煤制柴油添加比例對(duì)高壓共軌柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

李帥+孫運(yùn)才+孫興玉

摘要：隨著柴油質(zhì)量升級(jí)，部分煉廠成品柴油受原料性質(zhì)影響，在生產(chǎn)基礎(chǔ)柴油時(shí)十六烷值不足，采用添加煤制柴油的方法提升產(chǎn)品十六烷值。通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加不同比例煤制柴油的調(diào)和柴油與市售車用柴油相比，綜合油耗最大增加了1.21%，而這種差異在大負(fù)荷工況下并不明顯；同時(shí)添加煤制柴油的調(diào)和柴油的從燃燒性能上也沒有降低油品的使用性能，證實(shí)在基礎(chǔ)柴油中加入煤制柴油是一種可行的方法。

關(guān)鍵詞：高壓共軌柴油機(jī)；煤制柴油；十六烷值；燃油經(jīng)濟(jì)性

0 前言

我國石油資源匱乏，是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。2016年，我國原油表觀消費(fèi)量為5.78億噸，進(jìn)口量3.81億噸，進(jìn)口依存度高達(dá)65.4%。但是，我國煤炭資源豐富，把煤炭轉(zhuǎn)化為液體燃料來代替石油作為柴油機(jī)燃料是貫徹這項(xiàng)方針的一個(gè)重要方面。

煤炭燃料按所采取的方法可分為直接液化燃料和間接液化燃料兩類[1]。煤間接液化是以指以煤為原料先進(jìn)行氣化制備的合成氣，然后在一定的溫度和壓力下將合成氣定向的催化合成烴類燃料和化工原料的工藝，也就是我們通常說的費(fèi)托合成。煤的直接液化是將煤在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο?，直接催化加氫裂化生成液體烴類，并需要進(jìn)一步脫除其中氮、氧和硫等雜質(zhì)元素的工藝[2]。間接液化工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品具備十六烷值高、無硫和低芳香烴含量等優(yōu)點(diǎn)，可以作為優(yōu)質(zhì)柴油的調(diào)和組分。直接液化產(chǎn)品中主要以芳香烴為主，因此十六烷值較低。

隨著國家標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新，柴油產(chǎn)品質(zhì)量需要隨之升級(jí)，但由于加工工藝的限制以及部分煉廠受原料性質(zhì)限制，催化裂化柴油十六烷值偏低，直餾柴油和焦化柴油大部分用來生產(chǎn)車用柴油，導(dǎo)致基礎(chǔ)柴油十六烷值不足。因此，采用價(jià)格較為低廉、十六烷值較高的煤制柴油進(jìn)行調(diào)和生產(chǎn)基礎(chǔ)柴油具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是，煤制柴油鏈烷烴含量80%以上，添加不同的比例的煤制柴油對(duì)下游油品用戶在使用過程中最關(guān)心的燃油消耗率問題進(jìn)行了研究。本次實(shí)驗(yàn)選擇十六烷值高的間接液化煤制柴油為研究對(duì)象，驗(yàn)證不同添加比例煤制柴油調(diào)和而成的柴油在燃油經(jīng)濟(jì)性的具體表現(xiàn)，與市售車用柴油進(jìn)行對(duì)比，判斷添加煤制柴油后油耗是否有較大的差異。

1 實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)燃油性質(zhì)

1.1 實(shí)驗(yàn)工況

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程中采用缸壓傳感器、電荷放大器、燃燒分析儀測(cè)量不同測(cè)試燃料的燃燒過程；采用湘儀燃油消耗儀測(cè)量燃油消耗率。

測(cè)量參數(shù)：油耗（以常規(guī)氣體中CO穩(wěn)定為測(cè)量時(shí)刻，每組工況點(diǎn)測(cè)量兩次取均值）、轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、中冷后溫度、進(jìn)氣壓力、排氣壓力、進(jìn)氣溫度、排氣溫度。

1.2 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及實(shí)驗(yàn)油品指標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的高壓共軌柴油機(jī)上進(jìn)行。本次實(shí)驗(yàn)采用國V車用柴油為對(duì)照樣，以市售組分柴油為基礎(chǔ)油，將煤制柴油按照不同比例進(jìn)行調(diào)和，得到不同理化性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)燃油。把國V車用柴油定義為A，普通柴油中添加煤制柴油體積比為10%和20%的實(shí)驗(yàn)油品記作B和C。以這三種實(shí)驗(yàn)油品在高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過分析添加煤制柴油后的B、C柴油與對(duì)市售國V車用柴油A在測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)上燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)出的差異性，討論煤制柴油如何在生產(chǎn)發(fā)揮作用。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

添加煤制柴油的B、C兩種試驗(yàn)油品，不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率與對(duì)照組A國V車柴相比，B、C柴油的燃油消耗量都呈增大趨勢(shì)。A、B柴油在中等負(fù)荷30-50%范圍內(nèi)存在經(jīng)濟(jì)燃油區(qū)間，對(duì)照組A柴油的經(jīng)濟(jì)區(qū)間相對(duì)更寬；B、C柴油在測(cè)試工況范圍內(nèi)燃油消耗率相近，但B柴油在1200-1400rpm的中等負(fù)荷燃燒有一定的惡化，燃油消耗率上漲2.1%。

將這三種實(shí)驗(yàn)油品測(cè)試所得50個(gè)工況點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)放入同一表格，以A柴油作為燃油消耗率基準(zhǔn)，計(jì)算出B、C兩種柴油的節(jié)油率（%）：（被測(cè)油品燃油消耗率-A燃油消耗率）/A燃油消耗率-100。為便于分析節(jié)油效果，首先以轉(zhuǎn)速先排序、每一轉(zhuǎn)速中再以缸壓排序，將這50個(gè)工況點(diǎn)依次編號(hào)作為橫坐標(biāo)，以節(jié)油率為縱坐標(biāo)，繪制的B、C油品相對(duì)于A油品的節(jié)油率曲線。

在整個(gè)測(cè)試工況下，B、C兩種柴油相對(duì)于對(duì)照組A柴油而言節(jié)油率波動(dòng)較大，其中以每個(gè)轉(zhuǎn)速下首個(gè)最小扭矩工況點(diǎn)（根據(jù)缸壓換算后扭矩為10.5Nm）波動(dòng)最為劇烈，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷下調(diào)控響應(yīng)速度相對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)反饋頻率嚴(yán)重滯后所致，故首個(gè)工況點(diǎn)下節(jié)油率不予考慮。在整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)，除去各轉(zhuǎn)速下第一個(gè)最小扭矩工況點(diǎn)外，添加煤制柴油的B、C兩種柴油的節(jié)油率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大呈現(xiàn)差距逐漸縮小的趨勢(shì)。B、C柴油芳烴含量比A柴油高，而芳烴特別是多環(huán)芳烴的滯燃期較烷烴要長，低負(fù)荷下混合時(shí)間較長，混合程度較為均勻，燃燒持續(xù)期會(huì)較短，放熱率峰值較A柴油更高，因此在小負(fù)荷下，反映在節(jié)油率方面波動(dòng)較為劇烈。隨負(fù)荷增大特別是當(dāng)接近最大負(fù)荷時(shí)，噴油持續(xù)時(shí)間變長，缸內(nèi)噴油量增多，噴油結(jié)束時(shí)刻更接近上止點(diǎn)，混合時(shí)間縮短，混合均勻程度相對(duì)惡化，而且大負(fù)荷下缸內(nèi)溫度更高，使得燃油燃燒特性的差異進(jìn)一步減小，反映到燃油消耗量方面，這三種實(shí)驗(yàn)油油品的差異也會(huì)減小。調(diào)研發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)車輛，特別是運(yùn)輸車輛，行駛工況多處于大負(fù)荷，若柴油機(jī)運(yùn)輸車輛加注含有煤制柴油的車用柴油，對(duì)油耗影響程度相對(duì)其他行駛工況要小很多。

定義相同測(cè)試工況下的油耗之和為綜合油耗，統(tǒng)計(jì)得出三種實(shí)驗(yàn)柴油油耗， 以對(duì)照組A柴油為基準(zhǔn)，B柴油的相對(duì)油耗高1.21%，C柴油的相對(duì)油耗高1.16%，這是因?yàn)槊褐撇裼椭泻休^多的鏈烷烴，密度小，體積熱值低，最終導(dǎo)致加入煤制柴油的B、C柴油相對(duì)油耗增加；B柴油相對(duì)油耗比C柴油高0.05%，是因?yàn)槊褐撇裼偷氖橹颠h(yuǎn)高于基礎(chǔ)柴油，隨著煤制柴油的比例增加，混合柴油的十六烷值增加，有效熱效率增加所致。

4 結(jié)論

（1）B、C兩種柴油的節(jié)油率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大呈現(xiàn)差距逐漸縮小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S負(fù)荷增大噴油持續(xù)時(shí)間變長，缸內(nèi)噴油量增多，混合均勻程度相對(duì)惡化，而且大負(fù)荷下缸內(nèi)溫度使得燃油燃燒特性的差異進(jìn)一步減小，反映到燃油消耗量上的差異變得不明顯。

（2）B柴油相對(duì)油耗比C柴油高0.05%，是因?yàn)槊褐撇裼偷氖橹颠h(yuǎn)高于基礎(chǔ)柴油，隨著煤制柴油的比例增加，混合柴油的十六烷值增加，有效熱效率增加所致。

（3）煤制柴油飽和烷烴含量高，體積熱值相對(duì)低，柴油中加入煤制柴油后油耗有不同程度的上漲，但在大負(fù)荷工況下添加前后油耗差異較小，而運(yùn)輸車輛多運(yùn)行在大負(fù)荷工況下，故柴油中添加煤制柴油是一種可行的方法。

作者簡(jiǎn)介：

李帥（1991-），男，山東濱州人，本科，工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），主要從事油品與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的研究工作。*為通訊作者。

參考文獻(xiàn)：

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[2]葉青.神華集團(tuán)煤直接液化示范工程[J].煤炭科學(xué)技術(shù).2003，31（4）.endprint