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汽柴油质量标准

燃料的品质直接影响发动机的着火和排放。早期对油品的要求主要是从发动机的着火特性考虑的,随着排放法规的加严,油品对排放的影响变得愈来愈重要。在汽油的理化特性和柴油的理化特性两节中,我们对汽柴油燃料的挥发性、流动性和着火性进行了深入的探讨,这里重点从排放控制的角度提出对车用汽油和柴油的品质要求。

我们先来看看燃料组分是如何影响发动机有害物排放的。第一种组分是硫,硫可明显地降低催化转化器中催化剂的功效,同时在高温条件下对氧传感器造成不良影响,高硫燃油还会会使车载诊断系统(OBD)失灵,使催化转化器监控装置发送错误的诊断码,并向司机发出错误的故障信号。硫含量过高也会增加排到大气中形成的硫酸盐,从而对大气微粒PM2.5的生成有贡献,会造成酸雨等污染。

第二种组分是烯烃,烯烃是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯烃具有热不稳定性,导致它易形成胶质,并沉积在进气门、火花塞、燃烧室等表面,影响燃烧效果,增加排放。活泼烯烃蒸发排放到大气中会产生光化学反应,加速臭氧的形成,进而引起光化学烟雾。

第三种是芳烃,芳烃是一种较高辛烷值和高热值的汽油组分,但是芳烃燃烧会导致致癌物的形成,并易增加燃烧室的积炭而增大二氧化碳排放。

欧洲汽车制造商协会(ACEA)、汽车制造商联盟(Allianceof Automobile Manufacturers)、日本汽车制造商协会(JAMA)和发动机制造商协会(ema)在1998年联合发表了《世界燃料规范》,目的是在全球范围内协调汽车燃料的质量要求和标准制定,反映汽车技术进步对燃料品质不断提高的要求。2006年发布的第四版《世界燃料规范》设立了四类不同燃料品质等级的无铅汽油和柴油规范,等级越高,品质越好。

影响燃烧排放特性的汽油品质参数主要有硫含量、烯烃含量、芳烃含量、苯含量、T10T50T90和终馏点等,如图1所示,从第一类到第四类汽油,汽油中的硫含量、烯烃含量、芳烃含量、苯含量呈降低趋势。第四类汽油品质最好,适用于对排放控制有更高要求的市场,从而保证汽油机复杂的COHCNOx后处理技术得到应用。

  

1 影响燃烧排放特性的汽油品质参数

影响燃烧排放特性的柴油品质参数主要有硫含量、十六烷值、密度、蒸馏温度、芳烃等,如图2所示,随着柴油等级的提高,即随着排放法规的加严,柴油十六烷值增加,密度呈下降趋势,蒸馏温度呈下降趋势,硫含量则大幅下降。第四类柴油可以认为是无硫柴油,适用于对排放控制有更高要求的市场,从而保证柴油机复杂的NOx和微粒(PM)后处理技术得到应用。

图2 影响燃烧排放特性的柴油品质参数

2013年第五版《世界燃料规范》发布,与第四版相比,第五版引入了更高等级的第五类汽油和柴油技术规范,并对第四类燃油技术规范进行了修改,以满足汽油机和柴油机排放控制和燃油经济性的最高要求。

第五版《世界燃料规范》的主要变化是:第五类汽油把最低研究法辛烷值(RON)从第四类的91提升到95,以便采用高压缩比、增压等提高汽油机效率的技术。第五类柴油仅针对烃类生物燃料,如加氢处理得到的植物油(HVO),或生物质F-T合成柴油(BTL),但不允许添加含氧生物柴油(如脂肪酸甲酯FAME)。

我国汽油质量的提升经历了提高辛烷值、无铅化、无硫化三个阶段。从1959年中国第一个“普通车用汽油”标准颁布,到1991年中国第一个“车用无铅汽油”标准颁布,再到2000年国2标准开始降硫,到2017年全国范围供应国5无硫汽油,我国花了30多年时间来提高汽油的辛烷值即抗爆性,花了10年时间逐步实施汽油无铅化,又花了17年时间实施汽油无硫化。北京2012年率先与国际接轨,开始供应无硫汽油。

我国柴油质量的提升经历了轻柴油、车用柴油、车用柴油无硫化三个阶段。1964年、1977年、1981年、1994年和2000年分别对“轻柴油”标准进行了修订,调整了轻柴油的牌号,对轻柴油的主要质量指标进行了加严,而后在2003年(花了40年)才颁布了我国第一部“车用柴油”标准。从2009年开始,全国范围内实行国3“车用柴油”标准,到2017年实行国5“车用柴油”标准,我国花了8年时间加快实现了柴油无硫化进程。

到2017年,我国车用柴油的品质到位,但是车用汽油的品质还有提升余地,一是汽油辛烷值偏低,缺高标号汽油;二是汽油的芳烃组分比例占40%,偏高,与欧美低芳烃组分汽油有较大差距。这主要是由于我国汽油炼制工艺是以催化裂化炼制汽油为主,约占70%,烷基化和重整汽油比例偏低,如图3所示。

图3 世界各国车用汽油成分含量(左)及炼油工艺比例(右)对比