煤制柴油添加比例对高压共轨柴油机燃油经济性的影响

李帅+孙运才+孙兴玉

摘要：随着柴油质量升级，部分炼厂成品柴油受原料性质影响，在生产基础柴油时十六烷值不足，采用添加煤制柴油的方法提升产品十六烷值。通过发动机台架实验发现，添加不同比例煤制柴油的调和柴油与市售车用柴油相比，综合油耗最大增加了1.21%，而这种差异在大负荷工况下并不明显；同时添加煤制柴油的调和柴油的从燃烧性能上也没有降低油品的使用性能，证实在基础柴油中加入煤制柴油是一种可行的方法。

关键词：高压共轨柴油机；煤制柴油；十六烷值；燃油经济性

0 前言

我国石油资源匮乏，是制约我国经济发展的重要因素。2016年，我国原油表观消费量为5.78亿吨，进口量3.81亿吨，进口依存度高达65.4%。但是，我国煤炭资源丰富，把煤炭转化为液体燃料来代替石油作为柴油机燃料是贯彻这项方针的一个重要方面。

煤炭燃料按所采取的方法可分为直接液化燃料和间接液化燃料两类[1]。煤间接液化是以指以煤为原料先进行气化制备的合成气，然后在一定的温度和压力下将合成气定向的催化合成烃类燃料和化工原料的工艺，也就是我们通常说的费托合成。煤的直接液化是将煤在适当的温度和压力下，直接催化加氢裂化生成液体烃类，并需要进一步脱除其中氮、氧和硫等杂质元素的工艺[2]。间接液化工艺生产的产品具备十六烷值高、无硫和低芳香烃含量等优点，可以作为优质柴油的调和组分。直接液化产品中主要以芳香烃为主，因此十六烷值较低。

随着国家标准的不断更新，柴油产品质量需要随之升级，但由于加工工艺的限制以及部分炼厂受原料性质限制，催化裂化柴油十六烷值偏低，直馏柴油和焦化柴油大部分用来生产车用柴油，导致基础柴油十六烷值不足。因此，采用价格较为低廉、十六烷值较高的煤制柴油进行调和生产基础柴油具有一定的优势。但是，煤制柴油链烷烃含量80%以上，添加不同的比例的煤制柴油对下游油品用户在使用过程中最关心的燃油消耗率问题进行了研究。本次实验选择十六烷值高的间接液化煤制柴油为研究对象，验证不同添加比例煤制柴油调和而成的柴油在燃油经济性的具体表现，与市售车用柴油进行对比，判断添加煤制柴油后油耗是否有较大的差异。

1 实验条件和实验燃油性质

1.1 实验工况

按照国家标准《汽车发动机性能试验方法》规定的测试方法进行。实验过程中采用缸压传感器、电荷放大器、燃烧分析仪测量不同测试燃料的燃烧过程；采用湘仪燃油消耗仪测量燃油消耗率。

测量参数：油耗（以常规气体中CO稳定为测量时刻，每组工况点测量两次取均值）、转速、水温、油温、中冷后温度、进气压力、排气压力、进气温度、排气温度。

1.2 实验发动机及实验油品指标

本次实验在一台满足国Ⅳ排放标准的高压共轨柴油机上进行。本次实验采用国V车用柴油为对照样，以市售组分柴油为基础油，将煤制柴油按照不同比例进行调和，得到不同理化性质的实验燃油。把国V车用柴油定义为A，普通柴油中添加煤制柴油体积比为10%和20%的实验油品记作B和C。以这三种实验油品在高压共轨发动机测试平台上进行实验，通过分析添加煤制柴油后的B、C柴油与对市售国V车用柴油A在测试发动机上燃油经济性表现出的差异性，讨论煤制柴油如何在生产发挥作用。

2 测试结果及分析

添加煤制柴油的B、C两种试验油品，不同负荷下发动机燃油消耗率与对照组A国V车柴相比，B、C柴油的燃油消耗量都呈增大趋势。A、B柴油在中等负荷30-50%范围内存在经济燃油区间，对照组A柴油的经济区间相对更宽；B、C柴油在测试工况范围内燃油消耗率相近，但B柴油在1200-1400rpm的中等负荷燃烧有一定的恶化，燃油消耗率上涨2.1%。

将这三种实验油品测试所得50个工况点的试验数据放入同一表格，以A柴油作为燃油消耗率基准，计算出B、C两种柴油的节油率（%）：（被测油品燃油消耗率-A燃油消耗率）/A燃油消耗率-100。为便于分析节油效果，首先以转速先排序、每一转速中再以缸压排序，将这50个工况点依次编号作为横坐标，以节油率为纵坐标，绘制的B、C油品相对于A油品的节油率曲线。

在整个测试工况下，B、C两种柴油相对于对照组A柴油而言节油率波动较大，其中以每个转速下首个最小扭矩工况点（根据缸压换算后扭矩为10.5Nm）波动最为剧烈，这是因为发动机在低负荷下调控响应速度相对于测试系统反馈频率严重滞后所致，故首个工况点下节油率不予考虑。在整个测试范围内，除去各转速下第一个最小扭矩工况点外，添加煤制柴油的B、C两种柴油的节油率随着发动机负荷的增大呈现差距逐渐缩小的趋势。B、C柴油芳烃含量比A柴油高，而芳烃特别是多环芳烃的滞燃期较烷烃要长，低负荷下混合时间较长，混合程度较为均匀，燃烧持续期会较短，放热率峰值较A柴油更高，因此在小负荷下，反映在节油率方面波动较为剧烈。随负荷增大特别是当接近最大负荷时，喷油持续时间变长，缸内喷油量增多，喷油结束时刻更接近上止点，混合时间缩短，混合均匀程度相对恶化，而且大负荷下缸内温度更高，使得燃油燃烧特性的差异进一步减小，反映到燃油消耗量方面，这三种实验油油品的差异也会减小。调研发现柴油机车辆，特别是运输车辆，行驶工况多处于大负荷，若柴油机运输车辆加注含有煤制柴油的车用柴油，对油耗影响程度相对其他行驶工况要小很多。

定义相同测试工况下的油耗之和为综合油耗，统计得出三种实验柴油油耗， 以对照组A柴油为基准，B柴油的相对油耗高1.21%，C柴油的相对油耗高1.16%，这是因为煤制柴油中含有较多的链烷烃，密度小，体积热值低，最终导致加入煤制柴油的B、C柴油相对油耗增加；B柴油相对油耗比C柴油高0.05%，是因为煤制柴油的十六烷值远高于基础柴油，随着煤制柴油的比例增加，混合柴油的十六烷值增加，有效热效率增加所致。

4 结论

（1）B、C两种柴油的节油率随着发动机负荷的增大呈现差距逐渐缩小的趋势。这是因为随负荷增大喷油持续时间变长，缸内喷油量增多，混合均匀程度相对恶化，而且大负荷下缸内温度使得燃油燃烧特性的差异进一步减小，反映到燃油消耗量上的差异变得不明显。

（2）B柴油相对油耗比C柴油高0.05%，是因为煤制柴油的十六烷值远高于基础柴油，随着煤制柴油的比例增加，混合柴油的十六烷值增加，有效热效率增加所致。

（3）煤制柴油饱和烷烃含量高，体积热值相对低，柴油中加入煤制柴油后油耗有不同程度的上涨，但在大负荷工况下添加前后油耗差异较小，而运输车辆多运行在大负荷工况下，故柴油中添加煤制柴油是一种可行的方法。

作者简介：

李帥（1991-），男，山东滨州人，本科，工程师，毕业于中国石油大学（华东），主要从事油品与发动机匹配的研究工作。*为通讯作者。

参考文献：

[1]钱宇清.煤制柴油在柴油机中燃用的研究及其用作船舶燃料的前景[J].大连海运学院学报，1993，1：46.

[2]叶青.神华集团煤直接液化示范工程[J].煤炭科学技术.2003，31（4）.endprint