不同比例芳烃的费托柴油排放特性研究

（1-中国汽车技术研究中心天津3001622-潍柴动力股份有限公司）

不同比例芳烃的费托柴油排放特性研究

高鑫磊1熊兴旺1王林波2

（1-中国汽车技术研究中心天津3001622-潍柴动力股份有限公司）

在一台国五发动机上燃用5种不同油品，分别进行外特性、原排稳态ESC循环、带SCR后处理稳态ESC循环及ELR试验，通过发动机动力性能及排放性能得出结论：燃用FT-0、FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8四种油品，与国五柴油相比，功率、扭矩分别下降1.4%、1.3%、0.8%、1.2%；常规排放污染物THC、NOx、CO及烟度随着芳烃比例增加，排放污染物结果呈上升趋势；相比国五柴油，燃用FT-2.2、FT-7.4油品时，PM颗粒有小幅下降趋势，芳烃比例达到14.8%时，PM颗粒上升50%。

国五柴油费托柴油（CTL）芳烃排放特性

引言

费托合成工艺是以合成气为原料制备烃类化合物的过程。根据合成气的原料不同，费托合成油可分为：煤制油、生物质制油和天然气制油。煤制油（Coal-to-liquids，CTL）是以煤炭为原料，通过化学加工过程生产油品和石油化工产品的一项技术。煤的间接液化生产的油品具有十六烷值高、H/C含量较高、低硫和低芳烃以及能和普通柴油以任意比例互溶等特性。同时，煤制油具有运动粘度低，密度小、体积热值低等特点。

此次试验在试验条件一致且发动机状态未做调整情况下，通过外特性、原排稳态ESC循环、带SCR后处理稳态循环工况ESC和ELR烟度试验，研究燃用5种燃料对发动机动力性和排放性能的影响。油品为市售国五柴油和以费托油为基础油配比不同比例芳烃组成，由中科合成油技术有限公司提供。

1关键试验设备及燃料说明

1.1 关键试验设备

试验设备有AVL-PUMA全自动控制系统、AVL电力测功机、AVL735油耗仪、AVL-AMA i60多组分气体分析仪，AVL-CVS全流稀释系统和PSSi60颗粒物采样系统，以及AVL439不透光烟度计。

1.2试验样机参数

试验样机参数如表1所示。

表1 试验样机参数

1.3燃油理化参数

燃油理化参数如表2所示。

表2 燃油理化参数

1.4试验燃料

试验燃料参数如表3所示。

表3 试验燃料参数

2试验结果分析

2.1 外特性比对

外特性如图1，2所示。由图1和图2中可以看出，燃用费托柴油同国五柴油相比，功率扭矩均呈现下降趋势，平均降幅为1.4%。随着芳烃比例的加入，燃用FT-2.2，FT-7.4，FT-14.8 3种油品与费托柴油相比降幅分别为1.3%，0.8%，1.2%。考虑到测量带来的误差因素，在费托油中加入不同比例芳烃对柴油机动力性能影响不大。

这是由于费托柴油热值和密度均低于普通柴油。热值是所有液体燃料的重要品质指标之一。热值越高，在相同条件下单位质量的燃料产生的动力就越大，在供油系统不作任何调整的情况下，体积供油量基本保持不变，低体积热值的费托柴油会导致柴油机动力性降低。费托柴油十六烷值比普通柴油高，其滞燃期较短，滞燃期内喷入缸内的燃料量较少，预混合燃烧燃料较少，燃烧最高爆发压力较低，从而导致柴油机输出扭矩较小[1]。

图1 外特性功率

图2 外特性扭矩

2.2 原排稳态ESC循环

2.2.1 NOx比对

从图3～图5中可以看出在相同工况下，费托柴油与国五柴油相比，NOx排放均有所下降。燃用FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8 3种油品与费托柴油相比又有所上升。

这是由于F-T柴油的加入使混合燃料十六烷值增加，滞燃期缩短，预混放热峰值减小，最高燃烧温度降低；随着燃油芳烃含量的增加，其释放的热值也会增加。另一方面，具有环状结构的烃的绝热燃烧温度较高有利于在局部高温环境下产生NOx[2]，因此导致燃用FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8 3种油品的NOx排放增加。

2.2.2 CO比对

从图6～图8中可以看出在同一工况下，燃用费托柴油相比国五柴油，CO排放有所下降。燃用FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8 3种油品与费托柴油相比随着转速及负荷的变化略有上升。

图3 A转速原排氮氧化物排放

图4 B转速原排氮氧化物排放

图5 C转速原排氮氧化物排放

图6 A转速原排一氧化碳排放

图7 B转速原排一氧化碳排放

图8 C转速原排一氧化碳排放

柴油机排放的CO主要源于喷注中过浓部分的不完全燃烧，生成的主因是由于燃烧时缺氧导致。一般工况下，生成的CO扩散出去与缸内富裕的氧气相接触后，当缸内温度较高时都能再次氧化产生CO2。相比于国五柴油，费托柴油密度较低，燃油蒸发过程进行较快，从而更容易产生均匀的混合气，降低了形成缸内局部过浓区的可能性，燃烧效率升高，自然CO排放就减少[3]。由于燃油中芳烃含量的加大，高芳烃燃油的碳氢质量比高，再加上苯环的着火和燃烧较难会导致燃烧持续期延长，因此导致CO排放增加。

2.2.3 THC比对

从图9～图11中可以看出：在相同负荷情况下，燃用费托柴油相比国五柴油，THC排放整体下降。在燃用费托柴油后又随芳烃比例增加出现逐步上升趋势。

这是由于柴油机燃烧过程中燃料与空气混合不均匀导致混合物局部过浓或过稀，使燃烧不完全而产生THC排放[2]。此外，在靠近气缸壁或燃烧室其他壁面的可燃混合物由于激冷效应使燃烧不完全，也会产生THC的排放[4]。

图9 A转速原排碳氢化合物排放

图10 B转速原排碳氢化合物排放

图11 C转速原排碳氢化合物排放

费托柴油中含氧量高，燃烧性能好，燃烧较充分，减少了未燃THC的排放。另外，费托柴油的黏度高，起到了一定的密封作用，从而减少了混合气的泄漏，降低了THC的排放。随着芳烃含量的增加，滞燃期延长，使得滞燃期内的未燃及裂解碳氢增加。因此，导致THC排放增加。

2.3 带后处理稳态ESC循环

2.3.1 氮氧化物

从图12中可以看出，同国五柴油相比，另外4种油品NOx排放同时下降，最大降幅达到28%，在燃用费托柴油后随着芳烃比例增加呈现出上升趋势。

这是由于费托柴油的十六烷值高，易于燃烧，使得燃烧过程中的滞燃期短，缸内温度较低。在加入芳烃后，使得绝热燃烧温度高，有利于在局部高温下产生NOx[2]。此外，芳烃中的大部分是致癌物质，芳烃含量的增加，除会使有毒物质的排放明显增加外，还会导致燃烧室沉积物的增加，直接导致NOx污染物排放量的增加。

图12 ESC循环工况下氮氧化物排放

2.3.2 PM颗粒

从图13中可以看出，在5种不同油品中，当费托柴油中芳烃比例达到14.8%时，PM颗粒排放量显著上升。除此之外，随着芳烃比例的增加，PM颗粒排放量有小幅下降趋势。

图13 ESC循环工况下颗粒物排放

资料表明，燃料中芳烃含量增加时PM随之也慢慢增加[5]。这是由于芳烃是具有至少一个苯环的燃油分子，其对排放的影响主要有两个方面：

1）芳烃碳氢比高，燃烧火焰温度高，芳烃含量增加造成PM排放量上升；

2）芳烃，特别是多环芳香烃作为碳烟生成的前驱体，其含量增加导致PM排放上升[6]。

2.3.3 一氧化碳

从图14中可以看出，同国五柴油相比，其他4种油品的CO排放均有所降低，最大降幅达到38%；同费托柴油相比，FT-2.2、FT-7.4、FT-14.8 3种油品随芳烃比例的加大，CO排放量又呈上升趋势。

这是因为费托柴油十六烷值高，着火性能大大改善所致。同时燃料中芳烃含量也会对CO排放产生一定影响。燃料中芳烃含量越高，含碳量就越高，在燃料不可能完全燃烧状况下即可导致CO排放升高[3]。

图14 ESC循环工况下一氧化碳排放

2.4 ELR循环

从图15中可以看出，相比于国五柴油，燃用费托柴油烟度明显降低，随着芳烃的加入又呈现上升趋势。

图15 ELR循环工况下烟度排放

这是由于芳烃含量越高，则燃油总体碳氢质量比越高。芳烃物质在燃烧过程中很难分解和被氧化，随着其含量升高，燃油中的饱和烃含量愈多，其化学结构牢固，不易燃烧，故容易形成碳烟。

碳烟产生于高负荷时的油束心部、油束尾部和后喷部氧浓度低的区域，在这些区域气体温度高，燃油分子容易发生高温裂解而形成碳烟。燃料燃烧释放出的浓烟就是燃料中芳香烃含量过多所致[7]。

3结论

1）费托柴油中加入不同芳烃含量对THC排放结果呈现出一定的规律。相比于国5柴油，燃用费托柴油后THC的排放结果均呈现下降趋势，同时又随着芳烃比例的增加呈现整体上升趋势。

2）NOx方面：原排状态下，燃用费托柴油与国五柴油相比呈现下降趋势；ESC工况下燃用费托柴油与国五柴油相比排放结果下降，同时又随芳烃比例增加呈现上升趋势，最大达到13%。

3）烟度方面：同国五柴油相比，燃用费托柴油烟度值下降55%；同费托柴油相比，燃用FT-2.2，FT-7.4，FT-14.8 3种油品后烟度值出现上升趋势，幅度在25%～35%之间。

4）CO方面：同国五柴油相比，费托柴油排放结果降幅达到28%；同费托柴油相比，燃用FT-2.2，FT-7.4，油品后呈现下降趋势，燃用FT-14.8油品后又呈上升趋势，同FT-0相比涨幅达到1.5%。

5）PM方面：整体变化趋势很小，当芳烃比例达到14.8%时，颗粒物排放呈上升趋势，最大达到50%。

1王凤滨，景晓军，高俊华.燃用费托柴油对国Ⅳ柴油机性能的影响[J].汽车技术，2012（10）：7-10

2汪恒，王铁，史伟奇，等.F-T煤制油对增压中冷柴油机性能与排放的影响[J].车用发动机，2013（2）：65-69

3郝斌.不同燃料对柴油机排气颗粒物的影响研究[D].天津：天津大学，2014

4张建业，裴毅强，秦静，等.混合煤制油对共轨柴油机性能及排放影响的试验研究[J].内燃机工程，2015，36（2）：13-17，24

5周玉松.燃料性质和成份对内燃机车排放影响的研究[D].北京：北京交通大学，2006

6陈文淼，王建昕，帅石金.柴油品质对发动机排放性能的影响[J].汽车工程，2008，30（8）：657-663

7张丽英.合理降低油品芳香烃含量的重要性[J].油气储运，2003，22（5）：58-60

Emission Characteristics of Different Ratio of Aromatic Hydrocarbons Blended in the Fischer-tropsch Diesel

Gao Xinlei1,Xiong Xingwang1,Wang Linbo2
1-China Automotive Technology&Research Center(Tianjin,300162,China）2-Weichai Power Co.,Ltd.

A series of tests,including full load tests,ESC and ELR tests without and with SCR system,were conducted on a State-Ⅴdiesel engine fueled with five kinds of fuels respectively.Differences of power performances and emission performances between the five kinds of fuels were analyzed.Compared with State-Ⅴdiesel,power and torque of FT-0,FT-2.2,FT-7.4 and FT-14.8 see a decrease by 1.4%,1.3%, 0.8%and 1.2%respectively.With the ratio of aromatic hydrocarbons blended in the diesel increasing, THC,、NOx,CO and opacity increase.Compared with State-Ⅴdiesel,PM of FT-2.2 and FT-7.4 decrease slightly,while that of FT-14.8 increases by 50%.

State-Ⅴdiesel,Fischer-tropsch diesel(CTL),Aromatic hydrocarbons,Emission characteristics

TK421+.5

A

2095-8234（2016）06-0022-05

2016-09-13）

高鑫磊（1984-），男，大学本科，主要研究方向为发动机排放、性能测试。