SCR系統國Ⅴ柴油機適用基準燃油的排放試驗研究

關 敏，王鳳濱，高俊華

(1.中國環境科學研究院，北京 100012； 2.中國汽車技術研究中心，天津 300162)

前言

目前我國各地區的燃油品質不盡相同，北京已全面供應硫質量分數低于10×10-6的國Ⅴ柴油，某些發達地區供應硫質量分數小于50×10-6的國Ⅳ柴油，而全國大部分地區還是以硫質量分數350×10-6的國Ⅲ柴油為主，柴油品質對柴油機的可靠性、經濟性、動力性和排放有著至關重要的影響[1]，直接關系到排放標準的順利實施。

目前我國市場上柴油存在十六烷值低、含硫量高和多環芳烴比例大等特點[2],權衡油品對發動機排放法規實施的影響顯得尤為緊迫。

本文中以共軌加裝SCR后處理的國Ⅴ發動機作為研究對象，按照GB 17691—2005試驗項目，分別使用符合法規要求的國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ基準柴油進行ESC、ETC和ELR試驗，并對發動機的動力性和經濟性進行評價。

1 試驗系統與方案

1.1 試驗設備

試驗所用的排放測試設備包括AVL生產的CVS i60全流稀釋采樣測試系統、AMA i60氣體分析儀、PSS i60顆粒物采樣系統和AVL 439不透光煙度計。圖1為臺架試驗系統的示意圖。

1.2 試驗發動機

試驗發動機的基本參數如表1所示。

表1 試驗發動機基本參數

1.3 試驗燃油

國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ柴油均采用中國石化生產的符合法規要求的基準燃油。3種燃油的基本特性參數如表2所示。

表2 燃料特性

1.4 試驗方案

按照GB 17691—2005的試驗要求，使用國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ基準柴油分別進行發動機外特性、穩態循環(European steady state cycle，ESC)，負荷煙度試驗(European load response test，ELR)和瞬態循環(European transient cycle，ETC)試驗[3]。為保證試驗結果的一致性和重復性，ESC、ETC和ELR分別進行兩次試驗取平均值。更換燃油時，發動機在額定點熱車15min，充分燃燒發動機和油耗儀中剩余燃油。

2 試驗結果與分析

2.1 動力性和經濟性

圖2為燃用國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ柴油的動力性的對比。圖3為燃油經濟性的對比。

由圖2可以看出，從國Ⅲ到國Ⅴ，發動機的功率和轉矩都逐漸降低，低轉速下的差別尤為明顯。國Ⅲ相比國Ⅴ轉矩的最大偏差為3.62%。原因是與國Ⅲ和國Ⅳ相比，國Ⅴ柴油的熱值低，密度小，體積熱值更低。在供油系統不作任何調整的情況下，發動機動力性降低。

由圖3可以看出，從國Ⅲ到國Ⅴ，燃油消耗量呈現降低的趨勢。國Ⅲ與國Ⅴ油耗量最大偏差為2.72%。發動機供油系統不作任何調整時，體積供油量基本保持不變，國Ⅴ油的密度小，油耗量降低。但是燃油品質對于油耗率的影響規律不明顯，油耗量降低，發動機輸出功率同樣減小。總體上，國Ⅴ油的油耗率最低，這是由于國Ⅴ柴油十六烷值高，滯燃期短，燃料著火性能好，燃燒更充分，單位質量的輸出功率大。

2.2 排放性能

表3為基準燃油下ESC和ETC試驗的平均值。可以看出，按ESC測試結果，國Ⅲ油的PM排放為國Ⅴ法規規定的0.02 g/(kW·h)限值的3.1倍。若考慮發動機耐久性試驗的替代劣化系數，國Ⅲ油ETC的顆粒物測試結果乘以1.1后[4]，為0.030 8 g/(kW·h)，也超出法規限值。但國Ⅳ和國Ⅴ各排放物均符合法規要求。

表3 基準燃油排放平均值 g/(kW·h)

總體上看，無論穩態還是瞬態測試，PM隨著燃油含硫量的增加而增大；ESC的NOx與油品質量的特性一致，即國Ⅴ的NOx最小，但ETC與ESC的規律相反。CO排放量相對很少，變化規律不明顯，但是國Ⅴ油的CO排放最低。此外，所有燃油試驗過程中均沒有產生THC。

圖4為ESC循環13工況下的CO濃度的對比，可以看出，幾乎任何工況下國Ⅴ燃油的CO生成量都最低。怠速和高轉速下國Ⅲ油的CO排放最高；而中低轉速時，特別是小負荷下的國Ⅳ油排放最高。分析原因是國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，這些因素都促進燃油的完全燃燒，降低了CO的排放。

圖5為ESC循環13工況下的NOx濃度對比，可以看出，各工況的情況不盡相同，但總體上國Ⅴ燃油NOx排放量最低，國Ⅲ的NOx排放量最高。發動機在中高負荷工況下，這種趨勢很明顯。

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

ETC測試得到的NOx與油品質量恰恰相反，即國Ⅲ油NOx排放最低，國Ⅴ油NOx排放最高。國Ⅴ比國Ⅳ高5.7%，而國Ⅳ比國Ⅲ高25.7%左右。

研究發現，國ⅢETC循環排氣溫度平均值為307.4℃，NOx平均濃度為6.63×10-6，國Ⅳ排氣溫度為299.7℃，NOx為8.23×10-6，國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Ⅲ油在瞬態測試過程中能夠更有效地降低NOx排放，提高轉化效率。為更直觀地考查NOx生成狀況，圖6給出了3種油品ETC循環1 800s下的NOx濃度。從圖6中可以看出，盡管國Ⅲ油生成的NOx尖峰值最大，但是在圖6所示3個區域中，NOx排放量遠低于國Ⅳ和國Ⅴ的值。進一步分析發現，這3個區域均是發動機高速大負荷伴隨著反拖工況，大負荷時排氣溫度高，尿素噴射量增大，而燃油絕對量的增大同樣使硫類化合物量增加，導致中間產物硫酸銨的增加[6]，而當發動機處于工況變換時，存儲的氨釋放，還原NOx。此外，使用氨分析儀測試NH3泄漏，國Ⅲ、國Ⅳ和國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Ⅲ油排放測試時，更多的NH3參與了還原反應。

顆粒物排放的趨勢隨著燃油品質的變化規律很明顯，即燃油中含硫量的增大導致PM的排放增大。含硫量的增加，燃燒形成的硫酸鹽增多，導致發動機排放的顆粒物質量升高[7]，此外，還可能由于中間產物能夠催化碳煙的生成，使總的顆粒物質量增加[8]。

至于ELR的測試結果，國Ⅲ油ELR煙度為0.066 8m-1;國Ⅳ油為0.057 3m-1; 國Ⅴ油為 0.048 2m-1，均滿足法規限值要求。圖7為3種基準油的ELR測試過程中A、B、C轉速的不透光煙度值。試驗結果顯示，從國Ⅲ到國Ⅴ，煙度值一致呈降低的趨勢。這是由于國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 結論

對SCR后處理國Ⅴ柴油機分別利用國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ柴油進行測試，結果表明：

(1)從國Ⅲ到國Ⅴ，發動機的功率和轉矩都逐漸降低，燃油消耗量呈現降低的趨勢，但是燃油品質對發動機的燃油經濟性影響不大；

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

(3)從國Ⅲ到國Ⅴ，隨著燃油品質的提高，ESC測試產生的NOx排放逐漸降低，但ETC測試產生的NOx排放逐漸升高；

(4)隨著油品中含硫量的增大，ESC和ETC測試的顆粒物排放都增加。

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