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