燃油含硫量对柴油机排放特性影响的研究

2010年(第32卷)第4期

汽　车　工　程

AutomotiveEngineering

2010(Vol.32)No.4

2010062

燃油含硫量对柴油机排放特性影响的研究

陆克久,宋正臣,代西良,范正伟

(解放军汽车管理学院装备技术系,蚌埠　233011)

[摘要]　在一台直喷式涡轮增压柴油机上分别燃用4种不同含硫量的柴油,研究了燃油含硫量对柴油机排放特性的影响。研究结果表明,随着燃油含硫量的降低,柴油机的HC、CO和烟度排放按所列顺序明显下降;NOx排放也随燃油含硫量的降低而下降,但变化很小;SO2排放随柴油机负荷的增加显著上升,随燃油含硫量的降低而显著下降,表明燃油含硫量与柴油机SO2排放之间有高度相关性。

关键词:柴油机;燃油;含硫量;排放特性

AStudyontheEffectofFuelSulfurContenton

EmissionCharacteristicsofDieselEngine

LuKejiu,SongZhengchen,DaiXiliang＆FanZhengwei

DepartmentofEquipmentTechnology,AutomobileManagementInstitute,PLA,Bengbu　233011

[Abstract]　Adirectinjectionturbochargeddieselengine,fueledwithfourdieselfuelswithdifferentsulfurcontentistestedtostudytheeffectsofsulfurcontentinthefuelontheemissioncharacteristicsofdieselengine.Re-sultsshowthatwiththereductionofsulfurcontentinthefuel,HC,COandsmokeemissionsmarkedlydecreasein

thatorder;NOmissionalsoreduceswiththedecreaseinsulfurcontent,buthavingonlyminorchanges;whileSOxe2emissionobviouslyriseswiththeincreaseinengineloadandapparentlydecreaseswiththedropinsulfurcontent,showinghighcorrelationbetweensulfurcontentandSOmission.2e

Keywords:dieselengine;fuel;sulfurcontent;emissioncharacteristics

在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SO在大气中通2排放又有约50%过化学反应生成二次硫酸盐微粒,其质量约为发动

[6-8]

机直接排出硫酸盐排放的25倍。因此,无论从降低柴油机微粒排放还是降低大气环境微粒污染角度考虑,均须降低柴油含硫量。

以前已就柴油品质对柴油机稳态和瞬态排放的影响做过许多研究,但并没把含硫量作为试验变量考虑进去。本文中通过在一台直喷式涡轮增压柴油机上分别燃用4种不同含硫量的柴油,研究了燃油含硫量对柴油机有害物排放特性的影响规律。

前言

当前,有关降低柴油机废气排放,尤其是降低烟度、氮氧化物(NO、一氧化碳(CO)和碳氢化合物x)(HC)排放的要求越来越严格,研究机构以及柴油机生产商也都在不断研究和开发控制柴油机排放的新技术。除柴油机本身技术以外,燃油品质对有害污

[1-4]

染物的排放也有十分重要的影响。在燃油诸多理化参数中,含硫量是非常关键的指标之一,也是燃油标准控制的重点参数。燃油中的硫在柴油机排气过程和大气环境中形成硫酸盐,对微粒排放具有明显作用。无论燃油含硫量、硫存在形态和发动机类型,燃油中的硫均会以1%～3%的比例转化为硫酸

[5]

盐成为微粒的一部分。另外,对于所有柴油机,除

1　试验燃料

为评估柴油中含硫量对柴油机排放特性的影

·　300·汽　车　工　程2010年(第32卷)第4期

响,配制了4种不同的试验用柴油(其特性见表1),含硫量(质量分数)分别为50×10(欧Ⅳ)、350×10

-6

-6

发动机在每个工况运转6min,在开始的1min内完成

发动机转速和负荷的调整。在每个工况的后5min内,记录发动机的转速、负荷、进气温度、燃油流量和空气流量,其中最后1min用来测定尾气排放,研究柴油机燃用不同含硫量燃油时的烟度以及NOx、HC、CO和SO2的排放特性。试验时,冷却液的出口温度控制在(88±5)℃;机油温度控制在(90±5)℃;柴油温度控制在(40±2)℃。

(欧Ⅲ)、1000×10和2000×10,记为S50、

-6-6

S350、S1000和S2000,其中后两种燃油满足我国目前的轻柴油标准。这些试验用柴油是以无硫柴油(含硫量低于5×10到的。

表1　试验用柴油的特性

燃油代号硫质量分数/10-6

十六烷值

-1

密度(15℃)/g·mL

-6

)为基质混合制成的,理想的

含硫量是在无硫柴油中加入适量的噻吩(C)得4H4S

S505048.70.8079.406036

S350350500.83826.106035

S[1**********].83826.106035

S[1**********].83826.106035

3　试验结果与分析

3.1　烟度

柴油机的混合气主要是柴油液体微粒与空气混合形成的,较难实现完全燃烧。不完全燃烧是柴油

机产生碳烟的主要原因。图1为不同含硫量燃油在柴油机转速2500r/min和标定转速4100r/min下的烟度试验结果。由图1可见,燃用4种不同含硫量燃油时,烟度随负荷增加的变化趋势较为相似。随着负荷的增加,两种转速下的烟度值均呈上升趋势。在2500r/min时,从低负荷到中等负荷的烟度上升速率较慢,而从中等负荷到高负荷之间的烟度差值大,呈先缓后急的特点,当负荷由75%增加到100%时,烟度值急剧增加。在4100r/min时,低负荷到高负荷的烟度上升速率较为缓和,但其零负荷的烟度值要大于2500r/min时的烟度,而全负荷的烟度值则小于2500r/min时的烟度。在同转速同负荷下,随着柴油含硫量的降低,柴油机烟度整体呈持续下降趋势,两种转速下均如此。与S2000燃油相比,S50燃油在2500r/min时烟度最高降幅为50%,平

芳香烃体积比/%

冷凝点/℃闪点/℃

-1

低热值/MJ·kg

2　试验设备和方法

2.1　试验设备

试验用柴油机为一台直列4缸增压中冷、高压共轨直喷式柴油机,主要性能参数见表2。主要设备有XJP—10B转速数字显示仪;AutomexAMX电涡流测功机;AMX240动态油耗仪;SensyconP空气流量计;AVLDiSmoke4000型不透光烟度计和AVLPEUS—Systems公司的SESAM多组分气体分析仪。最后一个仪器的测试方法为傅里叶变换红外光谱法FTIR,可测量NOC、CO和SOx、H2等有害气体排放。

表2　试验柴油机的技术参数

技术参数缸径/mm行程/mm排量/L压缩比喷油压力/MPa

指标90952.421.115

技术参数标定功率/kW

-1标定转速/r·min

指标[1**********]00

最大转矩/N·m

-1

最大转矩转速/r·min

2.2　试验方案

在柴油机不进行任何调整的条件下,通过燃用不同含硫量的柴油,在发动机试验台架上进行了两个典型转速(2500和4100r/min)的负荷特性试验,每个转速选取5个不同负荷点进行测试,分别为0、1

2010(Vol.32)No.4陆克久,等:燃油含硫量对柴油机排放特性影响的研究·　301·

均降幅为38.7%;4100r/min时为42.6%,平均降幅为29.3%。3.2　NOx排放

高温、富氧和高温持续时间是产生NOx排放的主要原因。图2为不同含硫量燃油在柴油机转速2500r/min和标定转速4100r/min下的NOx排放试验结果。由图2可见,燃用这4种不同含硫量燃油时,柴油机NOx排放随其负荷的变化曲线非常接近。随着负荷的增加,NOx排放均呈上升趋势。这是由于随着负荷的增加,气缸内的平均有效压力增大,最高燃烧温度升高,促使NOOx的生成,Nx排放呈递增趋势。在2500r/min时,由低负荷到高负荷的NOx排放上升幅度较高、差值大,呈先急后缓的特点。在4100r/min时,由低负荷到高负荷的NOx排放上升速度较为缓和,零负荷时NOx排放比2500r/min时的大,而全负荷时NO/minx排放则比2500r时的小。同转速同负荷下,随着燃油含硫量的降低,燃烧持续的时间也会缩短,不利于生成NOx的化学反应的进行,柴油机NOx排放呈下降趋势,但变化很小。以S2000柴油的NO50x排放为基准,燃用S柴油在2500r/min时NOx排放的最高降幅为13.9%,平均降幅为10.8%;4100r/min时最高降幅为14.3%,平均降幅为12.1%。这表明燃油含硫量对柴油机NOx排放的影响较小

。

完全而产生HC排放;在靠近气缸壁面的可燃混合气受到冷激效应的影响,导致燃烧不完全,也产生HC排放;在活塞和缸套的间隙内有未燃烧的燃料,亦导致HC排放产生。图3为不同含硫量燃油在柴油机转速2500r/min和标定转速4100r/min下的HC排放对比。由图3可见,柴油机燃用不同含硫量燃油时,HC排放随负荷的变化曲线较为类似,但不同转速时呈不同的变化趋势。在2500r/min时,4种燃油燃烧的HC排放变化规律随负荷的增加先降低再升高,在中等负荷时较低,而在高负荷和低负荷时,HC排放量都有所上升。这是因为低负荷时,由于循环喷油量少,大量混合气低于可燃极限值,燃烧室内温度低,同时冷激效应和狭缝效应加剧,从而有较高的HC排放;高负荷时,喷油量增加,导致未参加燃烧或者燃烧中间产物增加,从而使HC排放增加。在4100r/min时,HC排放随负荷增加基本呈逐渐下降的趋势。与中小负荷相比,高负荷下HC排放量继续下降,这是因为与2500r/min相比,4100r/min下喷油量增加幅度较小,混合气浓度和缸内温度有利于燃油的充分燃烧。在同转速同负荷下,随着含硫量的降低,HC排放整体呈下降趋势。这是因为在缸内燃烧时,燃油中的硫发生氧化反应生成SO2等硫化物,会在局部区域消耗一定的氧,从而对HC的氧化燃烧不利,硫含量越高,则影响越大。但不同转速时,HC排放的降幅有所不同。以S2000柴油为基准,2500r/min下燃用S50柴油的HC排放最高降幅为87.3%,平均降幅为70.5%;4100r/min

图2　不同含硫量燃油的NO排放对比x

3.3　HC排放

在柴油机的燃烧过程中,燃料和空气的混合不均匀,燃烧室内混合气局部过浓或过稀,致使燃烧不

图3　不同含硫量燃油的HC排放对比

下的最高降幅为68.2%,平均降幅为50.2%,说明降幅普遍大于4100r/min时的降幅,2500r/min下的HC排放。

3.4　CO排放

CO是混合气不完全燃烧的产物,图4为不同含硫量燃油在柴油机转速2500r/min和标定转速4100r/min下的CO排放试验结果。从图4可见,燃用不同含硫量燃油时,CO排放随负荷的变化趋势也较为相近。在2500和4100r/min转速下,柴油机燃用4种柴油时CO排放变化规律均随负荷的增加先降低再升高,在中等负荷时较低,而在高负荷和低负荷时,CO的排放量都上升。CO是烃类不完全燃烧的中间产物,高负荷时,局部缺氧加剧,CO不能充分燃烧生成COO排放增加。低负荷时,局2,从而使C部区域温度过低和混合气过稀的情况加重,CO失去温度条件而不能继续氧化为CO2,火焰至低温区的淬熄现象增加,这些都造成了CO排放量的上升。在同转速同负荷下,随着燃油含硫量的降低,CO排放整体呈下降趋势。在气缸内,燃油中硫的存在会在局部区域消耗一定的氧,从而影响CO的进一步氧化,因此燃油含硫量越低,越有利于CO的进一步氧化反应,从而降低CO排放。与S2000燃油相比,燃用S50柴油在2500r/min下CO排放最高降幅为69.4%,平均降幅为41.3%;4100r/min下最高降幅为56.3%,平均降幅为44.1%。

定转速4100r/min下的SO2排放试验结果见图5。

可见,燃用不同含硫量柴油时,SO2排放随负荷的变化趋势也较为类似。不论在2500r/min还是4100r/min时,随着负荷的增加,SO2排放均呈上升趋势,且呈现先缓后急的特点。这是因为低负荷时,缸内喷油量少,混合气中的燃油硫浓度低,柴油机排气中的SO2较少,而高负荷下,进入气缸内的循环燃油量增加,混合气中燃油含硫量上升,最终导致发动机排气中SO2浓度升高。在同转速同负荷下,随着燃油含硫量的降低,两个转速下排放值均呈下降趋势。与S2000燃油相比,S50燃油在2500r/min时SO2最高降幅为84.5%;4100r/min时为73.6%,几乎是所有排放物中降幅最高者。这表明燃油硫含量直接决定了SO2排放量,两者具有高度相关性。

图5　不同含硫量燃油的SO2排放对比

4　结论

(1)随着燃油含硫量的减少,柴油机的烟度以及HC和CO的排放均明显下降,降幅的大小依次为HC、CO和烟度;NOx排放随燃油含硫量的降低也呈下降趋势,但变化很小,即燃油硫含量对NOx排放的影响不明显。

(2)燃用这4种燃油时,SO2排放随负荷的变化趋势较为相近,即SO2排放随柴油机负荷的增加

图4　不同含硫量燃油的CO排放对比

显著上升,且上升趋势呈先缓后急的特点,随着燃油含硫量的降低,柴油机SO2排放大幅降低,表明燃油含硫量与柴油机SO2排放之间的高度相关性。

)

3.5　SO2排放

r/min和标

30%以上的区域;B为下降10%～30%的区域;C为下降10%以内的区域。HIC均值下降27.68%,方差下降10.35

%。

型,得到了数值计算方法。

(2)对于封闭胶,均衡程度影响因素的敏度从大到小依次为半径、变形系数;而对于离散胶,其敏度依次为半径、离散度、变形系数。散射波在波源点处的强度随变形系数和半径的增加而变弱;而随着离散度的变化,波的强度存在一个极小值。

(3)从均衡程度上看,封闭胶一般会低于离散胶。对于封闭胶,均衡程度会随着半径的增加而提升,随着变形系数的增加而略有下降;对于离散胶,

图14　发动机罩云图

均衡程度则会随着半径的增加而提高,随着离散程度增加而下降,随着变形系数增加而略有上升。(4)使用离散胶的发动机罩几乎在所有位置比使用封闭胶的机罩HIC值都有所下降,且损伤值分布的均衡程度上升。HIC均值下降27.68%,方差下降10.35%。所以在行人保护的设计中,合理设计减振胶的分布可以较明显地提高行人头部保护的性能,且是一种廉价的解决方案。

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针对发动机罩中间某点进行仿真测试,如图15所示。随着胶的离散度增加,HIC值存在一个极小值,与之前分析相符合

。

图15　测点处HIC值与胶离散度的关系

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5　结论

(1)减震胶在行人头部保护中的影响可以用弹塑性弯曲波散射的理论来解释。文中建立了数学模(上接第302页)

参考文献

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