２００９年第２期 国外内燃机
废气净化
重型柴油机达到欧４和欧５标准的排放控制方案
【美】 Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ Ｓ Ｗａｌｋｅｒ Ａ Ｐ Ｂｌａｋｅｍａｎ Ｐ Ｇ
摘要：现代柴油机是最通用的车辆动力之一。柴油机因较高的燃油经济性和扭矩得以长期用于 全球重型车辆。此外，如今的涡轮增压小型高速柴油机有很高的动力性，以及优异的驱动性，加上很 低的ＣＯ。排放，使得柴油机驱动的轻型车也越来越多。然而，只有当柴油车的废气排放满足日益严
格的排放法规，它才可能被接受。在美国，重型柴油车和轻型柴油车要满足２００７年开始生效的严格 的排放法规，必须加装颗粒过滤器。从２０１０年起，排放法规将进一步收紧，这些车辆还必须加装 ＮＯ 控制系统。欧洲与美国相似，先是欧４、欧５，最终将实施欧６排放法规。实际上，这样的目标意
味着ＮＯ 和颗粒排放要比之前降低多达９Ｏ 。评述了世界范围内重型柴油车为满足现行以及即将 实施的欧６排放法规所使用的废气排放控制装置，以及控制策略的发展，探讨了有助于满足重型车法
规要求的柴油机氧化催化器、通流式颗粒过滤器以及Ｎ 控制催化器（选择性催化还原系统）的应 用，并给出了不同控制方案的比较分析。
关键词：排放控制重型柴油机柴油机氧化催化器废气再循环部分过滤器选择性催化还原系统
０ 前言
柴油机是世界上货运和客运的主要动力装置。
例如，重型柴油车只占加利福尼亚州车辆总数的 ２ ，但却承担着该州货运量的８Ｏ ＿】］。然而，重型
柴油机也是市区ＮＯ 和颗粒（ＰＭ）排放的主要来
源。根据加州空气资源委员会（ＣＡＲＢ）的报告，到 ２０１０年，柴油机将是加州ＮＯ 排放的主要来源：道
路用柴油机占ＮＯ 排放的１８％，而非道路用柴油机 占１９ ｌ＿２］。因为ＮＯ 被认为是地面臭氧的先兆物，
所以，美国环保署（ＥＰＡ）对新的重型柴油机有严格
的ＮＯ 法规限制。从２００７年开始，新柴油机的 ＮＯ 排放将采取分阶段实施的策略逐步降低，到
２０１０年，ＮＯ 排放会要求降至０．２ ｇ／（ｂｈｐ·ｈ）①。 柴油机也是市区ＰＭ排放的主要来源之一。根 据ＣＡＲＢ的报告，２０００年，柴油机ＰＭ占所有空气
有毒物质的７Ｏ Ｉ４］。一些卫生组织和法规单位，包 括世界卫生组织（ＷＨＯ）、美国职业安全与卫生研究
院（ＮＩＯＳＨ）、美国健康影响研究院（ＨＥＩ）以及ＥＰＡ
已承认，柴油机ＰＭ可能使人致癌。由于这个原因， ＥＰＡ已对ＰＭ给出了严格的限制：２００７年开始的柴
油机ＰＭ排放限值为０．０１ ｇ／（ｂｈｐ·ｈ）［３］，这比１９９０
年的标准减少了９７ 。
相似的严格法规也已在欧洲建立。从２００５年
①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。 起新的重型柴油机要满足欧４法规：ＮＯ ３．５
ｇ／（ｋＷ·ｈ）；ＰＭ ０．０２ ｇ／（ｋＷ·ｈ）。紧接着，２００８年 开始执行更严格的欧５法规：ＮＯ ２．０ ｇ／（ｋｗ·ｈ）； ＰＭ ０．０２ ｇ／（ｋｗ·ｈ）。尽管一些亚洲和南美洲国家
执行这些法规初始阶段有些延迟，但现正努力追赶 欧洲标准，因为这些国家中有大量重型柴油机在运 行中。像印度、中国以及巴西将以一种分阶段的方
式，从２０１０年起开始执行欧４排放法规，并且也鼓 励对在用车辆进行排放控制。 表１概括了美国重型车用柴油机排放标准的演
变，表２为欧洲相应排放法规的概要。图１给出了 世界范围重型柴油机的排放标准及其演变。
与Ｎｑ和ＰＭ排放相比，达到ＨＣ和Ｃｏ排放限 值并不难，因为这些污染物的原始排放已经很低。然 而，为了满足将来的Ｎ 和ＰＭ排放要求，需要燃烧
优化与先进的排放控制系统相结合的技术措施。
表１ 美国重型车用柴油机的排放法规限值 （补充排放测试循环及美国重型货车测试循环）
ＨＣ Ｏ０ Ｎ（）ｒ ＰＭ 年份 ／（ｇ·（ｂｈｐ．ｈ） ） ／（ｇ·（ｂｈｐ．ｈ） ） ／（ｇ·（ｂｈｐ·ｈ） ） ／（ｇ·（ｂｈｐ．ｈ） ） １９９８ １．３ ｌ５．５ ４．０ ０．１ｏ ２００４ ０．５ １５．５ ２．５① ｏ．１０ ２００７ ０．１４ １５．５ １．２ ０．０１ ２０１０ ０．１４ １５．５ ０．２ ０．０１ ①ＮＯ ＋ＮＭＨＣ的限值，同时满足ＨＣ限值为０．５。
国外内燃机 ２００９年第２期
表２欧洲重型车用柴油机的排放法规限值 （欧洲稳态及瞬态测试循环）
ＨＣ ∞ ＮＯ ＰＭ 年份 ／（ｇ·（ｋＷ·ｈ）一 ） ／（ｇ·（ｋＷ．ｈ）一 ） ／（ｇ·（ｋＷ．ｈ） ） ／（ｇ·（ｋＷ·ｈ）一 ） ２０００ （欧３） ０．６６ ２．１ ５．０ ０．１０
２００５ ０．４６ １．５ ３．５ ０．０２ （欧４）
２００８ ０．２５ １．５ ２．０ ０．０２ （欧５）
Ｏ．２Ｏ ０．１８ ０．１６ 备Ｏ．１４ 壶Ｏ．１２ ０．１０ ０．０８ 窆０．ｏ６ ０．０４ Ｏ．０２
０ ０．５ １ １．５ ２ ２．５ ３ ３．５ ４ ４．５ ５ ５．５ ６ ＮＯＪ（ｇ （ｋＷ．ｂ） ）
图１ 世界范围重型柴油机的排放标准及其演变
用于重型柴油机ＮＯ 排放控制的关键技术有 废气再循环（ＥＧＲ）和选择性催化还原（ＳＣＲ）。ＥＧＲ
系统是已被证实能有效降低柴油机废气中ＮＯ 排
放的系统之一，并且在轻型发动机上已应用多年。 自２０００年起，ＥＧＲ被用于重型柴油机。在ＥＧＲ系
统中，发动机废气中的一部分再循环到发动机进气 中。ＥＧＲ系统通过两种途径来降低ＮＯ 排放：第一
种是用燃烧产物稀释进气，降低燃烧混合气中的氧 含量；第二种是通过引入像ＣＯ 和Ｈ Ｏ这样的燃烧
产物作为吸热剂，降低最高燃烧温度。较低的燃烧 温度减少了ＮＯ 生成。
控制Ｎ０ 排放的ＳＣＲ以由尿素获得的氨为还 原剂，用于重型发动机时具有很高的效率Ｉ５］。在特
殊设计的催化器中，氨有选择地与ＮＯ和Ｎｏ。反 应，并有效地还原它们，生成氮和水。氨以一种无害
的尿素溶液形式被车载，并通过尿素的快速水解在 车上生成氨。在欧洲重型柴油机原设备规定的市场 中，从２００５年起已用ＳＣＲ来控制ＮＯ 排放。类似
地，日本从２００５年开始也在发动机上使用ＳＣＲ
系统。
柴油机氧化催化器（ＤＯＣ）和颗粒过滤器（ＤＰＦ） 能明显地降低柴油机的ＰＭ、ＨＣ和ＣＯ排放Ｅ６－９］。
ＤＯＣ一般应用于并不特别关注排气温度和排放水
平的柴油机上，然而由于它主要通过氧化ＰＭ中的 可溶性ＨＣ来降低ＰＭ，而不能降低碳烟＿６”］，因此它
降低ＰＭ的效果有限。在这个过程中，ＤＯｃ不能显 著降低ＰＭ的总粒数。另一方面，ＤＰＦ在降低总的 ＰＭ方面特别有效，不管是ＰＭ的质量，还是粒 数＿８叫。。。典型的例子就是一种被动再生的柴油机颗 粒过滤系统ＣＲＴ＠，它将一个ＤＯＣ与一个无催化剂
的壁流式过滤器相结合，当连续再生过滤器时，能清 除超过９０ ９／６的ＣＯ、ＨＣ和ＰＭ。 在ＤＯＣ和ＤＰＦ的ＰＭ控制效率之间，有一种
相对较新的技术，即通流式或部分过滤器系统 （ＰＦＴ）。ＰＦＴ将ＤｏＣ的通流特性与ＤＰＦ的颗粒捕 集特性结合起来，用于重型柴油机时能净化５Ｏ ９，６以
上的ＰＭ。在欧洲，这样的系统被用于重型柴油机， 以满足欧４排放法规的需要，并且它也将被用于亚 洲和南美洲，以应对即将实施的欧４排放法规。在
这些发展中国家，法规开始执行时并没有可用的超 低硫柴油（ＵＬＳＤ，含硫量小于５Ｏ×１０ ），而ＰＦＴ 系统却能够在低硫柴油（ＬＳＤ，含硫量小于３５０× １０ ）下使用，这为ＰＦＴ系统在这些国家中的使用
提供了一种额外的鼓励。 本文对已用于和正在考虑用于满足欧４和欧５ 排放法规要求的重型柴油机，及其各种ＰＭ和ＮＯ 控制方案的设计和性能进行了描述。
１ 试验
本章节将详细讨论各种排放控制技术和测试 程序。
１．１ ＤｏＣ ＤＯＣ是由涂敷着铂族金属催化剂的整体式蜂 窝载体所组成的通流式装置。蜂窝结构有许多细小 的平行孔道，使废气与催化剂有很大的接触面积。
当热的废气接触到催化剂时，诸如ＣＯ、气态ＨＣ、未 燃燃油和润滑油、有毒的醛类等气态污染物都会被 氧化成ＣＯ。和Ｈ Ｏ，这样便降低了柴油机的有害排 放。ＤＯＣ一般被封装在一个允许废气进出的不锈钢
罐中，因此可以设计成简单的转化器结构或消声器结 构，在控制排放的同时消声。图２为典型的ＤＯＣ。 应用ＤＯＣ的一个主要目的是控制ＰＭ排放。 虽然，ＤＯＣ不捕集或燃烧碳烟颗粒，但它可以氧化
柴油机ＰＭ中的可溶性有机成分（ＳＯＦ）。
如图３所示，柴油机ＰＭ主要由碳烟、ＳＯＦ、吸 附的ＨＣ以及硫酸盐颗粒组成。ＳＯＦ一般占柴油机
ＰＭ的２０ ９／６～４Ｏ 。而Ｄ０Ｃ可以有效地去除柴油 机ＰＭ中９Ｏ 以上的ＳＯＦ和气态ＨＣ，通过消除这
些成分，可使柴油机ＰＭ排放降低。ＤＯＣ一般可以 净化ＰＭ的１Ｏ ～４Ｏ ，具体视ＰＭ组成和运行工
况而定。
２００９年第２期 国外内燃机
图２典型的ＤＯＣ
图３柴油机颗粒的分析
Ｅｓｏｖ￣＋Ｏ — ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ （１）
１ Ｈ ｎ ＳＯ２＋÷Ｏ２一ｓＯ３—＿二一Ｈ２ ｓＯ４ （２）
然而，ＤＯＣ也可能通过氧化排气中的ＳＯ 生成
硫酸盐颗粒，如此又可能增加ＰＭ排放。对于
ＵＬＳＤ燃油，这并不是主要问题。但对于ＬＳＤ燃油
（含硫量小于３５０Ｘ １０ ）来说，设计ＤｏＣ时使其生
成硫酸盐尽可能少，并尽可能多地消除ＳＯＦ就显得 十分重要。
１．２ ＰＦＴ ＰＦＴ系统是一种被动降低ＰＭ的装置，它主要 由两部分组成。第一部分包含一个ＤＯＣ，以完成必
要的氧化步骤。第二部分包含一个独特的通流式滤
芯，完成碳烟的收集和燃烧过程。典型的ＰＦＴ系统 为模块化设计，集成了进口、催化器、过滤器、出口四
个模块（图４）。催化器部分包含一个氧化催化器，由
涂敷适当的高活性铂族金属的蜂窝陶瓷载体组成。 除了能氧化部分ＮＯ来燃烧碳烟外，催化器也能氧
化ＣＯ、ＨＣ和ＰＭ中的ＳＯＦ。 ‘ ＰＦＴ过滤器滤芯制成通流式整体结构，可使用
几种不同类型的滤芯。本文将讨论Ｅｍｉｔｅｃ公司制
造的ＰＭ Ｍｅｔａｌｌｉｔ通流式滤芯。图５给出过滤器部 图４ ＰＦＴ系统
图５用铲形结构迫使碳烟进入烧结金属 纤维材料的ＰＦＴ薄片载体
分的局部剖视图。废气流经金属薄片（通道），沿长 度方向冲压出一个斜坡或铲形结构，为排气创造一 条迂回的路径。在通道之间的薄壁由被压缩在金属
薄片之间的多孔烧结金属纤维材料组成。通道里的
铲形结构迫使部分废气改道，流经金属纤维材料，这 样就会捕集部分碳烟。余下的废气则类似通流式载 体，直接从通道的另一侧流出。纤维材料所捕集到的
碳烟被催化器上游生成的ＮＯ２燃烧掉，这样使过滤器 再生，可以继续捕集碳烟。关于ＮＯ 与碳的反应情 况，可参阅其他文献。如果过滤器再生受阻，纤维材
料被捕集的碳烟饱和时，此载体与通流式过滤器相 似，不会被堵塞。这种情况下，所有的废气都能较顺
利地通过铲形结构，并直接从通道的另一侧流出。 ＰＦＴ系统一般可使ＰＭ降低５Ｏ％以上，使ＣＯ 和ＨＣ降低８Ｏ 以上。 １．３ ＥＧＲ系统 ＥＧＲ系统被设计成可降低发动机高燃烧温度 运行期所产生的ＮＯ 。当燃烧温度高于１ ４００℃左
右时，生成的ＮＯ 浓度很高。ＥＧＲ系统再循环小部
分废气进入发动机的进气歧管，与空燃充量混合。 通过这部分废气稀释空燃混合气，降低最高燃烧温