基准柴油对DOC+POC国Ⅳ发动机SO2和NO2排放的影响研究

王凤滨 陈熊 尹超

（中国汽车技术研究中心）

基准柴油对DOC+POC国Ⅳ发动机SO2和NO2排放的影响研究

王凤滨 陈熊 尹超

（中国汽车技术研究中心）

采用高硫含量和国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ标准硫含量的基准柴油，在发动机台架上进行国IV DOC+POC柴油机的ESC和ETC测试，并利用FTIR气体分析仪对SO2和NO2排放进行测量。对比研究了有、无DOC+POC下柴油机的SO2和NO2排放特性。结果表明，DOC+POC后处理可有效减小SO2的排放，稳态循环下高硫柴油SO2平均降低56%，国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ柴油分别降低29.89%、30.32%和27.81%；瞬态循环下SO2排放无明显趋势；与原机相比，稳态ESC和瞬态ETC的NO2排放均增加。

1 前言

尽管SO2和NO2未纳入柴油发动机常规污染物监测范围内[1]，但随着排放标准的日益严格，未来可能会将二次污染物纳入法规要求。

柴油氧化催化器（DOC）可以有效减少HC和CO，并氧化颗粒物中可溶性有机物和部分碳烟；颗粒物氧化催化器（POC）载体上涂有一层薄的含铂涂层，可以收集碳烟且在DOC氧化生成的NO2作用下与碳烟反应生成CO2[2、3]。DOC+POC后处理是国内中小功率发动机普遍采用的技术路线。目前国内市场上已普及国Ⅲ柴油，极少数大城市为国Ⅳ和国Ⅴ柴油，但个别地方甚至仍在使用国Ⅱ柴油。为应对由于地域因素造成的燃油水平差异，研究不同油品对DOC+POC后处理发动机SO2和NO2的排放具有很强的现实意义。

本文对一台国Ⅳ柴油机分别燃用高硫含量和国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ标准硫含量的基准柴油进行稳态测试循环（ESC）和瞬态测试循环（ETC）试验[4]，研究分析原机和加装后处理装置后的SO2和NO2排放趋势。

2 试验系统与方案

2.1 试验设备

试验所用的排放测试系统为AVL生产的部分流采样测试系统，其采用AVL i60分析仪，整个台架系统组成如图1所示。使用Horiba MEXA-6000FT傅立叶红外光谱分析仪（FTIR）测试SO2和NO2，测量范围分别为0～200×10-6和0～500×10-6。

FTIR分析仪可测量NH3、NO2和NOx等30多种不同气体成分，其工作原理为：红外光源发出的入射光经过受激辐射式光频放大器到达光束分裂器，分成的两束光经过不同路径后产生光程差，发生干涉现象，再聚集到MCT红外探测器进行检测；在干涉光的光路上放置试样，试样吸收了其中某些频率的能量而使得干涉图的强度曲线发生变化；干涉图经过计算机采集后经过快速傅立叶变换，从而得到吸光度或透光率随波长或波数变化的红外谱图，通过与标准谱图对照，可对排气中各种物质进行定性分析。

2.2 试验发动机

试验发动机的基本参数如表1所列。

表1 试验发动机基本参数

2.3 试验燃油

国Ⅲ柴油选用天津市售柴油，国Ⅴ柴油为北京市售柴油，国Ⅳ柴油和高硫柴油为中国石化专门生产的符合法规要求的基准燃油。4种燃油的基本特性参数如表2所列。

2.4 试验方案

基于DOC+POC对油品存在的敏感性，首先使用国Ⅴ柴油进行ESC和ETC试验[3]。为保证试验结果的一致性和重复性，ESC和ETC分别进行两次。按照国Ⅳ、国Ⅲ和高硫柴油的顺序依次进行。更换燃油时，发动机在额定点热车900 s，充分燃烧发动机及油耗仪中剩余燃油。

表2 燃油特性

带后处理装置发动机完成试验后，拆除后处理装置，按照后处理装置的试验项目进行原机排放测试，以研究原机和加装后处理装置后的SO2和NO2排放特性。

3 试验结果分析

3.1 SO2与油耗的关系

图2所示为发动机原机的油耗与SO2的关系。可以看出，SO2排放与油耗有很好的一致性，对于大部分工况，油耗高，SO2的排放也较高。此外，比较4种燃油下的SO2排放可以看出，燃油中含硫量越大，SO2排放越大。以A100工况为例，高硫柴油是国Ⅲ柴油的2.6倍、国Ⅳ柴油的4.4倍和国Ⅴ柴油的6倍。这主要是由于燃油中的硫含量燃烧后在排气中主要以SO2的形式存在，油耗的大小直接影响到SO2的排放。燃油中硫含量高，在油耗相同的情况下，使得排气中硫元素的绝对量大，SO2排放水平高。

3.2 ESC循环下SO2排放

图3为各种燃油加装后处理装置前、后的SO2排放对比。可以看出，原机和加装后处理装置后各工况的排放趋势一致，加装后处理装置后4种燃油的SO2排放均下降，高硫柴油降低幅度最大，降幅为56%，国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ柴油分别降低29.89%、30.32%和27.81%。这是因为DOC将排气中的SO2在氧化催化剂的作用下快速转化为SO3，生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒，从而使SO2的排放减少，但增加了颗粒物的排放量[11]。

图4给出了各种燃油在安装后处理装置后ESC各工况的SO2降低比例。高硫柴油排气温度高，DOC的反应活性较高，但高硫柴油生成的硫化物会覆盖在金属载体上，降低反应活性。随着油品质量提高，SO2的降低幅度逐渐有变小的趋势，这是由排气温度存在差别而使DOC的氧化效率降低导致的。

燃油燃烧过程中，SO2的生成除了与燃油的硫含量及硫的存在形式有关外，还与燃烧过程中O2浓度有关。对于常规燃烧系统，SO2一般占硫氧化物的95%以上，其中1%～5%进一步氧化成SO3，1%～3%转化为硫酸盐颗粒[5]。

DOC+POC对于SO2有氧化的作用，燃油中的硫在氧化催化器的作用下，在一定温度下形成SO2，SO2进一步氧化生成SO3[6]。

反应（1）是一个放热可逆的过程，从平衡角度看，降温有利于其正方向反应[7]。

在A100、A75、B100、B75、C100、C75和C50大负荷工况下SO2下降比重大。这是由于一方面，大负荷工况油耗高，排气量大，高硫柴油的热值高，放热率大，缸内燃烧温度高，使DOC中氧化效率高，特别是高转速大负荷工况下，排气温度差别大，SO2降低的比例差别悬殊。以C100工况为例，4种燃油的排气温度分别为444℃、438℃、433℃和431℃。另一方面，高硫柴油SO2的绝对量大，在氧浓度差别不大的情况下，正反应同样生成更多的SO3。

3.3 ETC循环下SO2排放

由各种燃油在加装DOC+POC后ETC循环下SO2的排放分布可以看出，整个ETC循环高硫柴油的SO2排放浓度几乎都在15×10-6以上，而其余各燃油峰值也仅在15×10-6左右。4种燃油的SO2平均值（图5）分别为32.1×10-6、9.1×10-6、8×10-6和5.9×10-6，这与高硫柴油中的硫含量高有关。从排放趋势看，SO2与油耗趋势一致，负荷突变时SO2也会有峰值出现。

表3为各种燃油ETC循环下SO2排放平均值对比。可以看出，安装后处理装置后，高硫柴油SO2下降24.7%，国Ⅲ柴油下降16.1%，而国Ⅳ柴油和国Ⅴ柴油分别增加17.1%和25.0%。

表3 原机和加装后处理装置后ETC的SO2排放对比

相比ESC下各种燃油SO2均下降的趋势，ETC下排气温度较ESC工况低，DOC的氧化能力下降，导致加装后处理后SO2氧化成SO3等固态硫化物的几率小。而国Ⅳ和国Ⅴ柴油SO2增加则因为排气温度低，DOC氧化能力偏低，SO2的浓度低使式（1）发生更多的逆反应；DOC+ POC中可能残留的硫化物被氧化也会增大SO2的排放。

3.4 ESC循环下NO2排放

图6为原机和加装后处理装置的NO2排放对比。可以看出，带DOC+POC后，NO2的浓度大幅度上升，且国Ⅴ柴油的NO2排放量最大，高硫柴油最低；国Ⅳ和国Ⅴ柴油的NO2排放水平趋于一致，而国Ⅲ低于国Ⅳ柴油。从工况特点看，中高转速特别是大负荷下，NO2的增加尤为明显，但在A25和B25工况下NO2降低幅度最小。

由于国Ⅴ柴油总体上颗粒物的排放水平低，且多为可溶性有机物，碳的总量低，DOC氧化生成的NO2在经过POC后，多余的NO2被排出；另外，高硫柴油氧化生成的硫酸盐等固态物质覆盖在催化剂的表面，使得氧化剂活性降低，限制了NO2的生成。而大负荷工况下，更多的NO被DOC氧化成NO2。A25和B25工况的原机出现一峰值,这是由于该工况下氧浓度较高，且温度低，从而使得正反应的几率增大，NO2排放升高。可见，尽管安装后处理后常规排放物有所降低，但是会衍生生成二次污染物NO2。

3.5 ETC循环下NO2排放

图7为4种柴油ETC循环下的NO和NO2排放浓度平均值。可以看出，从高硫柴油到国Ⅴ柴油，NO浓度逐渐降低，而NO2逐渐增大。这与ESC稳态NO2的排放趋势一致。

4 结束语

通过对装备DOC+POC国Ⅳ柴油机燃用4种基准柴油的SO2和NO2排放测试，得到以下结论：

a.SO2排放与油耗有很好的一致性，且SO2的排放和燃油中的含硫量直接相关。

b.安装DOC+POC后，ESC循环下，高硫柴油SO2平均降低了56%，国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ柴油分别降低了29.89%、30.32%和27.81%。发动机大负荷工况下SO2下降比重大。

c.安装DOC+POC后，ETC循环下，高硫柴油SO2下降了24.7%，国Ⅲ柴油下降了16.1%，而国Ⅳ和国Ⅴ柴油分别增加了17.1%和25.0%，SO2的排放趋势没有明显规律。

d.ESC和ETC循环下，安装后处理装置会导致NO2的浓度大幅度上升，且国Ⅴ柴油的NO2排放量最大，高硫柴油最低。说明燃油品质越好，NO2的排放越大，且负荷越大，生成的NO2越大。

1 周维,王雪松,张远航，等.我国NOx污染状况与环境效应及综合控制策略.北京大学学报(自然科学版),2008（2）: 323～330.

2 高章，刘双喜，颜伏伍，等.国IV柴油机NO2及NH3排放特性试验研究.汽车工程，2010（7）:32～38.

3 李树会.POC—轻型柴油车国Ⅲ/Ⅳ后处理方案.内燃机, 2008（6）:40～46.

4 GB17691-2005《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）》.北京：中国标准出版社，2005．

5 姚芝茂，欧阳朝斌，滕云.燃油锅炉燃烧过程SO2的生成与排放特性.环境工程学报,2009，3（11）：2037～2042.

6 蒙小聪．轻型车柴油机国IV排放技术研究:[学位论文]．上海：上海交通大学，2009，18～20．

7 刘守涛，王海彦.磺化装置SO2转化塔的数据分析及热量利用的途径.当代化工，2005，34（3）：226～228.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2015年8月1日。

Research on the Influence of Standard Diesel on Emission Performance of SO2and NO2for China IV Diesel Engines with DOC and POC

Wang Fengbin,Chen Xiong,Yin Chao
（China Automotive Technology and Research Center）

With standard diesel containing high sulfur,standard diesels with China III-,China IV-and China V standard sulfur content,ESC and ETC tests are carried out for a China IV diesel engine equipped with DOC and POC,the SO2and NO2emitted from the engines with and without after-treatments DOC+POC are measured with FTIR gas analyzer, their emission characteristics are compared and analyzed.The results show that DOC+POC system can reduce the emission of SO2effectively by 56%on average for high sulfur diesel in steady state,whereas China III-,China IV-and China V diesels are reduced by 29.89%,30.32%and 27.81%respectively;while the SO2emission in transient cycle shows no noticeable trend.Compared with the original engine,NO2emission increases both in steady state ESC and transient state ETC.

China IV engine，DOC+POC，Standard diesel，SO2，NO2

国Ⅳ发动机 DOC+POC 基准柴油 SO2NO2

U464

A

1000-3703（2015）10-0052-05