基于高原环境的柴油机煤制油应用特性分析

刘卫林，白晓鑫，李 旭，李长豫，吴春玲,2，赵 亮

基于高原环境的柴油机煤制油应用特性分析

刘卫林1，白晓鑫1，李 旭1，李长豫1，吴春玲1,2，赵 亮1

（1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津大学 机械工程学院，天津 300072）

在不同海拔下，煤制柴油应用于国Ⅵ柴油机的性能表现研究较少，因此，有必要对其进行分析研究。在满足国Ⅵ排放的柴油机上，基于发动机台架海拔模拟系统，分别测试了国Ⅵ基准柴油（G6）、直接和间接煤制油调和油样（D1）以及煤直接液化油（D2）三种油样在0 m、1 700 m和3 000 m海拔下的动力性、燃油经济性和排放性能。结果表明，动力性方面，三种油样随海拔的升高外特性扭矩下降，D1和D2相对于G6平均降低0.79%和0.95%，然而加入氧含量改进剂的D1油样在3 000 m海拔和G6油样动力性持平；燃油经济性方面，0 m海拔下，D1油样平均有效燃油消耗率相对G6油样降低1.22%，D2油样和G6油样相当；排放性能方面，油样D1和D2相对于G6油样在0 m海拔下的NOx排放增加3.42%、4.6%。随着海拔的增加，NOx排放有不同程度的增加。对于颗粒物（PM）和颗粒物数量（PN）排放则呈相反趋势，D1和D2油样在HC/CO排放方面都要高于G6，此外不同海拔下三种油样均未出现氨泄漏。

柴油机；高原环境；煤制油；应用特性；动力性；燃油经济性能；排放性能

中国的高原地区面积广阔，其中海拔超过 1 000 m和2 000 m的高原区域分别占据陆地总面积的58%和33%[1]。中国柴油机国ⅥB阶段要求海拔在2 400 m以下均要满足排放要求[2]，由于高原地区大气压力低，含氧量少的特点，柴油机进气不足、喷油量减少、燃烧恶化，动力性、经济性和排放性能下降，同时热负荷增加，进而导致高原地区柴油机的适应性下降[1]。为解决柴油机高原运行问题，国内外学者从燃料角度进行了大量研究：江鹏等[3]研究了乙醇和柴油混合燃料在高原环境下不同含氧量对柴油机经济性、缸内燃烧特性及排放性能的影响；李晓然等[4]考察平原和海拔 3 000 m地区不同掺混比例的生物含氧燃料对发动机性能的影响；王旭东等[5]在一台6缸增压中冷柴油机上进行了4 500 m 海拔条件下的高原模拟环境试验，比较和分析了该型柴油机燃用军用柴油和掺混不同比例聚甲氧基二烷基醚型含氧燃料时的燃烧特性。结果表明，在柴油机高速小负荷工况下，动力性与经济性显著提高，此柴油是一种适用于高原环境下的聚醚型含氧型燃料，此外文献[6-9]研究了正丁醇、生物柴油、戊醇等和柴油的混合燃料在发动机上的应用。

随着煤化工产业的发展，国内外专家学者对煤制柴油在内燃机上的应用进行了广泛研究。其中一些研究表明，柴油机燃用煤制柴油或混合燃料可以改善发动机的排放性能，例如降低NOx、HC、CO和颗粒物（Particulate Matter, PM）等污染物的排放量[10-12]。此外王杰等[13]研究了煤直接液化和间接液化油以及与柴油的混合燃料在国Ⅵ柴油机的排放特性。国Ⅵ柴油机煤制柴油在不同海拔下的性能表现鲜有研究，因此，有必要分析研究，其结果将有利于煤制柴油的市场发展。

本研究基于一台符合国Ⅵ排放标准的柴油机，后处理系统匹配DOC+DPF+SCR+ASC，其中柴油氧化性催化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）、柴油机颗粒过滤器（Diesel Particulate Filter, DPF）、选择性催化还原（Selective Catalytic Reduc- tion, SCR）、氨净化催化器（Ammonia Slip Catalyst, ASC）。通过发动机台架进排气模拟系统，研究了符合国Ⅵ标准的基准柴油燃料与两种煤制柴油燃料在不同海拔下的动力性、燃油经济性和排放性能方面的差异和特征。通过提供理论和数据支持，旨在探讨煤制柴油在高原地区应用于柴油机的适应性。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

试验发动机选用型号为4HK-TCG62的重型柴油机，匹配DOC+DPF+SCR后处理系统，满足国Ⅵ排放标准，具体参数如表1所示。

试验所用设备主要有AVL-PUMA全自动试验台架（见图1）、AVL AMAi60多组分气体分析仪、AVL 472部分流稀释颗粒采样系统，发动机高原环境进排气模拟系统采用德国ETS，可模拟海拔范围为0～5 500 m，对应压力范围为101.2～50.5 kPa。

表1 试验发动机参数

参数参数值 发动机型号4HK1-TCG62 发动机型式直列4缸 排量/L5.193 容积压缩比(17.5±0.6):1 怠速转速/(r.min-1)575 最大扭矩/转速/(Nm)/(r.min-1)510/1 800 最大转速/(r.min-1)2 900 额定功率/额定转速/kW/(r.min-1)165/2 400 进气方式增压中冷 供油方式高压共轨 后处理形式DOC+DPF+SCR+ASC 发火顺序1－3－4－2 燃油器喷射压力/MPa180

注：发火顺序中的1－4分别代表发动机的气缸编号。

图1 发动机试验台架

1.2 试验油样

本次研究的油样包含三种，其中基准柴油为满足国Ⅵ标准的市售柴油（G6）、煤直接液化油和煤间接液化油按照比例调和而成的油样（D1），以及由氧含量改进剂调和，煤直接液化油添加十六烷值添加剂调和而成的油样（D2）。油品的主要理化参数如表2所示。

表2 油品主要理化参数

参数名称 参数值 油样编号G6D1D2 碳/%86.085.685.8 氢/%14.013.213.8 氧/%01.20.4 密度(20 ℃)/(kg.m-3)842835859 净热/(MJ.kg-1)43.3143.1142.81 硫含量/(mg.kg-1)5.600.862.13 粘度(20 ℃)/(mm2.s-1)4.252.953.75 十六烷值56.754.951.8 润滑性、磨痕直径(60 ℃)/μm264305383 多环芳烃/%1.71.00.8 初馏点175.6174.0176.0 T95335288293

1.3 试验方法

通过进排气模拟系统模拟海拔0 m（100 kPa）、1 700 m（90 kPa）、3 000 m（80 kPa）的大气压力，分别测试柴油机在燃用G6、D1和D2时的外特性，比较三种油样的动力性，通过1 400 r/min 的负荷特性对比三种油样的燃油经济性，同时运用冷热态世界统一瞬态测试循环（World Harmonized Transient Cycle, WHTC）对比三种油样的排放性能，具体试验流程如图2所示。

图2 试验流程图

2 试验结果及分析

2.1 动力性对比

由三种油品在0 m海拔下的外特性对比可知，在低速1 000～1 600 r/min时，动力性基本没有差异；在1 600～2 600 r/min时，D1和D2油样的外特性扭矩整体低于G6，就整体平均功率而言，D1和D2相比G6降低0.79%和0.95%，如图3所示。图4为1 700 m海拔下的外特性对比，三种油样在动力性方面趋势和0 m海拔相当，D1和D2相比G6降低0.71%和1.07%；在海拔3 000 m时，D1油样和D2相比G6降低0.3%和1.56%，D1油样在3 000 m海拔的动力性表现和G6差异变小（见图5），由3种油品的净热值可知，G6＞D1＞D2。因此，进气氧含量充足的低海拔地区，燃料能基本充分燃烧，热值更高的基准柴油在动力性方面更占优势。高于3 000 m海拔时，D1油样的外特性表现和G6基准柴油差距微小。这是由于在高海拔地区，D1油样中较多的氧含量为燃烧提供了有利的条件。

图3 0 m外特性对比

图4 1 700 m外特性对比

图5 3 000 m外特性对比

海拔对外特性扭矩影响在三种油样表现趋势方面一致，随着海拔升高，柴油机在不同转速下外特性扭矩均逐渐降低，即海拔越高，扭矩降低的趋势越大。在1 700 m海拔下，各外特性下扭矩相比0 m降低不超过1%，而在3 000 m海拔下，整体外特性下平均扭矩相比0 m降低5.83%，同时在低转速全负荷时，扭矩下降程度要高于高转速区域。以G6油样为例，在1 000 r/min全负荷工况点，海拔1 700 m和3 000 m相对0 m海拔分别降低5.1%和14.1%。因为在低转速时，排气气量较少，增压器未完全介入，做功能力较弱，所以增压器对进气量的补偿作用较小，导致外特性功率扭矩明显下降。而在高转速工况下，通过提高增压器转速以增加进气量，使得高转速高负荷区域动力衰减低于低负荷区域。

2.2 经济性能对比

图6为三种油样在平原地区1 400 r/min转速时，不同平均有效压力工况下有效燃油消耗率的对比数据，可以看出随着平均有效压力的增加，燃油消耗率呈现降低趋势，且三种油样趋势一致。其中D1油样在不同负荷下均低于D2和G6，D1相比G6平均降低1.22%，D2和G6基本相近。1）由于D1油样十六烷值较低，滞燃期较长有利于油气的混合；2）馏程较低，利于燃油蒸发；3）D油样粘度最低，更利于燃油的雾化，进而燃烧充分。综合以上三种因素，D1油样的有效燃油消耗率表现最低。

图6 0 m负荷特性下有效燃油消耗率对比

图7 1 700 m负荷特性下有效燃油消耗率对比

图7和图8分别为三种油样在1 700 m和3 000 m海拔下的有效燃油消耗率对比，可以看出三种油样随负荷的增加，有效燃油效率降低，趋势一致。在1 700 m海拔时，燃用基准柴油G6和煤制油D2油样的燃油消耗率表现相近，而D1在不同负荷下全部低于D6，有效燃油消耗率平均降低1.32%。在3 000 m海拔时，同样燃用D1油样的有效燃油消耗率在三种油样中最低，而燃用基准柴油的有效燃油消耗率和D1的差距缩小，D1比G6平均降低下降1.03%，而燃用D2油样的平均有效燃油消耗率相比G6增加2.45%。

在不同海拔下，有效燃油消耗率随海拔的增加而增大，三种油样规律表现一致，在海拔3 000 m时，G6、D1、D2相对于海拔0 m时的有效燃油消耗率分别升高了7.82%、8.01%和10.5%。这主要由于空气稀薄会导致燃烧不完全，燃料无法充分燃烧，同时海拔增加会导致发动机进气量减少，缸内氧气供应不足，进而降低了发动机的功率输出。为了维持相同的车速和动力需求，需要更多的燃料供应，从而增加了油耗。

图8 3 000 m负荷特性下有效燃油消耗率对比

2.3 排放性能对比

2.3.1NOx排放

图9为三种油样在不同海拔下NOx排放对比，三种油样基于冷热态WHTC循环下的NOx排放值均低于国Ⅵ标准要求限值（460 mg/kWh）。燃用煤制油的D1和D2均高于基准柴油，由于基准柴油G6的十六烷值最高，而混合后的煤制油D1和直接液化D2十六烷值均会降低，故排放值分别升高3.42%、4.6%。较低的燃料十六烷值会增加预混燃烧的燃料量，减少扩散燃烧的比例，从而缩短达到最高燃烧压力和传热时间。这进一步提高了气缸的燃烧温度，导致混合后的燃料产生更多的NOx排放。研究表明，《世界燃油规范》认为增加燃料的十六烷值可以显著降低NOx排放，但其数据表明当十六烷值从50增加至58时，NOx排放量降低小于10%，影响较小[12-14]。由于试验结果为发动机尾排NOx，同时受SCR系统的影响，故并未有特定的影响规律。

随着海拔升高，三种油样的WHTC循环NOx结果表现不一致，在海拔1 700 m和3 000 m时，基准柴油G6和混合煤制油D2排放均高于0 m海拔，分别升高15.3%、14.1%和29.1%、19.5%，而D2随着海拔的增加NOx排放呈下降趋势，但变化范围小于4%，趋势不明显。三种油样在不同海拔下的NOx排放均小于国Ⅵ标准限值，有一定的排放裕度，同时因为此柴油机匹配的SCR系统，原排中的NOx大部分被催化还原，所以尾排NOx还受后处理温度、尿素喷射策略和SCR转化效率等影响。

图9 WHTC循环下NOx排放对比

图10为三种油样在不同海拔下NH3排放的对比，其中国Ⅵ标准限值为1×10-6，可以看出三种油样在WHTC循环下的平均值全部小于1×10-6，几乎没有氨泄漏，远低于国Ⅵ标准限值，同时不同海拔对NH3排放没有明显影响。

图10 WHTC循环下NH3排放对比

2.3.2颗粒物排放

图11、图12为三种油样在不同海拔下PM和颗粒数（Particle Number, PN）排放的对比。在0 m海拔下，燃用油样D1和D2的PM排放相比G6油样降低20.4%和11.5%，PN排放相比G6油样降低3.1%和16.4%。可见两种煤制油的相对基准油样在颗粒方面有不同程度的降低。首先混合煤制油D1油样十六烷值较低，滞燃期较长有利于油气的混合，从而降低PM/PN排放；其次二者的芳香烃含量较低，作为碳烟生成的前驱物，其含量越低越有利于抑制碳烟排放[15-16]；最后两种煤制油的馏程温度低于基准柴油G6，利于燃油蒸发，从而有利于降低PM/PN的排放。综合以上影响分析，两种煤制油的PM/PN排放低于基准柴油。由于D2油样的十六烷值相对降低，故D2油样要优于D1。

图12 WHTC循环下PN排放对比

随着海拔升高，三种油样的WHTC循环PM/PN排放表现趋势一致，即随海拔增加PM/PN的排放降低。就PM而言，相比平原地区，在海拔1 700 m时，基准柴油G6和两种煤制油D1和D2分别降低10%、2.6%和12.2%；在海拔3 000 m时，分别降低33.1%、24.4%和28.3%。就PN排放而言，相比平原地区，在海拔1 700 m时，基准柴油G6和两种煤制油D1和D2分别降低4.3%、15.5%和9.6%；在海拔3 000 m时，分别降低17.1%、16.4%和28.8%。这是由于海拔升高，进气量减少，导致发动机排气中的颗粒物浓度增加。同时，颗粒物会在排气系统中沉积，使得颗粒物在DPF壁面形成更厚的碳饼层，从而增强了DPF的过滤效果。此外，海拔升高还会导致发动机排气背压增加，排气流量降低，这有利于DPF的颗粒物捕集，从而提高了捕集效率。三种油样在不同海拔下的PM/PN排放均小于国Ⅵ标准限值，且有一定的排放裕度。

2.3.3CO和THC排放

图13、图14分别为三种油样在不同海拔下HC和CO排放的对比，对于HC排放而言，燃用D1和D2的煤制油都要高于基准柴油G6，分别增加39.06%和142.19%。这是因为与基准柴油相比，煤制油具有较低的馏程温度，有利于燃油的蒸发，进而有利于形成较稀的燃料-空气混合物，从而导致HC排放增加。对于直接液化煤制油D2而言，其十六烷值较低导致滞燃期较长，使得燃油与空气更充分地混合，进一步增加了过稀混合气区的形成，从而使D2的HC排放量大幅增加。由图14可以看出，CO和HC排放规律大致相近，两种煤制油的CO排放均高于基准柴油。由于煤制油具有较低的馏程温度，使得燃油更容易蒸发，导致更多的混合气体进入低温近壁面区域。然而，在这个区域的CO进一步氧化受到了阻碍，因此，CO排放相对较高。

图13 WHTC循环下HC排放对比

图14 WHTC循环下CO排放对比

相比平原地区，在海拔1 700 m时，燃用基准柴油G6和两种煤制油D1和D2分别增加40.6%、11.5%和9.7%，而在海拔3 000 m时，分别增加75%、46.1%和44.5%，可以看出随海拔的增加HC排放增大并且海拔越高，增大趋势越明显，CO排放和HC具有相同规律。

3 结论

在动力性方面，三种油样在0 m海拔下，D1和D2相比G6降低0.79%和0.95%，1 700 m海拔下动力性相当，而在3 000 m海拔时，D1油样的动力性和G6相当，可适当增加油品中的氧含量以提高3 000 m海拔以上发动机的动力性。燃油经济性方面，D1表现最好，在0 m海拔下，相对于G6平均降低1.22%，而加入十六烷值改进剂的煤直接液化油D2和G6相当。随海拔的增加，三种油样的有效燃油消耗率均有不同程度的增加，D2油样增加最高为10.5%。排放性能方面，在0 m海拔下，燃用煤制油的D1和D2相对于均高于G6柴油升高3.42%、4.6%，随着海拔的增加，NOx排放有不同程度的增加，且未出现氨泄漏，而PM/PN排放则呈现相反的趋势。燃用D1和D2的煤制油在CO和HC排放方面均高于G6，随海拔增加HC和CO排放逐渐增大，且海拔越高，增大趋势越明显。

综合三种油样的动力性能、燃油经济性能及排放性能，直接和间接煤制油调和油样D1和国Ⅵ基准柴油G6相当，且在不同海拔的WHTC循环下PM和PN排放有一定优势。

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Characteristic Analysis of Coal-to-liquid Application in Diesel Engines Based on Plateau Environment

LIU Weilin1, BAI Xiaoxin1, LI Xu1, LI Changyu1, WU Chunling1,2, ZHAO Liang1

( 1.CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Company Limited, Tianjin 300300, China; 2.School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China )

At different altitudes, there are few studies on the performance of coal-to-liquid application to GB Ⅵdiesel engines, so it is necessary to analyze and study it. On a diesel engine compliant with GB Ⅵ emissions, tests are conducted using an engine dynamometer with an altitude simulation system to evaluate the power performance, fuel economy and emission performance of three fuel samples, including GB Ⅵ standard diesel (G6), a blend of direct and indirect coal-to- liquid harmoniousfuels (D1), and direct coal liquefaction fuel (D2) at altitudes of 0 m, 1 700 m and 3 000 m. The results show that in terms of power performance, with increasing altitude, all three fuel samples exhibite a decrease in maximum torque under transient conditions, and D1 and D2 show an average reduction of 0.79% and 0.95%, respectively compares to G6. However, D1 fuel with an oxygen enhancers maintain similar power performance to G6 at 3 000 m altitude; In terms of fuel economy, at 0 m altitude, D1 fuel exhibite an average reduction of 1.22% in effective fuel consumption rate compares to G6, while D2 fuel is comparable to G6; In terms of emission performance, D1 and D2 fuels show an increase in NOx emissions of 3.42% and 4.6%, respectively, compares to G6 at 0 m altitude. As the altitude increased, NOx emissions exhibite varying degrees of increase. To the particulate matter (PM) & particulate number (PN) emissions show an opposite trend, and both D1 and D2 fuels exhibite higher emissions of HC/CO compare to G6. Furthermore, all three fuel samples exhibite no ammonia leakage at different altitudes.

Diesel engines;Plateau environment;Coal-to-liquid;Application characteristic;Power performance;Fuel economy performance;Emission performance

U464.9

A

1671-7988(2023)17-112-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.020

刘卫林（1990－），男，工程师，研究方向为发动机及后处理排放控制，E-mail:liuweilin@catarc.ac.cn。