柴油调和论文

柴油调和论文（精选4篇）

柴油调和论文 篇1

1 哈尔滨石化目前的柴油调合现状

哈尔滨石化目前生产的柴油组分有:常一线、常二线、常三线、加氢柴油 (包括加氢改质和加氢降凝) 、一催柴油、二催柴油。其中常三线即是成品柴油调合组分, 又是加氢降凝或加氢改质装置的原料。夏季以生产+5#、0#柴油为主时, 可以适当用一些常三线油作为柴油调合组分, 以减少加氢改质或加氢降凝装置的氢耗, 降低柴油生产成本。在冬季需多产-10#、-20#、-35#等低凝柴油时, 常三线基本不作为柴油调合组分。部分催化柴油是加氢改质装置的另一种原料, 催化柴油经加氢改质的主要目的是降低硫含量、降低凝点, 同时十六烷值也略微得到提高。

哈尔滨石化目前柴油调合的主要方式是用泵打循环进行罐内循环调合, 以装置组分柴油质量控制方式来对成品柴油质量进行控制。

2 哈尔滨石化目前柴油调合生产方式的主要问题

2.1 柴油生产装置多, 柴油生产路线多, 优化余地大, 优化命题复杂, 目前常用典型配方不是优化配方。

哈尔滨石化能够生产柴油的装置多达5套, 分别为常减压装置、二催装置、三催装置、加氢改质装置、加氢降凝装置。其中常减装置的常一线、常二线、常三线均可作为柴油调合组分, 因此, 柴油调合组分多达7种。由于每种加工方案的量的分割比例可以不同, 以上几种加工路线可衍生出无数种加工方案, 这就存在哪一种加工方案是最优的问题。这是一个多变量、多约束、多目标的的优化命题, 在没有计算机辅助软件帮助求解的情况下, 很难得到优化结果, 目前所采用的柴油生产方案不是最优方案, 所采用的典型配方也不是最优配方。

2.2 手动罐内循环调合方式, 控制精度差, 为了降低调合作业难度, 国标车用柴油产量少, 从而导致所生产国标轻柴的硫含量有较大的质量过剩。

哈尔滨石化目前生产的柴油组分中, 常一线柴油、加氢柴油 (加氢改质、加氢降凝) 的硫含量均低于500ppm (常一线为260ppm, 加氢柴油为38ppm) , 说明哈尔滨石化是有能力生产部分车用柴油的。但目前哈尔滨石化柴油生产的主要卡边质量指标为凝点及冷滤点, 在生产-10#以下低凝点柴油时, 均需要加降凝剂才能达到质量指标的要求。生产-35#柴油时, 所加降凝剂的浓度甚至达到了3000ppm。由于目前哈尔滨石化柴油调合是手动调合方式, 对组分柴油及成品柴油的性质没有在线检测及控制, 控制精度低, 如果对多个参数进行卡边控制, 势必提高调合难度, 从而导致重调率的提高。从目前哈尔滨石化所生产的国标轻柴的质量来看, 硫含量质量过剩较大, 说明存在较大的国标车用柴油生产余地。车用柴油是比国标轻柴价值高的产品, 车用柴油产量未能得到最大化, 意味着效益的损失。

2.3 循环搅拌时间长, 调合作业能耗大, 混合效果差, 产品不均匀, 易分层。

目前, 哈尔滨石化成品柴油调合采用泵打循环的调合方式, 一个10000m3的成品柴油罐大约需要循环4~5小时, 调合作业能耗大。由于罐内喷咀循环搅拌会存在循环死角, 很难将柴油充分搅匀, 这给质量检验及质量控制带来了很大的障碍, 即使是整罐合格的柴油, 由于不均匀, 极有可能使检验结果不合格而导致重调, 从而导致贸易纠纷。

另外, 由于混合效果差, 柴油中仍有可能存在性质差异较大的团块, 使成品罐内的柴油在较短的时间内出现分层现象, 从而导致重调, 使调合的能耗进一步增加。

3 柴油在线优化调和的技术特点

汽、柴油在线优化调和技术是20世纪90年代兴起的一项新的油品调和工艺, 目前已经逐步在世界各大炼油装置广泛应用, 这项技术已经成为炼油工艺中体现较高技术水平, 减少汽、柴油质量指标过剩、节约成本和提高劳动生产效率的新型工艺装置。其核心是数据采集、数据处理和实时控制。其调和过程可以描述为:将各组分油和添加剂按一定比例同时送进油品总管内, 经过管道静态混和器使油品充分混和均匀, 以达到调和目的。各组分油调和支路上设有数据采集点, 由近红外和硫分析仪对在线采集的数据进行实时分析, 并将各组分油的十六烷值、密度、馏程和硫体积分数送往控制系统, 控制系统根据实时数据及相关质量控制程序进行计算以得出最佳调和方案, 并控制各组分油和添加剂支路上的调节阀, 控制组分油及添加剂的加入量, 使油品质量稳定并尽量减少质量过剩, 提高经济效益。

柴油在线优化调和系统主要包括在线优化及控制系统、在线分析系统和分析模型、调和工艺与仪表控制系统几个部分, 在线调和工艺关键的是在线仪表的选定及控制方案的确定。

4 柴油在线优化调和的解决方案

针对哈尔滨石化柴油调合生产现状所存在的主要问题, 霍尼韦尔公司建议用静态混合器调合方式代替目前的罐内喷咀循环方式, 并采用调合优化软件, 实现柴油生产决策、调度、执行等合个层面的信息化及自动化。解决哈尔滨柴油生产的优化及控制问题, 包括以下三个层面的解决方案:

4.1 全厂生产调度优化层面的解决方案:

从全厂生产优化的角度, 根据不同季节, 不同时期市场对柴油的需求, 优化组分柴油的生产。例如夏季尽可能多产+5#或0#柴油, 可以少用加氢改质或加氢降凝加工路线, 从而降低氢耗, 降低柴油生产成本;冬季则需根据市场需求多产-10#、-20#及-35#柴油, 需适量采用氢改质或加氢降凝加工路线。同时在换季时, 应利用储罐资源, 尽量多屯积一些低凝点柴油组分, 如常一线柴油、加氢柴油等, 以满足冬季多产低凝点柴油的需要。

4.2 调合调度优化层面的解决方案:

根据组分柴油的生产情况 (含产量、性质信息) 、组分柴油的罐存情况 (含储量、性质信息) , 并综合考虑市场需求、生产成本、设备及其它资源约束条件以后, 得出柴油调合优化调度方案, 做到合理安排储罐使用、尽可能多产高标号柴油, 减少凝点、十六烷值、硫含量等宝贵资源的浪费。力求在数个调度周期内, 统筹兼顾各个牌号的生产, 先前的生产能为后面的生产留有余地, 努力使整个柴油调合生产处于较优化的状态之中。

4.3 在线调合优化控制层面解决方案:

通过与在线质量分析仪及静态混合器相接合, 利用包括前馈控制、反馈控制、流量比例控制等手段在内的实时在线控制功能, 保证静态混合器后面的成品柴油性质时时刻刻是合格的, 同时努力使实际调合过程与调合调度优化给出的柴油调合调度计划相符。霍尼韦尔调合优化控制软件BPC及调合比例控制软件BRC是这个层面的解决方案。其中BPC是对成品柴油的性质构成前馈及反馈控制, 在保证质量合格的前提下, 达到质量过剩最小, 组分成本最低。而BRC则是按照BPC下载的优化配方, 完成严格的流量比例控制。

结束语

综上所述, 柴油在线优化调和在理论上、技术上都是可行的, 控制系统可以满足国家对柴油质量越来越严格的要求, 并可使柴油质量少受人为因素的影响。目前汽油在线优化调和国内应用较多, 而柴油在线优化调和技术应用较少, 柴油作为炼油厂主要产品之一, 投用柴油在线优化调和, 可使柴油质量出厂得到极大的提升。

参考文献

[1]蔡智.油品调和技术[M].北京:中国石化出版社, 2006.

[2]邵瑜, 刘一笑.智能化油品调和[J].石油化工自动化, 2004.

柴油调和控制系统的构成与组态 篇2

因此, 公司决定在柴油调和工程中采用现场总线与DCS相结合的方案, 现场采用MTL8000Process I/O系统, 使I/O节点位于更接近现场仪表的位置, 各组I/O节点通过各自的总线接口模块 (BIM) 用一条通信总线 (Modbus RTU RS-485协议) 连到柴油调和控制系统的通信卡, 将大量的I/O信号传输到DCS, 由DCS完成控制功能, 利用户外UCN电缆将柴油调和与汽油调和连接在一个NIM下, 将数据传输给上层移动和调和软件, 完成柴油在线调和工程, 同时利用已有平台将数据传至厂级管理网。

1 柴油调和工程概况 (1)

该公司的柴油调和工程由4个罐区、两个泵棚和移动与调和部分组成, 分别为V21-24罐区、V621-624罐区、V625-628罐区、V874-877罐区、V21-24罐区泵棚、V621-624罐区泵棚和移动与调和共7部分。

1.1 罐区信号

罐区液位、温度、密度和压力信号采用E+H伺服液位计进行信号采集与总线信号传输, 主要在其自身的主机和显示器上显示, 同时将信号传输到其RTU单元, 之后与DCS的SI卡通信, 将数据送到DCS;两位式电动阀控制与回讯信号 (均为DI、DO) 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连, 将信号与DCS相连;搅拌器控制与回讯信号 (均为DI、DO) 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连。将信号与DCS相连。需要注意的是, 搅拌器的控制信号直接串在电气供电回路中, 因其有220V (AC) 或380V (AC) 信号, 故需在回路中加继电器, 但继电器不防爆, 必须将继电器放到控制室内, 再送到电气配电室。

1.2 泵棚信号

泵出口压力指示 (AI) 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连, 将信号送入DCS;两位式电动阀控制与回讯信号 (均为DI、DO) 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连。将信号与DCS相连;模拟量电动阀控制与回讯信号 (均为AI、AO) , 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连, 将信号与DCS相连;电机电流指示 (AI) , 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连, 将信号送入DCS;电机启/停和状态回讯 (均为DI、DO) 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连。需要说明的是, 搅拌器的控制信号直接串在电气供电回路中, 因其有220V (AC) 或380V (AC) 信号, 需要在回路中加继电器, 但继电器不防爆, 必须将继电器放到控制室内, 再送到电气配电室;电机手/自动 (DI) , 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连, 将信号送入DCS;电机变频控制 (AO) , 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连, 将信号与DCS相连。

1.3 移动和调和部分信号

双转子流量计信号控制调节阀 (均为AI、AO) 用于调和比例控制, 信号直接介入DCS的AI和AO卡;调和管道压力信号控制调节阀 (均为AI、AO) 用于调和比例控制, 信号直接介入DCS的AI和AO卡;电机变频控制 (AO) 采用MTL8000系列卡件通过BIM用总线与SI卡相连, 将信号与DCS相连;近红外分析仪, 总线信号首先送到汽油调和系统近红外分析仪主机, 再通过Modbus RS485将信号通信至柴油调和SI卡;总硫分析仪, 总线信号直接通信至柴油调和SI卡。

2 柴油调和DCS构成及结构

柴油调和DCS的结构如图1所示, 系统利用户外UCN电缆将HPM13/14放到新建的柴油调和机柜室, 使得每根电缆缩短400m。

DCS卡件结构如图2所示, 仅有调和部分的流量控制信号、压力控制信号直接接入13/14控制器;其余全部采用Modbus RTU RS485通信协议进行连接。

2.1 柴油调和工程硬件构成

MTL8000系列卡件具有优秀的过程环境性能, 可在危险区和罐区调和对实时性要求较低的环境下安装, 设计人员选择MTL8000卡件并将其安装于现场I/O站, 信号就近接入I/O站, 而后由BIM处理信号后以总线形式传输到DCS。其中, 罐区配置见表1, 将220V (AC) 电源从电输出为源端子引出偶与8913的输入端连接。8913的12V (DC) 和24V (DC) , 12V (DC) 为8715-CA-BI供电, 24V (DC) 为8707-CA-08供电。8715-CA-BI底板上的9针Female插口用于通信连接。81**的卡件仅能用于2区, 不能用于1区和0区。泵棚由于有2区信号, 也有1区信号, 因此分为两个I/O箱, 2区信号配置列于表2, 1区信号配置列于表3。表2中的8615-FT-4W型端子只能与8707-CA-08型底板相配, AI信号为四线制无缘信号, 不能输出24V (DC) , 因而用于电机电流等无缘信号连接;表3中, 将220V (AC) 电源从电源端子引出偶与8913的输入端连接, 8913的输出为12V (DC) 和24V (DC) , 12V (DC) 为8715-CA-BI供电, 24V (DC) 为8920-PS-DC供电, 8715-CA-BI底板上的9针Female插口用于通信连接, 8622-FT-IS型端子只能与8724-CA-08型底板相配, AI信号为二线制有缘信号, 输出24V (DC) , 接收4~20m A信号用于泵出口压力变送器等本质安全型仪表连接。

2.2 柴油调和工程控制系统构成

柴油调和工程控制系统硬件构成如图3所示, 其中虚线为总线型信号连接, 实线为点对点电缆信号连接。可以看出, 相比汽油调和, 柴油调和全部采用点对点电缆信号连接, 这种连接方式节约了大量的电缆及槽盒等材料的购置和施工费用, 并且易于扩展。对于信号实时性要求不严的场合, 是一种很好的设计方案。

3 柴油调和控制系统软件组态

3.1 MTL8000卡件组态

MTL8000卡件的组态非常简单, 首先组态BIM, 选择通信协议及通信接口位置等;组态卡件类型和所在的槽位;然后保存、下装并启动即可。由于MTL8000卡件没有进行任何转换及计算等工作, 因此仅为数据传输通道。对于DI和DO卡件, 只要接线位置确定, 其对应的物理地址就是一定的, 所有组态由DCS实现;如果接线物理地址改变, 只要卡件类型和槽位不变, 则无需修改组态, 只改DCS端的取数位置即可。对于AI和AO卡件, 同样由接线位置确定物理地址, 但传输的零点 (4m A) 对应的是10 485.6, 量程 (20m A) 对应的是524 28, 即对应0%~100%的量程范围是41 942.4, 其组态画面如图4~6所示。卡件通道无需组态, 只要默认激活即可。

3.2 DCS组态

DCS完成所有数据的采集、处理及显示等功能。该公司柴油调和选用Honeywell TPS, 因此对于大量的传输数据, 采用Array点进行数据读取, 通过Logic点完成数据推拉关系, 将通信来的数据送到有相应位号和量程的Flag点或Numeric点上显示。如果有进一步的控制要求 (如电动阀的开关及回讯组在一起等) , 则进一步组态虚点, 如DC点、RP点及RC点等, 具体组态方式为:将一个I/O箱来的不同类型信号组态为不同的Array点, 如Flag类型的DI、DO信号分开;Numeric类型的AI信号及AO信号分开等;组态Logic点, 不组态逻辑关系, 只利用它的推拉特性完成取数和推送, 选择12-8-12类型, 每个Logic点可以完成12个数的推送;组态带位号用于显示的Flag点和Numeric点, 将量程转换为工程单位并进行显示及报警设定等;对于需要进一步组态的Flag或Numeric信号, 直接组态DC点、RP点及RC点等, 由它们来完成工程单位转换、位号显示及报警设定等功能。

现以V621-624泵棚的I/O组态 (表4) 进行说明, Array点根据信号类型和信号来源分为DI、DO、出口压力、电机电流、阀位变送器和变频器输出;一个Logic点完成12个数据的推拉;出口压力、电机电流、模拟量阀位回讯及阀位故障等需要显示的信号进行组态;有进一步组态的两位式电动阀开关和回讯、电机启/停和回讯及电气变频输出等, 其Numeric点和Flag点均不单独组态, 在组态DC点和RC点时直接取相应Array点的数值, 如Array.FL*或Array.NN*。

4 故障检测

该套控制系统因为在回路中增加了一个现场I/O箱环节, 因此在调试过程中出现故障较多, 且因其采用总线进行数据传输, 往往只能在DCS上看到相应的Array点显示message timeout, 但无法获知信号通信中断的原因。因此必须利用笔记本电脑和通信软件才能测试通信状态, 可以从每个I/O箱先测试内部数据, 再逐个测试I/O箱, 看是从哪个箱开始断开连接的, 最后测试到SI卡入口, 才确认是MTL卡件或DCS卡件故障。将该软件与MTL8000的组态软件结合, 基本可以检查并处理通信中产生的故障, 具体如下:

使用软件 MODSCAN32.EXE

通信协议 波特率9 600 8位数据位1位停止位偶校验

设备地址1~8 (即I/O箱的编号)

选择数据类型 01为数字量04为模拟量故障检测操作界面如图7所示。

5 结束语

将现场总线技术应用于中国石油大连石化公司的柴油调和控制系统中, 不但增强了控制系统的性能、提高了数据传输的实时性, 而且降低了硬件成本, 并将柴油调和系统与厂级管理网连接, 为管理人员及时了解生产过程创造了条件。该项目的成功应用, 为石化生产企业自控技术的改造与升级提供借鉴。

摘要：介绍柴油调和控制系统的构成, 包括罐区、泵棚和移动、调和等部分控制系统的结构和功能实现, 以及MTL8000卡件和DCS系统的组态。最后给出该套控制系统故障后的检测方法。

柴油调和论文 篇3

加入柴油润滑性改进剂过程中如果不能科学有效加入, 不但浪费资源, 提高生产成本, 还会耽误产品及时出厂。

2015年12月18日至31日这段时间, 我厂生产的0号车用柴油的酸度分析数据连续7个批次接近7.0mg KOH/100m L。这种酸度出现异常的情况在我厂0号车用柴油调和中非常少见。

2 原因分析

柴油润滑性改进剂由极性化合物组成, 吸附在金属表面。在金属表面上生成一层保护膜, 能够减少运动时金属零件之间的摩擦力。因此润滑程度明显提高。常用的主要有脂肪酸类和脂肪酸酯类两种类型。

目前我厂使用的是上海鑫灵公司生产的XL-66C型脂肪酸类柴油润滑性改进剂。

通过调研, 发现所使用的柴油润滑性改进剂本身酸值偏高, 为208mg KOH/g。加剂人员在加柴油润滑剂过程中加入剂量为300mg/kg, 偏大。

酸类柴油润滑性改进剂入厂时主要控制指标见表1。

我厂生产的国Ⅴ标准0号车用柴油是由中压加氢测线、塔底和C10重芳烃以及低凝柴油组分油按一定比例调和而成。

上海鑫灵公司生产的XL-66C型柴油抗磨剂, 入厂验收时, 该批剂的凝点为-12℃以下, 闭口闪点大于为160℃, 酸值为208.6mg KOH/g。

我们用生产国Ⅴ标准柴油的0号车用柴油的组分油中底柴油对其进行小样加剂, 试验其抗磨性 (磨痕直径/μm) 见表2。

按国Ⅴ标准生产时, 0号车用柴油硫含量控制为不大于10mg/kg, 酸度不大于7mg KOH/100m L, 磨痕直径 (60℃) 不大于460μm。

可以看出, 硫含量一定的情况下, 低硫柴油的酸度随加剂量的增加而增大, 当加剂量达到300时, 酸度接近7。

通过表2数据变化趋势分析, 随着加剂量的增加, 加剂后的柴油磨痕直径逐渐减小。硫含量为4.3的中底柴油组分油要想使其磨痕直径达到小于460, 适宜加剂量为230~250mg/kg。

脂肪酸类柴油润滑性改进剂, 其酸值控制指标为185~210mg KOH/g。加剂量相同的条件下, 抗磨剂酸值的高低直接影响到加剂后的柴油酸度高低, 抗磨剂酸值偏高和加入量过多都是造成柴油酸度偏高的主要因素。

加剂量过多不但造成柴油酸度偏高同时也不经济, 造成资源浪费。

3 改进措施

对外购柴油润滑性改进剂的酸值要严格控制, 最好控制在190~200mg KOH/g之间, 以规避加剂后柴油酸度偏高问题。

生产国Ⅴ标准0号车用柴油, 推荐加剂量230~250mg/kg, 经济适宜。

生产运行部根据质检部门提供的小样试验数据, 调整了加剂量, 在加剂过程中把剂量由300mg/kg减到250mg/kg, 所生产的0号车用柴油酸度在5.0mg K0H/100m L左右, 润滑性磨痕直径在420μm左右, 既解决了0号车用柴油酸度偏高的问题, 又保证了润滑性磨痕直径符合标准要求, 同时也降低了生产成本。

4 预期效果

每批剂使用之前一定要由质检部门进行小样试验, 根据小样试验数据进行批量投用, 降低生产成本, 为生产提供有力保障。

实践表明, 该措施切实可行, 不但节省柴油润滑性改进剂加入量, 还可解决0号车用柴油酸度偏高、特别是润滑性磨痕直经指标达标问题。既减轻了分析人员的工作量, 降低了生产成本, 又提高了一次调成率, 全年可为厂部节约生产资金数万元。

摘要：柴油润滑性评价试验结果显示, 绝大多数低硫柴油的润滑性能很差, 柴油中硫含量越低, 其润滑性能越差。这一问题可通过加入柴油润滑性改进剂来解决。

关键词：柴油,改进剂,润滑性,调和

参考文献

[1]郭太勤, 刘双红, 王昆, 等.低硫柴油润滑添加剂[J].合成润滑材料, 2006, (1) .

[2]郝春来, 冷冰, 赵秀明.改善低硫柴油润滑性能研究概况[J].化工技术与开发, 2014, (3) .

柴油调和论文 篇4

关键词：内燃机,含氧燃料,碳酸二甲酯,燃烧,排放

0概述

考虑到石化能源的过度消耗及日渐严重的尾气污染, 许多国家制定了极其严格的排放法规, 并在寻求替代能源方面投入了大量精力。诸多研究[1,2,3,4,5]表明:醇类、醚类和酯类等含氧燃料可以部分替代柴油参与燃烧, 且无需改动发动机结构。含氧燃料能降低排放水平, 特别是降低柴油机排出的颗粒物, 尽管会以NOx略有上升为代价。在众多含氧燃料中, 碳酸二甲酯 (dimethyl carbonate, DMC) 因其市场潜力和优越的燃料特性而赢得广泛关注[6,7,8,9]。目前, 国内外DMC主要是通过尿素法和酯交换法来生产[10,11,12]。随着生产工艺的发展和生产成本的降低, DMC的产量和价格已经满足进军能源市场的需求。

DMC在发动机上的应用, 最初是作为辛烷值改进剂加入汽油中以增加汽油的抗爆性[13,14,15]。基于传统柴油机燃烧过程的组织方式, 决定了在燃烧过程中不可避免地生成碳烟。科研人员尝试一些技术措施, 如在燃料中添加适量的氧, 用以寻求改善碳烟排放同时也兼顾到NOx排放[16,17]。迄今为止, 短碳链燃料 (如醇类、DME和DMC) 和长碳链燃料 (如生物柴油) 是掺混入柴油中主要的含氧液体储能物质, 其中DMC作为一种非极性的酯基燃料, 具有比其他燃料更优越的燃料属性, 尤其是易溶于柴油的特性。此外, DMC的低沸点有助于其加速燃料的雾化及与空气的混合, 且含氧超过50%。这两方面均有利于大幅度降低颗粒排放[18,19]。

本文中在一台高压共轨单缸柴油机上进行了不同燃料组分 (柴油、DMC/柴油) 的燃烧过程与排放特性的研究, 分析了不同EGR率和放热中心 (center of heat release, COHR) 条件下各主要排放物的变化情况, 为在满足排放法规的柴油机上推广适量DMC添加至柴油中的应用提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验燃料

DMC与柴油在十六烷值、黏度和低热值等方面存在较大差异。为避免DMC掺混入柴油后可能出现的燃烧过程和排放性能的较大变化, 以及适合大规模推广情况下的市场供应能力, 本文中选用了10%DMC体积分数的混合燃料 (以下简称为D10) 作为试验燃料。采用机械搅拌即可完成D10混合燃料的制备。不同燃料的主要理化指标见表1。

传统燃料 (汽油和柴油) 具有较高的能量密度, 而D 1 0调合燃料的能量密度达到石化柴油的94.8%, 因此可以实现理想的替代。除了燃料富氧带来的益处外, 表1中由计算得到的D10燃料各方面属性都很接近柴油。为了实现与原机状态一致的功率输出, 对于D10混合燃料, 宜采用略高的喷射压力以供给更多的燃油量来补偿燃料能量密度的下降。

1.2 测试系统

试验用机为一台高压共轨单缸柴油机, 是以4缸柴油机Daimler OM646为原型, 经过适当的机械改造而成。该发动机的研发目标是满足欧-Ⅴ和欧-Ⅵ排放标准, 相关试验在柏林工业大学发动机研究所完成。试验用机的主要技术参数见表2。必须说明的是, 现有单缸机已被改造为完全平衡机构, 因此难以实现原有4缸机OM646中1个缸所能发出的功。然而, 在输出机械功之前, 作用于活塞上的指示功则具有可比性。所以, 指示功率 (Pi) 可被用作评判发动机性能的基准。

本文中选取转速1 900r/min、平均指示压力0.80MPa工况为试验工况, 研究发动机燃用DMC/柴油混合燃料的性能。试验首先选择作为参照物的柴油进行性能测试, 并考虑了COHR及EGR率的变化;然后将燃油管路转至D10油箱。在新的测试开始前, 发动机经过恰当的暖机, 消耗掉供油系统管路中残存的前一种燃油。对于D10燃料, 考虑了2种方案:与柴油一致的喷油系统参数;对原来的喷油系统参数略作微调, 以精确实现与原有柴油工况一致的COHR。

试验过程中, 发动机首先调整至一个稳定的目标状态, 同步记录发动机功率、燃油消耗率、排放和气缸压力等信号;然后, 基于热力学第一定律, 计算出瞬时放热规律, 用于后继燃烧及放热过程的分析。

2 燃烧分析

燃油喷射对随后的燃烧过程具有决定性影响, 因此在分析具体的燃烧过程之前, 对D10和柴油的具体燃油喷射状态参数进行详细描述, 见表3。其中, θinj1、θinj2和θinj3分别代表第1、第2次预喷和主喷阶段开始时刻对应的曲轴转角位置;tinj1、tinj2和tinj3分别代表第1、第2次预喷和主喷的持续时间。从表3可看出, D10在喷油参数未作调整时与柴油保持相位同步, 而为了实现精确的COHR目标, 优化后的D10喷射被延迟一段时间。为弥补D10燃料能量密度的下降, D10的油轨压力要比柴油高3MPa。

当发动机运行在1 900r/min、0.80MPa工况 (COHR为16°CA, EGR率为36%) 下时, 不同供油状态对应的缸内压力曲线如图1所示。

由于有两段预喷, 与平常不同的是, 压力曲线上出现2个明显的峰, 第1个压力峰主要是由压缩和部分预燃造成的, 而第2个峰则完全是由缸内燃烧产生的。在无喷油系统参数调整的条件下, D10和柴油的压力曲线基本保持同步, 但由于D10较高的轨道压力, D10发动机的气缸压力更高。为了实现统一致的发动机负荷 (以平均指示压力表示) 和COHR的目标, 对D10燃油的喷油参数进行调整。尽管调整后D10的喷油定时比柴油的晚, 但D10的第1个压力峰值却比柴油的高。

与图1中压力曲线相对应的压升率及瞬时放热率曲线如图2所示。

在压升率曲线上可以看见1个较小的峰及随后1个明显的峰。对于D10, 除了喷油延迟引起的相位差外, 有无喷油调整状态下的压升率曲线表现出一致的模态。在未作喷油调整的情况下, D10的压升率曲线上的初始峰及后面的压升率主峰均比柴油出现得更早。为了达到同一的平均指示压力和COHR目标, D10的喷油正时被推迟。然而, D10的压升率曲线出现初始峰还是比柴油的早, 但后继的压升率主峰出现时刻却很接近柴油状态。

瞬时放热率曲线与压升率曲线一致, 在放热率主峰前有1个较小的初始放热峰。瞬时放热率曲线在-9°CA处开始上升, 而压升率曲线上在同一位置也出现拐点。由此可以判断, 对于3种喷油状态, 着火时刻均出现在-9°CA位置。柴油中DMC的加入并没有导致混合燃料着火性能的下降, 原因是柴油自身的十六烷值就很高。而且, 由于DMC的易挥发性有利于促进燃料与空气的混合及随后的燃烧进程, 因而在放热的初始阶段D10的瞬时放热率比柴油的高。

如果不考虑实际的功率输出, 指示热效率也是评价缸内燃烧过程的核心指标之一。图3为在放热中心COHR变化情况下发动机的指示热效率情况。由图3可见, D10的热效率明显比柴油的高, 这一点与前文中在放热初始段D10的放热率比柴油高相呼应。这是因为DMC的低沸点造成燃料快速气化和混合, 缸内燃烧加剧, 更多的热量在较早时刻被释放出, 有利于提高热力循环的等容度。

3 排放特性

3.1 CO排放

CO的形成受化学动力学控制, 其形成时间段较长, 且受缸内温度的影响较大。CO排放随COHR及EGR率的变化关系如图4所示。总体而言, D10要比以柴油为燃料时产生的CO排放少。在高EGR氛围下, 来自燃料中的氧在缓解供氧不足方面的积极作用得以体现。

由图4 (a) 可见, 随COHR增加CO排放变化平缓。这是因为尽管随着COHR的增加, 意味着燃烧的拖后, 但每个负荷下, 缸内温度会保持在一个相对较高的水平, 而这对CO的形成起着关键性的作用。随着废气回流量的增加, 燃烧温度及所需要的氧浓度下降, 导致CO排放增加。而由图4 (b) 可见, CO排放上升趋势急剧, 原因是在高负荷且高EGR率造成的进气充量中氧浓度下降的情况下, CO排放对较小的过量空气系数更敏感。

3.2 HC排放

柴油机的HC排放主要来自于着火延迟期内形成的着火稀限区域, 因而与着火延迟期的长度相关。当然, HC排放是不完全燃烧的产物, 与混合气中的氧浓度息息相关。HC排放随COHR和EGR率的变化关系如图5所示。由图5可见, 随着COHR或EGR率的增加, HC排放呈增长趋势。与发动机燃用柴油相比, 均可见D10的HC排放减少。然而, 因加入易挥发的DMC而预计会发生HC排放的上升现象却未发生。图5 (b) 中HC排放并没有像CO排放那样迅速上升, 说明HC和CO的形成遵循各自的机理, 尽管这两者都是不完全燃烧的产物。

3.3 NOx排放

发动机在1 900r/min、0.80MPa工况下的NOx比排放随着COHR和EGR率的增加而降低, 如图6所示。通过推迟喷射实现放热中心的后移, 随后缸内处于高温状态的时段会显著减少, 对限制缸内NOx的形成起着积极作用, 因而NOx排放随COHR增加而降低。随着EGR率增加, 除了缸内温度下降外, 进气氧浓度也随之减少, 因而NOx排放会急剧下降。就燃料替代而言, 由于加入的DMC燃料的含氧特性, 可以观察到NOx排放的增加, 随着发动机负荷降低, NOx增加趋势变缓。

3.4 PM排放

发动机的PM排放随COHR和EGR率变化的规律如图7所示。一般而言, 废气的引入将降低进气氧浓度, 导致颗粒排放的增加。在高EGR氛围下, PM排放随EGR率的增加而显著恶化, 特别在高负荷工况下。COHR增加意味着燃烧推迟, PM排放随之上升。然而, 当PM排放增加到一定程度后, 随COHR进一步增加, PM排放却呈现下降趋势。这是因为在较高的EGR率氛围下, 过度的喷油推迟使得缸内燃烧呈现近似HCCI的特点, 由于预混合燃烧比例增加且后期燃烧速度加快, 使得PM排放降低, 当然这也是以牺牲燃油经济性为代价的。

与柴油相比, 混合燃料D10中的氧造成了CO、HC和NOx排放的小幅变化, 而燃料氧对于PM排放的大幅降低起到不可或缺的作用。当燃料从柴油变为D10时, PM排放降低59.5%, 而NOx排放增加11.2%。由于燃料中DMC的加入, PM排放的降幅和NOx排放的升幅, 为后续调节这两者的排放提供了较大空间。

4 结论

(1) 燃料中加入DMC带来了能量密度的下降, 而通过优化燃油喷射参数可以恢复原机的输出功率。发动机在某一负荷下, 缸内混合气的着火时刻可由压升率曲线和瞬时放热率曲线同步分离点得到, 而对于3个燃油 (D10无喷油调整、D10有喷油调整和柴油) 供给状态, 后续的着火几乎出现在同一时刻。由于初始柴油的十六烷值相对较高, 加入适量的低十六烷值DMC后混合燃料的着火性能并未受到明显影响。

(2) 在初始放热阶段, D10的瞬时放热率和指示热效率均比柴油高, 原因是DMC的易挥发性改善了燃料与空气的混合并促进了燃烧。

(3) 在燃油中加入10%DMC后, 尽管HC和CO排放均明显下降, 但这两者遵循着不同的机理。在高负荷工况下, 因对较低的过量空气系数敏感, CO排放会随EGR率增加而显著上升。而HC排放更多地与着火延迟期内形成的未燃HC有关。