燃用較差油品對國五SCR柴油機性能和排放影響的試驗研究

尹 超，王鳳濱，李騰騰，邱 君

(中國汽車技術研究中心，天津 300162)

前言

柴油的物理性質(密度、黏度、蒸餾特性等)和化學性質(十六烷值、HC結構、硫含量)影響燃燒特性，對柴油機原機排放和后處理系統(tǒng)的老化都有重要的影響［1－2］，世界各國在制定各階段排放法規(guī)的同時，都對相應階段的燃油理化性質進行了規(guī)定。

北京市針對第五階段排放法規(guī)的需要，已于2012年5月31日，實施了新的《車用柴油》(DB 11/239—2012)地方標準，以配套供應相應標準的車用燃油［3］。由于機動車輛流動性很大，在北京市燃用第五階段柴油(國五柴油)能夠滿足國五排放標準的重型柴油車，出京以后難免會添加第三階段柴油(國三柴油)甚至更差的油品。出京試驗就是基于底盤測功機或發(fā)動機臺架，模擬國五車輛駛出北京以后較長時間內使用較差油品的現(xiàn)象，并考察試驗前后車輛(發(fā)動機)性能和排放劣化的情況。

本文中基于發(fā)動機臺架，對兩臺完全相同的國五SCR柴油機在分別燃用國三柴油和國五柴油的情況下，各進行了125h耐久性試驗。并在耐久性試驗前后，均使用國五柴油對兩臺發(fā)動機進行性能和排放試驗。考察國五SCR柴油機使用較差油品后性能和排放的劣化情況，并與正常使用國五柴油發(fā)動機的劣化情況進行對比。

1 耐久性臺架試驗

1.1 試驗燃油

燃油品質(如黏度、十六烷值、硫含量等)影響柴油機的燃燒過程，進而影響柴油機排放［4－5］。本試驗所用國三柴油和國五柴油的主要技術指標如表1所示，分別滿足GB 17691—2005關于第三階段基準柴油和北京市地方標準DB 11/239—2012關于第五階段用油的規(guī)定。由表可知，國三柴油的密度、硫含量和芳烴含量都大大高于國五柴油，但十六烷值較低。

表1 燃油技術指標

1.2 試驗對象和測試設備

表2為試驗發(fā)動機的基本參數(shù)。表3為本試驗所用的主要測試設備。

表2 試驗發(fā)動機參數(shù)

表3 測試設備

1.3 試驗方法

本試驗對兩臺相同的配置SCR后處理的國五發(fā)動機，在分別燃用國三柴油和國五柴油的條件下，根據(jù) GB 20890—2007［6］規(guī)定的發(fā)動機臺架耐久性試驗循環(huán)，各進行了125h耐久性試驗。每循環(huán)5h，換算為整車道路行駛里程800km。因此，所完成的耐久性臺架試驗相當于整車道路行駛2萬km。

耐久性試驗前后，均采用國五柴油對兩臺發(fā)動機進行外特性試驗、ESC和ETC排放試驗，考察國五發(fā)動機使用較差油品后的動力性和排放的劣化情況，并與正常使用國五柴油的發(fā)動機的劣化情況進行對比。其中使用國三柴油進行耐久性試驗的發(fā)動機，在使用國五柴油進行外特性和排放試驗前，應先運行一段時間，以保證油路中的國三柴油燃盡。

2 試驗結果分析

2.1 動力性

圖1為耐久試驗前后發(fā)動機動力性的變化情況。由圖可知，無論是使用國三柴油還是國五柴油進行耐久試驗，試驗后發(fā)動機的動力性都略有降低。使用國三柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，各轉速下的全負荷功率降幅為0.7%;使用國五柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，各轉速下的全負荷功率降幅為0.8%。可見，國五SCR發(fā)動機使用不同的油品，對發(fā)動機動力性的影響是相似的。

2.2 排放特性

圖2為耐久試驗前后NOx排放變化情況。不同負荷下，使用國三柴油進行耐久試驗的發(fā)動機NOx排放劣化程度均大于使用國五柴油的發(fā)動機。圖3為ESC和ETC試驗NOx排放劣化情況。由圖可知，使用國三柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，ESC和ETC試驗NOx排放增幅分別為32%和11%;使用國五柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，ESC和ETC試驗NOx排放增幅分別為8%和4%。可見，國五SCR柴油機使用較差油品后，NOx排放比正常使用國五柴油時劣化更嚴重。

圖4為耐久試驗前后CO排放變化情況。不同負荷下，使用國三柴油進行耐久試驗的發(fā)動機CO排放劣化程度均大于使用國五柴油的發(fā)動機。圖5為ESC和ETC試驗CO排放劣化情況。由圖可知，使用國三柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，ESC和ETC試驗CO排放增幅分別為31%和32%;使用國五柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，ESC和ETC試驗CO排放增幅分別為7%和8%。

圖6為耐久試驗前后發(fā)動機THC排放變化情況。不同負荷下，使用國三柴油進行耐久試驗的發(fā)動機THC排放劣化程度均大于使用國五柴油的發(fā)動機。圖7為ESC和ETC試驗THC排放劣化情況。由圖可知，使用國三柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，ESC和ETC試驗THC排放增幅分別為32%和30%;使用國五柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，ESC和ETC試驗THC排放增幅分別為11%和8%。

圖8為耐久試驗前后，ESC和ETC試驗PM排放劣化情況。由圖可知，使用國三柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，ESC和ETC試驗PM排放增幅分別為16%和10%;使用國五柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，ESC和ETC試驗PM排放增幅分別為4%和2.5%。可見，國五SCR柴油機使用一段時間國三柴油后，比正常使用國五柴油PM排放劣化更嚴重。

3 結論

(1)無論是燃用國三柴油還是國五柴油，耐久試驗前后發(fā)動機動力性均略有下降，而且降幅接近。可見，國五SCR車輛燃用較差油品對發(fā)動機動力性的影響較小。

(2)使用國三柴油進行耐久試驗的發(fā)動機，氣態(tài)污染物NOx、CO、THC和顆粒物(PM)的排放劣化程度都明顯大于使用國五柴油的發(fā)動機。可見，國五SCR車輛燃用較差油品后排放劣化加快。

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

［2］ 陸小明，葛蘊珊，韓秀坤，等．柴油機燃用生物柴油及柴油的燃燒分析及排放特性［J］．燃燒科學與技術，2007，13(3):204－208．

［3］ DB 11/239—2012車用柴油［S］．北京:北京市質量技術監(jiān)督局，2012．

［4］ 呂林，許建華，徐萬毅．柴油品質對船用柴油機顆粒與煙度排放的影響［J］．內燃機工程，2010，4:56－62．

［5］ Paul Norton，Keith Vertin，et al．Emissions from Trucks Using Fischer-Tropsch Diesel Fuel［C］．SAE Paper 982526．

［6］ GB 20890—2007重型汽車排氣污染物排放控制系統(tǒng)耐久性要求及試驗方法［S］．北京:中國環(huán)境科學出版社，2007．