基準柴油對DOC+POC國Ⅳ發動機SO2和NO2排放的影響研究

王鳳濱 陳熊 尹超

（中國汽車技術研究中心）

基準柴油對DOC+POC國Ⅳ發動機SO2和NO2排放的影響研究

王鳳濱 陳熊 尹超

（中國汽車技術研究中心）

采用高硫含量和國Ⅲ、國Ⅳ、國Ⅴ標準硫含量的基準柴油，在發動機臺架上進行國IV DOC+POC柴油機的ESC和ETC測試，并利用FTIR氣體分析儀對SO2和NO2排放進行測量。對比研究了有、無DOC+POC下柴油機的SO2和NO2排放特性。結果表明，DOC+POC后處理可有效減小SO2的排放，穩態循環下高硫柴油SO2平均降低56%，國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ柴油分別降低29.89%、30.32%和27.81%；瞬態循環下SO2排放無明顯趨勢；與原機相比，穩態ESC和瞬態ETC的NO2排放均增加。

1 前言

盡管SO2和NO2未納入柴油發動機常規污染物監測范圍內[1]，但隨著排放標準的日益嚴格，未來可能會將二次污染物納入法規要求。

柴油氧化催化器（DOC）可以有效減少HC和CO，并氧化顆粒物中可溶性有機物和部分碳煙；顆粒物氧化催化器（POC）載體上涂有一層薄的含鉑涂層，可以收集碳煙且在DOC氧化生成的NO2作用下與碳煙反應生成CO2[2、3]。DOC+POC后處理是國內中小功率發動機普遍采用的技術路線。目前國內市場上已普及國Ⅲ柴油，極少數大城市為國Ⅳ和國Ⅴ柴油，但個別地方甚至仍在使用國Ⅱ柴油。為應對由于地域因素造成的燃油水平差異，研究不同油品對DOC+POC后處理發動機SO2和NO2的排放具有很強的現實意義。

本文對一臺國Ⅳ柴油機分別燃用高硫含量和國Ⅲ、國Ⅳ、國Ⅴ標準硫含量的基準柴油進行穩態測試循環（ESC）和瞬態測試循環（ETC）試驗[4]，研究分析原機和加裝后處理裝置后的SO2和NO2排放趨勢。

2 試驗系統與方案

2.1 試驗設備

試驗所用的排放測試系統為AVL生產的部分流采樣測試系統，其采用AVL i60分析儀，整個臺架系統組成如圖1所示。使用Horiba MEXA-6000FT傅立葉紅外光譜分析儀（FTIR）測試SO2和NO2，測量范圍分別為0～200×10-6和0～500×10-6。

FTIR分析儀可測量NH3、NO2和NOx等30多種不同氣體成分，其工作原理為：紅外光源發出的入射光經過受激輻射式光頻放大器到達光束分裂器，分成的兩束光經過不同路徑后產生光程差，發生干涉現象，再聚集到MCT紅外探測器進行檢測；在干涉光的光路上放置試樣，試樣吸收了其中某些頻率的能量而使得干涉圖的強度曲線發生變化；干涉圖經過計算機采集后經過快速傅立葉變換，從而得到吸光度或透光率隨波長或波數變化的紅外譜圖，通過與標準譜圖對照，可對排氣中各種物質進行定性分析。

2.2 試驗發動機

試驗發動機的基本參數如表1所列。

表1 試驗發動機基本參數

2.3 試驗燃油

國Ⅲ柴油選用天津市售柴油，國Ⅴ柴油為北京市售柴油，國Ⅳ柴油和高硫柴油為中國石化專門生產的符合法規要求的基準燃油。4種燃油的基本特性參數如表2所列。

2.4 試驗方案

基于DOC+POC對油品存在的敏感性，首先使用國Ⅴ柴油進行ESC和ETC試驗[3]。為保證試驗結果的一致性和重復性，ESC和ETC分別進行兩次。按照國Ⅳ、國Ⅲ和高硫柴油的順序依次進行。更換燃油時，發動機在額定點熱車900 s，充分燃燒發動機及油耗儀中剩余燃油。

表2 燃油特性

帶后處理裝置發動機完成試驗后，拆除后處理裝置，按照后處理裝置的試驗項目進行原機排放測試，以研究原機和加裝后處理裝置后的SO2和NO2排放特性。

3 試驗結果分析

3.1 SO2與油耗的關系

圖2所示為發動機原機的油耗與SO2的關系?？梢钥闯?，SO2排放與油耗有很好的一致性，對于大部分工況，油耗高，SO2的排放也較高。此外，比較4種燃油下的SO2排放可以看出，燃油中含硫量越大，SO2排放越大。以A100工況為例，高硫柴油是國Ⅲ柴油的2.6倍、國Ⅳ柴油的4.4倍和國Ⅴ柴油的6倍。這主要是由于燃油中的硫含量燃燒后在排氣中主要以SO2的形式存在，油耗的大小直接影響到SO2的排放。燃油中硫含量高，在油耗相同的情況下，使得排氣中硫元素的絕對量大，SO2排放水平高。

3.2 ESC循環下SO2排放

圖3為各種燃油加裝后處理裝置前、后的SO2排放對比?？梢钥闯?，原機和加裝后處理裝置后各工況的排放趨勢一致，加裝后處理裝置后4種燃油的SO2排放均下降，高硫柴油降低幅度最大，降幅為56%，國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ柴油分別降低29.89%、30.32%和27.81%。這是因為DOC將排氣中的SO2在氧化催化劑的作用下快速轉化為SO3，生成硫酸霧或固態硫酸鹽顆粒，從而使SO2的排放減少，但增加了顆粒物的排放量[11]。

圖4給出了各種燃油在安裝后處理裝置后ESC各工況的SO2降低比例。高硫柴油排氣溫度高，DOC的反應活性較高，但高硫柴油生成的硫化物會覆蓋在金屬載體上，降低反應活性。隨著油品質量提高，SO2的降低幅度逐漸有變小的趨勢，這是由排氣溫度存在差別而使DOC的氧化效率降低導致的。

燃油燃燒過程中，SO2的生成除了與燃油的硫含量及硫的存在形式有關外，還與燃燒過程中O2濃度有關。對于常規燃燒系統，SO2一般占硫氧化物的95%以上，其中1%～5%進一步氧化成SO3，1%～3%轉化為硫酸鹽顆粒[5]。

DOC+POC對于SO2有氧化的作用，燃油中的硫在氧化催化器的作用下，在一定溫度下形成SO2，SO2進一步氧化生成SO3[6]。

反應（1）是一個放熱可逆的過程，從平衡角度看，降溫有利于其正方向反應[7]。

在A100、A75、B100、B75、C100、C75和C50大負荷工況下SO2下降比重大。這是由于一方面，大負荷工況油耗高，排氣量大，高硫柴油的熱值高，放熱率大，缸內燃燒溫度高，使DOC中氧化效率高，特別是高轉速大負荷工況下，排氣溫度差別大，SO2降低的比例差別懸殊。以C100工況為例，4種燃油的排氣溫度分別為444℃、438℃、433℃和431℃。另一方面，高硫柴油SO2的絕對量大，在氧濃度差別不大的情況下，正反應同樣生成更多的SO3。

3.3 ETC循環下SO2排放

由各種燃油在加裝DOC+POC后ETC循環下SO2的排放分布可以看出，整個ETC循環高硫柴油的SO2排放濃度幾乎都在15×10-6以上，而其余各燃油峰值也僅在15×10-6左右。4種燃油的SO2平均值（圖5）分別為32.1×10-6、9.1×10-6、8×10-6和5.9×10-6，這與高硫柴油中的硫含量高有關。從排放趨勢看，SO2與油耗趨勢一致，負荷突變時SO2也會有峰值出現。

表3為各種燃油ETC循環下SO2排放平均值對比。可以看出，安裝后處理裝置后，高硫柴油SO2下降24.7%，國Ⅲ柴油下降16.1%，而國Ⅳ柴油和國Ⅴ柴油分別增加17.1%和25.0%。

表3 原機和加裝后處理裝置后ETC的SO2排放對比

相比ESC下各種燃油SO2均下降的趨勢，ETC下排氣溫度較ESC工況低，DOC的氧化能力下降，導致加裝后處理后SO2氧化成SO3等固態硫化物的幾率小。而國Ⅳ和國Ⅴ柴油SO2增加則因為排氣溫度低，DOC氧化能力偏低，SO2的濃度低使式（1）發生更多的逆反應；DOC+ POC中可能殘留的硫化物被氧化也會增大SO2的排放。

3.4 ESC循環下NO2排放

圖6為原機和加裝后處理裝置的NO2排放對比?？梢钥闯?，帶DOC+POC后，NO2的濃度大幅度上升，且國Ⅴ柴油的NO2排放量最大，高硫柴油最低；國Ⅳ和國Ⅴ柴油的NO2排放水平趨于一致，而國Ⅲ低于國Ⅳ柴油。從工況特點看，中高轉速特別是大負荷下，NO2的增加尤為明顯，但在A25和B25工況下NO2降低幅度最小。

由于國Ⅴ柴油總體上顆粒物的排放水平低，且多為可溶性有機物，碳的總量低，DOC氧化生成的NO2在經過POC后，多余的NO2被排出；另外，高硫柴油氧化生成的硫酸鹽等固態物質覆蓋在催化劑的表面，使得氧化劑活性降低，限制了NO2的生成。而大負荷工況下，更多的NO被DOC氧化成NO2。A25和B25工況的原機出現一峰值,這是由于該工況下氧濃度較高，且溫度低，從而使得正反應的幾率增大，NO2排放升高。可見，盡管安裝后處理后常規排放物有所降低，但是會衍生生成二次污染物NO2。

3.5 ETC循環下NO2排放

圖7為4種柴油ETC循環下的NO和NO2排放濃度平均值。可以看出，從高硫柴油到國Ⅴ柴油，NO濃度逐漸降低，而NO2逐漸增大。這與ESC穩態NO2的排放趨勢一致。

4 結束語

通過對裝備DOC+POC國Ⅳ柴油機燃用4種基準柴油的SO2和NO2排放測試，得到以下結論：

a.SO2排放與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關。

b.安裝DOC+POC后，ESC循環下，高硫柴油SO2平均降低了56%，國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ柴油分別降低了29.89%、30.32%和27.81%。發動機大負荷工況下SO2下降比重大。

c.安裝DOC+POC后，ETC循環下，高硫柴油SO2下降了24.7%，國Ⅲ柴油下降了16.1%，而國Ⅳ和國Ⅴ柴油分別增加了17.1%和25.0%，SO2的排放趨勢沒有明顯規律。

d.ESC和ETC循環下，安裝后處理裝置會導致NO2的濃度大幅度上升，且國Ⅴ柴油的NO2排放量最大，高硫柴油最低。說明燃油品質越好，NO2的排放越大，且負荷越大，生成的NO2越大。

1 周維,王雪松,張遠航，等.我國NOx污染狀況與環境效應及綜合控制策略.北京大學學報(自然科學版),2008（2）: 323～330.

2 高章，劉雙喜，顏伏伍，等.國IV柴油機NO2及NH3排放特性試驗研究.汽車工程，2010（7）:32～38.

3 李樹會.POC—輕型柴油車國Ⅲ/Ⅳ后處理方案.內燃機, 2008（6）:40～46.

4 GB17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國III、IV、V階段）》.北京：中國標準出版社，2005．

5 姚芝茂，歐陽朝斌，滕云.燃油鍋爐燃燒過程SO2的生成與排放特性.環境工程學報,2009，3（11）：2037～2042.

6 蒙小聰．輕型車柴油機國IV排放技術研究:[學位論文]．上海：上海交通大學，2009，18～20．

7 劉守濤，王海彥.磺化裝置SO2轉化塔的數據分析及熱量利用的途徑.當代化工，2005，34（3）：226～228.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為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

國Ⅳ發動機 DOC+POC 基準柴油 SO2NO2

U464

A

1000-3703（2015）10-0052-05