重型车用柴油机燃用煤基代用燃料特性

王宪成， 王 雪， 刘国浩， 李若亭

(1. 陆军装甲兵学院车辆工程系， 北京 100072； 2. 陆军西安军代局，陕西 西安 710032)

随着世界范围内石化能源短缺问题的日益严重，车用替代能源成为当前国内外研究的热点领域[1]。煤制油也称为煤液化，是以煤为原料，通过化学加工过程将煤转化加工生产出的液体燃料。我国煤矿资源储藏丰富，采用液化技术生产煤制油具有广阔的应用前景。与传统的石化柴油相比，煤制油燃料具有十六烷值高、低硫和低芳烃等优良特性，可同时大幅降低柴油机的碳烟和NOx排放，是一种清洁的代用燃料[2]。

20世纪90年代以来，国内外研究者针对节能减排问题对柴油机燃用煤基代用燃料进行了一系列研究[3-14]。如：黄勇成等[9]在一台单缸四冲程柴油机上进行了煤质油燃料与0#柴油燃料的燃烧与排放对比试验；刘立东等[10]在电控高压共轨发动机台架上对煤制油与0#柴油燃料进行了研究； ANDREWS等[12]对煤制油燃料在高速柴油机上的燃烧和排放性能进行了研究； PISCHINGER等[14]研究了标定工况下直喷式柴油机燃用煤制油的性能表现。然而，针对大缸径重型车用柴油机燃用煤制油代用燃料的研究报道较少，且研究对象多采用F-T直接液化法生产的煤制油，对其他途径制取的煤基代用燃料的研究极少见诸报道。

鉴于此，笔者通过试验方法对国内目前3种主要煤基燃料的主要理化性质进行测试分析，在150 mm缸径单缸柴油机台架上对标定工况与最大扭矩工况下发动机燃用煤制油代用燃料缸内燃烧及发动机性能变化开展研究，以期对煤基代用燃料在重型车用柴油机上的应用具有一定的指导意义。

1 煤制油主要理化性质

目前，国内主要煤制油来源包括伊泰集团生产的间接煤制油(煤制油#1)、神华集团生产的直接煤制油(煤制油#2)和潞安集团生产的间接煤制油(煤制油#3)。采用试验方法对上述3种煤制油与-10#柴油(简称“柴油”)进行测试，燃料主要理化性质对比如表1所示。

表1 燃料主要理化性质对比

由表1可以看出：与柴油相比，3种煤制油的运动黏度较小，且多环芳烃含量较低，说明其其流动性良好但润滑性能不佳；煤制油#1和#2的密度与柴油接近，十六烷值略低，回收温度高，说明其着火性能及蒸发性能不佳；煤制油#3的密度低，十六烷值高，回收温度低，说明其着火性能及蒸发性能相比柴油较好。

2 试验台架及试验步骤

采用单缸柴油机试验台架对柴油和3种煤制油的缸内燃烧特性及发动机性能变化特性开展研究，单缸柴油机主要参数见表2，其试验台架主要测试设备的型号、量程和精度如表3所示。

表2 单缸柴油机主要参数

表3 单缸柴油机试验台架主要测试设备

图1为单缸柴油机试验台架示意图。试验步骤为：首先，对柴油机进行预热；然后，待冷却水和机油温度达到75 ℃时，调节控制台至100%油门位置时设定转速，分别在标定工况(2 000 r/min，满负荷)与最大扭矩工况(1400r/min，满负荷)下采集发动机的性能参数，每个工况点进行3次数据采集；最后，进行燃烧特性分析。

图1 单缸柴油机试验台架示意图

3 结果分析

3.1 缸压和放热率

图2为标定工况下燃用不同燃料时柴油机的缸压与放热率变化曲线。由图2(a)可以看出，标定工况下柴油机燃用3种煤制油呈现出不同的变化规律：当燃用煤制油#1和#2时，二者的缸压曲线与燃用柴油的缸压曲线几乎完全重合，峰值压力分别上升了0.06、0.07 MPa，对应的相位分别滞后了0.1、0.2 ℃A；当燃用煤制油#3时，峰值压力下降了0.12 MPa，对应的曲轴转角提前了5.7 ℃A。

由图2(b)可以看出：与燃用柴油相比，燃用煤制油#1和#2的燃烧始点分别推迟了0.7、0.8 ℃A，煤制油#3的燃烧始点提前了4.9 ℃A，这是因为前2种煤制油的回收温度高、十六烷值低。

图2 标定工况下柴油机缸压和放热率变化曲线

图3为最大扭矩工况下燃用不同燃料时柴油机的缸压与放热率变化曲线，可以看出与标定工况下呈现的变化规律基本相同：与燃用柴油相比，燃用煤制油#1和#2时，燃烧始点分别推迟了0.3、0.7 ℃A，峰值压力分别下降了0.12、0.11 MPa，对应相位均滞后0.2 ℃A，这说明2种煤制油在做功行程放热更多，更有利于做功；煤制油#3的燃烧始点提前了1.1 ℃A，峰值压力下降了0.13 MPa，说明煤制油#3放热过于平缓，柴油机做功能力下降。

图3 最大扭矩工况下柴油机缸压和放热率变化曲线

3.2 压升率与排温

压升率是反映柴油机缸内机械负荷的重要参数。2种工况下柴油机燃用不同燃料的压升率变化曲线如图4所示。

由图4(a)可以看出：与燃用柴油相比，标定工况下燃用煤制油#1和#2的压升率峰值分别上升了0.037、0.038 MPa/°CA，而燃用煤制油#3则下降了0.032 MPa/°CA。分析其原因为：煤制油#1和#2的燃烧始点推迟，导致滞燃期内气缸中预混合的可燃气体量增大，进而造成缸压迅速增大、压升率峰值上升，最终导致柴油机的机械负荷增加；与之相反，燃用煤制油#3会导致柴油机的机械负荷减小。

由图4(b)可以看出：与燃用柴油相比，最大扭矩工况下燃用煤制油#1和#2的压升率峰值相差不大，而燃用煤制油#3则下降了0.079 MPa/°CA，这使得柴油机的机械负荷显著减小。

图4 2种工况下柴油机燃用不同燃料的压升率变化曲线

排温是反映柴油机热负荷的一项重要指标。2种工况下柴油机燃用不同燃料的排温对比如表4所示。可以看出：与燃用柴油相比，相同工况下燃用3种煤制油的排温变化在5 K以内。这说明：燃用3种煤制油时柴油机的热负荷与燃用柴油时无显著区别。

表4 2种工况下柴油机燃用不同燃料排温对比 K

3.3 功率和扭矩

图5为柴油机燃用不同燃料时最大功率及最大扭矩比较。可以看出：柴油机燃用煤制油#1和#2的最大功率分别为29.28、28.82 kW，最大扭矩分别为164.81、167.06 N·m，与燃用柴油相比分别上升了2.85%、1.23%和0.17%、1.53%；燃用煤制油#3的最大功率为27.08 kW，最大扭矩为157.23 N·m，与燃用柴油相比下降了4.88%和4.43%。分析其原因为：与燃用柴油相比，燃用煤制油#1和#2的燃烧始点推迟，压升率峰值更大，最大扭矩上升；而燃用煤制油#3时，由于煤制油#3的十六烷值较大，造成局部的不完全燃烧、压升率峰值下降，从而导致燃用煤制油#3时柴油机最大功率和最大扭矩下降，表现为燃用煤制油#3时柴油机的输出性能下降。

图5 柴油机燃用不同燃料时最大功率及最大扭矩比较

2种工况下柴油机燃用不同燃料的油耗率对比如表5所示。可以看出：与燃用柴油相比，标定工况下燃用3种煤制油的油耗率相当，相差在1%以内；最大扭矩工况下，柴油机燃用煤制油#2和#3的油耗率较低，分别下降了1.37%、2.51%，其原因是煤制油#2和#3密度较煤制油#1和柴油更小而十六烷值更大，说明在最大扭矩工况下经济性更好。

表5 2种工况下柴油机燃用不同燃料油耗率对比 g·kW-1·h-1

4 结论

笔者利用150 mm缸径单缸柴油机台架，对标定工况与最大扭矩工况下发动机燃用3种煤制油和柴油时的缸内燃烧及发动机性能开展了对比研究。结果表明：与燃用柴油相比，单缸机燃用煤制油#1和#2的最大功率和最大扭矩上升，而燃用煤制油#3则下降明显，说明燃用煤制油#3时柴油机的输出性能显著下降；标定工况下，柴油机燃用3种煤基代用燃料的油耗率与燃用柴油相当，最大扭矩工况下燃用煤制油#2和#3的油耗率较低，说明最大扭矩工况下二者的经济性更好。

下一步，将以上述研究结论为基础进行柴油-煤制油混合燃用的燃烧特性研究，探索柴油机燃用混合燃料的性能表现。

参考文献：

[1] 王宪成,李若亭,李奇,等.大功率车用柴油机燃用航空煤油的燃烧仿真研究[J].科学技术与工程,2016,16(22):207-212.

[2] 胡铁刚,刘圣华,梁小强.火花点燃式甲醇汽油发动机冷起动过程燃烧特性研究[J].内燃机学报,2007,25(3):235-240.

[3] ATKINSON C M,THOMPSON G J.In-cylinder combustion pressure characteristics of fischer-tropsch and conventional diesel fuels in a heavy duty CI engine[J].SAE technical paper 1999-01-1472,1999,doi:10.4271/1999-01-1472.

[4] YEHLIU,BOEHMAN A L,ARMAS O.Emissions from different alternative diesel fuels operating with single and split fuel injection[J].Fuel,2010,89(2):423-437.

[5] MCMILLIAN M H,GAUTANS M.Combustion and emission cha-racteristics of fischer-tropsch and standard diesel fuel in a single-cylinder Diesel Engine[J].SAEtechnicalpaper2001-01- 0357,2001,doi:10.4271/2001-01-0357.

[6] ARMAS O,YEHLIU K,BOEHMAN A L.Effect of alternative fuels on exhaust emissions during diesel engine operation with matched combustion phasing[J].Fuel,2010,89(2):438-456.

[7] MAY M P,VERTIN K.Development of truck engine technologies for use with fischer-tropsch fuels[J].SAE technical paper 2001-01-3520,2001,doi:10.4271/2001-01-3520.

[8] ALLEMAN T L,MCCORNMICK R L.Fischer-tropsch diesel fuels properties and exhaust emissions[J].SAE technical paper 2003-01-0763,2003,doi:10.4271/2003-01-0763.

[9] 黄勇成,王尚学,周龙保.F-T煤制油对直喷式柴油机燃烧和排放的影响[J].内燃机工程,2007,28(2):19-23.

[10] 刘立东,宋崇林,吕刚,等.F-T 柴油对电控高压共轨柴油机燃烧特性的影响[J].天津大学学报,2011,44(9):810-815.

[11] 王铁,史伟奇,王丁丁,等.增压中冷柴油机燃用F-T柴油的燃烧特性[J].车用发动机,2013,206(3):56-60.

[12] ANDREWS G E,ABDELHALIM D M,WILLIAMS P T.Characterization of diesel particulate emission of two IDI diesel engines using diesel and kerosene fuels[C]∥Proceedings of the 1996 SAE World Congress.Detroit,Michigan:Society of Automotive Engineers,1996:123-156.

[13] BERGSTRAND P.Effects on combustion by using kerosene or MK1 diesel[C]∥Proceedings of the 2007 SAE World Congress.Detroit,Michigan:Society of Automotive Engineers,2007:2-15.

[14] PISCHINGER S,RAJAMANI V K,JEIHOUNI Y.Impact of fuel properties on the performance of a direct injection diesel engine under part homogeneous operating comditions[C]∥Proceedings of the 2011 SAE World Congress.Detroit,Michigan:Society of Automotive Engineers,2011:358-369.