SCR系統(tǒng)國(guó)Ⅴ柴油機(jī)適用基準(zhǔn)燃油的排放試驗(yàn)研究

關(guān) 敏，王鳳濱，高俊華

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012； 2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300162)

前言

目前我國(guó)各地區(qū)的燃油品質(zhì)不盡相同，北京已全面供應(yīng)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10×10-6的國(guó)Ⅴ柴油，某些發(fā)達(dá)地區(qū)供應(yīng)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50×10-6的國(guó)Ⅳ柴油，而全國(guó)大部分地區(qū)還是以硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)350×10-6的國(guó)Ⅲ柴油為主，柴油品質(zhì)對(duì)柴油機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放有著至關(guān)重要的影響[1]，直接關(guān)系到排放標(biāo)準(zhǔn)的順利實(shí)施。

目前我國(guó)市場(chǎng)上柴油存在十六烷值低、含硫量高和多環(huán)芳烴比例大等特點(diǎn)[2],權(quán)衡油品對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)實(shí)施的影響顯得尤為緊迫。

本文中以共軌加裝SCR后處理的國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，按照GB 17691—2005試驗(yàn)項(xiàng)目，分別使用符合法規(guī)要求的國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ基準(zhǔn)柴油進(jìn)行ESC、ETC和ELR試驗(yàn)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的排放測(cè)試設(shè)備包括AVL生產(chǎn)的CVS i60全流稀釋采樣測(cè)試系統(tǒng)、AMA i60氣體分析儀、PSS i60顆粒物采樣系統(tǒng)和AVL 439不透光煙度計(jì)。圖1為臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。

1.2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1.3 試驗(yàn)燃油

國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ柴油均采用中國(guó)石化生產(chǎn)的符合法規(guī)要求的基準(zhǔn)燃油。3種燃油的基本特性參數(shù)如表2所示。

表2 燃料特性

1.4 試驗(yàn)方案

按照GB 17691—2005的試驗(yàn)要求，使用國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ基準(zhǔn)柴油分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)外特性、穩(wěn)態(tài)循環(huán)(European steady state cycle，ESC)，負(fù)荷煙度試驗(yàn)(European load response test，ELR)和瞬態(tài)循環(huán)(European transient cycle，ETC)試驗(yàn)[3]。為保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性和重復(fù)性，ESC、ETC和ELR分別進(jìn)行兩次試驗(yàn)取平均值。更換燃油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在額定點(diǎn)熱車15min，充分燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)和油耗儀中剩余燃油。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性

圖2為燃用國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ柴油的動(dòng)力性的對(duì)比。圖3為燃油經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比。

由圖2可以看出，從國(guó)Ⅲ到國(guó)Ⅴ，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩都逐漸降低，低轉(zhuǎn)速下的差別尤為明顯。國(guó)Ⅲ相比國(guó)Ⅴ轉(zhuǎn)矩的最大偏差為3.62%。原因是與國(guó)Ⅲ和國(guó)Ⅳ相比，國(guó)Ⅴ柴油的熱值低，密度小，體積熱值更低。在供油系統(tǒng)不作任何調(diào)整的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性降低。

由圖3可以看出，從國(guó)Ⅲ到國(guó)Ⅴ，燃油消耗量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。國(guó)Ⅲ與國(guó)Ⅴ油耗量最大偏差為2.72%。發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)不作任何調(diào)整時(shí)，體積供油量基本保持不變，國(guó)Ⅴ油的密度小，油耗量降低。但是燃油品質(zhì)對(duì)于油耗率的影響規(guī)律不明顯，油耗量降低，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率同樣減小。總體上，國(guó)Ⅴ油的油耗率最低，這是由于國(guó)Ⅴ柴油十六烷值高，滯燃期短，燃料著火性能好，燃燒更充分，單位質(zhì)量的輸出功率大。

2.2 排放性能

表3為基準(zhǔn)燃油下ESC和ETC試驗(yàn)的平均值。可以看出，按ESC測(cè)試結(jié)果，國(guó)Ⅲ油的PM排放為國(guó)Ⅴ法規(guī)規(guī)定的0.02 g/(kW·h)限值的3.1倍。若考慮發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)的替代劣化系數(shù)，國(guó)Ⅲ油ETC的顆粒物測(cè)試結(jié)果乘以1.1后[4]，為0.030 8 g/(kW·h)，也超出法規(guī)限值。但國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ各排放物均符合法規(guī)要求。

表3 基準(zhǔn)燃油排放平均值 g/(kW·h)

總體上看，無(wú)論穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)測(cè)試，PM隨著燃油含硫量的增加而增大；ESC的NOx與油品質(zhì)量的特性一致，即國(guó)Ⅴ的NOx最小，但ETC與ESC的規(guī)律相反。CO排放量相對(duì)很少，變化規(guī)律不明顯，但是國(guó)Ⅴ油的CO排放最低。此外，所有燃油試驗(yàn)過(guò)程中均沒(méi)有產(chǎn)生THC。

圖4為ESC循環(huán)13工況下的CO濃度的對(duì)比，可以看出，幾乎任何工況下國(guó)Ⅴ燃油的CO生成量都最低。怠速和高轉(zhuǎn)速下國(guó)Ⅲ油的CO排放最高；而中低轉(zhuǎn)速時(shí)，特別是小負(fù)荷下的國(guó)Ⅳ油排放最高。分析原因是國(guó)Ⅴ柴油黏度最低，燃油霧化較好，且其十六烷值也較大，燃油著火性也更好，這些因素都促進(jìn)燃油的完全燃燒，降低了CO的排放。

圖5為ESC循環(huán)13工況下的NOx濃度對(duì)比，可以看出，各工況的情況不盡相同，但總體上國(guó)Ⅴ燃油NOx排放量最低，國(guó)Ⅲ的NOx排放量最高。發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷工況下，這種趨勢(shì)很明顯。

分析原因是國(guó)Ⅴ柴油的多環(huán)芳烴的比例小，使火焰燃燒溫度降低；另外，燃油中C/H比大，高溫燃燒時(shí)，燃油的氧濃度偏低[5]。較低的溫度和相對(duì)缺氧的狀態(tài)導(dǎo)致NOx生成量降低。

ETC測(cè)試得到的NOx與油品質(zhì)量恰恰相反，即國(guó)Ⅲ油NOx排放最低，國(guó)Ⅴ油NOx排放最高。國(guó)Ⅴ比國(guó)Ⅳ高5.7%，而國(guó)Ⅳ比國(guó)Ⅲ高25.7%左右。

研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)ⅢETC循環(huán)排氣溫度平均值為307.4℃，NOx平均濃度為6.63×10-6，國(guó)Ⅳ排氣溫度為299.7℃，NOx為8.23×10-6，國(guó)Ⅴ排氣溫度為287.4℃，NOx為8.49×10-6。分析原因是較高的排氣溫度以及氨吸附能力的增大，使得國(guó)Ⅲ油在瞬態(tài)測(cè)試過(guò)程中能夠更有效地降低NOx排放，提高轉(zhuǎn)化效率。為更直觀地考查NOx生成狀況，圖6給出了3種油品ETC循環(huán)1 800s下的NOx濃度。從圖6中可以看出，盡管國(guó)Ⅲ油生成的NOx尖峰值最大，但是在圖6所示3個(gè)區(qū)域中，NOx排放量遠(yuǎn)低于國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ的值。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這3個(gè)區(qū)域均是發(fā)動(dòng)機(jī)高速大負(fù)荷伴隨著反拖工況，大負(fù)荷時(shí)排氣溫度高，尿素噴射量增大，而燃油絕對(duì)量的增大同樣使硫類化合物量增加，導(dǎo)致中間產(chǎn)物硫酸銨的增加[6]，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工況變換時(shí)，存儲(chǔ)的氨釋放，還原NOx。此外，使用氨分析儀測(cè)試NH3泄漏，國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ的NH3排放平均值分別為14.78×10-6、16.21×10-6和16.96×10-6。這也證明了使用國(guó)Ⅲ油排放測(cè)試時(shí)，更多的NH3參與了還原反應(yīng)。

顆粒物排放的趨勢(shì)隨著燃油品質(zhì)的變化規(guī)律很明顯，即燃油中含硫量的增大導(dǎo)致PM的排放增大。含硫量的增加，燃燒形成的硫酸鹽增多，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物質(zhì)量升高[7]，此外，還可能由于中間產(chǎn)物能夠催化碳煙的生成，使總的顆粒物質(zhì)量增加[8]。

至于ELR的測(cè)試結(jié)果，國(guó)Ⅲ油ELR煙度為0.066 8m-1;國(guó)Ⅳ油為0.057 3m-1; 國(guó)Ⅴ油為 0.048 2m-1，均滿足法規(guī)限值要求。圖7為3種基準(zhǔn)油的ELR測(cè)試過(guò)程中A、B、C轉(zhuǎn)速的不透光煙度值。試驗(yàn)結(jié)果顯示，從國(guó)Ⅲ到國(guó)Ⅴ，煙度值一致呈降低的趨勢(shì)。這是由于國(guó)Ⅲ燃油密度較大，燃油中包含的碳比例較高，生成的干碳煙較多。

3 結(jié)論

對(duì)SCR后處理國(guó)Ⅴ柴油機(jī)分別利用國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ柴油進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：

(1)從國(guó)Ⅲ到國(guó)Ⅴ，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩都逐漸降低，燃油消耗量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但是燃油品質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性影響不大；

(2)燃用國(guó)Ⅲ油不能滿足法規(guī)第五階段排放要求，主要是顆粒物排放過(guò)高；燃用國(guó)Ⅳ油和國(guó)Ⅴ油均能滿足法規(guī)階段Ⅴ的要求；

(3)從國(guó)Ⅲ到國(guó)Ⅴ，隨著燃油品質(zhì)的提高，ESC測(cè)試產(chǎn)生的NOx排放逐漸降低，但ETC測(cè)試產(chǎn)生的NOx排放逐漸升高；

(4)隨著油品中含硫量的增大，ESC和ETC測(cè)試的顆粒物排放都增加。

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