王凤滨，高俊华，景晓军

(中国汽车技术研究中心，天津 300162)

前言

F-T柴油是煤通过气化，再经 Fischer-Tropsch(F-T)催化反应合成而得［1］，具有十六烷值高、几乎不含硫和芳香烃等优点，能和普通柴油进行任意比例的互溶而成为混合油，可用来提高普通柴油的品质［2］。F-T柴油是超清洁柴油机的一种代用燃料［3］。

尽管之前有关人员对F-T油的性能和排放的影响进行了研究，但是这些研究主要针对某些特定工况，均没有基于法规要求的试验项目。为此，本文中使用6种不同比例的国Ⅲ和F-T柴油混合油，在对发动机的外特性和燃油经济性测试的基础上，依据法规GB 17691—2005进行稳态循环ESC(European steady state cycle)和瞬态循环ETC(European transient cycle)试验;同时，为研究颗粒物成分中的毒性成分，还分析了F-T柴油对颗粒物中可溶性有机物(SOF)和多环芳烃(PAHs)的影响。

1 试验设备和方案

1.1 试验设备

试验所用的排放测试设备包括CVS i60全流稀释采样测试系统，AMA i60气体分析仪，PSS i60颗粒物采样系统和AVL 439不透光烟度计。图1为台架测试系统的示意图。

1.2 试验发动机与燃油

试验用发动机为高压共轨柴油机，其主要参数见表1。

表1 发动机基本技术参数

表2为试验燃料主要特性参数。

表2 燃料特性参数

F-T柴油的合成工艺决定了F-T柴油的主要成分为直链饱和烃，具有十六烷值高、硫和芳香烃含量低等特点。

国Ⅲ标准柴油与F-T油按不同比例混合，共有6种试验用油。F-T柴油占0%、20%、40%、60%、80%和100%比例(质量比)的F-T混合油分别记为F0、F2、F4、F6、F8 和 F10，即 F0 为国Ⅲ柴油，F10 为纯F-T柴油。

1.3 试验方案

1.3.1 常规排放测试方案

按照GB 17691—2005的测试方法，使用各燃油分别进行发动机外特性、ESC和ETC试验［4］。燃油更换前，发动机在额定点热车15min，以充分燃烧发动机及油耗仪中剩余燃油。

1.3.2 SOF和PAHs的分析方法

采样结束后，对颗粒物样品进行可溶性有机物组分SOF的前处理:首先将按照ESC和 ETC循环采集的带有颗粒物样品的石英滤膜分别放入索氏提取器中，然后用60mL的二氯甲烷于60℃恒温水浴中提取24h，最后将提取溶液在加氮气保护下旋转蒸发浓缩至1.5mL，上机分析PAHs。同时将提取SOF后滤膜上的二氯甲烷在通风柜中挥发干净，然后放入干燥器中干燥，8h之内称重，萃取前后滤膜质量之差为SOF质量。

PAHs分析所用的仪器为Agilent公司生产的气相色谱-质谱联用仪(GC-MS7890a-5975c)。气相质谱联机条件为:进样口温度为280℃，采用不分流进样方式，进样量为1μL;载气为高纯氦气，色谱柱为HP-5MS(30m × 0.25mm × 0.25μm)，柱流量为1.0mL/min;色谱柱温程序升温条件为55℃(1min)，以20℃/min升至200℃(2min)，再以8℃/min升至310℃(6min);质谱为EI源，离子源温度为230℃，扫描方式采用 Scan方式定性和 SIM方式定量。PAHs标准溶液含有16种多环芳烃。根据各化合物的保留时间和NIST05谱库对样品中的各种PAHs进行定性分析，采用外标法定量。

2 试验结果与分析

2.1 动力性和经济性

图2为6种燃料外特性下的输出转矩对比图。可以看出，总体上，随着F-T柴油比例的增大，发动机输出转矩降低，中低转速下尤其明显。国Ⅲ柴油与F-T柴油最大转矩偏差为2.57%。一方面，F-T柴油含碳质量分数低于普通柴油，而F-T柴油的密度小，其体积热值也低。在供油系统不作任何调整的情况下，体积供油量基本保持不变，低体积热值的F-T柴油会导致发动机动力性降低。另一方面，F-T柴油十六烷值高，滞燃期短，预混合燃烧燃料较少，燃烧最高爆发压力下降，发动机输出转矩降低。

图3 为6种燃油消耗率的对比，可以看出，F-T比例增大，消耗率降低。一般纯F-T比国Ⅲ柴油约降低10g/(kW·h)，最大偏差为5.25%。

F-T柴油能改善燃油经济性的原因，一方面，FT柴油的最高燃烧压力和最高压力升高率较低，燃烧较柔和，机械效率较高;另一方面，F-T柴油辛烷值高，滞燃期短，燃料着火性能好，燃烧更充分。

2.2 排放性能

2.2.1 NOx排放

图4为不同燃油ESC和ETC最终测试的NOx比排放结果。由图可见，无论是稳态还是瞬态，随着F-T油比例的增大，NOx的排放呈现逐渐降低的趋势。尤其是F0到F2的降低趋势较明显，稳态时F2相比F0降低了5.06%，瞬态时下降了4.39%;而F2～F10趋势趋于平稳。总体上看，稳态ESC时，F10比F0低7.62%，瞬态ETC时降低了9.37%。

分析NOx降低的原因，一方面，F-T柴油的十六烷值高、滞然期短，发动机燃用F-T柴油时的最高燃烧压力和最大压力升高率偏小，使得缸内燃烧温度降低［5］;另一方面，F-T柴油的芳香烃含量极低，高温燃烧时，所需氧浓度偏低［6］。较低的温度和相对缺氧的状态导致NOx生成量减少。

2.2.2 THC排放

不同燃油的THC比排放结果如图5所示。

随着F-T油比例的增大，ESC和ETC测试的THC比排放均呈降低趋势。ESC时，F10比F0降低了48.47%;ETC时降低幅度达到了67.47%。

这是因为相比国Ⅲ柴油，F-T柴油的滞燃期较短，在滞燃期内产生的过稀区较小，THC生成几率降低;此外，F-T柴油的馏程温度较低，蒸发过程进行较快，产生过浓区和油束碰壁激冷的可能性较小［7］。

2.2.3 CO排放

图6为CO比排放结果。可以看出，无论是稳态还是瞬态，随着F-T油比例的增大，CO的排放逐渐降低。ESC时的F10比F0降低56.23%，ETC时CO降低了72.65%。

柴油机中CO主要是由于混合气不均匀导致局部过浓、燃烧过程中缺氧导致燃烧不完全［8］。F-T柴油同一负荷下油耗量低于普通柴油，燃烧过程中，喷油量低，过量空气系数较大;此外，F-T柴油的馏程温度低，蒸发过程进行较快，改善混合气质量也是降低CO排放的因素之一［9］。

2.2.4 颗粒物排放

图7为各燃油ESC和ETC循环的颗粒物比排放结果。从图中可以看出，无论是稳态还是瞬态，随着F-T油比例的增大，颗粒物的排放几乎呈线性下降。ESC循环的F10比F0低61.56%，而ETC颗粒物降低了72.71%。

颗粒物降低的主要原因是F-T柴油几乎不含S，燃烧形成的硫酸盐很低，直接降低了颗粒物的生成量。此外，F-T柴油的芳香烃含量低和扩散燃烧速度较快，这些都有利于碳烟排放的降低。

2.2.5 SOF和PAHs的成分分析

图8为不同燃油下的颗粒物称重和萃取得到的SOF的质量对比。

随着F-T柴油比例的增大，滤纸上采集的颗粒物的质量和SOF的质量均呈现降低的趋势。纯F-T相比国Ⅲ柴油，稳态循环下，颗粒物降低了61.71%，SOF降低了76.57%，SOF所占颗粒物的比例由33.52%降为20.51%;瞬态循环下，颗粒物降低了53.64%，SOF降低了74.32%，SOF所占颗粒物的比例由29.76%降为16.48%。这说明随着F-T比例增大，SOF的生成量及所占比例均降低。

分析原因是，国Ⅲ柴油的含硫量高，低热值也低，燃料消耗量相比F-T柴油偏大，燃烧效率降低，SOF的酸化率下降［10］，更多的SOF排出。

图9为ESC和ETC循环下的PAHs的排放量。可以看出，F-T比例越大，PAHs的量越低，ESC时，国Ⅲ柴油 PAHs为 528.89μg，F-T油的 PAHs为137.52μg，降低了73.99%;ETC 时，PAHs质量分别为690.65μg和190.89μg，降低了72.36%。这是由于F-T的十六烷值和H/C比高，硫和芳香烃含量极低，黏度小，燃烧质量优于普通柴油，并且馏程温度较低，生成的碳氢化合物较轻，不易被颗粒吸附［11］，故F-T的总PAHs排放量会大幅度减少。

3 结论

使用F-T柴油与国Ⅲ柴油比例分别为0%、20%、40%、60%、80%和100%的6中燃油分别进行外特性、比油耗和排放测试。结果表明:

(1)随着F-T柴油比例的增大，发动机输出转矩呈降低的趋势，国Ⅲ柴油与F-T柴油最大转矩偏差为2.57%;

(2)F-T柴油能够提高发动机的燃油经济性，燃油消耗率随着比例增大而降低，纯F-T比国Ⅲ柴油燃油消耗率可降低5.25%;

(3)随着F-T柴油比例的增大，稳态和瞬态试验下，NOx、THC、CO和颗粒物的排放呈现逐渐降低的趋势;

(4)稳态和瞬态循环下，SOF和PAHs随着F-T比例的增加而降低。

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