关于F-T柴油发动机燃烧排放特性的探索

作者：郑晓敏

  F-T柴油是一种煤炭间接液化的产物。研究表明，F-T柴油具有十六烷值高、H/C比高、低硫和低芳烃以及能和普通柴油以任意比例互溶等优良特性。柴油机燃用F-T柴油可降低CO和HC排放，并能同时减少碳烟和NOX排放，提高燃油经济性。

    目前，国外已有很多国家商业化运行煤间接合成技术，其中包括南非的SASOL公司的F-T合成技术，荷兰Shell公司的SMDS（壳牌公司中间馏分油合成技术）技术等。我国中科院山西煤炭化学研究所深入开展了铁基、钻基两大类催化剂费一托合成油煤炭间接液化技术的研究和工程开发，提出了MFT(固定床两段法合成)和SMFT(浆态床一固定床两段合成)工艺，不仅取得了较高的油收率，同时保证了油的品质。

    由于F-T柴油生产技术的成熟，其大范围推广应用已迫在眉睫。本文在国内外学者研究的基础上，将F-T柴油应用在单缸柴油机上，定量地研究供油提前角和压缩比对其燃烧和排放特性的影响。

1试验设备及方法

1.1试验设备

本试验所用发动机为CY25TQ型单缸、水冷、卧式柴油机，发动机具体参数见表1。

    试验所用仪器有：ET2000型柴油机测试系统（四川诚邦科技有限公司），DW100型电涡流测功机（四川诚邦科技有限公司），ET2400型智能油耗仪（四川诚邦科技有限公司），6125C11型缸压传感器（瑞士Kistler仪器公司）．4618A2型电荷放大器（瑞士Kistler仪器公司），2613B型角标仪（德维创公司），DEWE-800-CA-SE型燃烧分析仪，SESAM I60 FT型傅氏转换红外线光谱分析仪（奥地利AVL公司），AVL DISMOKE 4800型不透光碳烟计（奥地利AVL公司）。

1.2试验方法

    试验中同定发动机转速为1 200 r/min，平均有效压力为0.3 MPa，对比分析发动机燃用F-T柴油和0#柴油时的燃烧排放特性，然后定量地研不同供油提前角和压缩比对发动机燃用F-T柴油时的燃烧和排放特性的影响。

2结果与分析

2.1 F-T柴油和0#柴油对比

发动机燃用0#柴油和F-T柴油时的燃烧排放特性参数见表2。

    从表2可以看出：燃用F-T柴油后发动机最大爆发压力和最大压升率均降低，发动机工作柔和：虽然缸内最高燃烧温度较高，但是燃烧持续期度较短，即高温持续期短，反应迅速，促使NOX排放下降，降幅高达34%；南F-T柴油理化特性可知，F-T柴油具有较高的H/C比，硫和芳香烃的含量较低，馏程温度也较低，燃油中难以燃烧的重馏分较少，这都有利于PM的降低。CO的产生来自于燃油的不完全燃烧，F-T柴油十六烷值高，着火性能好，燃烧过程优于柴油，出现低温和蓝焰反应的低温区较少，所以CO排放下降。F-T柴油的THC排放较0#柴油高出30%以上，这可能是因为F-T柴油密度小，同一工况下，喷人缸内的油量较大，缸内混合气的壁面淬熄效应和缝隙效应增加所致。

2.2供油提前角对燃烧特性的影响

图1所示为压缩比为15.93时供油提前角对发动机缸内压力的影响。由图1可知，供油提前角为20。CA BTDC时缸内最大爆发压力最大，提前或推迟供油，最大爆发压力均降低。爆发压力的变化规律与缸内燃烧反应初期放热速率密切相关。

图2所示为压缩比为15.93时供油提前角对发动机瞬时放热率的影响。由图2可知，供油提前角为20。CA BTDC时，瞬时放热率峰值最大，提前或推迟供油，瞬时放热率峰值均降低。瞬时放热率峰值的大小取决于滞燃期内形成的可燃混合气的多少，可以认为滞燃期的长短决定了预混合气的量。

图3所示为压缩比为15.93时供油提前角对滞燃期和持续期的影响。

    由图3可知，随供油时刻提前，滞燃期、持续期均呈现先升高后降低的变化趋势。供油时刻改变，滞燃期主要受缸内温度及压力影响。18。CABTDC供油时刻更接近上止点，压缩终点温度压力均较高，利于预混合气着火，22 0CA BTDC供油时刻，虽然压缩终点缸内压力温度相对较低，但是预混合气大量吸收来自缸壁的热量，使其滞燃期缩短。由滞燃期变化可以看出在20 0CA BTDC供油时刻，持续期主要发生在活塞下行过程中，燃烧速率下降必然引起持续期延长。

2.3压缩比对燃烧特性的影响

图4所示为供油提前角为20 0CA BTDC时压缩比对缸内压力的影响。由图4可知，随压缩比的降低，最高爆发压力下降，且出现时刻后移。压缩比降低导致活塞在上止点时燃烧室容积变大，这有利于降低爆发压力。

图5所示为供油提前角为20。CA BTDC时压缩比对瞬时放热率的影响。

    南图5可知，随压缩比的降低瞬时放热率峰值略有升高且峰值出现时刻后移。在发动机负荷不变情况下，压缩比降低，其燃油消耗量必然增加，由于初期预混燃油量增加，达到着火点时吸收热量增加导致放热峰值升高，且出现位置后移。

图6所示为供油提前角为20 0CA BTDC时压缩比对滞燃期、持续期的影响。

    由图6可知，随压缩比降低滞燃期出现先升后降趋势，而持续期则呈上升趋势。滞燃期长短跟燃油雾化、蒸发及燃油量多少关系密切。不同压缩比下缸内温度和缸内气流运动共同作用决定滞燃期变化规律。图5放热率曲线显示压缩比降低，放热主要集中在上止点附近，燃烧等容度提高，这很大程度上决定持续期变化。

2.4压缩比、供油提前角对排放特性的影响

图7所示为压缩比和供油提前角对PM排放（用消光系数表示）的影响。

由图7可知，供油提前，PM排放下降，压缩比降低，PM呈先升后降趋势。供油提前，且在适当压缩比下，燃料滞燃期较短，预混阶段放热少，扩散阶段放热多，利于PM后期氧化。

图8所示为压缩比和供油提前角对NOX排放的影响。由图8可知，压缩比为15.93左右时，NOX排放较低；供油提前，NOX排放升高。压缩比为15.93左右时持续期较长，即高温时间较长，促进NOX排放生成。供油提前，着火时刻较早，燃烧重心接近上止点，燃烧速率较高，最高燃烧温度较高，促进，NOX生成。

图9所示为压缩比和供油提前角对THC排放的影响。由图9可知，压缩比降低和供油滞后均会导致THC排放增加。压缩比降低和供油滞后均会导致缸内温度下降，燃烧速率降低，不完全燃烧比例增加，THC排放增加。

图10所示为压缩比和供油提前角对CO排放的影响。

    由图10可知，供油滞后，CO排放增加，也是由于燃烧不完全导致的：而压缩比为15.93左右时CO排放较高，这可能是由于此压缩比下，混合气缸内气流运动较强烈，加快油气混合速率，产生过浓区和过稀区及油束碰壁的激冷区可能性较少，这有利于CO排放较低。

3结论

    ①F-T柴油可以很好地应用到防爆柴油机上，且具有良好的燃烧和排放特性。

    ②供油提前，爆发压力．瞬时放热率、滞燃期和持续期均出现先升后降趋势：压缩比降低，爆发压力和持续期下降，瞬时放热率略有上升，滞燃期出现先升后降趋势。

③供油提前，PM，THC，CO排放下降，而NOX排放上升；15.9压缩比附近PM，CO排放较高，而NOX排放较低。适当增加供油提前角，降低压缩比，有利于降低F-T柴油发动机排放物。

4摘要：为实现F-T柴油在柴油发动机上的推广应用，通过改变供油提前角和压缩比对F-T柴油发动机的燃烧和排放特性进行了研究。试验结果表明：燃用F-T柴油时，如果供油时刻提前，那么爆发压力、瞬时放热率、滞燃期和持续期均呈现先升高后降低的趋势，而且PM，THC，CO排放下降，NOX排放上升；如果压缩比降低，那么爆发压力和持续期下降，瞬时放热率略有上升。