硫?qū)Σ裼蜋C(jī)排放性能影響研究

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1、成都，2007年8月中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒凈化節(jié)能分會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集硫?qū)Σ裼蜋C(jī)排放性能影響研究陳文淼王建昕帥石金吳復(fù)甲（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）（聯(lián)系方式：）摘要：本文在一臺(tái)滿足歐4排放法規(guī)的高壓共軌缸內(nèi)直噴柴油機(jī)上使用不同硫含量柴油進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)，并根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)了硫含量對(duì)柴油機(jī)一次、二次硫酸鹽排放量的影響。臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)表2-明：柴油機(jī)硫酸鹽、氣態(tài)SO2和微粒中硫酸根（SO4）排放量均隨硫含量上升而線性增加，硫含量500ppm柴油ESC循環(huán)硫酸鹽排放量即占?xì)WIV法規(guī)PM限值的40%；硫至硫酸鹽轉(zhuǎn)化率為1%~2%，

2、相同工況下轉(zhuǎn)化率基本恒定。關(guān)鍵詞：硫;柴油機(jī);硫酸鹽;SO21引言隨著國(guó)際范圍內(nèi)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商對(duì)燃油品質(zhì)日益關(guān)注，《世界燃油規(guī)范》將世界范圍內(nèi)的燃油分為品質(zhì)逐漸加嚴(yán)的四類，用于滿足由Euro1至Euro5不斷加嚴(yán)[1]的排放法規(guī)要求。二十年來(lái)，大量的研究著眼于分析柴油品質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)系，涉及到的柴油油品參數(shù)主要包括：硫含量、十六烷值、密度、芳香烴（單環(huán)和多環(huán)）、蒸餾特性[2,3]等。自被發(fā)現(xiàn)與柴油機(jī)微粒排放具有密切關(guān)系以來(lái)，硫含量就成為被研究的最多的柴油品質(zhì)參數(shù)之一。硫天然存在于原油中，如在石油煉制過(guò)程中未被除去，則會(huì)被帶入車用燃料。一般認(rèn)為，[

3、4,5]硫?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的氣態(tài)排放物沒(méi)有影響。但柴油中的硫在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和大氣環(huán)境中形成硫酸鹽，對(duì)微粒排放具有顯著貢獻(xiàn)。無(wú)論柴油硫含量、硫存在形態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)類型，燃料硫均會(huì)以約1%～3%的比例轉(zhuǎn)化為硫酸鹽成為微粒的一部分。硫至微粒硫酸鹽轉(zhuǎn)化比例在不同文獻(xiàn)上[1][2,3]存在少許差異：《世界燃油規(guī)范》提出轉(zhuǎn)化比例為1%，J.C.Wall得到轉(zhuǎn)化比例3％，L.T.[6]Cowley則認(rèn)為轉(zhuǎn)化效率為1-2%。對(duì)于所有柴油機(jī)，降低燃料硫含量均會(huì)降低PM排放。除在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中生成硫酸鹽導(dǎo)致微粒排放上升外，硫燃燒生成的氣態(tài)SO2排放又有約50[3]％在大氣中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成二次硫酸鹽

4、微粒（主要成分為硫酸銨）。無(wú)論從降低柴油機(jī)微粒排放還是從降低大氣環(huán)境微粒污染角度，均需降低柴油硫含量。未來(lái)的排放法規(guī)要求更低的NOx和PM排放限值，但由于NOx和PM間trade-off關(guān)系的存在，僅使用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)很難控制兩者同時(shí)達(dá)標(biāo)，柴油機(jī)后處理技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但隨著燃料硫含量的增加，一些排氣后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率會(huì)降低，而有些后處理系統(tǒng)甚至?xí)捎诹蛑卸径谰眯允?。硫?huì)導(dǎo)致NOx吸附催化器中毒并失效，燃料中的硫在燃燒過(guò)程中生成SO2，并在NOx吸附催化器中同NOx發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，但SO2生成的SO3吸附能力比NO2要[1,7]高，從而導(dǎo)致NOx吸附區(qū)域中毒

5、。連續(xù)再生柴油機(jī)顆粒捕集器（CR-DRF）和催化再生柴油機(jī)顆粒捕集器（CDPF）會(huì)將排氣中的SO2氧化成為硫酸鹽，使得硫至硫酸鹽轉(zhuǎn)化率上升[7]至40%-50%，硫酸鹽的增加削弱了PM降低效果。且對(duì)于CR-DPF，SO2和SO3競(jìng)爭(zhēng)參與NOx[1]的反應(yīng)，造成捕集器再生效率降低。對(duì)于安裝DOC的汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的SO2大部分氧化[8]為硫酸鹽（最多可達(dá)100％轉(zhuǎn)化率），PM排放增加。SCR系統(tǒng)的抗硫性很強(qiáng)，使用含硫量350ppm柴油50小時(shí)低溫老化和使用含硫量360ppm柴油1600小時(shí)老化均未造成SCR性能顯[9]著惡化。本文使用八種不同硫含量的柴油研究了柴油硫含量

6、對(duì)柴油機(jī)氣態(tài)SO2排放、微粒中硫酸成都，2007年8月中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒凈化節(jié)能分會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集2-鹽和硫酸根（SO4）排放的影響，并根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)了柴油硫含量對(duì)柴油機(jī)一次、二次硫酸鹽微粒排放量的影響。2試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試方案2.1試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)試儀器試驗(yàn)所用柴油機(jī)為CumminsISBe4140直列四缸增壓中冷、高壓共軌直噴式柴油機(jī)，使用尿素SCR后處理技術(shù)，該柴油機(jī)滿足歐IV排放法規(guī)，主要性能參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)臺(tái)架示意圖見(jiàn)圖1。表1.試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)型號(hào)ISBe4140型式四沖程，直列，增壓中冷，直噴，水冷氣缸數(shù)4總排量(L)4.5壓縮

7、比17.3-1最大功率/轉(zhuǎn)速(kW/r?min)103/2500-1最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速(N?m/r?min)550/1500燃油供給系統(tǒng)高壓共軌后處理系統(tǒng)尿素SCR電荷放大器A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)A/D工作站air油耗儀測(cè)功機(jī)控制柜Fuel角標(biāo)缸壓傳感器測(cè)功機(jī)水箱冷卻器出水排溫檢測(cè)熱電偶進(jìn)水SCRNOx后處理SCR前排放采樣點(diǎn)SCR后采樣點(diǎn)AVLCEBII排氣分析儀PMSPC472圖1.試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖使用AVLCEB-II排氣分析儀測(cè)量NOx、HC、CO和CO2常規(guī)氣態(tài)排放物。使用SO2分析儀測(cè)量排氣中的SO2含量。使用AVLSPC-472部分流稀釋