天然氣制合成油(GTL)在轎車柴油機(jī)上的燃燒與排放特性研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和汽車保有量的高速增長，我們正面臨著石油資源的短缺和環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格的雙重壓力。尋找新的石油替代燃料，特別是清潔燃料，在減少汽車能源消耗的同時降低其產(chǎn)生的污染物排放，成為各個國家迫切需要解決的重大問題。因此，如何在后石油時代，針對我國的自然條件和能源資源特色，積極發(fā)展汽車清潔代用燃料，逐步改變汽車能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能源在發(fā)動機(jī)上的高效、低污染燃燒，控制汽車發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的污染物排放對我國城市大氣質(zhì)量日趨嚴(yán)重的影

2、響，已成為我國能源與環(huán)境研究中的一個十分重大和緊迫的研究課題。柴油代用燃料主要有F-T柴油(天然氣制合成油GTL、煤制油CTL、生物制合成油BTL)、生物柴油、二甲醚(DME)等三種。本文以TDI柴油機(jī)及配備TDI柴油機(jī)的帕薩特柴油轎車為研究對象，對新型天然氣制合成油(簡稱“GTL柴油”)進(jìn)行了在TDI柴油機(jī)和帕薩特柴油轎車整車上的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在GTL柴油、GTL柴油與石化柴油混合燃料的理化特性；發(fā)動機(jī)燃用GTL柴油及其混

3、合燃料的性能和燃燒特性、常規(guī)排放、非常規(guī)排放；整車燃用GTL柴油及其混合燃料的性能和排放等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。驗證了GTL柴油在先進(jìn)TDI柴油機(jī)上使用的優(yōu)點，同時證明了使用由氣態(tài)經(jīng)F-T合成工藝液化后得到的液態(tài)燃料能夠滿足未來的環(huán)保要求。主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下：(1)GTL柴油—柴油混合燃料理化特性研究。結(jié)果表明：由于GTL柴油的十六烷值遠(yuǎn)高于柴油，其著火性能優(yōu)于純柴油，有利于改善發(fā)動機(jī)的冷啟動性能，并使燃燒柔和

4、，降低燃燒噪聲。另外，GTL柴油的密度略低于純柴油，盡管其質(zhì)量低熱值略高于柴油，但體積熱值仍低于柴油。第三，GTL柴油的餾程低于柴油，而且GTL柴油的芳烴含量和硫含量極低，有利于GTL柴油在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的燃燒，有效降低柴油機(jī)的微粒和碳煙排放。最后，GTL柴油的閃點高于柴油，在運(yùn)輸和儲存中更為安全。而且，GTL柴油—柴油混合燃料的十六烷值、質(zhì)量低熱值、密度、含硫量等參數(shù)均隨GTL柴油在普通柴油中的摻混體積比例增加而呈線性變化。

5、(2)TDI柴油機(jī)燃用GTL柴油—柴油混合燃料的燃燒和性能分析。研究結(jié)果表明：首先，隨著負(fù)荷的增加，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力波動幅度整體呈增大的趨勢。純石化柴油(G0D100)的波動幅度最大，摻混GTL柴油后混合燃料的波動幅度減弱，GTL柴油的燃燒相對柔和。其次，放熱始點隨負(fù)荷的降低而后移，放熱率波動幅度隨負(fù)荷的降低而增大。第三，滯燃期的實測和計算結(jié)果均表明，隨著GTL柴油混合比例的增加，混合燃料的燃燒滯燃期終點均有所提前；而且，轉(zhuǎn)速

6、提高后，燃燒始點提前。第四，與純石化柴油(G0D100)比較，柴油機(jī)燃用摻混有GTL柴油的混合燃料后動力性能有所下降，但幅度很小，最高值不超過5％。最后，GTL柴油—柴油混合燃料按重量計的比燃油消耗率有所下降，與純石化柴油(G0D100)相比，燃用純GTL柴油(G100D0)時油耗各轉(zhuǎn)速點平均下降5％左右。但是，在整車模擬NEDC試驗循環(huán)測試時，GTL柴油—柴油混合燃料按體積計的百公里油耗略有增加，純GTL柴油(G100D0)

7、略高于純石化柴油(G0D100)3～5％左右。(3)GTL柴油—柴油混合燃料在TDI柴油機(jī)上的常規(guī)排放特性研究。研究結(jié)果表明：首先，隨著GTL柴油摻混比例的提高，柴油機(jī)的HC、CO、NOX、PM排放逐漸降低。其次，對于NOx排放，各種燃料的NO排放隨著負(fù)荷增加而增加，高溫有利于NO的生成，GTL柴油的燃燒相對柔和，可以降低發(fā)動機(jī)的NO排放；NO2排放在低負(fù)荷和高負(fù)荷均較低，中間負(fù)荷最高，大負(fù)荷高溫不利于NO2的生成；N2O

8、排放量極低，在低負(fù)荷時有一定生成量，中高負(fù)荷的N2O排放幾乎為零。第三，煙度隨GTL柴油摻混比例的提高而逐漸下降，與純石化柴油(G0D100)相比，純GTL柴油(G100D0)的煙度降幅達(dá)44.3％。最后，純GTL柴油(G100D0)與純石化柴油(G0D100)的微粒粒徑分布形態(tài)類似。中低負(fù)荷下，微粒分布呈現(xiàn)雙峰，微粒以成核和聚集模式形成為主；滿負(fù)荷下缸內(nèi)高溫使成核模式微粒減少，促使更多聚集模式微粒的生成，微粒呈單峰分布。

9、(4)GTL柴油—柴油混合燃料在TDI柴油機(jī)上的非常規(guī)排放特性研究。研究結(jié)果表明：GTL柴油可有效降低發(fā)動機(jī)溫室氣體和有毒氣體排放。首先，GTL柴油可有效地減輕溫室氣體對環(huán)境的危害。與純石化柴油(G0D100)相比，純GTL柴油(G100D0)的CO2排放減少了2.02％，CH4和N2O均大幅度降低。其次，純GTL柴油(G100D0)可有效降低發(fā)動機(jī)醛類和二氧化硫排放。與純石化柴油(G0D100)相比，純GTL柴油(G100D

10、0)的外特性乙醛排放平均降幅達(dá)93.8％，低負(fù)荷甲醛排放最高降幅達(dá)50％，二氧化硫的最高降幅也達(dá)到74.1％。(5)柴油轎車燃用GTL柴油—柴油混合燃料排放特性研究。研究結(jié)果表明：NEDC試驗循環(huán)中，除NOX排放外，市區(qū)循環(huán)工況產(chǎn)生的HC、CO、HC+NOx、CO2排放和百公里油耗均高于市郊循環(huán)工況。與國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)相比，純GTL柴油(G100D0)的HC、CO、NOx、PM排放分別降低81.67％、89.84％、15.90％