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煤制油的理化性質
實驗所用的對比柴油為某石油化工股份有限公司提供的相當于歐四標準的車用柴油，記為DF。表1給出了兩種煤制柴油及對比柴油的主要理化性質。從表1可以看出，兩種煤制油的密度和DF相差不大，DDCL比DF高5.27%，而F-T比DF低7.36%；兩種煤制油的熱值和DF非常接近，DDCL熱值比DF僅低0.79%，而F-T比DF高1.89%；在十六烷值方面三者的差異較大，DDCL最小，比DF低12.72%，F-T最大，比DF高40.5%；燃油的芳烴含量一定程度上影響了燃油的品質，兩種燃油均主要由飽和烴構成，芳烴的含量極少，差別在于DDCL含有大量的環烷烴，而F-T含有較多的鏈烷烴。另外，兩種煤制油的餾程溫度和粘度相對于DF較低，幾乎不含硫。
實驗設備與方法
1.噴霧實驗系統簡介
圖1是噴霧實驗所用的平面激光誘導熒光實驗系統布局圖。該系統包括：光路系統、預燃燒定容彈系統、控制系統、溫度與壓力采集系統、單次高壓燃油噴射系統。實驗時，根據實驗所需環境空氣密度按照調試好的比例向定容燃燒彈內依次充入惰性氣體SF6、H2和O2，然后使用火花塞點燃H2和O2獲得高溫高壓環境，之后增壓燃油系統開始工作，使得高壓油管內到達噴射所需噴射壓力，當溫度下降到實驗設定值時開始噴油，根據拍攝設定的ASOI時刻準分子激光器產生的激光束依次經過反光鏡、擴束鏡、準直鏡和壓縮鏡，最后形成約80×1.0mm2的激光薄片，穿過定容燃燒彈側面的石英窗口沿著與噴霧軸線平行方向照射到噴霧上。燃油中的熒光物質發出的熒光透過另一個石英窗口，被高速攝像機ICCD接收，完成圖像采集。通過協同控制點火、噴油、激光、ICCD等信號，保證了實驗在表2條件下進行。
2.發動機臺架簡介
燃燒及排放特性實驗是在一臺重型6缸高壓共軌柴油機改裝而成的單缸機上進行的，整個發動機實驗系統結構見圖2。實驗進氣系統由空氣壓縮機模擬進氣增壓，進氣壓力調節閥調節進氣壓力，空氣質量流量傳感器測試進氣流量。排氣系統使用HoribaMEXA-7100E廢氣分析儀測量排氣成分中的常規排放物，用AVL的415煙度計測量排氣中的碳煙排放物,采用KISTLER缸壓傳感器和KISTLER電荷放大器測量缸內壓力。噴油器為標準的重型柴油發動機用噴油器，8個噴孔，噴射錐角為143°，發動機的主要結構參數見表3。實驗數據處理過程中對缸壓及放熱率進行了多次濾波，在能真實反應缸內的燃燒狀況的同時，消除了雜波等不確定因素的影響。為保證對比的有效性，在換用兩種煤制油時，不對發動機的參數做任何調整。
結果與討論
1.兩種煤制油噴霧特性
1）PLIEF圖像處理原則及噴霧參數定義：圖3是噴霧前鋒貫穿距離和噴霧錐角的定義：噴霧前鋒貫穿距離：從噴嘴出口處到噴霧前鋒的軸向距離，圖中S所示。噴霧錐角：由噴孔引出的兩條噴霧包絡線之間的夾角，圖中θ所示。由于燃油中含有熒光物質的不確定性，實驗中利用PLIEF捕獲的噴霧不能區分氣相和液相，在950K的蒸發環境，捕獲的燃油噴霧外緣偏向氣相多一些。實驗所得噴霧圖像減去背景噪聲后使用Matlab程序處理，最后將圖像用偽彩色顯示。
2）兩種煤制油與DF的噴霧特性對：比圖4是環境空氣密度為60kg/m3時三種燃油在0.1ms-1.0ms時刻的噴霧瞬態發展圖像，從圖中能夠定性的看出噴霧的濃度場分布情況，噴霧中間區域的濃度要比周圍的濃度高，這說明噴霧的外圍區域蒸發霧化和卷吸空氣的速率比中間區域要快，并且隨著噴霧的持續，中間區域的高濃度范圍在擴大。圖5為三種燃油的噴霧前鋒貫穿距離及錐角在0.1ms-1.0ms時刻的變化情況，其中DDCL噴霧前鋒貫穿距離大于DF（平均長4.43%），而F-T與DF相差不大。主要原因是餾程溫度方面DDCL小于DF，揮發性好，在蒸發環境下，燃油的揮發性越高，噴霧蒸發越充分，在動能和濃度差的雙重作用下，噴霧向前貫穿愈明顯，同時Bolt等人的研究也表明蒸發性好使液滴表面蒸發產生的氣體環流減小了液滴運動阻力，導致速度衰減較慢，噴霧擁有更高的貫穿速率向前貫穿，使噴霧前鋒貫穿距離延長。由于燃油的粘度影響著噴霧破碎過程，進而影響噴霧霧化，燃油粘度越高（DF>DDCL），造成噴孔出口噴霧的初速度比較小，噴霧的初次破碎和二次破碎過程越困難，導致蒸發環境下噴霧蒸發霧化受限，使噴霧前鋒貫穿距離變短。F-T雖然也具有較低的餾程溫度及粘度，但由于密度（DF>F-T）和DF相差較大，理論上會使液相貫穿距離變短，因此F-T和DF在蒸發環境下的噴霧前鋒貫穿距離差別不大。在噴霧錐角方面，三種燃油均呈現先減小后穩定再增大的趨勢，DDCL和F-T的噴霧錐角要略大于DF，這可能是兩種煤制油較低的粘度和較快的蒸發速度使油束更容易破碎且更容易卷吸環境氣體而擴大形體范圍，使噴霧錐角變大。但值得注意是兩種煤制油的噴霧前鋒貫穿距離和錐角與DF雖有所差別，但差異較小。
3）噴油壓力對兩種煤制油的噴霧特性的影響：從圖6-7中可以看出，隨著噴射壓力的提高，噴霧前鋒貫穿距離和錐角隨之增大，噴油壓力從140MPa增長到220MPa，噴霧前鋒貫穿距離和錐角分別增加13%和7.5%左右。這主要是由于噴射壓力的提高使噴霧獲得了更高的動能，噴霧具有更大的能量向前貫穿。另外，在140MPa、180MPa和220MPa三種不同的噴射壓力下，DDCL的噴霧前鋒貫穿距離均大于DF，F-T與DF差別不大，兩種煤制油的噴霧錐角均大于DF。
2.兩種煤制油與DF的燃燒特性對比
直噴式柴油機的燃燒過程可分為滯燃期、預混燃燒期、擴散燃燒期和后燃期，其中預混燃燒期和擴散燃燒期所占比例及燃燒持續期的長短對柴油機的性能有重要影響。兩種煤制油和DF由于十六烷值等理化性質的差異導致其滯燃期長短有所不同，進而燃燒特性也有一定的區別。從圖8可以看出，低負荷時三種燃油的預混燃燒和擴散燃燒的放熱峰值有所不同，DDCL在預混燃燒階段的放熱峰值最高，比DF高出29.93%，F-T則相對較低，比DF低23.57%。而擴散燃燒階段三種燃油的放熱峰值與之相反，DDCL比DF低4.89%，F-T比DF高11.19%。這是因為三種燃油的十六烷值不同，F-T的十六烷值較高(比DF高40.5%），其滯燃期比其他兩種燃油要短，放熱時刻早，因而預混燃燒階段參與燃燒的油量較少，預混放熱峰值要比其他兩種燃油低,在擴散燃燒階段，因參與的燃油較多，且F-T的餾程溫度較低，燃油中所含的重餾成分較少，蒸發、擴散速度較快，因而擴散燃燒階段放熱峰值較高。DDCL的十六烷值最低，比DF低12.72%，因而滯燃期較長，放熱始點靠后，較長的滯燃期使參與預混燃燒的油量較多，擴散燃燒階段油量較少，故預混燃燒階段放熱峰值較高，擴散放熱峰值較低。從圖9可以看出，三種燃油的壓力升高率有所不同，DDCL由于較長的燃燒滯燃期導致最大壓力升高率較大，且對應的曲軸轉角靠后，而F-T的滯燃期較短，最大壓力升高率較小，燃燒相對柔和，而三種燃油最高缸內燃燒壓力相差不大。從圖10-11中可以看出，隨著負荷的增大，三種燃油的預混放熱階段所占比例減少，燃燒始點和兩個不同階段的放熱峰值逐漸接近，在大負荷時三條瞬時放熱率曲線幾乎重合。這是因為隨著負荷的增大，氣缸內的壓縮溫度和壓力升高，進而導致三種燃油的滯燃期均縮短，燃油十六烷值不同所帶來的滯燃期上的差異在這種較高溫度和壓力的情況下并不明顯，因而，三種燃油的瞬時放熱率曲線隨著負荷的增大逐漸接近。#p#分頁標題#e#
3.兩種煤制油與DF的常規排放特性對比：兩種煤制油相對于DF理化性質有所不同，燃燒過程有所差異，這也必然導致兩種煤制油在排放方面有不同，圖12-15分別給出了發動機在不同負荷時四種常規排放物的對比。圖12為兩種煤制油和DF在不同負荷下NOx排放的對比，實驗過程中不采用EGR，因此三種燃油的NOx排放均較高。由圖12可知在測試負荷范圍內三種燃油的NOx均隨負荷的升高而升高，但低負荷時F-T的NOx生成量比DF要小，DDCL的比DF高。原因是NOx的生成量在很大程度上依賴于溫度，F-T的十六烷值高，著火滯燃期短，預混燃燒放熱量少，擴散燃燒放熱量多，這會導致缸內最高壓力升高率和燃燒的最高溫度較低。另外，具有環狀結構的烴的絕熱溫度較高[8],F-T含有極少的芳香烴，這也使缸內燃燒溫度較低，這些因素均有利于NOx的減少。相反，由于DDCL的十六烷值較低，預混燃燒放熱量多，擴散燃燒放熱量少，這會導致缸內的最大壓力升高率和最高燃燒溫度比DF高，因此生成的NOx較多，但隨著負荷的增大，三種燃油的燃燒狀況接近，NOx排放差異減小。圖13為兩種煤制油和DF在不同負荷下碳煙排放的對比。由圖可知發動機在1600r/min測試負荷范圍內兩種煤制油的碳煙相對于DF有所降低，F-T和DDCL分別平均降低了37.31%和19.2%。原因是兩種煤制油硫和芳香烴的含量比較少，餾程溫度較低，燃油中難以燃燒的重餾成分相對較少,這均有利于降低碳煙的排放。圖14-15為兩種煤制油和DF在不同負荷下HC和CO排放的對比。由圖可知發動機在1600r/min的測試負荷范圍內三種燃油的HC、CO均隨負荷的升高而有所降低，但F-T的HC、CO生成量比DF要低（平均分別低13.14%和11.19%），而DDCL在低負荷時HC排放比DF稍高，中、高負荷時略低于DF,CO比DF高（平均高11.03%）。這是因為柴油機HC、CO均是不完全燃燒的產物，F-T十六烷值高著火性能好、餾程溫度低，蒸發速度相對較快，燃燒過程較優，因此產生過濃區域及油束碰壁的可能性較小，所以HC、CO排放有所降低。DDCL較低的十六烷值導致低負荷時著火性能較差，對燃燒不利，因此HC和CO排放高于DF。但隨著負荷的增加，十六烷值對燃燒的影響減弱，加之DDCL較好的揮發性，使HC和CO的排放與DF逐漸接近，在中高負荷時HC排放比DF略低。
結論
1）在煤制油噴霧特性方面，兩種煤制油與DF的噴霧特性較為接近，DDCL的噴霧前鋒貫穿距離大于DF（平均大4.43%）,而F-T與DF相當，兩種煤制油的噴霧錐角均略大于DF；隨著噴射壓力的提高，噴霧前鋒貫穿距離隨之增長，噴霧錐角也有所增加。2）在煤制油燃燒特性方面，低負荷時相對于DF，F-T的滯燃期相對較短，預混放熱量少，擴散放熱量多，最高壓力升高率較低；DDCL的滯燃期較長，預混燃燒放熱量多，擴散燃燒放熱量少，最高壓力升高率較高；隨著負荷的增大，三種燃油的預混燃燒所占比例減少，燃燒狀況逐漸接近。3）在常規排放特性方面，相對于DF，F-T的HC、CO、NOx和碳煙的排放均有所降低。對于DDCL，碳煙的排放量低于DF,HC、CO和NOx在低負荷時排放高于DF，中高負荷時CO和NOx與DF差別不大，HC排放略低于DF。（本文圖、表略）
本文作者：代玉利 裴毅強 秦靜 張建業 安彥召 單位：天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室