不同柴油品質對氮氧化物排放的影響分析

解瀚光 高俊華 張 凡

（中國汽車技術研究中心天津300300）

不同柴油品質對氮氧化物排放的影響分析

解瀚光 高俊華 張 凡

（中國汽車技術研究中心天津300300）

選用兩款柴油發動機，分別為不采用后處理的國Ⅲ柴油發動機和采用SCR后處理系統的國Ⅴ柴油發動機，使用四種不同成分的柴油（國Ⅲ，國Ⅳ，國Ⅴ及費托柴油）進行試驗，分析負荷特性、外特性、ESC循環和ETC循環等試驗中NOx的變化趨勢。結果表明：國Ⅲ發動機在無后處理條件下燃用四種燃料，部分負荷時各類柴油對NOx排放影響較小，在外特性時費托柴油低速時NOx排放高于國標柴油，高速時NOx排放略低于國標柴油；而采用SCR后處理的國Ⅴ發動機燃用四種燃料，NOx排放均維持在較低水平，國Ⅲ柴油負荷特性趨勢與其他國標柴油略有不同，費托柴油低速大負荷時NOx排放高于三類國標柴油。

柴油發動機柴油氮氧化物SCR

引言

隨著排放法規要求的不斷提高，市場上相繼出現國Ⅲ，國Ⅳ和國Ⅴ柴油，并出現三種規格柴油并存這一特殊現象。柴油品質的提升使柴油含硫量不斷降低，對發動機顆粒物控制起到了促進作用。根據我國能源“富煤多氣少油”現狀，發展費托柴油等合成柴油不失為解決我國能源問題的一個思路。

文獻研究表明，不同燃料對于柴油發動機燃燒及排放性能均有影響[1]。十六烷值是衡量燃料著火性能的指標，相關試驗證明，十六烷值增加，NOx排放會相應減少[2-3]。同時，餾程也會對排放造成影響，餾程溫度的降低會使缸內混合氣增加，NOx排放略有增加。燃料密度也對排放具有一定影響，密度的增加會使NOx排放增加。由于芳香烴碳氫比高,燃燒火焰溫度高，它的增加造成NOx排放量上升[4-5]。

研究表明，SCR在柴油機中的主要影響因素為空速和催化器溫度[6-7]。而催化器溫度主要取決于排氣溫度，當排氣溫度較低時，NOx轉化效率隨排氣溫度增加而升高[8]；當催化器溫度達到300℃后，NOx轉化效率可保持在較高水平，且變化較小[9]。

隨著排放法規的不斷加嚴，對于NOx排放的控制要求也不斷提升，研究不同燃料對發動機NOx排放的影響及對SCR系統催化效率的影響至關重要。為考察不同燃料對柴油機NOx排放性能的影響，采用4種不同燃料，使用不安裝后處理的國Ⅲ柴油發動機及安裝有SCR后處理系統的國Ⅴ柴油發動機進行試驗研究。

1 試驗用發動機和儀器設備

1.1 試驗發動機

本文采用的兩款發動機基本參數見表1。

表1 發動機基本參數

1.2 試驗用儀器設備

試驗測試系統為AVL全流稀釋排放測試系統，測試系統基本參數見表2。

表2 試驗測試系統

1.3 試驗燃料

表3為四種試驗燃料的理化指標，用以考察不同燃料對于NOx排放性能的影響。

表3 基礎油品的理化指標[10]

2 試驗方案

在不改變發動機任何參數的前提下，首先采集國Ⅲ發動機2 000 r/min時負荷特性和外特性的排放數據以分析無后處理時不同燃料對柴油機NOx排放的影響；隨后使用國Ⅴ發動機，選擇相同工況，觀察NOx排放的變化趨勢，并通過ESC（歐洲穩態測試循環）排放結果和ETC（歐洲瞬態測試循環）排放結果綜合驗證以上結論。

3 試驗結果分析

3.1 不同柴油對無后處理國Ⅲ發動機NOx排放影響分析

根據表3分析，國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ柴油最大差別體現于硫含量，國Ⅲ柴油硫含量約為國Ⅳ柴油的10倍，國Ⅴ柴油的30倍。相比國標柴油，費托柴油十六烷值高，含硫量低，理化特性均優于國標柴油。

圖1 國Ⅲ無后處理發動機使用不同柴油在2 000 r/min時NOx排放隨負荷的變化趨勢

圖1 為無后處理的國Ⅲ發動機使用國Ⅲ、國Ⅳ、國Ⅴ柴油及費托柴油在2 000 r/min時NOx排放隨負荷的變化趨勢。從圖1可以觀察到4種燃料NOx排放量均隨負荷增加而增加，這是因為供油量的增加使缸內燃燒溫度增加，缸內環境更易生成NOx。縱觀三種國標燃料同一負荷的變化趨勢，可以看出三者差異不大，表明硫含量對于缸內NOx的生成影響較小。對比費托柴油與國標柴油的NOx變化趨勢，二者差別也很小，說明理化特性變化對部分負荷時NOx排放結果的影響較小。

圖2為國Ⅲ無后處理發動機使用不同柴油在外特性下的NOx排放變化趨勢，從圖2可以看出，四者變化趨勢相同，分別在1 300 r/min和2 500 r/min時NOx排放較高。對比使用國標柴油的NOx排放曲線，國Ⅳ柴油NOx排放量略高于其他兩類國標柴油，這是因為國Ⅳ柴油密度較大且餾程溫度相對較低，這一現象在負荷特性曲線上得以驗證。

對比國標柴油與費托柴油之間的差別，在低轉速時費托柴油NOx排放量高于國Ⅴ柴油，而在1600r/min后國Ⅴ柴油NOx排放量略高于費托柴油，這是因為在低轉速時由于費托柴油的運動粘度和餾程均小于國Ⅴ柴油，柴油在缸內更易蒸發，混合氣數量增加缸內燃燒溫度增加，且轉速較低時高溫持續時間較長，使用費托柴油時更易生成NOx；而在高轉速時費托柴油十六烷值高的特點得以顯現，滯燃期縮短使NOx排放量略低于國V柴油。

圖2 國Ⅲ無后處理發動機使用不同柴油在外特性下NOx的變化趨勢

3.2 不同柴油對國Ⅴ發動機NOx排放影響分析

由于SCR轉化效率較高，國Ⅴ發動機采用SCR作為后處理已達到控制NOx排放的效果，故本部主要研究不同燃料對于SCR轉化效率的影響。

圖3為采用SCR的國Ⅴ發動機使用不同柴油2 000 r/min時排氣溫度及NOx排放隨負荷的變化勢。從圖3可以看出，各類柴油的排氣溫度隨負荷加不斷增加，排氣溫度在負荷大于30%時均可達350°C以上，因此排氣溫度的變化對NOx排放影響較小。

從圖3中各負荷時NOx的排放趨勢可知，采用SCR的國Ⅴ發動機使用4種燃料均保持較低的NOx排放水平。國Ⅳ柴油與國Ⅴ柴油僅在個別負荷存在差異，多數負荷一致性較強，但國Ⅲ柴油由于物理性質及十六烷值與其他2種國標柴油存在差異使NOx排放結果略有不同；50%負荷以下時隨負荷增加NOx排放量增加，大于60%負荷時國Ⅲ柴油的NOx排放量大幅度降低。同時對比費托柴油與國標柴油，當負荷小于70%時，國標柴油NOx排放量高于費托柴油，大于70%負荷時，費托柴油的NOx排放要高于國Ⅳ和國Ⅴ柴油，但略小于國Ⅲ柴油。以上現象說明，隨著負荷增加，排氣溫度逐漸增加，SCR轉化效率提升，但當排氣溫度高于300℃時，對SCR的轉化效率影響不大。小負荷時原機NOx生成量相對較少；大負荷時供油量增加，缸內燃燒溫度增加，NOx排放增加，但此時排氣溫度較高，SCR轉化效率較高，各類柴油NOx排放可保持在較低水平。

圖3 采用SCR的國Ⅴ發動機使用不同柴油在2 000 r/min時NOx排放隨負荷的變化趨勢

圖4 采用SCR的國Ⅴ發動機使用不同柴油在外特性下的NOx變化趨勢

圖4 為采用SCR的國Ⅴ發動機使用不同柴油在外特性下的NOx排放變化趨勢，從圖4可以看出，3種國標柴油在1 800 r/min以下NOx排放維持在20× 10-6以下且小范圍波動，在1 900 r/min至2 000 r/min時NOx排放量逐漸上升，在2 000 r/min時達到40× 10-6以上，導致這一現象的因素為流速增加，SCR轉化效率下降。隨后由于發動機轉速超過額定功率點，NOx迅速下降。NOx排放量在外特性時均能保持在50×10-6以下。

縱觀3種國標柴油外特性時的表現，可以發現，國Ⅲ柴油在外特性時NOx排放高于其他兩種國標柴油，這是因為含硫量的增加導致硫酸鹽的生成，而外特性時廢氣排放量較大，硫酸鹽對SCR的轉化效率造成一定影響。對比分析國標柴油與費托柴油NOx排放，費托柴油在1 900 r/min以下時，NOx排放大于國標柴油，此現象在1 200 r/min時更加明顯；同時，費托柴油排氣溫度在各轉速時均小于國標柴油，由于費托柴油理化特性的不同，導致后燃期縮短，排氣溫度降低，使低轉速時NOx排放量略高于國標柴油。

通過ESC循環和ETC循環綜合分析發動機各工況下NOx隨油品的變化趨勢，根據國Ⅴ法規中ESC工況計算方法，計算A、B、C三個轉速，分別為1 333 r/min、1 661 r/min和1 989 r/min。如圖5、圖6所示，工況2和工況10國Ⅲ柴油的NOx排放量遠大于其他2種國標柴油，這2個工況分別為1 333 r/min和1 989 r/min最大功率點，同時，國Ⅲ柴油有8個工況NOx比排放量大于其他2種國標柴油，占總工況數的61%,且NOx排放最高值均出現于國Ⅲ柴油，費托柴油NOx排放量除1 333 r/min外均小于國標柴油。從圖6可以得出相類似的結論，國Ⅲ柴油NOx比排放相對較高，費托柴油NOx比排放最低。且4種柴油均滿足國Ⅴ排放法規要求（2.0 g/（kW·h））[11]，4種燃料的差異不會對排放法規結果造成較大影響。

圖5 不同柴油ESC循環NOx排放趨勢

圖6 不同柴油ESC循環NOx比排放對比

圖7 為ETC循環時的NOx比排放量區別，從圖7可以看出，三者在ETC循環時NOx排放量差異較小，且均保持較低水平，但由于國Ⅲ柴油密度較大，循環功存在差異（國Ⅲ柴油循環功為37.08 kW/h，國Ⅳ柴油為36.52 kW/h，國Ⅴ柴油36.72 kW/h，費托柴油36.58 kW/h）等因素導致NOx比排放量較小，如圖8所示，但四者均保持在國V排放法規限值（2.0 g/（kW·h））以內。

圖7 不同柴油ETC循環NOx排放趨勢

圖8 不同柴油ETC循環NOx比排放對比

4 結論

1）在無后處理的國Ⅲ發動機上對比不同柴油對NOx排放的影響，負荷特性和外特性時，國Ⅳ柴油NOx排放略高于其他兩類國標柴油。

2）在無后處理的國Ⅲ發動機上對比費托柴油和國標柴油對NOx排放的影響，負荷特性時差別較小，但在外特性時，費托柴油低轉速NOx排放高于國標柴油，高轉速NOx排放低于國標柴油。

3）對采用SCR的國Ⅴ發動機NOx排放結果進行分析可知，由于后處理系統轉化效率較高，國Ⅳ和國Ⅴ柴油NOx變化影響較小，但國Ⅲ柴油NOx比排放上升，瞬態時由于循環功的增加導致NOx比排放降低。

4）綜合各工況表現可知，穩態時費托柴油的NOx排放略低于國標柴油；瞬態時費托柴油的NOx排放略高于國標柴油。

1王鳳濱，景曉軍，高俊華，等.燃用費托柴油對國Ⅳ柴油機性能的影響[J].汽車技術，2012（10）：7-10

2解方喜，孫萬臣，李國良，等.燃料十六烷值對小型柴油機排放特性的影響[J].吉林大學學報（工學版），2008，38（5）：1024-1028

3陳文淼，吳復甲，王建昕，等.十六烷值對歐-Ⅳ柴油機燃燒與排放性能的影響[J].內燃機工程，2008，29（6）：1-5

4陳文淼，王建昕，帥石金，等.柴油品質對發動機排放性能的影響[J].汽車工程，2008，30（8）：657-663

5R alphMcGill,John Storey,Robert Wagner,et al.Emission performance of selected biodiesel fuels[C].SAE Paper 2003-01-1866

6Johann C Wurzenberger,Roland Wanker．Multi-scale SCR modeling 1D kinetic analysis and 3D system simulation[C]．SAE Paper 2005-01-0948

7Strugess M P,Benjamin S F,Roberts C A．Spatial conversion profiles within an SCR in a test exhaust system with injection of ammonia gas modeled in CFD using the porous medium approach[C]．SAE Paper 2010-01-2089

8馬軍彥，李君，曲大為，等.柴油機SCR系統尿素分解效率研究[J].農業機械學報.2015，46（6）：282-286

9姜磊，葛蘊珊，李璞，等.柴油機尿素SCR后處理系統排放特性試驗研究[J].內燃機工程，2010，31（5）:30-35

10高俊華.燃油品質對重型柴油機排放特性影響的試驗與研究[D].天津：天津大學，2013

11國家環境保護總局、國家質量監督檢驗檢疫總局．GB17961-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）[S]．北京:中國環境科學出版社，2005

Analysis of the Effect of Diesel Quality on the Nitrogen Oxide Emission

Xie Hanguang,Gao Junhua,Zhang Fan
China Automotive Technology and Research Center(Tianjin,300300,China）

This paper chooses two kinds of diesel engines which are GBⅢdieseal engine with no aftertreatment system and GBⅤdieseal engine with SCR after-treatment system respectively.The test uses four kinds of diesel(GBⅢ,GBⅣ，GBⅤand fischer-tropsch diesel)with different ingredients.The test conducted the experiment of load characteristics,external characteristic,ESC Test Cycle and ETC Test Cycle to analyze the regularity of NOxemission.The results show that GBⅢdiesel engine without aftertreatment fueled with four kinds of diesel had some impact on NOxemission.All kind of diesel has little effect on NOxemissions at part load.The NOxemission of fischer-tropsch diesel is higher than that of GB diesel at low speed and slightly lower than that of GB diesel at high speed.And the GBⅤengine with SCR aftertreatment system fueled with four kinds of diesel had some impact on NOxemission.The four kinds of fuel can cause lower level of NOxemission,but GBⅢdiesel is a little different between other GB diesel at the load characteristics.The NOxemission of fischer-tropsch diesel is higher than others at heavy load.

Diesel engine,Diesel oil,NOx,SCR

U473.1+2

A

2095-8234（2016）05-0052-05

2016-07-21）

解瀚光（1981—），男，碩士，主要研究方向為發動機試驗及排放。

《小型內燃機與車輛技術》編輯部