基于XUD-9台架的煤液化调和柴油清净性试验研究

2019-07-02高章赵凯高海洋

车用发动机 2019年3期

高章，赵凯，高海洋

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

能源是一个国家赖以生存和发展的动力，我国的能源结构是“富煤少油有气”，且长期以来处于相对贫油的状态。我国的供油大部分依赖于进口，近年来，随着国内汽车数量的激增，加之国际形势复杂多变以及国际油品主供地区局势不太稳定，这可能会造成我国油品的供应量出现不足，进而直接影响我国的经济发展和人民的正常生活，使我国的现代化进程受阻。另外，在环境污染严重的今天，世界的能源格局也正在转变，各国都在寻求能源转型之路，发展替代能源已成为大趋势。我国也在大力提倡发展各种新型能源，煤制油就是其中之一。煤制油作为一种新型能源，长期以来受到国内外研究机构的关注，是新型能源中的重要角色。但是由于技术水平的限制，煤制油一直未能得到大范围的推广和使用，而清净性是新型替代能源需要重点考核的指标之一。对煤制油清净性的研究能加快煤制油技术的发展，也能推动国内油品的升级换代，对于国家能源转型具有重要意义。本研究基于XUD-9台架，以国Ⅵ柴油作为参考评价指标来评价煤液化调和柴油的清净性。采用不同比例的煤液化调和柴油和国Ⅵ柴油在同样的试验工况条件下，加入不同含量不同组分的市场常用清净剂，最终通过测量喷嘴的空气流量损失率来判断喷嘴的结焦程度，进而来探究煤液化调和柴油的清净性。

1 概述

1.1 燃油清净性

燃油清净性是指燃油在使用过程中保持发动机供油系统和喷油器清洁的能力。清净性作为燃油的重要特性，对发动机性能有重要的影响。对于柴油机而言，如果燃油的清净性较差，将会有大量的沉积物在喷油器处聚积，形成胶状沉积物，进而影响发动机的性能，导致喷嘴的喷射模式和发动机的燃烧状态发生改变，最终造成燃油消耗率上升和尾气有害物排放增加等不良影响[1-2]。随着柴油发动机技术的发展，喷油器趋向于更小的喷油直径、更多的油孔数目和更高的喷油压力，这能够改善发动机的动力性和排放，但同时也会增加结焦形成的可能性，因此研究柴油清净性显得尤为重要。而添加清净剂是一个可行的解决方案，目前在DB 11/239-2016《车用柴油》北京地方标准中明确要求销售的车用柴油中应加入标称剂量以上的符合GB/T 32859要求的柴油清净剂[3]。各种研究机构也在对柴油的清净性进行跟踪研究，随着清净剂技术的不断发展，柴油清净性也在不断提高。煤液化调和柴油作为一种新型替代燃料，研究其清净性存在一定的必要性。

1.2 清净剂

柴油清净剂是燃油添加剂的一种，在燃油中添入清净剂有抑制积炭再生、清除喷嘴表面结焦等效果。刘浏等研究发现，加入有效的清净剂，对柴油机喷嘴有显著的清洁效果[4]。李泽振等发现，在柴油中添加清净剂可以清除发动机沉积物，降低功率损失[5]。不同的清净剂所含成分不同，清净效果也不同。根据清净剂的清净效果可大致分为两类：清洗型清净剂和保洁型清净剂。为了对比分析，采用了两种国内主流的清净剂，分别是保洁型清净剂和清洗型清净剂。

1.3 煤液化调和柴油

煤液化柴油根据液化技术不同可分为煤直接液化柴油和煤间接液化柴油。两者组成上的不同决定了各自的性质特点，就车用而言，煤直接液化柴油的凝点和冷滤点低，但十六烷值偏低；煤间接液化柴油的十六烷值高，但密度低，流动性偏差。两者的密度、十六烷值等性质参数存在很好的互补关系。根据《世界燃料规范》Ⅱ类标准中对柴油的要求，过高和过低的燃料特征值均不符合规范要求。白雪梅通过研究分析得出，煤直接液化油和间接液化油有很好的相容性，油品性质稳定，调和后油品的密度和黏度均符合国Ⅳ标准[6]。本次试验采用的煤液化调和柴油是将煤直接液化柴油和煤间接液化柴油按照一定的比例混合，再加入一定量的功能性添加剂配置而成的高性能煤基柴油。煤液化调和柴油的理化特性更加接近车用柴油指标要求，不需要对发动机进行任何改动即可直接在发动机上使用，满足了柴油机对燃油的使用要求。

2 试验内容

2.1 测试规范

为了更好地评价燃油清净性，探究积炭的形成机理，要求测试规范能够有条件快速地产生积炭并能积累积炭。目前关于燃油清净性的研究，一系列标准化的测试已逐渐成熟。欧洲主要使用CEC F98和CEC F23两种测试循环来评价燃油的清净性。CEC F98是ECE目前正在研究的直接喷射柴油机的积炭试验循环，这一套测试试验循环是在DW10BTED4台架试验的基础上开发而来，通过试验前后的功率损失情况来评价喷嘴的结焦程度。CEC F23主要是用于模拟发动机中低转速、中低负荷的试验，通过测量试验前后经过喷嘴的空气流量之差，用损失率来评价喷嘴的结焦程度，适用于间接喷射的发动机。由于F98的测试条件尚不成熟，目前国内主要是依据SH/T 0764—2005 《柴油机喷嘴结焦试验方法》来评价燃油的清净性，该测试方法基于CEC(欧洲协调委员会)F-23-01《柴油机喷嘴结焦试验方法》，根据我国燃油的实际特征形成[7]。

2.2 试验发动机及测试设备

按照法规试验方法，试验发动机采用PCM XUD-9、A/L、直列4缸、四冲程、1.9 L自然吸气、非直喷式柴油发动机，发动机的具体参数见表1。除此之外，试验采用的设备包括德国申克250 kW测功机、AVL油耗仪和喷嘴流量测试仪。

表1 XUD-9发动机参数

2.3 XUD-9试验循环

根据SH/T 0764—2005《柴油机喷嘴结焦试验方法(XUD-9法)》[7]的测试规范进行试验。将流量检查合格的清洁喷嘴装配在发动机上，在试验规范要求的试验工况下进行发动机循环，试验总共10 h，共循环134次，测量试验前后喷嘴的空气流量变化情况来判定喷嘴的结焦情况，从而评价柴油的清净性。

实际试验时要先在检查合格的发动机上进行预热程序，检验发动机的状态并判断是否能进行正式试验。试验阶段及工况见表2，试验控制参数见表3。

表2 试验循环工况

表3 试验控制参数

2.4 试验用油

试验用油为国Ⅵ柴油和煤液化调和柴油。国Ⅵ柴油取自市场上常见的国Ⅵ柴油，经化验柴油指标满足国标《车用柴油(Ⅵ)》的要求。煤液化调和柴油由煤直接液化柴油和煤间接液化柴油按照一定比例调和而成。向两种空白油品中加入不同比例的清净剂形成不同指标的油品，油品试验方案如表4所示，a，b，c分别代表不同的清净剂剂量，且a

表4 油品试验方案

2.5 评价方法

将流量检查合格的清洁喷嘴装配在发动机上，按照《柴油机喷嘴结焦试验方法》的要求，发动机连续运转10 h，通过测量试验前后喷嘴的空气流量变化来评价燃油的清净性。试验结果由所有喷嘴在 0.1 mm，0.2 mm和 0.3 mm针阀升程时试验前后空气流量损失率表示，评判燃油的标准只取决于4只喷嘴在 0.1 mm 针阀升程时空气流量损失率的平均值。试验评价空气流量损失率如式(1)所示。

(1)

3 试验结果分析

3.1 不同种类空白油品的对比

喷嘴的空气流量变化主要取决于喷孔的有效直径。试验过程中会产生大量的沉积物，在喷孔处有一定量的积累，这减小了喷孔的有效直径，从而直接导致喷嘴的空气流量下降。使用空白国Ⅵ柴油和空白煤液化调和柴油分别进行XUD-9台架试验，结果如图1a所示，使用两种油品试验后喷嘴及针阀外观如图1b所示。试验表明：使用国Ⅵ柴油试验的喷嘴，0.1 mm针阀升程处的空气流量损失率为85.93%，使用煤液化调和柴油试验的空气流量损失率为72.36%，使用空白混合油的空气流量损失率为77.20%。相比国Ⅵ柴油而言，煤液化调和柴油的清净性较好，混合柴油的损失率接近国Ⅵ柴油损失率和煤液化调和柴油损失率的平均值，符合理论预期。总污染物含量、多环芳烃和硫含量是影响喷嘴结焦的因素，国Ⅵ油品的多环芳烃、总污染物含量(机械杂质)和硫含量明显高于煤液化调和柴油，因此空白煤液化调和柴油的喷嘴结焦程度低于空白国Ⅵ柴油。

图1 不同种类的空白油品对比

3.2 加入等量不同种类清净剂的对比

在煤液化调和柴油和国Ⅵ柴油中分别加入相同剂量的保洁型清净剂和清洗型清净剂，共组成4种油样，分别用每种油样进行试验，其试验结果如图2所示。

图2 使用等量不同种类清净剂的结果对比

试验表明，整体上而言，在同样的试验条件下，加入保洁型清净剂和清洗型清净剂后，煤液化调和柴油的喷嘴空气流量损失率均小于国Ⅵ柴油，因而可知煤液化调和柴油无论在加剂或不加剂的情况下，喷嘴处的结焦程度均优于国Ⅵ柴油，可以反映出煤液化调和柴油的清净性较好。对于同种油样，国Ⅵ柴油在加入一定量的保洁型清净剂后流量损失率下降了21.7%，加入相同剂量的清洗型清净剂后流量损失率下降了77.6%，而煤液化调和柴油加入相同剂量的保洁型清净剂后流量损失率下降了70.4%，加入相同剂量的清洗型清净剂后流量损失率下降了83.1%，可以看出清洗型清净剂对喷嘴处积炭的改善效果更好，同时反映出煤液化调和柴油对清净剂的敏感度更好。