ISO 8178-5:2021
(Main)Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 5: Test fuels
Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 5: Test fuels
This document specifies fuels whose use is recommended for performing the exhaust emission test cycles given in ISO 8178-4. It is applicable to reciprocating internal combustion engines for mobile, transportable and stationary installations excluding engines for vehicles primarily designed for road use. This document is applicable to engines used, e.g. earth-moving machines and generating sets, and for other applications.
Moteurs alternatifs à combustion interne — Mesurage des émissions de gaz d'échappement — Partie 5: Carburants d'essai
Le présent document spécifie les carburants dont l’utilisation est recommandée pour effectuer les cycles d’essai des émissions de gaz d´échappement fournis dans l'ISO 8178‑4. Il est applicable aux moteurs alternatifs à combustion interne pour les installations mobiles, transportables ou fixes, à l’exclusion des moteurs de véhicules conçus originellement pour des applications routières. Le présent document est appliqué aux moteurs utilisés, par exemple, sur les engins de terrassement, les groupes électrogènes et pour d’autres applications.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 8178-5
Fourth edition
2021-05
Reciprocating internal combustion
engines — Exhaust emission
measurement —
Part 5:
Test fuels
Moteurs alternatifs à combustion interne — Mesurage des émissions
de gaz d'échappement —
Partie 5: Carburants d'essai
Reference number
©
ISO 2021
© ISO 2021
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be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
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Published in Switzerland
ii © ISO 2021 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 2
4 Symbols and abbreviated terms . 4
5 Choice of fuel. 4
5.1 General . 4
5.2 Influence of fuel properties on emissions from compression ignition engines . 5
5.2.1 General. 5
5.2.2 Fuel sulfur . 5
5.2.3 Specific considerations for marine fuels . 8
5.2.4 Other fuel properties . 8
5.3 Influence of fuel properties on emissions from spark ignition (SI) engines . 9
6 Overview of fuels .10
6.1 Natural gas .10
6.1.1 Reference natural gas .10
6.1.2 Reference natural gas supplied from a pipeline with admixture .10
6.1.3 Non-referenced natural gas .10
6.2 Liquefied petroleum gas .11
6.2.1 Referenced liquefied petroleum gas .11
6.2.2 Non-referenced liquefied petroleum gas .11
6.3 Engine gasolines .11
6.3.1 Referenced engine gasolines .11
6.3.2 Non-referenced engine gasolines .11
6.4 Diesel fuels .11
6.4.1 Diesel reference fuels .11
6.4.2 Non-referenced diesel fuels.12
6.5 Distillate fuel oils .12
6.6 Residual fuel oils .12
6.7 Crude oil .12
6.8 Alternative fuels .13
6.9 Requirements and additional information .13
Annex A (informative) Calculation of the fuel specific factors .33
Annex B (informative) Equivalent non-ISO test methods .39
Annex C (informative) Supplementary requirements for conducting emission testing using
gaseous reference fuels comprising pipeline gas with admixture of other gases .41
Annex D (normative) Calculation of λ-Shift factor (S ) .43
λ
Annex E (normative) Correction for CO in the exhaust gas arising from CO in the gaseous fuel .47
2 2
Bibliography .49
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 70 Internal combustion engines,
Subcommittee SC 8, Exhaust gas emission measurement.
This fourth edition cancels and replaces the third edition (ISO 8178-5:2015), which has been technically
revised.
The main changes compared to the previous edition are as follows:
— the addition of reference fuels from EU Regulation 2017/654 exhaust emission requirements for
internal combustion engines in non-road mobile machinery
— the addition of California Air Resources Board (CARB) E10 emissions certification fuel
— the addition of US Environmental Protection Agency Tier 3 E10 emissions certification fuel
— updates of fuel specifications from ISO 8217
A list of all parts in the ISO 8178 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2021 – All rights reserved
Introduction
In comparison with engines for on-road applications, engines for off-road use are made in a much wider
range of power output and configurations and are used in a great number of different applications.
Since fuel properties vary widely from country to country a broad range of different fuels is listed in
this document — both reference fuels and commercial fuels.
Reference fuels are usually representative of specific commercial fuels but with considerably tighter
specifications. Their use is primarily recommended for test bed measurements described in ISO 8178-1.
For measurements typically at site where emissions with commercial fuels, whether listed or not in this
document, are to be determined, uniform analytical data sheets (see Clause 5) are recommended for
the determination of the fuel properties to be declared with the exhaust emission results.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 8178-5:2021(E)
Reciprocating internal combustion engines — Exhaust
emission measurement —
Part 5:
Test fuels
1 Scope
This document specifies fuels whose use is recommended for performing the exhaust emission test
cycles given in ISO 8178-4.
It is applicable to reciprocating internal combustion engines for mobile, transportable and stationary
installations excluding engines for vehicles primarily designed for road use. This document is applicable
to engines used, e.g. earth-moving machines and generating sets, and for other applications.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 4259, Petroleum and related products – Precision of measurement methods and results – Part 1:
Determination of precision data in relation to methods of test
ISO 6974 (all parts), Natural gas – Determination of composition and associated uncertainty by gas
chromatography
ISO 6976, Natural gas — Calculation of calorific values, density, relative density and Wobbe indices from
composition
ISO 8178-1, Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 1: Test-
bed measurement systems of gaseous and particulate emissions
ISO 8178-4:2020, Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 4:
Steady-state and transient test cycles for different engine applications
ISO 8216-1, Petroleum products — Fuels (class F) classification — Part 1: Categories of marine fuels
ISO 8217, Petroleum products — Fuels (class F) — Specifications of marine fuels
ASTM D 4815, A method for the determination of oxygenated compounds in reformulated fuels
ASTM D 8221-18, Standard Practice for Determining the Calculated Methane Number (MNC) of Gaseous
Fuels Used in Internal Combustion Engines
EN 228, Automotive fuels – unleaded petrol – Requirements and test methods
EN 15376, Automotive fuels – ethanol as a blending component for petrol – Requirements and test methods
EN 15489, Ethanol as a blending component for petrol – Determination of water content – Karl Fischer
coulometric titration method
EN 16726, Gas infrastructure - Quality of gas - Group H
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
NOTE See any applicable definitions contained in the standards listed in the tables in Annex B.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
carbon residue
residue remaining after controlled thermal decomposition of a product under a restricted supply of
oxygen (air)
Note 1 to entry: The historical methods of Conradson and Ramsbottom have largely been replaced by the carbon
residue (micro) method.
[SOURCE: ISO 1998-2:1998, 2.50.001]
3.2
cetane index
number, calculated to represent the approximate cetane number (3.3) of a product from its density and
distillation characteristics
Note 1 to entry: The formula used for calculation is reproduced from statistical analysis of a very large
representative sample of world-wide diesel fuels, on which cetane number and distillation data are known, and
thus is subject to change at 5 to10 year intervals. The current formula is given in ISO 4264. It is not applicable to
fuels containing an ignition-improving additive.
[SOURCE: ISO 1998-2:1998, 2.30.111]
3.3
cetane number
number on a conventional scale, indicating the ignition quality of a diesel fuel (3.5) under standardized
conditions
Note 1 to entry: It is expressed as the percentage by volume of hexadecane (cetane) in a reference mixture having
the same ignition delay as the fuel for analysis. The higher the cetane number, the shorter the delay.
[SOURCE: ISO 1998-2:1998, 2.30.110]
3.4
crude oil
naturally occurring form of petroleum, mainly occurring in a porous underground formation such as
sandstone
Note 1 to entry: Crude oil is a hydrocarbon mixture, generally in a liquid state, which may also include compounds
of sulfur, nitrogen, oxygen, metals and other elements.
[SOURCE: ISO 1998-1:1998, 1.05.005, modified — Note 1 to entry has been added.]
3.5
diesel fuel
gas-oil that has been specially formulated for use in medium and high-speed diesel engines, mostly
used in the transportation market
Note 1 to entry: It is often referred to as “automotive diesel fuel”.
[SOURCE: ISO 1998-1:1998, 1.20.131, modified — The alternative term "automotive gas-oil" has been
removed.]
2 © ISO 2021 – All rights reserved
3.6
liquefied petroleum gas
LPG
mixture of light hydrocarbons, consisting predominantly of propane, propene, butanes and butenes,
that may be stored and handled in the liquid phase under moderate conditions of pressure and at
ambient temperature
Note 1 to entry: The historical methods of Conradson and Ramsbottom have largely been replaced by the carbon
residue (micro) method.
[SOURCE: ISO 1998-1:1998, 1.15.080, modified — The abbreviated term has been added; Note 1 to entry
has been added.]
3.7
octane number
number on a conventional scale expressing the knock-resistance of a fuel for spark-ignition engines
Note 1 to entry: It is determined in test engines by comparison with reference fuels. There are several methods of
test; consequently the octane number should be accompanied by reference to the method used.
[SOURCE: ISO 1998-2:1998, 2.30.100]
3.8
oxygenate
oxygen containing organic compound which may be used as a fuel or fuel supplement, such as various
alcohols and ethers
3.9
natural gas
NG
complex gaseous mixture of hydrocarbons, primarily methane, but generally includes ethane, propane
and higher hydrocarbons, and some non-combustible gases such as nitrogen and carbon dioxide
[SOURCE: ISO 14532:2014, 2.1.1.1, modified — Note 1 to entry has been removed.]
3.10
methane number
rating indicating the knocking characteristics of a fuel gas
Note 1 to entry: It is comparable to the octane number for petrol. One expression of the methane number is the
volume percentage of methane in a methane-hydrogen mixture, that in a test engine under standard conditions
has the same tendency to knock as the fuel gas to be examined.
[SOURCE: ISO 14532:2014, 2.6.6.1]
4 Symbols and abbreviated terms
The symbols and abbreviated terms used in this document are identical with those given in
ISO 8178-4:2020, Clause 4. Those which are essential for this document are repeated below in order to
facilitate comprehension.
Symbol Definition Unit
A/F stoichiometric air to fuel ratio —
st
λ excess air factor (in kilogrammes dry air per kilogramme of fuel) kg/kg
c concentration of gas on a wet basis % (V/V)
gasd
c concentration of gas on a dry basis % (V/V)
gasw
k fuel specific factor for exhaust flow calculation on wet basis —
f
k fuel specific factor for the carbon balance calculation —
CB
k dry to wet correction factor for the raw exhaust gas —
w
k dry to wet correction factor for the raw exhaust gas —
wr
k fuel specific factor —
f
H absolute humidity of the intake air (g water/kg dry air) g/kg
a
p total atmospheric pressure kPa
b
p water vapor pressure after cooling bath KPa
r
q intake air mass flow rate on dry basis kg/h
mad
a
q intake air mass flow rate on wet basis kg/h
maw
a
q exhaust gas mass flow rate on wet basis kg/h
mew
q fuel mass flow rate kg/h
mf
q exhaust gas volume flow rate on dry basis m /s
ved
q exhaust gas volume flow rate on wet basis m /s
vew
q H O volume flow rate m /s
vH2O 2
w mass fraction of hydrogen in the fuel %
ALF
w mass fraction of carbon in the fuel %
BET
w mass fraction of sulfur in the fuel %
GAM
w mass fraction of nitrogen in the fuel %
DEL
w mass fraction of oxygen in the fuel %
EPS
z fuel factor for calculation of w —
ALF
a
At reference conditions (T = 273,15 K and p = 101,3 kPa).
5 Choice of fuel
5.1 General
As far as possible, reference fuels should be used for certification of engines.
Reference fuels reflect the characteristics of commercially available fuels in different countries
and are therefore different in their properties. Since fuel composition influences exhaust emissions,
emission results with different reference fuels are not usually comparable. For lab-to-lab comparison of
emissions even the properties of the specified reference fuel are recommended to be identical as far as
possible. This can theoretically best be accomplished by using fuels from the same batch.
For all fuels (reference fuels and others), the analytical data shall be determined and reported with the
results of the exhaust measurement.
4 © ISO 2021 – All rights reserved
For non-reference fuels, the data to be determined are listed in the following tables:
— Table 5 (Universal analytical data sheet — Natural gas);
— Table 9 (Universal analytical data sheet — Liquefied petroleum gas);
— Table 17 (Universal analytical data sheet — Engine gasolines);
— Table 21 (Universal analytical data sheet — Diesel fuels);
— Table 23 (Universal analytical data sheet — Distillate fuel oils);
— Table 25 (Universal analytical data sheet — Residual fuel oils);
— Table 26 (Universal analytical data sheet — Crude oil).
An elemental analysis of the fuel shall be carried out when an exhaust mass flow measurement or
combustion air flow measurement, in combination with the fuel consumption, is not possible.
In such cases, the exhaust mass flow can be calculated using the concentration measurement results
of the exhaust emission and using the calculation methods given in ISO 8178-4:2020, Annex D. In
cases where the fuel analysis is not available, hydrogen and carbon mass fractions can be obtained by
calculation. The recommended methods are given in Annex A: A.2.2, A.2.3 and A.2.4.
Emissions and exhaust gas flow calculations depend on the fuel composition. The calculation of the fuel
specific factors, if applicable, shall be done in accordance with ISO 8178-4:2020, Annex D.
NOTE For non-ISO test methods equivalent to those of International Standards mentioned in this document,
see Annex B.
5.2 Influence of fuel properties on emissions from compression ignition engines
5.2.1 General
Fuel quality has a significant effect on engine emissions. Certain fuel parameters have a more or less
pronounced influence on the emissions level. A short overview on the most influencing parameters is
given in 5.2.2 to 5.2.4.
5.2.2 Fuel sulfur
Sulfur naturally occurs in crude oil. The sulfur still contained in the fuel after the refining process is
oxidized during the combustion process in the engine to SO , which is the primary source of sulfur
emission from the engine. Part of the SO is further oxidized to sulfate (SO ) in the engine exhaust
2 4
system, the dilution tunnel, or by an exhaust aftertreatment system. Sulfate will react with the water
present in the exhaust to form sulfuric acid with associated water that will condense and finally be
measured as part of the particulate emission (PM).
Consequently, fuel sulfur has a significant influence on the PM emission.
The mass of sulfates emitted from an engine depends on the following parameters:
— fuel consumption of the engine (BSFC);
— fuel sulfur content (FSC);
— S ⇒ SO conversion rate (CR);
— weight increase by water absorption standardized to H SO ·6,651H O.
2 4 2
Fuel consumption and fuel sulfur content are measurable parameters, whereas the conversion rate can
only be predicted, since it can vary from engine to engine. Typically, the conversion rate is approximately
2 % for engines without aftertreatment systems. Formula (1) has been applied for estimating the sulfur
impact on PM:
X
E
FSC
Se=× ××6,795 296 (1)
PM fuel
1,,000 000 100
where
S is the brake specific contribution of fuel sulfur to PM, expressed in grams per kilowatt-hour
PM
(g/kw-h);
e is the brake specific fuel consumption, expressed in grams per kilowatt-hour (g/kW-h);
fuel
X is the fuel sulfur content, expressed in milligrams per kilogram (mg/kg);
FSC
E is the S ⇒ SO conversion rate, expressed in percent %;
6,795 296 is the S ⇒ H SO · 6,651H O conversion factor.
2 4 2
This is based on the assumption that 1,221 6 grams of water is associated with each gram of H SO
2 4
because of the dew point temperature of 9,5 °C in the weighing environment. This corresponds to
6,651H O.
The relationship between fuel sulfur content and sulfate emission is shown in Figure 1 for an engine
without aftertreatment and a S to SO conversion rate of 2 %.
Many aftertreatment systems contain an oxidation catalyst as an integral part of the overall
aftertreatment system. The major purpose of the oxidation catalyst is to enhance specific chemical
reactions necessary for the proper function of the aftertreatment system. Since the oxidation catalyst
will also oxidize a considerable amount of SO to SO , the aftertreatment system is likely to produce a
2 4
high amount of additional particulates in the presence of fuel sulfur. When using such aftertreatment
systems, the conversion rate can drastically increase to about 30 % to 70 % depending on the efficiency
of the catalytic converter. This will have a major impact on the PM emission, as shown in Figure 2.
6 © ISO 2021 – All rights reserved
Key
X sulfur content, in mg/kg
Y sulfur PM, in g/kW-h
Figure 1 — Relationship between fuel sulfur and sulfate emission for engines without
aftertreatment
Key
X sulfur content, in mg/kg
Y sulfur PM, in g/kW-h
1 70 % conversion
2 30 % conversion
Figure 2 — Relationship between fuel sulfur and sulfate emission for engines with
aftertreatment
5.2.3 Specific considerations for marine fuels
For marine fuels (distillate and residual fuel oils), sulfur and nitrogen have a significant impact on PM
and NO emissions, respectively.
x
Typically, the sulfur content is higher than that for onroad or nonroad diesel fuels by a factor of
approximately 10, as shown in Table 22. Even without any aftertreatment system, the PM sulfur level
will be approximately 0,4 g/kWh for a 2 % sulfur fuel. In addition, the high ash, vanadium and sediment
fractions will significantly contribute to the total PM emission. As a consequence, the inherent engine
PM emission, which is mainly soot, is only a very small fraction of the total PM emission. In the
application of aftertreatment systems, 5.2.2 should be carefully considered.
The average nitrogen content of residual fuel oil is currently around 0,4 %, but steadily increasing.
In some cases, nitrogen contents between 0,8 % and 1,0 % have been reported. Assuming a 55 %
conversion rate at a nitrogen level of 0,8 % will increase the NO emission of the engine by more than
x
2 g/kWh. This is a significant portion of the total NO emission and shall therefore be carefully taken
x
into account.
5.2.4 Other fuel properties
There are other fuel parameters that have a significant influence on emissions and fuel consumption of
an engine. Contrary to the sulfur influence, their magnitude is less predictable and unambiguous, but
there is always a general trend that is valid for all engines. The most important of these parameters
are the cetane number (CN), density, poly-aromatic content, total aromatics content and distillation
characteristics. Their influence is briefly summarized below.
For NO , total aromatics is the predominant parameter whereas the effect of poly-aromatics and density
x
is less significant. This can be explained by an increase of the flame temperature with higher aromatics
8 © ISO 2021 – All rights reserved
content during combustion, which results in an increased NO emission. For PM, density and poly-
x
aromatics are the most significant fuel parameters. In general, NO will be reduced by 4 % if aromatics
x
are reduced from 30 % to 10 %. A similar reduction is possible for PM when reducing poly-aromatics
from 9 % to 1 %.
Increasing the CN will improve engine cold start and therefore white smoke emission. It has also a
favourable influence on NO emission particularly at low loads, where reductions of up to 9 % can be
x
achieved if CN is increased from 50 to 58, and fuel consumption with improvements of up to 3 % for the
same CN range.
5.3 Influence of fuel properties on emissions from spark ignition (SI) engines
Fuel parameters that have a significant influence on emissions and fuel consumption of an SI engine
include octane number, sulfur level, metal-containing additives, oxygenates, olefins and benzene.
Engines are designed and calibrated for a certain octane value or methane number. When a customer
uses gasoline with an octane level lower than that required, or accordingly, a natural gas with a lower
methane number, knocking can result which could lead to severe engine damage. Engines equipped
with knock sensors can handle lower octane or methane number levels by retarding the spark timing.
As mentioned above, sulfur naturally occurs in crude oil. If the sulfur is not removed during the refining
process, it will contaminate the fuel. Sulfur has a significant impact on engine emissions by reducing the
efficiency of catalysts. Sulfur also adversely affects heated exhaust gas oxygen sensors. Consequently,
high sulfur levels will significantly increase HC and NO emissions. Also, lean burn technologies, which
x
require NO aftertreatment technologies, are extremely sensitive to sulfur.
x
Metal-containing additives usually form ash and can therefore adversely affect the operation of catalysts
and other components, such as oxygen sensors, in an irreversible way that increases emissions. For
example, MMT (methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl) is a manganese-based compound
marketed as an octane-enhancing fuel additive for gasoline. The combustion products of MMT coat
internal engine components, such as spark plugs, can potentially cause misfire which leads to increased
emissions, increased fuel consumption and poor engine performance. They also accumulate and partly
plug the catalyst causing an increased fuel consumption in addition to reduced emission control.
Oxygenated organic compounds, such as ethanol, are often added to gasoline to increase octane, to
extend gasoline supplies, or to induce a lean shift in engine stoichiometry to reduce carbon monoxide
emissions. The leaner operation reduces carbon monoxide emissions, especially with carbureted
engines without electronic feedback-controlled fuel systems. However increased O levels beyond that
for which an open loop engine has been calibrated will typically increase NO emissions and combustion
x
temperatures which can lead to premature engine failure.
Olefins are unsaturated hydrocarbons and, in many cases, are also good octane components of gasoline.
However, olefins in gasoline can lead to gum and deposit formation and increased emissions of reactive
(i.e. ozone-forming) hydrocarbons and toxic compounds.
Benzene is a naturally occurring constituent of crude oil and is also a product of catalytic reforming that
produces high octane gasoline streams. It is also a known human carcinogen. The control of benzene
levels in gasoline is the most direct way to limit evaporative and exhaust emissions of benzene from SI
engines.
Proper volatility of gasoline is critical to the operation of SI engines with respect to both performance
and emissions. Volatility is characterized by two measurements, vapour pressure and distillation.
6 Overview of fuels
6.1 Natural gas
6.1.1 Reference natural gas
The referenced natural gases whose use is recommended for certification purposes are the following:
a) EU referenced fuels: see Table 1 and Table 2;
b) USA certification test fuel: see Table 3;
c) Japanese certification test fuel: see Table 4.
6.1.2 Reference natural gas supplied from a pipeline with admixture
The basis of each pipeline reference fuel (G , G , …) shall be gas drawn from a utility gas distribution
R 20
network, blended, where necessary to meet the corresponding lambda-shift (S ) specification in Table 2,
λ
with an admixture of one or more of the following commercially available gases:
a) carbon dioxide;
b) ethane;
c) methane;
d) nitrogen;
e) propane.
The use of calibration gas for this purpose shall not be required.
The value of S of the resulting blend of pipeline gas and admixture gas shall be determined according
λ
to Annex D and shall be within the range specified in Table 2 for the specified reference fuel.
The following specification of the test fuels shall be recorded:
a) the admixture gas(es) chosen from the list above;
b) the value of S for the resulting fuel blend;
λ
c) the methane number (MN) determined according to EN 16726 or ASTM D8221-18 of the resulting
fuel blend.
The requirements of Annexes C, D, and E shall be met in respect to the determination of the properties
of the pipeline and admixture gases, the determination of S and MN for the resulting gas blend, and the
λ
verification that the blend was maintained during the test.
In the case that one or more of the gas streams (pipeline gas or admixture gas(es)) contain CO in greater
than a de minimis proportion, the calculation of specific CO emissions shall be corrected according to
Annex E.
6.1.3 Non-referenced natural gas
Referenced gaseous fuels cannot be used as their use depends on the availability of the gas at site. Their
properties, including the fuel(s) analysis, shall be known and reported with the results of the emissions
test.
A universal data sheet containing the analytical properties to be reported is given in Table 5.
10 © ISO 2021 – All rights reserved
6.2 Liquefied petroleum gas
6.2.1 Referenced liquefied petroleum gas
The referenced liquefied petroleum gas whose use is recommended for certification purposes is the
following:
a) EU reference fuels: see Table 6;
b) USA certification test fuel: see Table 7;
c) Japanese certification test fuel: see Table 8.
6.2.2 Non-referenced liquefied petroleum gas
Often, referenced liquefied petroleum gas cannot be used as its use depends on the availability of the
gas at site. The properties, including the gas analysis, shall be known and reported with the results of
the emissions test.
A universal data sheet containing the analytical properties to be reported is given in Table 9.
6.3 Engine gasolines
6.3.1 Referenced engine gasolines
The referenced engine gasolines whose use is recommended for certification purposes are the following:
a) EU reference fuels: see Table 10;
b) USA certification test fuel: see Table 11;
c) US EPA E-10 certification test fuel: see Table 12;
d) California CARB LEV III certification test fuel: see Table 13;
e) Japanese certification test fuels: see Table 14;
f) Ethanol E95 (dedicated CI engines): see Table 15;
g) Ethanol E85 Stage V reference fuel: see Table 16.
6.3.2 Non-referenced engine gasolines
If it is necessary to use non-referenced engine gasolines, the properties of the individual fuel shall be
reported with the results of the test. Table 17 represents a universal analytical data sheet giving the
properties which shall be reported.
6.4 Diesel fuels
6.4.1 Diesel reference fuels
The referenced diesel fuels whose use is recommended for certification purposes are the following:
a) EU reference fuels: see Table 18;
b) USA certification test fuels: see Table 19;
c) Japanese certification test fuel: see Table 20.
6.4.2 Non-referenced diesel fuels
If it is necessary to use non-referenced diesel fuels, the properties of the individual fuel shall be reported
with the results of the test. Table 21 represents a universal analytical data sheet giving the properties
which shall be reported.
Standards or specifications of commercial fuels may be obtained from the organizations listed in
Annex C.
6.5 Distillate fuel oils
As there are no existent reference fuels, it is recommended that the fuel used be in accordance with
ISO 8217 (see Table 22).
The fuel's properties, including the elemental analysis, shall be measured and reported with the
results of the emission measurement. Table 23 represents a universal analytical data sheet giving the
properties which shall be reported.
6.6 Residual fuel oils
As there are no existing reference fuels, it is recommended that the fuel used be in accordance with
ISO 8217 (see Table 24).
In cases where it is necessary to run on heavy fuels, the properties of the fuel shall be according to
ISO 8216-1 and ISO 8217. The properties of the fuel, including the elementary analysis, shall be
determined and reported with the results of the emission measurement. Table 25 represents a universal
analytical data sheet giving the properties which shall be reported.
The effect of the ignition quality on exhaust gas emissions, especially NO , depends on the engine
x
characteristics and engine speed and load, and is in many cases not negligible. There is a generally
recognized need for a standard measurement procedure resulting in a characteristic fuel quality
value comparable to the cetane index for pure distillate fuels. A calculation based on the distillation
characteristics is not suitable. For the time being, the best approach is to calculate CCAI (calculated
carbon aromaticity index) or CII (calculated ignition index) figures for general indication. A.3.2 gives
formulae for calculating CCAI and CII.
Another method, which is currently under investigation, is the fuel combustion analyser (FCA). The
ignition quality of a fuel is determined as an ignition delay and time delay for the start of the main
combustion (both in milliseconds).
By use of calibration fuels, the recorded ignition delay can be converted into an instrument-related
cetane number. In addition, the rate of heat release (ROHR) is determined, reflecting the actual heat
release process and thus the combustion characteristics of the fuel tested.
The test results appear to reflect the differences in ignition and combustion properties of marine fuels
due to variations in their chemical composition. At the present time, a large number of heavy fuels are
being tested for the purpose of relating the results obtained from the instruments to the fuel ignition
performance as well as correlating the results with engine performance. In co-operation with engine
manufacturers, fuel testing laboratories and users of marine heavy fuel, typical limits for satisfactory
fuel ignition and combustion quality at which operational disturbances are not encountered, are being
established. Results have been published in the CIMAC “Fuel Quality Guide – Ignition and Combustion”.
6.7 Crude oil
Crude oils are non-referenced.
In cases where it is necessary to run the engine with crude oil, the properties of the fuel, including
the elemental analysis, shall be measured and reported with the results of the emission measurement.
Table 26 is given as a recommendation for a data sheet, of the properties to be reported.
12 © ISO 2021 – All rights reserved
6.8 Alternative fuels
In those cases where alternative fuels are used, the analytical data specified by the producer of the fuel
shall be determined and reported together with the report on exhaust emissions.
NOTE Requirements for fatty acid methyl esters can be found in EN 14214.
6.9 Requirements and additional information
For the determination of fuel properties, International Standards shall be used where they exist.
Annex B lists standards, established by the standardization organizations, in use in parallel to
International Standards. It should be noted that non standards are not always identical in all details to
the parallel International Standard.
If supplementary additives are used during the test, they shall be declared and noted in the test report.
If water addition to the engine intake air is used, it shall be declared and taken into account in the
calculation of the emission results.
Table 1 — Natural gas — EU reference fuels
c
Property Unit Test method G G G G
23 R 20 25
min. max. min. max. min. max. min. max.
Molar fraction of methane mol % ISO 6974 (all parts) 91,5 93,5 84 89 99 100 84 88
Molar fraction of ethane mol % ISO 6974 (all parts) — — 11 15 — —
Molar fraction of C components mol % ISO 6974 (all parts) — — — 1 — — — —
2+
Molar fraction of inerts, (except N ) + mol % ISO 6974 (all parts) — 1 — — — 1 — 1
C + C
2 2+
Molar fraction of nitrogen mol % ISO 6974 (all parts) 6,5 8,5 — — — — 12 16
a 3
Mass concentration of sulfur mg/m ISO 6326-5 — 10 — 10 — 10 — 10
3 b
Wobbe Index (net) MJ/m 47,2 49,2
[204] [205]
NOTE This table is adapted from Reference and
a
Value to be determined at 293,2 K (20 °C) and 101,3 kPa.
b
Value to be determined at 273,2 K (0 °C) and 101,3 kPa.
C To recalculate standard reference conditions use ISO 6976
Table 2 — Natural gas — The required range of S for each reference fuel - blend of pipeline gas
λ
and admixture gas
Reference fuel Minimum S Maximum S
λ λ
a
G 0,87 0,95
R
G
0,97 1,03
G
1,05 1,10
G
1,12 1,20
a
The engine shall not be required to be tested on a gas blend with an MN less than 70. In the case that the required range
of S for G would result in an MN less than 70 the value of S for G may be adjusted as necessary until a value of MN no less
λ R λ R
than 70 is attained.
Table 3 — Natural gas — USA certification test fuel
Property Unit Test method
min. max.
Molar fraction of methane mol % ASTM D 1945 87 —
Molar fraction of ethane mol % ASTM D 1945 — 5,5
Table 3 (continued)
Property Unit Test method
min. max.
Molar fraction of propane mol % ASTM D 1945 — 1,2
Molar fraction of butane mole % ASTM D 1945 0,35
Molar fraction of pentane mole % ASTM D 1945 0,13
Molar fraction of C components mol % ASTM D 1945 — 0,1
6+
Molar fraction of oxygen mol % ASTM D 1945 0,1
Molar fraction of inert gases, Σ CO mol % ASTM D 1945 — 5,1
and N
Table 4 — Natural gas — Japanese certification test fuel
Property Unit Test method Equivalent of 13A
min. max.
Total calorific amount kcal/m JIS K 2301 10 410 11 050
a
Wobbe index WI 13 260 730
a
Combustion speed index MCP 36,8 37,5
Molar fraction of methane mol % JIS K 2301 85,0 —
Molar fraction of ethane mol % JIS K 2301 — 10,0
Molar fraction of propane mol % JIS K 2301 — 6,0
Molar fraction of butane mol % JIS K 2301 — 4,0
Molar fraction of C + C compo- mol % JIS K 2301 — 8,0
3 4
nents
Molar fraction of C components mol % JIS K 2301 — 0,1
5+
Molar fraction of other gas (H + O mol % JIS K 2301 — 14,0
2 2
+ N + CO + CO )
2 2
Mass concentration of sulfur mg/m JIS K 2301 — 10
[166]
NOTE This table is adapted from Reference .
a
Wobbe index and Combustion speed index shall be calculated based on the gas composition.
Table 5 — Universal analytical data sheet — Natural gas
Property Unit Test method Result of
measurements
Molar fraction of MMmethane % ISO 6974 (all parts)
Molar fraction of C components % ISO 6974 (all parts)
Molar fraction of C components % ISO 6974 (all parts)
2+
Molar fraction of C components % ISO 6974 (all parts)
6+
Molar fraction of Inerts Σ CO % ISO 6974 (all parts)
and N
Mass conce
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 8178-5
Quatrième édition
2021-05
Moteurs alternatifs à combustion
interne — Mesurage des émissions de
gaz d'échappement —
Partie 5:
Carburants d'essai
Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission
measurement —
Part 5: Test fuels
Numéro de référence
©
ISO 2021
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y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
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CH-1214 Vernier, Genève
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E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2021 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Symboles et abréviations . 4
5 Choix du carburant . 4
5.1 Généralités . 4
5.2 Influence des propriétés du carburant sur les émissions des moteurs à allumage
par compression . 5
5.2.1 Généralités . 5
5.2.2 Soufre du carburant . 5
5.2.3 Considérations spécifiques aux carburants marins . 8
5.2.4 Autres propriétés des carburants . 8
5.3 Influence des propriétés du carburant sur les émissions des moteurs à allumage
par étincelle (SI) . 9
6 Vue d’ensemble des carburants .10
6.1 Gaz naturels .10
6.1.1 Gaz naturels de référence .10
6.1.2 Gaz naturel de référence fourni par un gazoduc avec mélange .10
6.1.3 Gaz naturel qui ne sont pas de référence .11
6.2 Gaz de pétrole liquéfiés .11
6.2.1 Gaz de pétrole liquéfiés de référence .11
6.2.2 Gaz de pétrole liquéfiés qui ne sont pas de référence .11
6.3 Essences pour automobiles.11
6.3.1 Essences de référence pour automobiles .11
6.3.2 Essences pour automobiles qui ne sont pas de référence.12
6.4 Carburants pour moteurs diesels .12
6.4.1 Carburants de référence pour moteurs diesels .12
6.4.2 Carburants pour moteurs diesel qui ne sont pas de référence .12
6.5 Carburants de type distillat.12
6.6 Carburants résiduels .12
6.7 Pétrole brut .13
6.8 Carburants de substitution .13
6.9 Exigences et informations additionnelles .13
Annexe A (informative) Calcul des facteurs spécifiques du carburant .34
Annexe B (informative) Méthodes d'essai non ISO équivalentes .40
Annexe C (informative) Exigences supplémentaires pour la réalisation d'essais d'émission
à l'aide de combustibles gazeux de référence comprenant du gaz de pipeline avec
mélange d'autres gaz.42
Annexe D (normative) Calcul du facteur λ-de décalage (S ).44
λ
Annexe E (normative) Correction pour le CO dans les gaz d'échappement provenant du
CO dans le combustible gazeux .48
Bibliographie .50
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos .html.
Le présent document a été élaborée par le comité technique ISO/TC 70, Moteurs à combustion interne,
sous-comité SC 8, Mesurage des émissions de gaz d'échappement.
Cette quatrième édition annule et remplace la troisième édition (ISO 8178-5:2015) qui a fait l'objet
d'une révision technique.
Les principales modifications par rapport à la précédente édition sont les suivantes:
— l'ajout de carburants de référence provenant de la règlementation EU 2017/654 relatif aux exigences
en matière d'émissions de gaz d'échappement des moteurs à combustion interne des engins mobiles
non routiers
— l'ajout du carburant de certification des émissions E10 du California Air Resources Board (CARB)
— l'ajout du carburant de certification des émissions E10 de niveau 3 de l'Agence américaine de
protection de l'environnement
— la mise à jour des spécifications des carburants à partir de la norme ISO 8217
Une liste de toutes les parties de la série ISO 8178 est disponible sur le site web de l'ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2021 – Tous droits réservés
Introduction
En comparaison avec les moteurs pour applications routières, les moteurs pour applications non
routières sont réalisés dans une gamme beaucoup plus large de puissances de sortie et de configurations
et sont utilisés dans un grand nombre d’applications différentes.
Étant donné que les propriétés des carburants diffèrent de manière importante d’un pays à l’autre, une
grande variété de carburants différents, que ce soit des carburants de référence ou des carburants du
commerce, est énumérée dans le présent document.
Les carburants de référence sont généralement représentatifs des carburants du commerce spécifiques,
mais les spécifications qui s’y rattachent sont beaucoup plus rigoureuses. Il est avant tout recommandé
de les utiliser pour les mesurages au banc d’essai spécifiés dans l'ISO 8178-1.
En ce qui concerne les mesurages sur site permettant de déterminer les émissions de gaz d´échappement
avec des carburants du commerce, que ces données soient incluses ou non dans le présent document, il
est recommandé d’utiliser des feuilles de données analytiques uniformes (voir l’Article 5) pour définir
les propriétés des carburants en fonction des résultats d´émissions de gaz.
NORME INTERNATIONALE ISO 8178-5:2021(F)
Moteurs alternatifs à combustion interne — Mesurage des
émissions de gaz d'échappement —
Partie 5:
Carburants d'essai
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie les carburants dont l’utilisation est recommandée pour effectuer les
cycles d’essai des émissions de gaz d´échappement fournis dans l'ISO 8178-4.
Il est applicable aux moteurs alternatifs à combustion interne pour les installations mobiles,
transportables ou fixes, à l’exclusion des moteurs de véhicules conçus originellement pour des
applications routières. Le présent document est appliqué aux moteurs utilisés, par exemple, sur les
engins de terrassement, les groupes électrogènes et pour d’autres applications.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 4259, Produits pétroliers et connexes — Fidélité des méthodes de mesure et de leurs résultats — Partie
1: Détermination des valeurs de fidélité relatives aux méthodes d’essai
ISO 6974 (toutes les parties), Gaz naturel — Détermination de la composition et l’incertitude associée par
chromatographie en phase gazeuse
ISO 6976, Gaz naturel — Calcul des pouvoirs calorifiques, de la masse volumique, de la densité relative et
des indices de Wobbe à partir de la composition
ISO 8178-1, Moteurs alternatifs à combustion interne — Mesurage des émissions de gaz d'échappement —
Partie 1: Mesurage des émissions de gaz et de particules au banc d'essai
ISO 8178-4:2020, Moteurs alternatifs à combustion interne — Mesurage des émissions de gaz
d'échappement — Partie 4: Cycles d'essai à l'état stable et transitoires pour différentes applications des
moteurs
ISO 8216-1, Produits pétroliers — Classification des combustibles (classe F) — Partie 1: Catégories des
combustibles pour la marine
ISO 8217, Produits pétroliers — Combustibles (classe F) — Spécifications des combustibles pour la marine
ASTM D 4815, Une méthode pour la détermination des composés oxygénés dans les combustibles reformulés
ASTM D 8221-18, Pratique standard pour la détermination de l’indice de méthane calculé (MNC) des
combustibles gazeux utilisés dans les moteurs à combustion
EN 228, Carburants pour automobiles — Essence sans plomb — Exigences et méthodes d’essai
EN 15376, Carburants pour automobiles — Ethanol comme base de mélange à l’essence — Exigences et
méthodes d’essais
EN 15489, Éthanol comme base de mélange à l’essence — Détermination de la teneur en eau— Méthode de
titrage coulométrique Karl Fischer
EN 16726, Infrastructures gazières — Qualité du gaz — Groupe H
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
NOTE Voir également les définitions applicables figurant dans les normes citées dans les tableaux de
l’Annexe B.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
résidu de carbone
résidu restant après décomposition thermique contrôlée d’un produit sous une alimentation limitée
d’oxygène (air)
Note 1 à l'article: Les méthodes historiques Conradson et Ramsbottom sont largement remplacées par la méthode
(micro) de résidu de carbone.
[SOURCE: ISO 1998-2:1998, 2.50.001]
3.2
indice de cétane
nombre donnant approximativement l’indice de cétane (3.3) d’un produit, calculé à partir de sa masse
volumique et de ses caractéristiques de distillation
Note 1 à l'article: La formule utilisée pour ce calcul est tirée de l’analyse statistique d’un très grand nombre de
carburants diesel représentatifs de la production mondiale, et pour lesquels les données d’indice de cétane et
de distillation sont connues. De ce fait la formule peut nécessiter une révision tous les cinq à dix ans. La formule
actuelle est donnée dans l’ISO 4624. Elle n’est pas applicable aux carburants contenant un additif d’amélioration
du cétane.
[SOURCE: ISO 1998-2:1998, 2.30.111]
3.3
indice de cétane
nombre d’une échelle conventionnelle, indiquant l’aptitude d’un combustible pour moteur du type diesel
(3.5), à s’enflammer dans des conditions normalisées
Note 1 à l'article: Il est exprimé par le pourcentage en volume d’hexadécane (cétane) dans un mélange de
référence présentant le même délai d'allumage que le combustible à analyser. L’indice de cétane est d’autant plus
élevé que le délai d'allumage est court.
[SOURCE: ISO 1998-2:1998, 2.30.110]
3.4
pétrole brut
pétrole naturel se trouvant principalement dans des couches souterraines poreuses telles que les grès
Note 1 à l'article: Le pétrole brut est un mélange d’hydrocarbures, généralement à l´état liquide, pouvant
également contenir des composés de soufre, de l’azote, de l’oxygène, des métaux ainsi que d’autres éléments.
[SOURCE: ISO 1998-1:1998, 1.05.005, modifié — La Note 1 à l’article a été aoutée.]
2 © ISO 2021 – Tous droits réservés
3.5
carburant diesel
gas oil qui a été spécialement formulé pour l’utilisation dans les moteurs diesels à vitesse moyenne ou
rapide, surtout pour le transport
Note 1 à l'article: La note s’applique seulement à la langue anglaise.
[SOURCE: ISO 1998-1:1998, 1.20.131 Le terme alternatif “gas oil auto” a été supprimé]
3.6
gaz de pétrole liquéfiés
GPL
mélange d’hydrocarbures légers, composé principalement de propane, propène, butanes et butènes, qui
peut être stocké et manipulé en phase liquide sous pression modérée et à température ambiante
Note 1 à l'article: Les méthodes historiques de Conradson et Ramsbottom ont été largement remplacées par la
méthode des résidus de carbone (micro).
[SOURCE: ISO 1998-1:1998, 1.15.080, modifiée — Le terme abrégé a été ajouté; la Note 1 à l’article a été
ajoutée]
3.7
indice d'octane
nombre d’une échelle conventionnelle, exprimant la résistance à la détonation des carburants pour
moteurs à allumage commandé
Note 1 à l'article: Il est déterminé dans des moteurs d’essais par comparaison avec des carburants de référence.
Plusieurs méthodes d’essai étant utilisées, il convient que l’indice d’octane soit accompagné de la référence à la
méthode utilisée.
[SOURCE: ISO 1998-2:1998, 2.30.100]
3.8
oxydant
composant organique contenant de l’oxygène et pouvant être utilisé comme carburant ou additif,
comme divers alcools et éthers
3.9
gaz naturel
GN
mélange complexe d’hydrocarbures, composé principalement de méthane, mais comprenant
généralement aussi, de l’éthane, du propane, des hydrocarbures supérieurs, et quelques gaz non
combustibles tels que l’azote et le dioxyde de carbone
[SOURCE: ISO 14532:2014, 2.1.1.1, modifié — la Note 1 à l’article a été supprimée]
3.10
indice de méthane
indice indiquant les caractéristiques de cliquetis d’un gaz combustible
Note 1 à l'article: Il est comparable à l’indice d’octane pour l’essence. Une expression de l’indice de méthane est le
pourcentage en volume de méthane dans un mélange méthane-hydrogène, qui dans un moteur d’essai sous des
conditions standard, a la même tendance à cliqueter que le gaz combustible à examiner.
[SOURCE: ISO 14532:2014, 2.6.6.1]
4 Symboles et abréviations
Les symboles et abréviations utilisés dans le présent document sont identiques à ceux indiqués dans
l´ISO 8178-4:2020 Article 4. Ceux qui sont essentiels au présent document sont répétés ci-après, afin
d’en faciliter la compréhension.
Symbole
Définition Unité
SI
A/F rapport air/carburant stœchiométrique —
st
λ facteur d’excès d’air (en kilogrammes d’air sec par kilogramme kg/kg
de carburant)
c concentration de gaz sur une base humide % (V/V)
gasd
c concentration de gaz sur une base sèche % (V/V)
gasw
k facteur spécifique du carburant pour le calcul du débit des gaz —
f
d’échappement humides
k facteur spécifique du carburant pour le calcul du bilan carbone —
CB
k facteur de correction sec à humide pour les gaz d'échappement bruts —
w
k facteur de correction sec à humide pour les gaz d'échappement bruts —
wr
k facteur spécifique au carburant —
f
H humidité absolue de l'air d'admission (g d'eau/kg d'air sec) g/kg
a
p pression atmosphérique totale kPa
b
p pression de vapeur d'eau après le bain de refroidissement KPa
r
q débit massique de l'air d'admission sur base sèche kg/h
mad
a
q débit-volume de l’air d’admission humide kg/h
maw
a
q débit-volume des gaz d’échappement humides kg/h
mew
q débit-masse du carburant kg/h
mf
q débit volumique des gaz d'échappement à l'état sec m /s
ved
q débit volumique des gaz d'échappement en conditions humides m /s
vew
q H O débit volumétrique m /s
vH2O 2
w fraction massique d’hydrogène du carburant %
ALF
w fraction massique de carbone du carburant %
BET
w fraction massique de soufre du carburant %
GAM
w fraction massique d’azote du carburant %
DEL
w fraction massique d’oxygène du carburant %
EPS
z facteur du carburant pour le calcul de w —
ALF
a
Aux conditions de référence (T = 273,15 K et p = 101,3 kPa).
5 Choix du carburant
5.1 Généralités
Lorsque cela s’avère possible, il convient d’utiliser des carburants de référence pour la certification des
moteurs.
Les carburants de référence reflètent les caractéristiques des carburants disponibles dans le commerce
dans divers pays et qui ont donc des propriétés différentes. Étant donné que la composition du carburant
a une influence sur les émissions de gaz d´échappement, les émissions correspondant à des carburants
de référence différents sont généralement incomparables. Pour les comparaisons interlaboratoires, il
est recommandé que les propriétés des carburants de référence spécifiés soient aussi éloignées que
possible. La meilleure manière d’y parvenir est d’utiliser des carburants de même lot.
4 © ISO 2021 – Tous droits réservés
Pour tous les carburants (carburants de référence ou autres), les données analytiques doivent être
définies et jointes au rapport de mesure des gaz d´échappement.
Pour les carburants qui ne sont pas de référence, les données à déterminer sont énumérées dans les
tableaux suivants:
— Tableau 5 (Fiche de données analytiques générales — Gaz naturels);
— Tableau 9 (Fiche de données analytiques générales — Gaz de pétrole liquéfiés);
— Tableau 17 (Fiche de données analytiques générales — Essences pour moteur);
— Tableau 21 (Fiche de données analytiques générales — Carburants pour moteurs diesel);
— Tableau 23 (Fiche de données analytiques générales — Carburants de type distillat);
— Tableau 25 (Fiche de données analytiques générales — Carburants résiduels);
— Tableau 26 (Fiche de données analytiques générales — Pétrole brut);
Une analyse élémentaire du carburant doit être effectuée lorsque le débit-masse des gaz d´échappement
ou du débit de l’air de combustion en même temps que la consommation de carburant n’est pas possible.
Dans ce cas, il est possible de calculer le débit-masse des gaz d´échappement à l’aide des résultats
des mesurages de la concentration des gaz d´échappement et des méthodes de calcul spécifiées dans
l´ISO 8178-4:2020, Annexe D. A défaut de disposer de l’analyse du carburant, les fractions massiques
d'hydrogène et de carbone peuvent être obtenues par calcul. Les méthodes recommandées sont
spécifiées en A.2.2, A.2.3 et A.2.4.
Les calculs des émissions et du débit des gaz d'échappement dépendent de la composition du carburant.
Le calcul des facteurs spécifiques du carburant, si nécessaire, doit être réalisé conformément à
l'ISO 8178-4:2020, Annexe D.
NOTE Pour les méthodes d'essai non ISO équivalentes à celles des Normes internationales ISO mentionnées
dans le présent document, se reporter à l'Annexe B.
5.2 Influence des propriétés du carburant sur les émissions des moteurs à allumage
par compression
5.2.1 Généralités
La qualité du carburant a une influence significative sur les émissions des moteurs. Certains paramètres
du carburant ont une incidence plus ou moins marquée sur le niveau des émissions. Un léger aperçu des
paramètres les plus influents est donné dans 5.2.2 à 5.2.4.
5.2.2 Soufre du carburant
Le soufre est généralement présent dans le pétrole brut. Le soufre résiduel présent dans le carburant
après le procédé de raffinage est oxydé au cours du procédé de combustion en SO , qui constitue la
principale source d'émission de soufre du moteur. Une partie du SO est ensuite oxydée en sulfate
(SO ) dans le système d'échappement du moteur, le tunnel de dilution ou par un système de traitement
postcombustion des gaz d'échappement. Le sulfate réagit avec l'eau présente dans les gaz d'échappement
pour former avec la condensation de l'eau de l'acide sulfurique qui est finalement mesuré comme partie
intégrante des émissions de particules (PM). Par conséquent, la teneur en soufre du carburant a une
influence significative sur les émissions de particules.
La masse des sulfates émis par un moteur dépend des paramètres suivants:
— la consommation de carburant du moteur (BSFC);
— la teneur en soufre du carburant (FSC);
— le taux de conversion S ⇒SO (CR);
— l'augmentation de poids par absorption d'eau normalisée à H SO ·6,651H O.
2 4 2
La consommation de carburant et la teneur en soufre du carburant sont des paramètres mesurables; le
taux de conversion pour sa part ne peut qu'être estimé dans la mesure où il peut varier d'un moteur à
l'autre. En général, le taux de conversion est d'environ 2 % pour des moteurs sans système de traitement
postcombustion des gaz d'échappement. La Formule (1) a été appliquée pour estimer l'effet du soufre
sur l'émission de particules PM:
X
E
FSC
Se=× ××6,795 296 (1)
PM fuel
1,,000 000 100
où
S est la contribution spécifique du soufre du carburant au frein au PM, exprimée en grammes
PM
par kilowatt-heure (g/kW-h)
e est la consommation spécifique de carburant au frein, exprimée en grammes par kilo-
fuel
watt-heure (g/kW-h)
X est la teneur en soufre du carburant, exprimée en milligrammes par kilogramme (mg/kg)
FSC
E est le taux de conversion S ⇒ SO , exprimé en pour cent %
6,795 296 est le facteur de conversion S ⇒ H SO · 6,651H O.
2 4 2
Tout ceci est fondé sur l'hypothèse selon laquelle 1,2216 grammes d'eau est associée à chaque gramme
de H S0 du fait de la température du point de rosée de 9,5 C dans l'environnement de pesée. Cela
2 4
correspond à 5,444H O.
Le rapport entre la teneur en soufre du carburant et l'émission de sulfates est illustré à la Figure 1 pour
un moteur sans traitement postcombustion et un taux de conversion de S à SO de 2 %.
De nombreux systèmes de traitement postcombustion comportent un catalyseur d'oxydation faisant
partie intégrante du système. Le catalyseur d'oxydation a pour principal objet d'améliorer les réactions
chimiques spécifiques nécessaires au bon fonctionnement du système de traitement postcombustion.
Dans la mesure où le catalyseur d'oxydation convertit une quantité importante de SO en SO , le
2 4
système de traitement postcombustion est susceptible de produire une grande quantité de particules
supplémentaires en présence de soufre dans le carburant. L'utilisation de ces systèmes de traitement
postcombustion risque d'augmenter de manière conséquente le taux de conversion d'environ 30 % à
70 % selon le rendement du pot catalytique. Cela a un effet important sur les émissions de particules
PM, tel qu'illustré à la Figure 2.
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Légende
X teneur en soufre du carburant, exprimée en mg/kg
Y PM soufre, exprimé en g/kW-h
Figure 1 — Relation entre la teneur en soufre du carburant et l'émission de sulfates
pour des moteurs sans traitement postcombustion des gaz d'échappement
Légende
X teneur en soufre du carburant, exprimée en mg/kg
Y PM soufre, exprimé en g/kW-h
1 conversion à 70 %
2 conversion à 30 %
Figure 2 — Relation entre la teneur en soufre du carburant et l'émission de sulfates
pour des moteurs avec traitement postcombustion des gaz d'échappement
5.2.3 Considérations spécifiques aux carburants marins
Le soufre et l'azote ont un impact respectif important sur les émissions de particules (PM) et les
émissions de NO pour les carburants marins (carburants de type distillat et résiduels).
x
En général, la teneur en soufre est plus élevée que pour les carburants diesel routiers ou non routiers
et ce d'un facteur d'environ 10, tel qu'illustré au Tableau 22. Même sans système de traitement
postcombustion des gaz d'échappement, la teneur en soufre dans l'émission de particules est d'environ
0,4 g/kWh pour un carburant contenant 2 % de soufre. De plus, les fractions importantes de cendres,
de vanadium et de sédiments contribuent de manière significative à l'émission de particules totale. Par
conséquent, l'émission de particules propre au moteur, constituée principalement de suie, ne représente
qu'une très petite fraction de l'émission de particules totale. Lors de l'application de systèmes de
traitement postcombustion des gaz d'échappement, il convient que les spécifications du 5.2.2 soient
soigneusement prises en compte.
La teneur moyenne en azote des carburants résiduels est généralement d'environ 0,4 % mais augmente
de façon constante. Dans certains cas, des teneurs en azote comprises entre 0,8 et 1,0 % ont été
rapportées. En supposant un taux de conversion de 55 % pour une teneur en azote de 0,8 %, l'émission
de NO du moteur augmentera de plus de 2 g/kWh. Cela représente une portion significative de
x
l'émission totale de NO et doit par conséquent être bien prise en compte.
x
5.2.4 Autres propriétés des carburants
Il existe d'autres paramètres de carburants qui ont une influence significative sur les émissions et la
consommation de carburant d'un moteur. Contrairement à l'influence du soufre, leur importance est
moins prévisible et non ambiguë, mais il existe toujours une tendance générale à les considérer comme
valables pour tous les moteurs. Les plus importants de ces paramètres sont l'indice de cétane (CN),
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la masse volumique, la teneur en aromatiques polycycliques, la teneur totale en aromatiques et les
caractéristiques de distillation. Leur influence est brièvement résumée ci-après.
Pour le NO , les aromatiques totaux constituent le paramètre prédominant alors que l'effet des
x
aromatiques polycycliques et de la masse volumique est moins significatif. Cela peut s'expliquer par
une augmentation de la température de flamme avec une teneur élevée en aromatiques au cours de
la combustion qui accroît l'émission de NO . En ce qui concerne les émissions de particules PM, la
x
masse volumique et les aromatiques polycycliques constituent les paramètres du carburant les plus
importants. En général, le NO est réduit de 4 % si les aromatiques sont réduits de 30 % à 10 %. Une
x
réduction similaire est possible pour les émissions de particules PM en réduisant les aromatiques
polycycliques de 9 % à 1 %.
L'augmentation de l'indice de cétane CN améliore le démarrage à froid du moteur et par conséquent
les émissions de fumées blanches. Cela a également une influence bénéfique sur les émissions de NO ,
x
notamment à faibles charges, lorsqu'une réduction jusqu'à 9 % peut être obtenue en augmentant l'indice
de cétane CN de 50 à 58 et sur la consommation de carburant affichant des améliorations jusqu'à 3 %
pour la même plage d'indice de cétane.
5.3 Influence des propriétés du carburant sur les émissions des moteurs à allumage
par étincelle (SI)
Les paramètres ayant une influence significative sur les émissions et la consommation de carburant
d'un moteur à allumage par étincelle SI comprennent: l'indice d'octane, la teneur en soufre, les additifs
contenant du métal, les oxydants, les oléfines et le benzène.
Les moteurs sont conçus et étalonnés pour une certaine valeur d'octane. Lorsqu'un client utilise de
l'essence ayant un niveau d'octane inférieur au niveau requis, une détonation risque de se produire,
ce qui pourrait entraîner de graves dommages au moteur. Les moteurs équipés de détecteurs de
détonation sont en mesure de gérer des niveaux d'octane inférieurs en retardant le calage de l'allumage.
Comme mentionné ci-dessus, le soufre est généralement présent dans le pétrole brut. Si le soufre n'est
pas éliminé au cours du procédé de raffinage, il risque de contaminer le carburant. Le soufre a un
impact significatif sur les émissions du moteur en réduisant le rendement des catalyseurs. Le soufre
a également un effet préjudiciable sur les détecteurs d'oxygène dans les gaz d'échappement chauds.
Par conséquent, des teneurs élevées en soufre augmentent de manière significative les émissions
d'hydrocarbures HC et de NO . A noter également que les techniques à mélange pauvre qui nécessitent
x
d'appliquer un traitement postcombustion du NO présentent une extrême sensibilité au soufre.
x
Les additifs contenant du métal forment en règle générale des cendres et peuvent par conséquent avoir
un effet préjudiciable sur le fonctionnement des catalyseurs et autres composants tels que détecteurs
d'oxygène, donnant lieu à un phénomène irréversible qui augmentent les émissions. Par exemple, le MMT
(méthylcyclopentadiényl manganèse tricarbonyle) est un composé à base de manganèse commercialisé
comme un additif de carburant améliorant l'indice d'octane pour l'essence. Les produits de combustion
des composants de moteur à combustion interne à base de MMT tels que bougies d'allumage,
constituent des sources potentielles de raté d'allumage donnant lieu à l'augmentation des émissions,
de la consommation de carburant et à de mauvaises performances du moteur. Ils peuvent également
s'accumuler et boucher en partie le catalyseur provoquant une augmentation de la consommation de
carburant associée à une réduction du contrôle des émissions.
Les composés organiques oxygénés, tels que le l'éthanol, sont souvent ajoutés à l'essence pour améliorer
l'indice d'octane, prolonger les équipements d'alimentation à essence, ou pour produire un mélange
pauvre dans la stœchiométrie du moteur afin de réduire les émissions de monoxyde de carbone. Le
mélange pauvre réduit les émissions de monoxyde de carbone, notamment pour les moteurs carburés
sans système à carburateur à rétroaction électronique. Cependant, l’augmentation des niveaux d’O
ayant augmenté au-delà des niveaux pour lesquels un moteur à régulation à chaîne ouverte a été
étalonné fera généralement augmenter les émissions de NO et les températures de combustion, ce qui
x
peut conduire à une panne de moteur prématurée.
Les oléfines sont des hydrocarbures non saturés qui, dans nombre de cas, sont également des
composants à bon indice d'octane de l'essence. Cependant, la présence d'oléfines dans l'essence peut
donner lieu à la formation de gommes et de dépôts et à l'augmentation des émissions d'hydrocarbures
réactifs (c'est-à-dire composé ozogène) et de composés toxiques.
Le benzène est un composant naturel du pétrole brut ainsi qu'un produit de reformage catalytique
qui génère des flux d'essence à indice d'octane élevé. Il s'agit également d'un agent cancérigène pour
les humains connu. Le contrôle des teneurs en benzène dans l'essence est la méthode la plus directe
pour limiter les émissions de vapeurs et de gaz d'échappement de benzène des moteurs à allumage par
étincelle.
Une bonne volatilité de l'essence constitue l'élément essentiel au fonctionnement des moteurs à allumage
par étincelle eu égard à la fois aux performances et aux émissions. La volatilité est caractérisée par
deux mesurages: la pression de vapeur et la distillation.
6 Vue d’ensemble des carburants
6.1 Gaz naturels
6.1.1 Gaz naturels de référence
Les gaz naturels de référence dont l'utilisation est recommandée pour les besoins de la certification
sont les suivants:
a) carburants de référence UE: voir Tableau 1 et Tableau 2;
b) carburant d'essai américain pour la certification: voir Tableau 3;
c) carburant d'essai japonais pour la certification: voir Tableau 4.
6.1.2 Gaz naturel de référence fourni par un gazoduc avec mélange
La base de chaque combustible de référence (G , G , …) doit être du gaz provenant d'un réseau de
R 20
distribution de gaz de service public, mélangé, si nécessaire pour satisfaire à la spécification du
décalage lambda correspondant (S ) du Tableau 2, avec un mélange d'un ou de plusieurs des gaz suivants
λ
disponibles dans le commerce:
a) dioxyde de carbone;
b) éthane;
c) méthane;
d) azote;
e) propane.
L'utilisation d'un gaz d'étalonnage à cette fin n'est pas nécessaire.
La valeur de S du mélange de gaz de pipeline et de gaz de mélange qui en résulte est déterminée
λ
conformément à l'Annexe D et se situe dans la fourchette indiquée au Tableau 2 pour le combustible de
référence spécifié.
Les spécifications suivantes des combustibles d'essai sont enregistrées:
a) le ou les gaz de mélange choisis dans la liste ci-dessus;
b) la valeur de S pour le mélange de combustibles résultant;
λ
c) l'indice de méthane (MN) déterminé conformément à la norme EN 16726 ou ASTM D8221-18 du
mélange de combustibles résultant.
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Les exigences des Annexes C, D et E doivent être respectées en ce qui concerne la détermination des
propriétés du gazoduc et des gaz de mélange, la détermination de S et de MN pour le mélange de gaz
λ
résultant, et la vérification que le mélange a été maintenu pendant l'essai.
Si un ou plusieurs des flux gazeux (gaz de pipeline ou gaz de mélange) contiennent du CO dans une
proportion supérieure au minimum, le calcul des émissions spécifiques de CO doit être corrigé
conformément à l'Annexe E.
6.1.3 Gaz naturel qui ne sont pas de référence
Les carburants gazeux référencés ne peuvent souvent pas être utilisés car leur utilisation dépend de la
disponibilité de ces gaz sur le site. Leurs propriétés, ainsi que l’analyse du (des) carburant(s), doivent
être connues et jointes au rapport de mesure.
Le Tableau 5 constitue une fiche de données analytiques générales donnant les propriétés qui doivent
être consignées.
6.2 Gaz de pétrole liquéfiés
6.2.1 Gaz de pétrole liquéfiés de référence
Les gaz de pétrole liquéfiés de référence dont l’utilisation est recommandée pour les besoins de la
certification sont les suivants:
a) carburants de référence UE: voir Tableau 6;
b) carburant d'essai américain pour la certification: voir Tableau 7;
c) carburant d'essai japonais pour la certification: voir Tableau 8.
6.2.2 Gaz de pétrole liquéfiés qui ne sont pas de référence
Les gaz de pétrole liquéfiés de référence ne peuvent souvent pas être utilisés car leur utilisation dépend
de la disponibilité de ces gaz sur le site. Leurs propriétés, ainsi que l’analyse du gaz, doivent être connues
et jointes au rapport de mesure.
Le Tableau 9 constitue une fiche de données analytiques générales donnant les propriétés qui doivent
être consignées.
6.3 Essences pour automobiles
6.3.1 Essences de référence pour automobiles
Les essences de référence pour automobiles dont l’utilisation est recommandée pour les besoins de la
certification sont les suivantes:
a) carburants de référence UE: voir Tableau 10;
b) carburant d'essai américain pour la certification: voir Tableau 11;
c) carburants d'essai US EPA E-10 pour la certification: voir Tableau 12;
d) Carburant d'essai de certification California CARB LEV III: voir Tableau 13;
e) Carburants d'essai d'homologation japonais: voir Tableau 14;
f) Éthanol E95 (moteurs à allumage par compression): voir Tableau 15;
g) Éthanol E85 carburant de référence de la phase V: voir Tableau 16.
6.3.2 Essences pour automobiles qui ne sont pas de référence
Lorsqu’il s’avère nécessaire d’utiliser des essences pour automobiles qui ne sont pas de référence, les
propriétés de chacun de ces carburants doivent être jointes aux résultats d’essai. Le Tableau 17 constitue
une fiche de données analytiques générales donnant les propriétés qui doivent être consignées.
6.4 Carburants pour moteurs diesels
6.4.1 Carburants de référence pour moteurs diesels
Les carburants de référence pour moteurs diesels dont l’utilisation est recommandée pour les besoins
de la certification sont les suivants:
a) carburants de référence UE: voir Tableau 18;
b) carburants d'essai américains pour la certification: voir Tableau 19;
c) carburant d'essai japonais pour la certification: voir Tableau 20.
6.4.2 Carburants pour moteurs diesel qui ne sont pas de référence
Lorsqu’il s’avère nécessaire d’utiliser des carburants pour moteurs diesels qui ne sont pas de référence,
les propriétés de chacun de ces carburants doivent être jointes aux résultats d’essai. Le Tableau 21
constitue une fiche de données analytiques générales donnant les propriétés qui doivent être
consignées.
Les normes ou les spécifications des carburants du commerce peuvent être obtenues auprès des
organismes listés à l’Annexe C.
6.5 Carburants de type distillat
Comme il n’existe pas de carburant de référence, il est recommandé que le carburant utilisé soit
conforme à l´ISO 8217 (voir le Tableau 22).
Les propriétés du carburant, y compris l’analyse élémentaire, doivent être déterminées et jointes aux
résultats de mesure d’essai des émissions. Le Tableau 23 constitue une fiche de données analytiques
générales donnant les propriétés qui doivent être consignées.
6.6 Carburants résiduels
Comme il n’existe pas de carburant de référence, il est recommandé que le carburant utilisé soit
conforme à l´ISO 8217 (voir le Tableau 24).
Lorsqu’il est nécessaire d’utiliser des carburants lourds, les propriétés du carburant doivent être
conformes à l´ISO 8216-1 et à l´ISO 8217. Ces propriétés, y compris l’analyse élémentaire du carburant,
doivent être déterminées et jointes aux résultats de mesure d’essai des émissions. Le Tableau 25
constitue une fiche de données analytiques générales donnant les propriétés qui doivent être
consignées.
Les effets de la qualité d’allumage sur les émissi
...
Questions, Comments and Discussion
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