硫对柴油机排放性能影响研究

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1、成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集硫对柴油机排放性能影响研究陈文淼王建昕帅石金吴复甲（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084）（联系方式：）摘要：本文在一台满足欧4排放法规的高压共轨缸内直喷柴油机上使用不同硫含量柴油进行发动机性能试验，并根据文献调研和试验结果预测了硫含量对柴油机一次、二次硫酸盐排放量的影响。台架试验数据表2-明：柴油机硫酸盐、气态SO2和微粒中硫酸根（SO4）排放量均随硫含量上升而线性增加，硫含量500ppm柴油ESC循环硫酸盐排放量即占欧IV法规PM限值的40%；硫至硫酸盐转化率为1%~2%，

2、相同工况下转化率基本恒定。关键词：硫;柴油机;硫酸盐;SO21引言随着国际范围内排放法规的日益严格，发动机制造商对燃油品质日益关注，《世界燃油规范》将世界范围内的燃油分为品质逐渐加严的四类，用于满足由Euro1至Euro5不断加严[1]的排放法规要求。二十年来，大量的研究着眼于分析柴油品质与发动机性能的关系，涉及到的柴油油品参数主要包括：硫含量、十六烷值、密度、芳香烃（单环和多环）、蒸馏特性[2,3]等。自被发现与柴油机微粒排放具有密切关系以来，硫含量就成为被研究的最多的柴油品质参数之一。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。一般认为，[

3、4,5]硫对发动机的气态排放物没有影响。但柴油中的硫在发动机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。硫至微粒硫酸盐转化比例在不同文献上[1][2,3]存在少许差异：《世界燃油规范》提出转化比例为1%，J.C.Wall得到转化比例3％，L.T.[6]Cowley则认为转化效率为1-2%。对于所有柴油机，降低燃料硫含量均会降低PM排放。除在发动机排气系统中生成硫酸盐导致微粒排放上升外，硫燃烧生成的气态SO2排放又有约50[3]％在大气中通过化学反应生成二次硫酸盐

4、微粒（主要成分为硫酸铵）。无论从降低柴油机微粒排放还是从降低大气环境微粒污染角度，均需降低柴油硫含量。未来的排放法规要求更低的NOx和PM排放限值，但由于NOx和PM间trade-off关系的存在，仅使用机内净化技术很难控制两者同时达标，柴油机后处理技术得到越来越广泛的应用。但随着燃料硫含量的增加，一些排气后处理系统的转化效率会降低，而有些后处理系统甚至会由于硫中毒而永久性失效。硫会导致NOx吸附催化器中毒并失效，燃料中的硫在燃烧过程中生成SO2，并在NOx吸附催化器中同NOx发生竞争反应，但SO2生成的SO3吸附能力比NO2要[1,7]高，从而导致NOx吸附区域中毒

5、。连续再生柴油机颗粒捕集器（CR-DRF）和催化再生柴油机颗粒捕集器（CDPF）会将排气中的SO2氧化成为硫酸盐，使得硫至硫酸盐转化率上升[7]至40%-50%，硫酸盐的增加削弱了PM降低效果。且对于CR-DPF，SO2和SO3竞争参与NOx[1]的反应，造成捕集器再生效率降低。对于安装DOC的汽车，发动机排出的SO2大部分氧化[8]为硫酸盐（最多可达100％转化率），PM排放增加。SCR系统的抗硫性很强，使用含硫量350ppm柴油50小时低温老化和使用含硫量360ppm柴油1600小时老化均未造成SCR性能显[9]著恶化。本文使用八种不同硫含量的柴油研究了柴油硫含量

6、对柴油机气态SO2排放、微粒中硫酸成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集2-盐和硫酸根（SO4）排放的影响，并根据文献调研和试验结果预测了柴油硫含量对柴油机一次、二次硫酸盐微粒排放量的影响。2试验设备与测试方案2.1试验用发动机与测试仪器试验所用柴油机为CumminsISBe4140直列四缸增压中冷、高压共轨直喷式柴油机，使用尿素SCR后处理技术，该柴油机满足欧IV排放法规，主要性能参数如表1所示。试验台架示意图见图1。表1.试验用发动机性能参数型号ISBe4140型式四冲程，直列，增压中冷，直喷，水冷气缸数4总排量(L)4.5压缩

7、比17.3-1最大功率/转速(kW/r⋅min)103/2500-1最大转矩/转速(N⋅m/r⋅min)550/1500燃油供给系统高压共轨后处理系统尿素SCR电荷放大器A/D转换器计算机A/D工作站air油耗仪测功机控制柜Fuel角标缸压传感器测功机水箱冷却器出水排温检测热电偶进水SCRNOx后处理SCR前排放采样点SCR后采样点AVLCEBII排气分析仪PMSPC472图1.试验用发动机台架示意图使用AVLCEB-II排气分析仪测量NOx、HC、CO和CO2常规气态排放物。使用SO2分析仪测量排气中的SO2含量。使用AVLSPC-472部分流稀释