SCR系统国Ⅴ柴油机适用基准燃油的排放试验研究

关 敏，王凤滨，高俊华

(1.中国环境科学研究院，北京 100012； 2.中国汽车技术研究中心，天津 300162)

前言

目前我国各地区的燃油品质不尽相同，北京已全面供应硫质量分数低于10×10-6的国Ⅴ柴油，某些发达地区供应硫质量分数小于50×10-6的国Ⅳ柴油，而全国大部分地区还是以硫质量分数350×10-6的国Ⅲ柴油为主，柴油品质对柴油机的可靠性、经济性、动力性和排放有着至关重要的影响[1]，直接关系到排放标准的顺利实施。

目前我国市场上柴油存在十六烷值低、含硫量高和多环芳烃比例大等特点[2],权衡油品对发动机排放法规实施的影响显得尤为紧迫。

本文中以共轨加装SCR后处理的国Ⅴ发动机作为研究对象，按照GB 17691—2005试验项目，分别使用符合法规要求的国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ基准柴油进行ESC、ETC和ELR试验，并对发动机的动力性和经济性进行评价。

1 试验系统与方案

1.1 试验设备

试验所用的排放测试设备包括AVL生产的CVS i60全流稀释采样测试系统、AMA i60气体分析仪、PSS i60颗粒物采样系统和AVL 439不透光烟度计。图1为台架试验系统的示意图。

1.2 试验发动机

试验发动机的基本参数如表1所示。

表1 试验发动机基本参数

1.3 试验燃油

国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ柴油均采用中国石化生产的符合法规要求的基准燃油。3种燃油的基本特性参数如表2所示。

表2 燃料特性

1.4 试验方案

按照GB 17691—2005的试验要求，使用国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ基准柴油分别进行发动机外特性、稳态循环(European steady state cycle，ESC)，负荷烟度试验(European load response test，ELR)和瞬态循环(European transient cycle，ETC)试验[3]。为保证试验结果的一致性和重复性，ESC、ETC和ELR分别进行两次试验取平均值。更换燃油时，发动机在额定点热车15min，充分燃烧发动机和油耗仪中剩余燃油。

2 试验结果与分析

2.1 动力性和经济性

图2为燃用国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ柴油的动力性的对比。图3为燃油经济性的对比。

由图2可以看出，从国Ⅲ到国Ⅴ，发动机的功率和转矩都逐渐降低，低转速下的差别尤为明显。国Ⅲ相比国Ⅴ转矩的最大偏差为3.62%。原因是与国Ⅲ和国Ⅳ相比，国Ⅴ柴油的热值低，密度小，体积热值更低。在供油系统不作任何调整的情况下，发动机动力性降低。

由图3可以看出，从国Ⅲ到国Ⅴ，燃油消耗量呈现降低的趋势。国Ⅲ与国Ⅴ油耗量最大偏差为2.72%。发动机供油系统不作任何调整时，体积供油量基本保持不变，国Ⅴ油的密度小，油耗量降低。但是燃油品质对于油耗率的影响规律不明显，油耗量降低，发动机输出功率同样减小。总体上，国Ⅴ油的油耗率最低，这是由于国Ⅴ柴油十六烷值高，滞燃期短，燃料着火性能好，燃烧更充分，单位质量的输出功率大。

2.2 排放性能

表3为基准燃油下ESC和ETC试验的平均值。可以看出，按ESC测试结果，国Ⅲ油的PM排放为国Ⅴ法规规定的0.02 g/(kW·h)限值的3.1倍。若考虑发动机耐久性试验的替代劣化系数，国Ⅲ油ETC的颗粒物测试结果乘以1.1后[4]，为0.030 8 g/(kW·h)，也超出法规限值。但国Ⅳ和国Ⅴ各排放物均符合法规要求。

表3 基准燃油排放平均值 g/(kW·h)

总体上看，无论稳态还是瞬态测试，PM随着燃油含硫量的增加而增大；ESC的NOx与油品质量的特性一致，即国Ⅴ的NOx最小，但ETC与ESC的规律相反。CO排放量相对很少，变化规律不明显，但是国Ⅴ油的CO排放最低。此外，所有燃油试验过程中均没有产生THC。

图4为ESC循环13工况下的CO浓度的对比，可以看出，几乎任何工况下国Ⅴ燃油的CO生成量都最低。怠速和高转速下国Ⅲ油的CO排放最高；而中低转速时，特别是小负荷下的国Ⅳ油排放最高。分析原因是国Ⅴ柴油黏度最低，燃油雾化较好，且其十六烷值也较大，燃油着火性也更好，这些因素都促进燃油的完全燃烧，降低了CO的排放。

图5为ESC循环13工况下的NOx浓度对比，可以看出，各工况的情况不尽相同，但总体上国Ⅴ燃油NOx排放量最低，国Ⅲ的NOx排放量最高。发动机在中高负荷工况下，这种趋势很明显。

分析原因是国Ⅴ柴油的多环芳烃的比例小，使火焰燃烧温度降低；另外，燃油中C/H比大，高温燃烧时，燃油的氧浓度偏低[5]。较低的温度和相对缺氧的状态导致NOx生成量降低。

ETC测试得到的NOx与油品质量恰恰相反，即国Ⅲ油NOx排放最低，国Ⅴ油NOx排放最高。国Ⅴ比国Ⅳ高5.7%，而国Ⅳ比国Ⅲ高25.7%左右。

研究发现，国ⅢETC循环排气温度平均值为307.4℃，NOx平均浓度为6.63×10-6，国Ⅳ排气温度为299.7℃，NOx为8.23×10-6，国Ⅴ排气温度为287.4℃，NOx为8.49×10-6。分析原因是较高的排气温度以及氨吸附能力的增大，使得国Ⅲ油在瞬态测试过程中能够更有效地降低NOx排放，提高转化效率。为更直观地考查NOx生成状况，图6给出了3种油品ETC循环1 800s下的NOx浓度。从图6中可以看出，尽管国Ⅲ油生成的NOx尖峰值最大，但是在图6所示3个区域中，NOx排放量远低于国Ⅳ和国Ⅴ的值。进一步分析发现，这3个区域均是发动机高速大负荷伴随着反拖工况，大负荷时排气温度高，尿素喷射量增大，而燃油绝对量的增大同样使硫类化合物量增加，导致中间产物硫酸铵的增加[6]，而当发动机处于工况变换时，存储的氨释放，还原NOx。此外，使用氨分析仪测试NH3泄漏，国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ的NH3排放平均值分别为14.78×10-6、16.21×10-6和16.96×10-6。这也证明了使用国Ⅲ油排放测试时，更多的NH3参与了还原反应。

颗粒物排放的趋势随着燃油品质的变化规律很明显，即燃油中含硫量的增大导致PM的排放增大。含硫量的增加，燃烧形成的硫酸盐增多，导致发动机排放的颗粒物质量升高[7]，此外，还可能由于中间产物能够催化碳烟的生成，使总的颗粒物质量增加[8]。

至于ELR的测试结果，国Ⅲ油ELR烟度为0.066 8m-1;国Ⅳ油为0.057 3m-1; 国Ⅴ油为 0.048 2m-1，均满足法规限值要求。图7为3种基准油的ELR测试过程中A、B、C转速的不透光烟度值。试验结果显示，从国Ⅲ到国Ⅴ，烟度值一致呈降低的趋势。这是由于国Ⅲ燃油密度较大，燃油中包含的碳比例较高，生成的干碳烟较多。

3 结论

对SCR后处理国Ⅴ柴油机分别利用国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ柴油进行测试，结果表明：

(1)从国Ⅲ到国Ⅴ，发动机的功率和转矩都逐渐降低，燃油消耗量呈现降低的趋势，但是燃油品质对发动机的燃油经济性影响不大；

(2)燃用国Ⅲ油不能满足法规第五阶段排放要求，主要是颗粒物排放过高；燃用国Ⅳ油和国Ⅴ油均能满足法规阶段Ⅴ的要求；

(3)从国Ⅲ到国Ⅴ，随着燃油品质的提高，ESC测试产生的NOx排放逐渐降低，但ETC测试产生的NOx排放逐渐升高；

(4)随着油品中含硫量的增大，ESC和ETC测试的颗粒物排放都增加。

[1] 张淑华.柴油品质对发动机性能及排放的影响[C]. 中国汽车工程学会燃料与润滑油分会第十二届年会论文集,2007: 241-244.

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[3] GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV、V阶段)》[S].北京：中国标准出版社，2005: 11-14.

[4] HJ 438—2008《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排放控制系统耐久性技术要求》[S].北京：科学出版社，2008: 2-5.

[5] Rob Lee. Fuel Quality Impact on Heavy Duty Diesel Emissions: A Literature Review [C]. SAE Paper 982649.

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