柴油车排放污染物的控制技术

第一节柴油机排放的特点

一、柴油机排气污染物的种类及特点

柴油机排气的有害成分主要有CO'HCNO-、硫化物以及颗粒物、臭味气体等。由于沾油机使用的混合气的平均空燃比较理论空燃比大，故其C0及HC排放明显低于汽油机;但柴油机NO,的排放、颗粒物及臭味气体却十分突出11]9

柴油机颗粒物的排量远髙于汽油机，这已被大量的试验证明。图6-1为柴油车与汽油车的微粒排放数量比较[2:,图中D和G分别表示柴油车和汽油车，D和G后面的字母a、b、c 等表示车辆编号，试验车辆均满足日本2000年的排放标准。柴油车和汽油车的微粒排放平均浓度分别为2.13 xlO8个/cm3和5.48 xlO5个八.m3,柴油车和汽油车的平均微粒排放数量分别为5.23 x 1014个/km和6. 36 x 10"个/km。可见，柴油车排放的微粒数量远高于汽油车。另外，试验时环境大气中的微粒物平均浓度为2. 92 x如个/cm3,可见,汽油车的微粒排放浓度远大于环境大气。表6-1为装备柴油机的2t载重车与其他发动机的汽车排气中的污染物NO,和PM比较。柴油车排放的也远高于汽油车：如第二章听述,颗粒物的危害性很大,有致癌和致突变的嫌疑，因此柴油车排气的危害远高于其他汽车。

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由于柴油中挥发性差的大分子碳氢化合物含量高于汽油，因此，柴油机排放的HC 与 汽油机有所不同：在柴油机燃烧过程中，喷雾中氧气不足使大量的燃油分子髙温分解，并 引起烃分子之间的化学反应，导致HC 成分复杂、含有高沸点（多为高相对分子质量)的碳 氢化合物成分多。图6 - 2为柴油机NM0G 排放中不同C 原子数的HC 排放量比较,与使 用普通柴油的发动机HC 排放相比，安装了DPF 并使用低硫柴油的发动机和使用低芳烃 及低硫柴油的普通柴油机可降低绝大多数成分的碳氢化合物排放量。

二、柴油机排气污染物控制的困难

柴油车的排放特点是，危害很大的PM 和N0，的排放远高于其他车辆，HC 和C0的 排放不多,问题不突出。因此柴油车的NO,和PM 的降低一直是柴油机排放控制的重点， 各个国家或地区的法规对这两类污染物的限制越来越严格（图6-3和图6-4)。从1994 年以来，欧盟各成员国及美国和日本的柴油轿车N0X 和PM 的限值分别沿着Eurol — Euro2—>Euro3—►Euro4—+Euro5、TieiO —Tierl ~*Tier2( Bin9) —>Tier2 ( Bin5 )和短期一》■长期 新短期—新长期—新长期后的路线不断加严EUR 06标准也已制定,这使柴油车的污 染物控制面临空前的挑战。欧盟各成员国和日本的柴油载重车NO,和PM 限值的路线与 柴油轿车基本相同，美国的则与柴油轿车有较大差别。

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图6-5为普通柴油车NO,和PM 之间的关系，接近双曲线关系。可见,使柴油机 NO,下降的方法一般都导致PM 上升，常把这种关系称为trade-off 关系，这更增大了柴油 机排放控制难度。寻求NO,和PM 同时下降的方法也就成了柴油机排放研究的一个难 点。采用EGR 和推迟喷射时刻等技术后，可使N0:降低，但PM 的问题仍然存在，需要采 用DPF 装置;采用燃烧过程优化和喷射时刻控制技术可使PM 问题基本解决，但N0-更 为突出，故需要与SCR 或NSR —起使用。因此，应对更严格的排放标准的对策应是燃烧 过程优化、EGR 和多种后处理技术的组合，如先通过燃烧过程改善，将微粒降低到足够低 的水平,再采用选择还原催化(SCR)净化N0X;也可先采用冷却的EGR 技术将NO ,降低 到足够低的水平，再采用颗粒过滤净化P!V^图6 - 5给出了满足US2010、日本2009及 EuroS 等重型汽车排放标准的主要技术组合。由于欧盟各成员国、美国和日本标准对PM 、N0,限值的差别，导致了控制排放的技术路线的不同,如，采用SCR 技术可满足E ur03,而 要满足US2002则需要采用D0C 控制技术等。