不同柴油品质对氮氧化物排放的影响分析

解瀚光 高俊华 张 凡

（中国汽车技术研究中心天津300300）

不同柴油品质对氮氧化物排放的影响分析

解瀚光 高俊华 张 凡

（中国汽车技术研究中心天津300300）

选用两款柴油发动机，分别为不采用后处理的国Ⅲ柴油发动机和采用SCR后处理系统的国Ⅴ柴油发动机，使用四种不同成分的柴油（国Ⅲ，国Ⅳ，国Ⅴ及费托柴油）进行试验，分析负荷特性、外特性、ESC循环和ETC循环等试验中NOx的变化趋势。结果表明：国Ⅲ发动机在无后处理条件下燃用四种燃料，部分负荷时各类柴油对NOx排放影响较小，在外特性时费托柴油低速时NOx排放高于国标柴油，高速时NOx排放略低于国标柴油；而采用SCR后处理的国Ⅴ发动机燃用四种燃料，NOx排放均维持在较低水平，国Ⅲ柴油负荷特性趋势与其他国标柴油略有不同，费托柴油低速大负荷时NOx排放高于三类国标柴油。

柴油发动机柴油氮氧化物SCR

引言

随着排放法规要求的不断提高，市场上相继出现国Ⅲ，国Ⅳ和国Ⅴ柴油，并出现三种规格柴油并存这一特殊现象。柴油品质的提升使柴油含硫量不断降低，对发动机颗粒物控制起到了促进作用。根据我国能源“富煤多气少油”现状，发展费托柴油等合成柴油不失为解决我国能源问题的一个思路。

文献研究表明，不同燃料对于柴油发动机燃烧及排放性能均有影响[1]。十六烷值是衡量燃料着火性能的指标，相关试验证明，十六烷值增加，NOx排放会相应减少[2-3]。同时，馏程也会对排放造成影响，馏程温度的降低会使缸内混合气增加，NOx排放略有增加。燃料密度也对排放具有一定影响，密度的增加会使NOx排放增加。由于芳香烃碳氢比高,燃烧火焰温度高，它的增加造成NOx排放量上升[4-5]。

研究表明，SCR在柴油机中的主要影响因素为空速和催化器温度[6-7]。而催化器温度主要取决于排气温度，当排气温度较低时，NOx转化效率随排气温度增加而升高[8]；当催化器温度达到300℃后，NOx转化效率可保持在较高水平，且变化较小[9]。

随着排放法规的不断加严，对于NOx排放的控制要求也不断提升，研究不同燃料对发动机NOx排放的影响及对SCR系统催化效率的影响至关重要。为考察不同燃料对柴油机NOx排放性能的影响，采用4种不同燃料，使用不安装后处理的国Ⅲ柴油发动机及安装有SCR后处理系统的国Ⅴ柴油发动机进行试验研究。

1 试验用发动机和仪器设备

1.1 试验发动机

本文采用的两款发动机基本参数见表1。

表1 发动机基本参数

1.2 试验用仪器设备

试验测试系统为AVL全流稀释排放测试系统，测试系统基本参数见表2。

表2 试验测试系统

1.3 试验燃料

表3为四种试验燃料的理化指标，用以考察不同燃料对于NOx排放性能的影响。

表3 基础油品的理化指标[10]

2 试验方案

在不改变发动机任何参数的前提下，首先采集国Ⅲ发动机2 000 r/min时负荷特性和外特性的排放数据以分析无后处理时不同燃料对柴油机NOx排放的影响；随后使用国Ⅴ发动机，选择相同工况，观察NOx排放的变化趋势，并通过ESC（欧洲稳态测试循环）排放结果和ETC（欧洲瞬态测试循环）排放结果综合验证以上结论。

3 试验结果分析

3.1 不同柴油对无后处理国Ⅲ发动机NOx排放影响分析

根据表3分析，国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ柴油最大差别体现于硫含量，国Ⅲ柴油硫含量约为国Ⅳ柴油的10倍，国Ⅴ柴油的30倍。相比国标柴油，费托柴油十六烷值高，含硫量低，理化特性均优于国标柴油。

图1 国Ⅲ无后处理发动机使用不同柴油在2 000 r/min时NOx排放随负荷的变化趋势

图1 为无后处理的国Ⅲ发动机使用国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ柴油及费托柴油在2 000 r/min时NOx排放随负荷的变化趋势。从图1可以观察到4种燃料NOx排放量均随负荷增加而增加，这是因为供油量的增加使缸内燃烧温度增加，缸内环境更易生成NOx。纵观三种国标燃料同一负荷的变化趋势，可以看出三者差异不大，表明硫含量对于缸内NOx的生成影响较小。对比费托柴油与国标柴油的NOx变化趋势，二者差别也很小，说明理化特性变化对部分负荷时NOx排放结果的影响较小。

图2为国Ⅲ无后处理发动机使用不同柴油在外特性下的NOx排放变化趋势，从图2可以看出，四者变化趋势相同，分别在1 300 r/min和2 500 r/min时NOx排放较高。对比使用国标柴油的NOx排放曲线，国Ⅳ柴油NOx排放量略高于其他两类国标柴油，这是因为国Ⅳ柴油密度较大且馏程温度相对较低，这一现象在负荷特性曲线上得以验证。

对比国标柴油与费托柴油之间的差别，在低转速时费托柴油NOx排放量高于国Ⅴ柴油，而在1600r/min后国Ⅴ柴油NOx排放量略高于费托柴油，这是因为在低转速时由于费托柴油的运动粘度和馏程均小于国Ⅴ柴油，柴油在缸内更易蒸发，混合气数量增加缸内燃烧温度增加，且转速较低时高温持续时间较长，使用费托柴油时更易生成NOx；而在高转速时费托柴油十六烷值高的特点得以显现，滞燃期缩短使NOx排放量略低于国V柴油。

图2 国Ⅲ无后处理发动机使用不同柴油在外特性下NOx的变化趋势

3.2 不同柴油对国Ⅴ发动机NOx排放影响分析

由于SCR转化效率较高，国Ⅴ发动机采用SCR作为后处理已达到控制NOx排放的效果，故本部主要研究不同燃料对于SCR转化效率的影响。

图3为采用SCR的国Ⅴ发动机使用不同柴油2 000 r/min时排气温度及NOx排放随负荷的变化势。从图3可以看出，各类柴油的排气温度随负荷加不断增加，排气温度在负荷大于30%时均可达350°C以上，因此排气温度的变化对NOx排放影响较小。

从图3中各负荷时NOx的排放趋势可知，采用SCR的国Ⅴ发动机使用4种燃料均保持较低的NOx排放水平。国Ⅳ柴油与国Ⅴ柴油仅在个别负荷存在差异，多数负荷一致性较强，但国Ⅲ柴油由于物理性质及十六烷值与其他2种国标柴油存在差异使NOx排放结果略有不同；50%负荷以下时随负荷增加NOx排放量增加，大于60%负荷时国Ⅲ柴油的NOx排放量大幅度降低。同时对比费托柴油与国标柴油，当负荷小于70%时，国标柴油NOx排放量高于费托柴油，大于70%负荷时，费托柴油的NOx排放要高于国Ⅳ和国Ⅴ柴油，但略小于国Ⅲ柴油。以上现象说明，随着负荷增加，排气温度逐渐增加，SCR转化效率提升，但当排气温度高于300℃时，对SCR的转化效率影响不大。小负荷时原机NOx生成量相对较少；大负荷时供油量增加，缸内燃烧温度增加，NOx排放增加，但此时排气温度较高，SCR转化效率较高，各类柴油NOx排放可保持在较低水平。

图3 采用SCR的国Ⅴ发动机使用不同柴油在2 000 r/min时NOx排放随负荷的变化趋势

图4 采用SCR的国Ⅴ发动机使用不同柴油在外特性下的NOx变化趋势

图4 为采用SCR的国Ⅴ发动机使用不同柴油在外特性下的NOx排放变化趋势，从图4可以看出，3种国标柴油在1 800 r/min以下NOx排放维持在20× 10-6以下且小范围波动，在1 900 r/min至2 000 r/min时NOx排放量逐渐上升，在2 000 r/min时达到40× 10-6以上，导致这一现象的因素为流速增加，SCR转化效率下降。随后由于发动机转速超过额定功率点，NOx迅速下降。NOx排放量在外特性时均能保持在50×10-6以下。

纵观3种国标柴油外特性时的表现，可以发现，国Ⅲ柴油在外特性时NOx排放高于其他两种国标柴油，这是因为含硫量的增加导致硫酸盐的生成，而外特性时废气排放量较大，硫酸盐对SCR的转化效率造成一定影响。对比分析国标柴油与费托柴油NOx排放，费托柴油在1 900 r/min以下时，NOx排放大于国标柴油，此现象在1 200 r/min时更加明显；同时，费托柴油排气温度在各转速时均小于国标柴油，由于费托柴油理化特性的不同，导致后燃期缩短，排气温度降低，使低转速时NOx排放量略高于国标柴油。

通过ESC循环和ETC循环综合分析发动机各工况下NOx随油品的变化趋势，根据国Ⅴ法规中ESC工况计算方法，计算A、B、C三个转速，分别为1 333 r/min、1 661 r/min和1 989 r/min。如图5、图6所示，工况2和工况10国Ⅲ柴油的NOx排放量远大于其他2种国标柴油，这2个工况分别为1 333 r/min和1 989 r/min最大功率点，同时，国Ⅲ柴油有8个工况NOx比排放量大于其他2种国标柴油，占总工况数的61%,且NOx排放最高值均出现于国Ⅲ柴油，费托柴油NOx排放量除1 333 r/min外均小于国标柴油。从图6可以得出相类似的结论，国Ⅲ柴油NOx比排放相对较高，费托柴油NOx比排放最低。且4种柴油均满足国Ⅴ排放法规要求（2.0 g/（kW·h））[11]，4种燃料的差异不会对排放法规结果造成较大影响。

图5 不同柴油ESC循环NOx排放趋势

图6 不同柴油ESC循环NOx比排放对比

图7 为ETC循环时的NOx比排放量区别，从图7可以看出，三者在ETC循环时NOx排放量差异较小，且均保持较低水平，但由于国Ⅲ柴油密度较大，循环功存在差异（国Ⅲ柴油循环功为37.08 kW/h，国Ⅳ柴油为36.52 kW/h，国Ⅴ柴油36.72 kW/h，费托柴油36.58 kW/h）等因素导致NOx比排放量较小，如图8所示，但四者均保持在国V排放法规限值（2.0 g/（kW·h））以内。

图7 不同柴油ETC循环NOx排放趋势

图8 不同柴油ETC循环NOx比排放对比

4 结论

1）在无后处理的国Ⅲ发动机上对比不同柴油对NOx排放的影响，负荷特性和外特性时，国Ⅳ柴油NOx排放略高于其他两类国标柴油。

2）在无后处理的国Ⅲ发动机上对比费托柴油和国标柴油对NOx排放的影响，负荷特性时差别较小，但在外特性时，费托柴油低转速NOx排放高于国标柴油，高转速NOx排放低于国标柴油。

3）对采用SCR的国Ⅴ发动机NOx排放结果进行分析可知，由于后处理系统转化效率较高，国Ⅳ和国Ⅴ柴油NOx变化影响较小，但国Ⅲ柴油NOx比排放上升，瞬态时由于循环功的增加导致NOx比排放降低。

4）综合各工况表现可知，稳态时费托柴油的NOx排放略低于国标柴油；瞬态时费托柴油的NOx排放略高于国标柴油。

1王凤滨，景晓军，高俊华，等.燃用费托柴油对国Ⅳ柴油机性能的影响[J].汽车技术，2012（10）：7-10

2解方喜，孙万臣，李国良，等.燃料十六烷值对小型柴油机排放特性的影响[J].吉林大学学报（工学版），2008，38（5）：1024-1028

3陈文淼，吴复甲，王建昕，等.十六烷值对欧-Ⅳ柴油机燃烧与排放性能的影响[J].内燃机工程，2008，29（6）：1-5

4陈文淼，王建昕，帅石金，等.柴油品质对发动机排放性能的影响[J].汽车工程，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马军彦，李君，曲大为，等.柴油机SCR系统尿素分解效率研究[J].农业机械学报.2015，46（6）：282-286

9姜磊，葛蕴珊，李璞，等.柴油机尿素SCR后处理系统排放特性试验研究[J].内燃机工程，2010，31（5）:30-35

10高俊华.燃油品质对重型柴油机排放特性影响的试验与研究[D].天津：天津大学，2013

11国家环境保护总局、国家质量监督检验检疫总局．GB17961-2005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:中国环境科学出版社，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，硕士，主要研究方向为发动机试验及排放。

《小型内燃机与车辆技术》编辑部