ISO/FDIS 8178-5

Reciprocating internal combustion engines -- Exhaust emission measurement

Moteurs alternatifs à combustion interne -- Mesurage des émissions de gaz d'échappement

Standards Content (sample)

FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 8178-5
ISO/TC 70/SC 8
Reciprocating internal combustion
Secretariat: DIN
engines — Exhaust emission
Voting begins on:
2021-01-19 measurement —
Voting terminates on:
Part 5:
2021-03-16
Test fuels
Moteurs alternatifs à combustion interne — Mesurage des émissions
de gaz d'échappement —
Partie 5: Carburants d'essai
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO
SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION
OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPOR TING
DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
Reference number
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO-
ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN-
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
NATIONAL REGULATIONS. ISO 2021
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
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 (normative) 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

Annex E (normative) Correction for CO in the exhaust gas arising from CO in the gaseous fuel ...47

2 2

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................49

© ISO 2021 – All rights reserved iii
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
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
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
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.

© ISO 2021 – All rights reserved v
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FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 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
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.

Note 1 to entry Also 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
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
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

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]
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
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 —
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 —
k fuel specific factor for the carbon balance calculation —
k dry to wet correction factor for the raw exhaust gas —
k dry to wet correction factor for the raw exhaust gas —
k fuel specific factor —
H absolute humidity of the intake air (g water/kg dry air) g/kg
p total atmospheric pressure kPa
p water vapor pressure after cooling bath KPa
q intake air mass flow rate on dry basis kg/h
mad
q intake air mass flow rate on wet basis kg/h
maw
q exhaust gas mass flow rate on wet basis kg/h
mew
q fuel mass flow rate kg/h
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 0 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
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
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)

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

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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)

2 % for engines without aftertreatment systems. Formula (1) has been applied for estimating the sulfur

impact on PM:
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

(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
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
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
© ISO 2021 – All rights reserved 7
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)
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.

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

2 g/kWh. This is a significant portion of the total NO emission and shall therefore be carefully taken

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

is less significant. This can be explained by an increase of the flame temperature with higher aromatics

8 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 8178-5:2021(E)

content during combustion, which results in an increased NO emission. For PM, density and poly-

aromatics are the most significant fuel parameters. In general, NO will be reduced by 4 % if aromatics

are reduced from 30 % to 10 %. A similar reduction is possible for PM when reducing poly-aromatics

from 9 % to
...

PROJET
NORME ISO/FDIS
FINAL
INTERNATIONALE 8178-5
ISO/TC 70/SC 8
Moteurs alternatifs à combustion
Secrétariat: DIN
interne — Mesurage des émissions de
Début de vote:
2021-01-19 gaz d'échappement —
Vote clos le:
Partie 5:
2021-03-16
Carburants d'essai
Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission
measurement —
Part 5: Test fuels
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET
SONT INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS
OBSERVATIONS, NOTIFICATION DES DROITS
DE PROPRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT
ÉVENTUELLEMENT CONNAISSANCE ET À
FOURNIR UNE DOCUMENTATION EXPLICATIVE.
OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-
Numéro de référence
MERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE
ISO/FDIS 8178-5:2021(F)
DES UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI-
BILITÉ DE DEVENIR DES NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA
RÉGLEMENTATION NATIONALE. ISO 2021
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette

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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

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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ISO/FDIS 8178-5:2021(F)
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 naturels 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 diesels 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 (normative) 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

Annexe E (normative) Correction pour le CO dans les gaz d'échappement provenant du

CO dans le combustible gazeux ........................................................................................................................................................48

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................50

© ISO 2021 – Tous droits réservés iii
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ISO/FDIS 8178-5:2021(F)
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
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ISO/FDIS 8178-5:2021(F)
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.
© ISO 2021 – Tous droits réservés v
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PROJET FINAL DE NORME INTERNATIONALE ISO/FDIS 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 8216-1:2010, Produits pétroliers — Classification des combustibles (classe F) — Partie 1: Catégories

des combustibles pour la marine

ISO 8217:2010, 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
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ISO/FDIS 8178-5:2021(F)

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 1 à l’article 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.]

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ISO/FDIS 8178-5:2021(F)
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 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

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]
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ISO/FDIS 8178-5:2021(F)
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
A/F Rapport air/carburant stœchiométrique —
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 —
d’échappement humides
k Facteur spécifique du carburant pour le calcul du bilan carbone —
k facteur de correction sec à humide pour les gaz d'échappement bruts —
k facteur de correction sec à humide pour les gaz d'échappement bruts —
k facteur spécifique au carburant —
H humidité absolue de l'air d'admission (g d'eau/kg d'air sec) g/kg
p pression atmosphérique totale kPa
p pression de vapeur d'eau après le bain de refroidissement KPa
q débit massique de l'air d'admission sur base sèche kg/h
mad
q Débit-volume de l’air d’admission humide kg/h
maw
q Débit-volume des gaz d’échappement humides kg/h
mew
q Débit-masse du carburant kg/h
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 H20 débit volumétrique m /s
vH2O
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
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
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ISO/FDIS 8178-5:2021(F)

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 diesels);

— 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 A. 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.2.1, A.2.2 et A.2.3.

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 A: A.2.2, A.2.3 et A.2.4.

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 les paragraphes 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);
© ISO 2021 – Tous droits réservés 5
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ISO/FDIS 8178-5:2021(F)
— le taux de conversion S ⇒SO (CR);
— l'augmentation de poids par absorption d'eau normalisée à H2SO4·6,651H2O.

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):
FSC
Se=× ××6,795 296 (1)
PM fuel
1,,000 000 100

S est la contribution spécifique du soufre du carburant au frein au PM, exprimée en grammes

par kilowatt-heure (g/kW-h)

e est la consommation spécifique de carburant au frein, exprimée en grammes par kilowatt-

fuel
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 H2S04 du fait de la température du point de rosée de 9,5 C dans l'environnement de pesée. Cela

correspond à 5,444H2O.

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 ré

...