调和煤制油在柴油机上的尾气排放性能试验研究

李永伦白雪梅　李克健刘卫林高海洋（.中国神华煤制油化工有限公司上海研究院，上海 008；.中国汽车技术研究中心，天津 300300）



调和煤制油在柴油机上的尾气排放性能试验研究

李永伦1白雪梅1李克健1刘卫林2高海洋2
（1.中国神华煤制油化工有限公司上海研究院，上海 201108；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300）

【摘要】为配合车用煤制柴油油品开发，在装备可满足国Ⅳ排放的DOC+POC后处理系统和SCR后处理系统的柴油发动机上，测试3种煤制调和柴油及国Ⅳ、国Ⅴ石化柴油在法规要求的ESC、ETC、ELR循环下的排放性能。结果表明，煤制柴油DY-1整体排放性能表现最好，相对于GBⅤ柴油在NOx方面降低6.7%，在PM方面降低15.9%；同一油品在两类后处理发动机上的NOx排放整体趋势大致相同，且硫含量对颗粒物的排放影响较大。

主题词：柴油机煤制柴油排放性能

1　前言

近年来，国家对雾霾天气等环境污染问题的治理越来越重视，为此机动车排放标准也不断提高，其直接推动了发动机技术、后处理技术以及油品性质的改进与开发。然而相对于前两者，油品性质的提高在发动机降低排放方面有很大空间。我国富含煤炭资源，近年来也加大了对煤制油技术的研究［1］。神华集团将开发的直接液化油与生产的间接液化油两种燃料进行调和，发挥各自的优点，从而使得调和煤制油全面满足车用柴油理化要求。

本文在装备SCR后处理系统的国Ⅳ排放重型发动机和装备DOC+POC后处理系统的国Ⅳ排放轻型柴油发动机上，分别燃用国Ⅳ、国Ⅴ石化柴油和3种调和煤制油，测试其在法规要求循环下表现的排放性能，并分析5种油样以及相同油样在不同类型发动机上排放性能的差异。

2　试验系统组成与研究方法

2.1试验发动机与设备

试验发动机分别选用装备两种不同技术路径排放后处理系统的发动机，两款发动机都满足国Ⅳ排放标准。型号为YC6K10的重型高压共轨式柴油机通过控制缸内燃烧温度来减少PM的生成，后处理匹配SCR系统减少NOx排放；型号为YC4S轻型柴油机通过EGR技术控制NOx生成，后处理匹配DOC+POC控制PM排放。试验发动机主要技术参数如表1所列。

试验所用设备主要有AVL-PUMA全自动试验台架、AVL-AMAi60多组分气体分析仪、AVL-CVSi60全流稀释系统和PSSi60颗粒采样系统。

2.2试验用油

5种油样的理化特性如表2所列。

表1　试验发动机主要技术参数

表2　5种油样的理化特性

直接液化油的密度较高、十六烷值较低，而间接液化油十六烷值高、密度低［2～5］，所以使用两种液化油进行调和，得到既符合十六烷值要求、密度也比较恰当的油样，使其不仅符合国家法规的要求、适应发动机的燃烧系统，而且也不会造成体积油耗的显著变化，有利于市场推广。本次试验3种煤制油和GBⅣ柴油的理化性质方面均满足国Ⅳ车用柴油标准（GB 19147-2013）要求，GBⅤ柴油满足国Ⅴ车用柴油标准（GB 19147-2013）要求。3种煤制油都是按照相同的质量比由煤直接液化柴油和煤间接液化柴油调和而成，与DY-1相比，DY-3使用了高初馏点的调和原料，提高了调和柴油的密度；DY-2添加了另外的功能性添加剂，提高了调和柴油的粘度。

2.3研究方法

依据GB 17691-2005车用压燃式、气体点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法［6］要求，测试两种发动机燃烧5种不同油样的13工况稳态循环（ESC）、1 800 s瞬态工况循环（ETC）、负荷烟度试验（ELR），对比试验结果，分析燃烧不同调和煤制柴油的排放特点及不同技术路径排放后处理发动机的表现，并与燃烧两种石化柴油的排放结果进行对比。

3　试验结果与分析

3.1NOx排放对比分析

NOx的生成主要取决于燃烧过程中氧的浓度、温度和反应时间，因此降低NOx的措施主要有降低最高燃烧温度和氧的浓度以及减少高温持续的时间，当燃料中的氮含量较多时，氮氧化物的排放量相对增加，但影响很小［7、8］。2种工况下YC4S发动机和YC6K10发动机的NOx排放对比如图1和图2所示。

图1　YC4S发动机的NOx排放对比

图2　YC6K10发动机的NOx排放对比

由图1和图2可知，在两种发动机对比中，由于发动机的标定策略不同，5种油样在ETC循环下的NOx排放值均低于ESC循环下的排放值，且都满足国Ⅳ排放标准限值。在ETC工况下，YC4S发动机燃用油样GBⅣ、DY-2、DY-3时的NOx排放量相对于油样GBⅤ分别升高3.42%、4.6%、2.51%，而燃用油样DY-1相对于油样GBⅤ下降0.52%；YC6K10发动机燃用油样GBⅣ、DY-1、DY-3时的NOx排放量相对于油样GBⅤ分别降低1.27%、12.97%、5.24%，而燃用油样DY-2相对于GBⅤ升高2.52%。两发动机在ESC和ETC循环下，五种油样的排放趋势表现一致，其中DY-1表现最好。NOx排放方面，轻型柴油机升高5.4%，重型柴油机升高17.6%。3种煤制油几乎不含多环芳烃，而两种基准油含有4%的多环芳烃，有增大NOx排放的趋势。

通过对比5种油样在轻型和重型两种发动机下的NOx排放可以看出，不同后处理形式以及缸内燃烧控制策略对NOx排放基本不影响，煤制油也不影响SCR系统对NOx的处理效果。

3.2PM排放对比分析

柴油机微粒成分一般有固体碳或干炭烟（DS）、可溶有机成分（SOF）和硫酸盐组成。DS主要是燃料在高温缺氧的条件下燃烧裂解而成；SOF主要是未燃烧和未完全燃烧的中间产物或裂解后再化合的产物构成的未燃大分子HC。

两种发动机的PM排放对比如图3和图4所示。由图3和4可以看出，在PM排放方面，采用后处理形式减少PM生成的YC4S发动机ETC循环比ESC循环的PM排放高；而采用缸内燃烧控制PM的YC6K10发动机ETC循环较ESC循环的排放值升高幅度较大。

图3　YC4S的PM排放对比

图4　YC6K10的PM排放对比

综合YC4S发动机ESC和ETC循环下的PM排放值，GBⅣ油样相对于GBⅤ升高49.17%。而DY-1、DY-2、DY-3油样相对于GBⅤ分别降低8.12%、9.18%、3.9%。油样GBⅣ的硫含量为27.56 μg/mg，远高于其它4种油样，对于氧化性后处理的柴油机，由于硫转化为硫酸盐的比率增加，导致最后PM增加较大；GBⅤ油样的硫含量为4.39 μg/g，而3种煤制油中含硫量很少且相差不大，最终的PM排放也相近，但使用煤制油仍然略有优势。所以，对于采用后处理形式为DOC+POC的YC4S柴油机，油样中的硫含量很大程度的影响了其最终PM排放的高低，而煤制油几乎无硫的特点具有优势。

综合YC6K10发动机ESC和ETC循环下的PM排放值，GBⅣ、DY-1、DY-2、DY-3油样相对于GBⅤ油样分别降低8.75%、23.75%、19.38%、16.67%。可以看出，硫含量较高的GBⅣ油样的PM排放并没有升高，表明硫含量在法规要求范围内，对靠燃烧控制PM的国Ⅳ重型SCR系统发动机PM排放几乎没有影响。但相对于石化柴油，使用煤制油PM排放仍然保持一定的优势。

多环芳烃的含量影响GBⅣ和GBⅤ油样中H/C的高低，低H/C值增加了碳烟生成前体，从而增加了PM排放。而煤制油中几乎不含多环芳香烃，对于减少PM的生成影响较大。其次，柴油的分馏过程也影响柴油机PM的排放量。较重的馏分组成使柴油雾化变差、蒸发迟缓、且造成局部过浓的混合气并产生较多的颗粒物，煤制油的T95相对于基准油样平均降低20%，因此良好的雾化对减少PM的排放量有很大帮助。

3.3CO排放对比分析

CO排放主要是燃料中烃类成分燃烧时的中间产物和不完全燃烧产物之一［9～11］。影响柴油燃料CO排放的根本因素为缸内温度、缺氧程度和反应时间。涡轮增压直喷柴油机的空燃比非常大，不易生成CO，这正是柴油机的CO排放量远小于汽油机的原因。在中速、中负荷工况下，柴油机的CO排放量最小，柴油机CO的高排放量也出现在小负荷工况区，原因是柴油机的循环供油量较少，燃烧室内存在较多的过稀混合气区。

两种发动机CO排放对比如图5所示。可以看出，同一发动机对比中，ESC循环和ETC循环下的CO排放值相差较大，但全部满足国Ⅳ排放标准，同时不同发动机的ESC循环和ETC循环下的排放量相差较大。5种油样ETC循环下的NOx排放值均低于ESC循环下的排放值，且都满足国Ⅳ排放标准限值。

图5　两种发动机CO排放对比

对于YC4S发动机，油样GBⅣ、DY-2、DY-3相对于油样GBⅤ分别升高3.42%、4.6%、2.51%，而油样DY-1相对于GBⅤ下降0.52%。对于YC6K10发动机，油样GBⅣ、DY-1、DY-3相对于GBⅤ分别降低1.27%、12.97%、5.24%，而油样DY-2相对于GBⅤ升高2.52%。不同发动机在同一排放循环下的CO排放相差较大，这是由于SCR系统对HC具有氧化作用，而DOC+POC系统对HC 和CO都具有氧化作用，使CO和HC排放很少。

分析对比ESC和ETC循环下的排放规律，煤制油在两种发动机上的排放呈相反趋势，采用SCR后处理形式的重型柴油机缸内温度相对较高，燃油理化性质中影响CO排放的主要为十六烷值，油样GBⅣ和GBⅤ十六烷值指标相近，高于煤制油8.2%，而较高的密度也增加缸内放热量，减少了CO的排放，从而使得基础油整体的CO排放低于煤制油。对于后处理形式为DOC+POC的YC4S发动机，CO排放极少，而油品性质中主要影响因素为T95的高低。

3.4THC排放对比分析

THC排放包括燃料中未燃烧的碳氢化合物，燃烧和氧化反应形成的碳氢化合物中间产物，裂解和再化合反应形成的碳氢化合物产物，其生成机理比CO排放要复杂得多［9］。两种发动机THC排放对比如图6所示。

图6　两种发动机THC排放对比

从图6可以看出，在THC排放方面，YC6K10发动机相对于YC4S发动机增加将近一倍。对于YC4S发动机，油样DY-3与GBⅤ持平，而油样GBⅣ、DY-1、DY-2相对于GBⅤ分别升高3.57%、82.54%、14.19%。对于YC6K10发动机，油样GBⅣ与GBⅤ持平，油样DY-1、DY-2、DY-3相对于GBⅤ分别升高88.54%、94.17%、77.17%。

3.5烟度对比分析

碳烟主要是柴油机在高压燃烧条件下，由于燃烧室局部高温及缺氧发生裂解和脱氢反应而生成的主要成分为碳的固态小颗粒，缺氧、高温和高压是碳烟生成的基本条件［7、11］。

两种发动机ELR结果对比如图7所示。由图7可知，5种油样在YC4S发动机上的ELR烟度全部高于YC6K10发动机。对于YC6K10发动机，油样GBⅣ与GBⅤ持平，而油样DY-1、DY-2、DY-3分别相对于GBⅤ降低23.81%、11.11%、8.59%。而对于YC4S发动机，油样GBⅣ的ELR烟度为0.522m-1，相对于油样GBⅤ升高24.51%，而油样DY-1、DY-2、DY-3相对于GBⅤ分别降低27.12、34.57%、22.78%。该结果与PM的试验结果基本上相互印证。

图7　两种发动机ELR结果对比

4　结束语

a.调和煤制油的NOx排放与柴油相当，但油样DY-1相对石化柴油具有一定优势；煤制油在两种发动机上的NOx排放表现趋势一致；

b.调和煤制油在PM排放方面有一定优势，且没有润滑性添加剂的油样DY-1优势更加明显；煤制油在两种发动机上的PM排放表现趋势一致；

c.3种煤制油中，油样DY-1应用于两种后处理类型柴油发动机的排放性能有一定优势，且相对于石化柴油在PM排放方面优势明显。

d.硫含量为27.5 mg/g的油样GBⅣ对带有DOC+ POC后处理的柴油发动机排放负面影响程度较大，但对于带有SCR后处理的重型发动机无明显影响。

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11Kuen Yehliu，AndréL Boehman，Octavio Armas.Emissions from different alternative diesel fuels operating with single and split fuel injection.Fuel，2010，89（2）：423～437.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年2月18日。

中图分类号：U464

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）07-0052-04

Research on Exhaust Emission from Diesel Engines Fueled with CTL

Li Yonglun1，Bai Xuemei1，Li Kejian1，Liu Weilin2，Gao Haiyang2
（1.Shanghai Research Institute of China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Company，Shanghai 201108；2.China Automotive Technology&Research Center，Tianjin 300300）

【Abstract】To cooperate with the development of Coal-to-Liquid diesel for automobile，emission performance of CTL diesel，ChinaⅣ diesel and ChinaⅤ diesel are tested on diesel engines equipped with DOC+POC aftertreatment system and SCR aftertreatment system and comply with ChinaⅣ emission standard under ESC cycle，ETC cycle and ELR cycle. The results show that CTL diesel DY-1 displays the optimal performance emission，which reduces NOxemission by 6.7%，and PM emission by 15.9%as compared with ChinaⅤdiesel；whereas this CTL fuel shows the generally identical trend of NOxemission for two engines with aftertreatment system，and sulfur content affects PM emission remarkably.

Key words:Diesel Engine，Coal to liquid diesel，Emission