煤制油的理化性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用的對(duì)比柴油為某石油化工股份有限公司提供的相當(dāng)于歐四標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油，記為DF。表1給出了兩種煤制柴油及對(duì)比柴油的主要理化性質(zhì)。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(xiàn)-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(zhì)，兩種燃油均主要由飽和烴構(gòu)成，芳烴的含量極少，差別在于DDCL含有大量的環(huán)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(duì)于DF較低，幾乎不含硫。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1是噴霧實(shí)驗(yàn)所用的平面激光誘導(dǎo)熒光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局圖。該系統(tǒng)包括：光路系統(tǒng)、預(yù)燃燒定容彈系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、溫度與壓力采集系統(tǒng)、單次高壓燃油噴射系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需環(huán)境空氣密度按照調(diào)試好的比例向定容燃燒彈內(nèi)依次充入惰性氣體SF6、H2和O2，然后使用火花塞點(diǎn)燃H2和O2獲得高溫高壓環(huán)境，之后增壓燃油系統(tǒng)開(kāi)始工作，使得高壓油管內(nèi)到達(dá)噴射所需噴射壓力，當(dāng)溫度下降到實(shí)驗(yàn)設(shè)定值時(shí)開(kāi)始噴油，根據(jù)拍攝設(shè)定的ASOI時(shí)刻準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的激光束依次經(jīng)過(guò)反光鏡、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡和壓縮鏡，最后形成約80×1.0mm2的激光薄片，穿過(guò)定容燃燒彈側(cè)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(zhì)發(fā)出的熒光透過(guò)另一個(gè)石英窗口，被高速攝像機(jī)ICCD接收，完成圖像采集。通過(guò)協(xié)同控制點(diǎn)火、噴油、激光、ICCD等信號(hào)，保證了實(shí)驗(yàn)在表2條件下進(jìn)行。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架簡(jiǎn)介

燃燒及排放特性實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)重型6缸高壓共軌柴油機(jī)改裝而成的單缸機(jī)上進(jìn)行的，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)模擬進(jìn)氣增壓，進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力，空氣質(zhì)量流量傳感器測(cè)試進(jìn)氣流量。排氣系統(tǒng)使用HoribaMEXA-7100E廢氣分析儀測(cè)量排氣成分中的常規(guī)排放物，用AVL的415煙度計(jì)測(cè)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(cè)量缸內(nèi)壓力。噴油器為標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用噴油器，8個(gè)噴孔，噴射錐角為143°，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)缸壓及放熱率進(jìn)行了多次濾波，在能真實(shí)反應(yīng)缸內(nèi)的燃燒狀況的同時(shí)，消除了雜波等不確定因素的影響。為保證對(duì)比的有效性，在換用兩種煤制油時(shí)，不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)做任何調(diào)整。

結(jié)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(shù)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(luò)線之間的夾角，圖中θ所示。由于燃油中含有熒光物質(zhì)的不確定性，實(shí)驗(yàn)中利用PLIEF捕獲的噴霧不能區(qū)分氣相和液相，在950K的蒸發(fā)環(huán)境，捕獲的燃油噴霧外緣偏向氣相多一些。實(shí)驗(yàn)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(duì)：比圖4是環(huán)境空氣密度為60kg/m3時(shí)三種燃油在0.1ms-1.0ms時(shí)刻的噴霧瞬態(tài)發(fā)展圖像，從圖中能夠定性的看出噴霧的濃度場(chǎng)分布情況，噴霧中間區(qū)域的濃度要比周圍的濃度高，這說(shuō)明噴霧的外圍區(qū)域蒸發(fā)霧化和卷吸空氣的速率比中間區(qū)域要快，并且隨著噴霧的持續(xù)，中間區(qū)域的高濃度范圍在擴(kuò)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(shí)刻的變化情況，其中DDCL噴霧前鋒貫穿距離大于DF（平均長(zhǎng)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(fā)性好，在蒸發(fā)環(huán)境下，燃油的揮發(fā)性越高，噴霧蒸發(fā)越充分，在動(dòng)能和濃度差的雙重作用下，噴霧向前貫穿愈明顯，同時(shí)Bolt等人的研究也表明蒸發(fā)性好使液滴表面蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體環(huán)流減小了液滴運(yùn)動(dòng)阻力，導(dǎo)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(zhǎng)。由于燃油的粘度影響著噴霧破碎過(guò)程，進(jìn)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(guò)程越困難，導(dǎo)致蒸發(fā)環(huán)境下噴霧蒸發(fā)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(huì)使液相貫穿距離變短，因此F-T和DF在蒸發(fā)環(huán)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(xiàn)先減小后穩(wěn)定再增大的趨勢(shì)，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(fā)速度使油束更容易破碎且更容易卷吸環(huán)境氣體而擴(kuò)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)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(xiàn)-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(duì)比

直噴式柴油機(jī)的燃燒過(guò)程可分為滯燃期、預(yù)混燃燒期、擴(kuò)散燃燒期和后燃期，其中預(yù)混燃燒期和擴(kuò)散燃燒期所占比例及燃燒持續(xù)期的長(zhǎng)短對(duì)柴油機(jī)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(zhì)的差異導(dǎo)致其滯燃期長(zhǎng)短有所不同，進(jìn)而燃燒特性也有一定的區(qū)別。從圖8可以看出，低負(fù)荷時(shí)三種燃油的預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒的放熱峰值有所不同，DDCL在預(yù)混燃燒階段的放熱峰值最高，比DF高出29.93%，F(xiàn)-T則相對(duì)較低，比DF低23.57%。而擴(kuò)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(xiàn)-T比DF高11.19%。這是因?yàn)槿N燃油的十六烷值不同，F(xiàn)-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(shí)刻早，因而預(yù)混燃燒階段參與燃燒的油量較少，預(yù)混放熱峰值要比其他兩種燃油低,在擴(kuò)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(fā)、擴(kuò)散速度較快，因而擴(kuò)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(zhǎng)，放熱始點(diǎn)靠后，較長(zhǎng)的滯燃期使參與預(yù)混燃燒的油量較多，擴(kuò)散燃燒階段油量較少，故預(yù)混燃燒階段放熱峰值較高，擴(kuò)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(zhǎng)的燃燒滯燃期導(dǎo)致最大壓力升高率較大，且對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)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(duì)柔和，而三種燃油最高缸內(nèi)燃燒壓力相差不大。從圖10-11中可以看出，隨著負(fù)荷的增大，三種燃油的預(yù)混放熱階段所占比例減少，燃燒始點(diǎn)和兩個(gè)不同階段的放熱峰值逐漸接近，在大負(fù)荷時(shí)三條瞬時(shí)放熱率曲線幾乎重合。這是因?yàn)殡S著負(fù)荷的增大，氣缸內(nèi)的壓縮溫度和壓力升高，進(jìn)而導(dǎo)致三種燃油的滯燃期均縮短，燃油十六烷值不同所帶來(lái)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(shí)放熱率曲線隨著負(fù)荷的增大逐漸接近。