F_T柴油发动机燃烧排放特性研究

燃料
压力/MPa MPa/°CA 峰值/J·°CA-1
°CA
°CA
温度/℃ 度相位/°CA
m-1
10-6 10-6 10-6
0#
5.6
0.3
58.1
-4.9
48.2
1026
14.5
7.9
526 199 180
F-T
5.1
0.2
36.7
-3.1
29.4
1298
21.2
5.5
347 97 240
从表 2 可以看出：燃用 F-T 柴油后发动机最
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。
火性能好，燃烧过程优于柴油，出现低温和蓝焰反
100
应的低温区较少，所以 CO 排放下降。 F-T 柴油的
18 °CA BTDC 20 °CA BTDC 22 °CA BTDC
瞬 时 放 热 率 /J·°CA-1
THC 排放较 0# 柴油高出 30%以上， 这可能是因
50
为 F-T 柴油密度小 ，同 一 工 况 下 ，喷 入 缸 内 的 油
收稿日期： 2015-08-08。 作者简介： 葛振宇（1974-），男，工程师，研究方向为煤基合成油发动机的燃烧与排放。 E-mail：potassium@
·1887·
可再生能源
2015，33（12）
不同供 油 提 前 角 和 压 缩 比 对 发 动 机 燃 用 F-T 柴 2.1 F-T 柴油和 0# 柴油对比
图 3 所示为压缩比为 15.93 时供油提前角对
8
滞燃期和持续期的影响。
滞 燃 期 和 持 续 期 /°CA
缸 内 压 力 /MPa
6
4
2 18 °CA BTDC
60 50 40
滞燃期 持续期
30
0
20 °CA BTDC
20
22 °CA BTDC
-2
-40
-20
0
20
40
曲 轴 转 角 /°CA
图 1 供油提前角对缸内压力的影响 Fig.1 Effects of the advanced angle of fuel supply on the
油时的燃烧和排放特性的影响。
发动机燃用 0# 柴油和 F-T 柴油时的燃烧排
2 结果与分析
放特性参数见表 2。
表 2 原机的燃烧、排放参数 Table 2 The combustion and emission parameters of the original diesel engine
最大爆发 最大压升率 瞬时放热率 燃烧始点 燃烧持续期 最高燃烧 最高燃烧温 消光系数 NOx CO THC
·1888·
葛振宇，等 F-T 柴油发动机燃烧排放特性研究
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 °CA BTDC 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 °CA 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 °CA 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
量较大， 缸内混合气的壁面淬熄效应和缝隙效应
0
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
-50
-40
-20
0
20
40
曲 轴 转 角 /°CA
图 4 压缩比对缸内压力的影响
Fig.4 Effects of the compression ratio on the cylinder
pressure
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。
150
缸径×行程 连杆 汽缸套型式 燃烧室型式 排量 压缩比 标定功率
mm×mm mm
L
kW
最大扭矩 供油提前角 启喷压力 高压油泵柱塞直径
N·m
°CA
MPa
mm
115×120 185
湿式
直喷型 1.25 16.9 16（2 200 r/min） 78.8（1 600 r/min） 20
20
9.5
试验所用仪器有：ET2000 型柴油机测试系统 SESAM I60 FT 型傅氏转换红外线光谱分析仪（奥
cylinder pressure
10
18
19
20
21
提前角对滞燃期和持续期的影响 Fig.3 Effects of the advanced angle of fuel supply on the
ignition delay and combustion duration
1 试验设备及方法 1.1 试验设备
目前， 国外已有很多国家商业化运行煤间接
本试验所用发动机为 CY25TQ 型单缸、水冷、
合成技术[5]，其中包括南 非 的 SASOL 公 司 的 F-T 卧式柴油机，发动机具体参数见表 1。
表 1 柴油机性能参数 Table 1 Performance parameters of diesel engine
图 2 所示为压缩比为 15.93 时供油提前角对
大爆发压力和最大压升率均降低， 发动机工作柔 发动机瞬时放热率的影响。由图 2 可知，供油提前
和；虽然缸内最高燃烧温度较高，但是燃烧持续期 角为 20 °CA BTDC 时， 瞬时放热率峰值最大，提
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%；由 F-T 柴油理化特性[6]~[8]
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
可知，F-T 柴油具有较高的 H/C 比，硫和芳香烃的 的多少， 可以认为滞燃期的长短决定了预混合气
含量较低，馏程温度也较低，燃油中难以燃烧的重 的量。
馏分较少，这都有利于 PM 的降低。 CO 的产生来
150
自于燃油的不完全燃烧，F-T 柴油十六烷值高，着
随着日益严格的汽车污染物排放法规的颁布 间馏分油合成技术）技术等。我国中科院山西煤炭
和 国 际 社 会 对 全 球 变 暖 问 题 及 CO2 减 排 问 题 的 日益重视， 减少 PM，NOx 排放和节能将逐渐成为 汽车工业面临的重要挑战。 结合我国富煤、贫气、
化学研究所深入开展了铁基、 钴基两大类催化剂 费-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
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。
22.0 21.5 21.0
4.0 5.0
消 光 系 数/m-1 6.0 7.0
20.5
8.0
20.0 9.0
19.5
供油提前角/°CA BTDC
19.0
18.5
18.0
15.4
15.7
16.0
16.3
16.6
16.9
压缩比
图 7 压缩比和供油提前角对碳烟排放的影响 Fig.7 Effects of the compression ratio and the advanced
-40
-20
0
20
40
曲 轴 转 角 /°CA
图 2 供油提前角对瞬时放热率的影响
Fig.2 Effects of the advanced angle of fuel supply on the rate
of instantaneous heat release
化规律与缸内燃烧反应初期放热速率密切相关。
15.4
15.93 100
16.9
50
瞬 时 放 热 率 /J·°CA-1
0
-50
-40
-20
0
20
40
曲 轴 转 角 /°CA
图 5 压缩比对瞬时放热率的影响
Fig.5 Effects of the compression ratio on the rate of
instantaneous heat release
试验中固定发动机转速为 1 200 r/min， 平均
大器（瑞士 Kistler 仪器公司），2613B 型角标仪（德 有效压力为 0.3 MPa， 对比分析发动机燃用 F-T
维 创 公 司 ），DEWE-800-CA-SE 型 燃 烧 分 析 仪 ， 柴油和 0# 柴油时的燃烧排放特性，然后定量地研
由图 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 °CA BTDC 时 压缩比对滞燃期、持续期的影响。
表明，F-T 柴油具有十六烷值高、H/C 比高、 低硫 础上，将 F-T 柴油 应 用 在 单 缸 柴 油 机 上 ，定 量 地