止點，燃燒速率較高，最高燃燒溫度較高，促進，NOX生成。
圖9所示為壓縮比和供油提前角對THC排放的影響。由圖9可知，壓縮比降低和供油滯后均會導致THC排放增加。壓縮比降低和供油滯后均會導致缸內(nèi)溫度下降，燃燒速率降低，不完全燃燒比例增加，THC排放增加。
圖10所示為壓縮比和供油提前角對CO排放的影響。
由圖10可知，供油滯后，CO排放增加，也是由于燃燒不完全導致的：而壓縮比為15.93左右時CO排放較高，這可能是由于此壓縮比下，混合氣缸內(nèi)氣流運動較強烈，加快油氣混合速率，產(chǎn)生過濃區(qū)和過稀區(qū)及油束碰壁的激冷區(qū)可能性較少，這有利于CO排放較低。
3結論
①F-T柴油可以很好地應用到防爆柴油機上，且具有良好的燃燒和排放特性。
②供油提前，爆發(fā)壓力．瞬時放熱率、滯燃期和持續(xù)期均出現(xiàn)先升后降趨勢：壓縮比降低，爆發(fā)壓力和持續(xù)期下降，瞬時放熱率略有上升，滯燃期出現(xiàn)先升后降趨勢。
③供油提前，PM，THC，CO排放下降，而NOX排放上升；15.9壓縮比附近PM，CO排放較高，而NOX排放較低。適當增加供油提前角，降低壓縮比，有利于降低F-T柴油發(fā)動機排放物。
