BL1160203满足北京第四阶段排放标准的柴油组成与排放关系的研究

1满足北京第四阶段排放标准的柴油组成与排放关系的研究

项目汇报清华大学汽车安全与节能国家重点实验室2提纲课题任务试验研究方案柴油品质对发动机性能影响硫含量对后处理性能影响总结3课题任务研究十六烷值对柴油机性能和排放的影响研究馏程对柴油机性能和排放的影响研究燃油密度对柴油机性能和排放的影响研究硫含量对柴油机后处理活性及耐久性的影响4试验研究方案在Cummins公司提供的欧III、欧IV柴油机平台上进行试验研究柴油的十六烷值、硫含量和蒸馏特性对发动机性能和排放的影响在欧IV柴油机平台进行试验，研究柴油硫含量对尿素SCR性能的影响5试验用柴油机欧IIII柴油机参数型号CumminsISBe6气缸数6缸径×行程(mm)102×120总排量(L)5.9压缩比17.5最大功率/转速(kW/r

min-1)136/2500最大扭矩/转速(N

m/r

min-1)690/1250进气系统增压中冷燃油供给系统高压共轨欧IV柴油机参数型号CumminsISBe4气缸数4总排量(L)4.5压缩比17.3最大功率/转速(kW/r

min-1)103/2500最大扭矩/转速(N

m/r

min-1)550/1500进气系统增压中冷燃油供给系统高压共轨后处理系统尿素SCR欧IV柴油机NOx催化剂SCR尿素喷射装置6试验用发动机台架示意图测试内容动力性、经济性气态排放物NOx、HC、CO（SCR前后）微粒及其三组分排放ESC循环排放检测缸内压力及燃烧放热规律SO2检测7试验用油品参数项目欧III0#欧II0#欧3I#欧3II#T90,℃终馏点,℃318327334346315325318331硫含量,ppm110760150300十六烷值47.050.955.055.1芳香烃,%(v/v)1010密度(20℃),kg/m3842.1845.8838.2839.0除欧II0#柴油参数差异稍大，欧III0#和欧3I#柴油的T90，密度参数基本相同，据此考察柴油十六烷值对欧III柴油机排放性能的影响欧III柴油机8试验用油品参数试验用柴油硫含量范围42～520ppm1#、6#柴油除十六烷值和硫含量外，其它参数基本相同3#、4#柴油除蒸馏特性和硫含量外，其它参数基本相同柴油编号1#2#3#4#5#6#7#8#T50，℃T90，℃终馏点，℃300355365284.7318.1343.3284.5317.5343.8270.7299.4340265330342300355365272.1333.8346.5272329343硫含量(ppm)190421112145105204530十六烷值51.964.364.865.147.955.950.151.2总芳烃多环芳烃10--5.82.16.12.55.42.211--11----4.88.5--密度(20℃)，kg/m3835.0809.8809.8810.0842.5832.2838.4833.8欧IV柴油机9提纲课题任务试验研究方案柴油品质对发动机性能影响动力性硫含量对发动机性能影响十六烷值对发动机性能影响蒸馏特性对发动机性能影响芳香烃对发动机性能影响密度对发动机性能影响欧IV柴油机排放预测拟合公式硫含量对后处理性能影响总结10动力性外特性曲线（欧III柴油机）

试验用欧III、欧IV柴油机使用不同油品参数柴油，外特性扭矩差异小于1%

油品参数对电喷柴油机的动力性影响很小外特性曲线（欧IV柴油机）11硫含量对发动机性能影响综述硫天然存在于原油中，如在石油炼制过程中未被除去，则会被带入车用燃料硫对发动机气态排放物没有影响，但柴油中硫在排气和大气环境中形成硫酸盐，对微粒排放具有显著贡献无论柴油硫含量、硫存在形态和发动机类型，燃料硫均会以约1%～3%的比例转化为硫酸盐成为微粒的一部分硫燃烧生成的气态SO2排放约50％在大气中通过化学反应生成二次硫酸盐微粒，增加大气颗粒物总量

～49%SO2在大气中转化为硫酸盐（二次微粒排放）～49%SO2气态存在大气中1～3%直接转化为硫酸盐（一次微粒）SO2100％硫酸盐98％SO212硫含量对发动机性能影响将欧III、欧IV柴油机所有试验用柴油数据进行汇总，分析硫含量对PM中硫酸盐成分的影响对部分柴油负荷特性SO2排放进行检测，分析柴油硫含量对发动机气态硫排放的影响柴油编号1#2#3#4#5#6#7#8#T50，℃T90，℃终馏点，℃300355365284.7318.1343.3284.5317.5343.8270.7299.4340265330342300355365272.1333.8346.5272329343硫含量(ppm)190421112145105204530十六烷值51.964.364.865.147.955.950.151.2总芳烃多环芳烃10--5.82.16.12.55.42.211--11----4.88.5--密度(20℃)，kg/m3835.0809.8809.8810.0842.5832.2838.4833.813硫含量柴油硫含量对PM排放的影响PM随柴油硫含量增加而上升（SOF和DS变化不大）其中，硫酸盐排放随硫含量增加而线性增加硫含量由42ppm增至510ppm，PM中硫酸盐比例由4%上升至24%PM排放随柴油硫含量变化（欧IV柴油机，ESC循环，SCR前）S42S510PM三组分质量分数随柴油硫含量变化（欧IV柴油机，ESC循环，SCR前）14硫含量硫含量对硫酸盐和SO2排放的影响SO2排放量随柴油硫含量变化（欧IV柴油机，1500r/min，SCR前）ESC循环结果表明：硫含量500ppm时的硫酸盐排放量，比50ppm高约0.008g/kW.h，仅此一项就占欧IV排放法规PM限值（0.02g）的40％随着硫含量的增加，气态SO2排放量呈线性增加硫酸盐排放随硫含量变化（欧IV柴油机，1500r/min负荷特性及ESC循环，SCR前）15硫含量硫对一次、二次硫酸盐微粒排放量影响柴油硫含量达到约670ppm时，ESC循环硫酸盐排放量即达到欧IV法规PM限值硫含量350ppm的国3柴油，ESC循环硫酸盐排放量约0.01g/kW.h，占欧IV限值的50%欧IV柴油（50ppm），ESC循环硫酸盐排放量约0.0015g/kW.h，占欧IV限值小于10%大气二次硫酸盐微粒是一次硫酸盐微粒质量的25倍；如考虑二次硫酸盐微粒污染，硫含量150ppm的柴油其硫酸盐排放量即已超出欧III排放法规0.1g/kW.h的PM限值要求16硫含量总结讨论柴油硫含量的降低不但可以降低柴油机直接排出的硫酸盐颗粒排放，还可以大幅降低大气中总颗粒物浓度，对于柴油机法规达标和改善首都空气质量具有明显的有利效果硫含量降低带来的有利效果对于任何技术水平的柴油机均适用，故大幅降低柴油硫含量是降低北京柴油机微粒排放的有效手段，同时降硫也是一个无可争议的国际趋势为尽可能降低硫在大气中二次颗粒物的生成量，建议将柴油硫含量限制在50ppm以下，而更严格的硫含量限值应结合排气后处理装置的实际情况确定17十六烷值十六烷值对比试验用油品参数项目欧III0#欧II0#欧3I#T90,℃终馏点,℃318327334346315325硫含量,ppm110760150十六烷值47.050.955.0芳香烃,%(v/v)10密度(20℃),kg/m3842.1845.8838.2柴油编号1#6#T90，℃终馏点，℃355365355365硫含量(ppm)190520十六烷值51.955.9总芳烃1011密度(20℃)，kg/m3835.0832.2欧III柴油机十六烷值对比试验油品参数欧IV柴油机十六烷值对比试验油品参数

欧III柴油机试验油十六烷值范围47~55

欧IV柴油机试验油十六烷值52、56。十六烷值高，滞燃期缩短，预混合燃烧比例减小，NOx排放降低十六烷值高，燃料着火性好，燃烧完全，HC和SOF排放降低

18十六烷值燃油消耗率十六烷值52和56时的对比结果：CN52在趋势上稍高于CN56柴油，但差异在1%以内八种油对比结果：十六烷值在48～65范围内变化，油耗随十六烷值提高有降低趋势，但差异不大于3％，平均来看，十六烷值增加一个单位造成的油耗变化小于0.2%比油耗（两种油对比，欧IV柴油机）比油耗（八种试验用油，欧IV柴油机）19十六烷值NOx排放油品编号CNNOx(g/kW.h)1#5211.76#5611.9Delta2%NOx排放结果（欧IV柴油机，ESC循环）

欧IV柴油机，十六烷值由52增加至56，NOx略增（2%），十六烷值上升一个单位NOx增加0.5％欧III柴油机，十六烷值47～55范围内，NOx变化趋势无规律（变化范围6％）NOx排放结果（欧IV柴油机，1500r/min）NOx排放结果（欧III柴油机，ESC）20十六烷值PM排放欧IV柴油机，CN由52增加至56，同等硫含量PM降低约5％，源于SOF成分降低约20%欧III柴油机，CN由47增加至55，同等硫含量PM增大约20％，主要是DS排放量上升40％十六烷值增加一个单位造成欧IV柴油机PM排放降低2％、欧III柴油机PM排放上升2.5％随发动机不同以及排放控制技术的不同，十六烷值对PM排放的影响规律和程度不同PM排放结果（欧IV柴油机，ESC循环）PM排放（欧IV柴油机，1500r/min负荷特性）油品编号CNSPMSOFSulfateDS1#521900.0270.0140.0030.0106#565200.0280.0110.0060.011Delata-20%8%PM排放（欧III柴油机，ESC）21十六烷值燃烧放热率

对于试验用欧IV柴油机，十六烷值由52上升至56对着火始点、着火持续期和放热率形状影响不大，故对NOx影响很小，同时十六烷值高的柴油着火特性好使得HC和SOF排放量降低缸内压力与燃烧放热率曲线（欧IV柴油机，1500r/min中等负荷）22十六烷值国外研究数据对比与讨论根据国外研究数据：十六烷值在45～60范围内增加一个单位造成的NOx排放平均降低0.5%（-1%~1%）；PM平均降低1%（-3%~2%）本研究结果表明：CN增加一个单位造成欧IV柴油机NOx排放增加0.5%、PM排放降低1％《世界燃油规范》尽管认为增加十六烷值可以显著降低NOx排放并改善油耗，但其数据表明十六烷值由50上升至58造成NOx降低小于10%，BSFC改善小于2%，影响幅度较小目前欧洲第三、四阶段油品标准和北京地方标准《车用柴油》均规定十六烷值高于51；即使在此基础上提高4～5个单位（同世界燃油规范），对NOx和PM影响也不超过5％，而且炼制成本会提高，因此建议维持柴油十六烷值下限51不同研究单位使用不同柴油机按不同测试循环运行得到油品排放相关性在趋势和幅度上均存在差异

23蒸馏特性T90发动机性能欧IV柴油机蒸馏特性对比试验油品参数柴油编号3#4#T90，℃终馏点，℃317.5343.8299.4340硫含量(ppm)111214十六烷值64.865.1总芳烃多环芳烃6.12.55.42.2密度(20℃)，kg/m3809.8810.0对试验用欧IV柴油机，T90由318℃下降至300℃对燃油消耗率影响在1%以内，且无明显规律，T90对燃油消耗率无显著影响。

柴油蒸馏特性温度T90/T95表征柴油中重质成分的多少，重质成分难以完全燃烧，含量过多会增加柴油机的碳烟排放、尾气烟度和微粒排放24蒸馏特性T90NOx和PM排放欧IV柴油机NOx、PM排放结果（欧IV柴油机，ESC循环）T90由318℃下降至300℃造成NOx排放降低约5％；PM有降低趋势但总量基本恒定，其中DS成分保持恒定，SOF成分稍有降低柴油蒸馏特性温度T90下降10℃造成欧IV柴油机NOx排放降低3％、PM稍有降低趋势编号T90S(ppm)NOxPMSOFSulfateDS3#31811111.50.0220.0090.0020.0114#30021410.50.0230.0090.0030.011Delta-9%-8%2%25蒸馏特性T90燃烧放热率T90由318℃下降至300℃对放热率形状、燃烧始点和着火持续期总体影响不大，但T90较低时预混和燃烧比例稍大，扩散燃烧比例相应稍有减少

T90降低，燃烧加快，导致柴油机SOF和HC排放量随T90降低而有所下降缸内压力与燃烧放热率曲线（欧IV柴油机，1500r/min小负荷）26蒸馏特性T90国外研究数据对比与讨论根据国外研究数据：

T90/T95在320℃～370℃范围内每降低10℃造成NOx排放平均降低0.5%（-1％~1%）；PM排放平均升高0.5%（-2%~3%）本研究结果表明：柴油蒸馏特性温度T90下降10℃造成欧IV柴油机NOx排放降低3％、PM稍有降低趋势，基本相符《世界燃油规范》认为T95变化对重型柴油机排放降低影响并不显著，但降低T95具有降低NOx的趋势降低T90对改善欧IV柴油机NOx和PM排放有利，结合欧洲第四阶段油品标准和北京地方标准《车用柴油》的规定，建议对柴油T90/T95进行限制27芳香烃与多环芳香烃国外研究数据对比与讨论

芳香烃是具有至少一个苯环的燃油分子，其对排放的影响主要有两个方面：1.芳香烃C/H高，燃烧火焰温度高，芳烃含量增加造成NOx排放量上升；2.芳香烃（特别是多环芳香烃）作为碳烟生成前驱体，其含量增加导致PM排放上升柴油芳香烃含量在10%~35%范围内变化，芳香烃每增加5％，柴油机的NOx平均增加3%（0%~15%）、PM平均增加1%（-9％～15％）《世界燃油规范》认为降低柴油芳香烃可以显著降低NOx排放，但其数据表明芳香烃总量由30%降至10%对NOx改善约5%，影响幅度较小-9％15％28芳香烃与多环芳香烃国外研究数据对比与讨论

柴油多环芳香烃含量在1%~10%范围内每增加1％，柴油机的NOx平均增加1％（0.5%~2%）、PM平均增加2%（0％～5％）《世界燃油规范》认为降低多环芳香烃可以降低PM排放，其数据表明多环芳香烃含量由9%降至1%对PM改善约6%降低柴油的芳香烃和多环芳香烃含量对改善柴油机NOx和PM排放有利，且多环芳香烃影响效果更为明显；欧洲第三、第四阶段柴油标准和北京地方标准《车用柴油》均限定多环芳香烃低于11％，建议维持柴油多环芳香烃含量在11％以下29密度国外研究数据对比与讨论

柴油密度对柴油机的喷油时刻、喷油规律会产生影响，同时还影响喷入缸内油束的喷雾锥角和贯穿距离，对柴油机缸内燃烧过程和污染物生成有所影响柴油密度在820~855kg/m3范围内每增加10kg/m3，柴油机的NOx平均增加1％（-0.5%~2.5%）、PM平均增加1%（-1％～9％）《世界燃油规范》认为降低柴油密度会降低重型柴油机的NOx和PM排放，但其数据表明将柴油密度由855kg/m3降至828kg/m3

排放改善幅度小于5%，影响幅度很小

降低柴油密度对柴油机NOx和PM排放影响很有限，但出于发动机性能优化的考虑，必须将柴油密度控制在较窄的带内30欧IV柴油机排放预测拟合公式部分项目根据研究结果使用多参数线性拟合得到柴油机排放随主要柴油品质参数变化拟合公式

欧洲EPEFE项目重型柴油机拟合公式：NOx=-1.75444+0.00906*DEN+0.0163*POLY–0.00493*CN+0.00265*T95PM=(0.06959+0.00006*DEN+0.00065*POLY–0.00001*CN)[1-0.000086(450-Sulfur)]其中，排放：(g/kW.h)；Den：密度(g/l)；CN：十六烷值；Sulphur：柴油硫含量(ppm)；POLY：多环芳香烃含量(%wt)；T95：95％蒸馏温度(℃)

美国EPA-HDEWG项目重型柴油机拟合公式：NOx(g/hp-hr)=-1.334+0.00413*Den+0.00337*CN+0.00646*MonoAro+0.00763*PolyAro31欧IV柴油机排放预测拟合公式使用多参数线性拟合的方法，得到欧IV柴油机NOx、PM和CO排放随柴油十六烷值、芳香烃含量、T90和硫含量变化的拟合公式NOx=-1.16+

0.0137*Aro+0.029*T90+0.0481*CN

R2=0.863PM=0.027+

0.00002*Aro+0.000022*T90–0.000215*CN+0.000013*S

R2=0.95其中，排放：(g/kW.h)；CN：十六烷值；S：柴油硫含量(ppm)；Aro：芳香烃含量(%wt)；T90：90％蒸馏温度(℃)NOx排放随柴油十六烷值、T90和芳香烃含量的增加而上升，同文献调研结果相符，也同油品参数解耦试验结果一致PM排放随硫含量、T90和芳香烃含量增加而上升、随十六烷值增加而下降，同文献调研结果相符，也同油品参数解耦试验结果一致32欧IV柴油机排放预测拟合公式试验用柴油的ESC循环NOx、PM排放实际值同公式预测值对比公式预测结果同实际结果比较接近，相关系数R2值也在0.85以上33欧IV柴油机排放预测拟合公式不同项目拟合公式各项参数前置因子对比本项目立足欧IV柴油机，与EPEFE和EPA项目得到NOx和PM数值在量上存在显著差距，故不能直接将两者结果在数值上对比，仅能分析各参数前置因子的趋势NOx拟合公式与EPEFE和EPA拟合公式各项基本对应，但十六烷值的影响趋势同EPA项目相同而同EPEFE相反由于欧IV柴油机PM排放量很低，故PM拟合公式各项前置因子均很小，但各参数的影响趋势同EPEFE项目相同34提纲课题任务试验研究方案柴油品质对发动机性能影响硫含量对后处理性能影响硫含量对SCR初始性能短期影响

硫含量对SCR老化性能影响总结35硫含量后处理系统影响综述硫对柴油机后处理存在很大的影响

NOx吸附催化器、NOx选择催化还原器SCR、颗粒捕集器DPF、氧化后处理DOC硫会导致NOx吸附催化器中毒并失效连续再生和催化再生柴油机颗粒捕集器（CR-DRF、CDPF）将SO2氧化成为硫酸盐，削弱PM降低效果，且硫会降低CR-DPF再生效率DOC将发动机排出的SO2大部氧化为硫酸盐（最多达100％），增加PM排放SCR系统的抗硫性很强，含硫量350ppm影响不大36硫含量后处理系统影响硫含量对SCR系统初始性能影响

短时间使用硫含量42～520ppm柴油对SCR系统性能没有明显影响短时间使用含硫量500ppm柴油不会导致性能恶化37硫含量后处理系统老化性能影响老化试验方案

为验证SCR催化器在低温下是否会由于硫老化而暂时失效，在高温条件下是否存在热老化现象，结合发动机排温图，设计实验方案如下：采用硫含量50ppm的欧IV柴油，对SCR催化器进行120小时老化实验，实验分为四个阶段：30h低温老化、30h高温老化、30h低温老化和30h高温老化高温老化低温老化38硫含量后处理系统老化性能影