天然气制合成油(GTL)在轿车柴油机上的燃烧与排放特性研究

摘要

随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，我们正面临着石油资源的短缺和环保法规日益严格的双重压力。寻找新的石油替代燃料，特别是清洁燃料，在减少汽车能源消耗的同时降低其产生的污染物排放，成为各个国家迫切需要解决的重大问题。因此，如何在后石油时代，针对我国的自然条件和能源资源特色，积极发展汽车清洁代用燃料，逐步改变汽车能源结构，实现能源在发动机上的高效、低污染燃烧，控制汽车发动机产生的污染物排放对我国城市大气质量日趋严重的影响，已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的研究课题。柴油代用燃料主要有F-T柴油(天然气制合成油GTL、煤制油CTL、生物制合成油BTL)、生物柴油、二甲醚(DME)等三种。本文以TDI柴油机及配备TDI柴油机的帕萨特柴油轿车为研究对象，对新型天然气制合成油(简称“GTL柴油”)进行了在TDI柴油机和帕萨特柴油轿车整车上的应用基础研究，在GTL柴油、GTL柴油与石化柴油混合燃料的理化特性；发动机燃用GTL柴油及其混合燃料的性能和燃烧特性、常规排放、非常规排放；整车燃用GTL柴油及其混合燃料的性能和排放等方面进行了较为系统的研究。验证了GTL柴油在先进TDI柴油机上使用的优点，同时证明了使用由气态经F-T合成工艺液化后得到的液态燃料能够满足未来的环保要求。主要研究内容和研究结果如下：(1)GTL柴油—柴油混合燃料理化特性研究。结果表明：由于GTL柴油的十六烷值远高于柴油，其着火性能优于纯柴油，有利于改善发动机的冷启动性能，并使燃烧柔和，降低燃烧噪声。另外，GTL柴油的密度略低于纯柴油，尽管其质量低热值略高于柴油，但体积热值仍低于柴油。第三，GTL柴油的馏程低于柴油，而且GTL柴油的芳烃含量和硫含量极低，有利于GTL柴油在发动机缸内的燃烧，有效降低柴油机的微粒和碳烟排放。最后，GTL柴油的闪点高于柴油，在运输和储存中更为安全。而且，GTL柴油—柴油混合燃料的十六烷值、质量低热值、密度、含硫量等参数均随GTL柴油在普通柴油中的掺混体积比例增加而呈线性变化。(2)TDI柴油机燃用GTL柴油—柴油混合燃料的燃烧和性能分析。研究结果表明：首先，随着负荷的增加，发动机缸内压力波动幅度整体呈增大的趋势。纯石化柴油(G0D100)的波动幅度最大，掺混GTL柴油后混合燃料的波动幅度减弱，GTL柴油的燃烧相对柔和。其次，放热始点随负荷的降低而后移，放热率波动幅度随负荷的降低而增大。第三，滞燃期的实测和计算结果均表明，随着GTL柴油混合比例的增加，混合燃料的燃烧滞燃期终点均有所提前；而且，转速提高后，燃烧始点提前。第四，与纯石化柴油(G0D100)比较，柴油机燃用掺混有GTL柴油的混合燃料后动力性能有所下降，但幅度很小，最高值不超过5％。最后，GTL柴油—柴油混合燃料按重量计的比燃油消耗率有所下降，与纯石化柴油(G0D100)相比，燃用纯GTL柴油(G100D0)时油耗各转速点平均下降5％左右。但是，在整车模拟NEDC试验循环测试时，GTL柴油—柴油混合燃料按体积计的百公里油耗略有增加，纯GTL柴油(G100D0)略高于纯石化柴油(G0D100)3～5％左右。(3)GTL柴油—柴油混合燃料在TDI柴油机上的常规排放特性研究。研究结果表明：首先，随着GTL柴油掺混比例的提高，柴油机的HC、CO、NOX、PM排放逐渐降低。其次，对于NOx排放，各种燃料的NO排放随着负荷增加而增加，高温有利于NO的生成，GTL柴油的燃烧相对柔和，可以降低发动机的NO排放；NO2排放在低负荷和高负荷均较低，中间负荷最高，大负荷高温不利于NO2的生成；N2O排放量极低，在低负荷时有一定生成量，中高负荷的N2O排放几乎为零。第三，烟度随GTL柴油掺混比例的提高而逐渐下降，与纯石化柴油(G0D100)相比，纯GTL柴油(G100D0)的烟度降幅达44.3％。最后，纯GTL柴油(G100D0)与纯石化柴油(G0D100)的微粒粒径分布形态类似。中低负荷下，微粒分布呈现双峰，微粒以成核和聚集模式形成为主；满负荷下缸内高温使成核模式微粒减少，促使更多聚集模式微粒的生成，微粒呈单峰分布。(4)GTL柴油—柴油混合燃料在TDI柴油机上的非常规排放特性研究。研究结果表明：GTL柴油可有效降低发动机温室气体和有毒气体排放。首先，GTL柴油可有效地减轻温室气体对环境的危害。与纯石化柴油(G0D100)相比，纯GTL柴油(G100D0)的CO2排放减少了2.02％，CH4和N2O均大幅度降低。其次，纯GTL柴油(G100D0)可有效降低发动机醛类和二氧化硫排放。与纯石化柴油(G0D100)相比，纯GTL柴油(G100D0)的外特性乙醛排放平均降幅达93.8％，低负荷甲醛排放最高降幅达50％，二氧化硫的最高降幅也达到74.1％。(5)柴油轿车燃用GTL柴油—柴油混合燃料排放特性研究。研究结果表明：NEDC试验循环中，除NOX排放外，市区循环工况产生的HC、CO、HC+NOx、CO2排放和百公里油耗均高于市郊循环工况。与国Ⅲ排放标准相比，纯GTL柴油(G100D0)的HC、CO、NOx、PM排放分别降低81.67％、89.84％、15.90％和72.0％。与纯石化柴油(G0D100)相比，纯GTL柴油(G100D0)的HC、CO、NOX、PM和CO2排放分别降低54.17％、49.61％、8.63％、47.17％和3.19％，百公里油耗按体积比计算升高约4.1％。关键词：柴油机，代用燃料，天然气制合成油，排放特性，燃烧特性

目录

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第1章 引言

1.1能源危机与排放法规

1.1.1 石油短缺己成为制约人类实现可持续发展的主要因素

1.1.2交通能源与环境问题是21世纪全球面临的重大挑战

1.1.3排放法规

1.2柴油机代用燃料

1.3 GTL燃料

1.3.1 GTL技术

1.3.2 GTL生产现状

1.3.3 GTL燃料的理化特性

1.3.4 GTL燃料对发动机性能的影响

1.3.5 GTL燃料对整车性能的影响

1.3.6 GTL环境潜力与经济效益

1.3.7 GTL应用现状

1.4我国发展合成燃料的必要性

1.5课题意义及研究内容

第2章GTL-柴油混合燃料的理化特性研究

2.1 GTL混合燃料的配制

2.2 GTL混合燃料的测试设备和方法

2.3 GTL含量对混合燃料理化特性的影响

2.3.1 密度

2.3.2十六烷值

2.3.3低热值

2.3.4芳烃含量

2.3.5硫含量

2.3.6馏程

2.3.7 闪点

2.3.8低温流动性能

2.4本章小结

第3章TDI柴油机燃用GTL混合燃料的燃烧和性能分析

3.1 概述

3.1.1试验用发动机

3.1.2测量装置

3.2 GTL混合燃料的燃烧特性研究

3.2.1动力学模型

3.2.2控制方程

3.2.3发动机模型

3.2.4示功图结果及分析

3.2.5压力升高率分析

3.2.6放热率分析

3.2.7滞燃期分析

3.3 TDI柴油机燃用GTL混合燃料的性能分析

3.3.1 动力性

3.3.2经济性

3.3.3排温

3.4本章小结

第4章GTL混合燃料在TDI柴油机上的常规排放特性

4.1试验装置和过程

4.2 PM和排气烟度的影响分析

4.2.1柴油品质对PM和排气烟度的影响

4.2.2碳烟生成机理

4.2.3 PM排放

4.2.4微粒粒径分布

4.2.5排气烟度

4.3 NOx排放

4.3.1 NO生成机理

4.3.2 NO2生成机理

4.3.3 N2O生成机理

4.3.4 NOx排放结果分析

4.4 CO排放

4.5 HC排放

4.6本章小结

第5章GTL混合燃料在TDI柴油机上的非常规排放特性

5.1试验分析方法与装置

5.2温室气体

5.2.1 CO2排放

5.2.2 CH4排放

5.2.3 N2O排放

5.3有毒气体

5.3.1 醛类

5.3.2二氧化硫

5.4本章小结

第6章柴油轿车燃用GTL-柴油混合燃料排放特性研究

6.1 概述

6.1.1 试验样车

6.1.2 试验设备

6.1.3 试验工况循环

6.2试验结果与分析

6.2.1排放试验结果

6.2.2燃油经济性

6.3误差分析

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1 结论

7.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果