柴油机排放启示

（1．雪佛龙ORONITE公司，北京 100004；2.美国西南研究院北京代表处，北京 100004；3.北京赛维华宇科技发展有限公司，北京 100101）

摘要：针对目前越来越突出的车用柴油机尾气排放问题做了系统的概述。从尾气排放对人类健康及生存环境的危害阐述了治理排放的重要性，详细介绍了为降低排放而采取的各种措施，包括各地区制定越来越严格的排放标准、改进发动机的制造技术、机外净化装置的应用、降低燃料油中硫含量以及更苛刻的柴油机油性能要求。其中着重介绍了EGR（尾气再循环装置）、DPF（颗粒捕集器）、CDPF（催化颗粒捕集器）和SCR（选择性催化转换器）等尾气再处理装置的工作原理。同时也简单介绍了我国柴油机排放治理现状及发展进程，以及通过了解世界各地在此领域的不懈努力，给我们带来的启示。

关键词：柴油机；排放标准；尾气后处理；柴油机油

中图分类号：TE626.32 文献标识码：A

1 汽车尾气排放的危害

在日益严峻的全球环境问题上，尤为突出的问题就是全球气温转暖，即全球温室效应，这一效应不但严重破坏环境及生态平衡，而且给人体健康也带来极大危害。2007年6月在德国举行的备受瞩目的八国集团首脑会议上，如何遏制全球气候变化是最为重要的议题。德国欲说服八国领导人达成《新气候框架协议》，即在2050年之前限制全球温度上升在2 ℃以内，并将温室效应气体排放量减为1990年排放总量的一半。因此，控制汽车尾气排放是减排的重要课题之一，这是全球的趋势。美国、日本和欧洲等发达国家和地区是这个趋势的领先者，他们将在2010年开始执行更加严格的车用柴油发动机排放标准，届时与2002年相比氮氧化合物（NOx）和微粒物质（PM）的排放将减少90%以上。

在发动机排放中主要成分是：氮氧化合物、微粒物质、一氧化碳和碳氢化合物，其中前两者是主要的污染物质，对环境污染以及人体健康的危害是极大的：

氮氧化合物：可以形成二次污染物如臭氧，它可以造成肺部及呼吸系统失调。

微粒物质：悬浮在空气中影响可见度；可以导致肺部及心脏疾病；可以增加致癌的概率。

一氧化碳：与血液中的血红蛋白结合，降低人体氧气输送能力；可以导致头痛、眩晕等问题。碳氢化合物：可以导致眼睛、喉咙、肺部过敏炎症，而且有毒且致癌。

2 汽车尾气排放标准越来越严格

世界各地对汽车排放要求越来越严格，表1、表2是欧美地区汽车排放标准的发展历程。

表1 欧洲汽车排放标准g/km

表2 美国汽车排放标准g/km

随着我国汽车工业的发展，控制机动车污染已成为我国环境保护的重要问题。汽车排放控制也有了明确的总体目标：我国将在2007年和2010年分

(注：作者简介：陈大英（1963-），男，高级工程师，1984年毕业于华东理工大学，2000年获得中国人民大学MBA学位，现在雪佛龙ORONITE公司任客户经理，已公开发表文章数篇。）

别实施国家第三、第四阶段机动车排放标准，到2010年实现与国际控制水平接轨。我国汽车排放标准参照的是欧洲排放标准。自1999年开始实施国Ⅰ（相当于欧Ⅰ）排放标准，同年停止了含铅汽油的生产和使用，并不再生产化油器汽车；目前国内大多数地区都已经实行了汽车国Ⅱ（相当于欧Ⅱ）排放标准；自2007年7月1日起国Ⅲ（相当于欧Ⅲ）排放标准拟将在全国大范围内实施，但由于受限于我国汽车工业的发展水平以及国Ⅲ燃料油的生产水平，同时设置了2年的过渡期，第一年，欧Ⅱ汽车不得再上市出售，第二年还允许出售不带OBD的满足国Ⅲ标准的汽车，所以真正意义上开始实施国Ⅲ标准的时间是2009年7月1日。

3 为减少排放而采取的措施

为了达到更严格的要求，一套系统的、典型的标准是必不可少的，这同时也要求各界“协同作战”，即能源部门、燃油、油和添加剂供应商、设备制造商以及政府等部门共同努力。汽油发动机的排放物主要是CO、HC和NOx，而柴油发动机的排放物主要是NOx和PM（颗粒物）。世界各地的发动机生产厂商都在不断致力于减排这一问题，可谓是“八仙过海，各显其能”。

从技术层面上看无非是减少发动机本身产生的排放物（机内净化）和对已经产生的排放物进行处理（机外净化）来实现减排。

以柴油发动机为例，排放物中的NOx和PM处于一种平衡关系。NOx主要是在燃烧过程中，空气中78%含量的氮气在高温下转化成NOx，温度低于1600 ℃时不明显，而高于此温度时NOx将迅速增加，而高温将有利于减少PM的形成，因此，在各种减排技术当中针对这两种物质进行有所侧重的处理。

目前世界上最新研发的机内净化技术措施有改进发动机设计（采用四阀门缸盖使喷油位置处于燃烧室中心，提高机体承压能力以便于采用废气再循环――EGR技术等）；改善燃烧工况（优化喷油控制，改进燃烧室设计，提高喷油压力，减小喷油嘴孔径等）；改进进气系统（增加涡轮增压及空气增压中冷技术，采用可变几何形状的涡轮增压技术，它可以通过对EGR的控制来改善发动机空燃比的瞬态控制等）；改善喷油系统（提高喷油压力，改善喷油雾化情况，实现多次喷射和采用共轨技术等）；采用逻辑电控技术（可以精确地控制实现稀释燃烧，预混控制压燃点火――PCCI，低温燃烧――LTC和均相混合压燃点火等各种新技术）等五个方面。

Cummins、Mack、Detroit Diesel提供了外部废气再循环技术，Caterpillar使用了内部废气再循环技术及ACERT技术，International则引领了发动机新技术的开发，提高柴油机气缸最高压力，使用“绿色柴油技术”，柴油发动机带有颗粒催化过滤器等技术以达到美国更加严格的排放标准都是一些具体的技术项目。

在机外净化方面，对于柴油机来说主要是减少NOx和PM两个方面的不同技术措施。具体的后处理技术可以参见图1所示。在柴油机产生的颗粒物中有大约30%是可溶性有机馏分（SOF），其余的是固态颗粒物。柴油氧化催化器（DOC）就是一种降低颗粒物的后处理装置，它同时可以减少CO和HC化合物，但是它对于颗粒物的减少能力在30%以下。颗粒采集器DPF可以更多地降低排放中的颗粒物，它有主动再生和被动再生之分，效率在40%~90%。人们根据排气流动方式有时也把它分为直流式颗粒物采集器（PF-DPF，它可以降低颗粒物排放50%~80%）和壁流式颗粒物采集器（WF-DPF，它可以减少颗粒物排放85%以上）两类。每类还有许多不同技术的各种产品。

对于排气中的NOx，可以用选择性还原催化器SCR（通过排放物与尿素水溶液反应，把NOx变为氨气和水来吸收掉，最高转换效率可达90%，目前是应用比较广泛的一种减少NOx的后处理技术）；氮氧化合物催化器LNC和氮氧化合物捕集器等三种类型的后处理技术。

图1 后处理装置按照功能分类

降低排放措施除了上面谈到的从发动机内外两方面改进着手，力求通过发动机的高效燃烧和排出到大气之前的处理来降低排放外，燃料油和发动机油的品质也是至关重要的。其中非常重要的一条就是需要更高标准的发动机燃料油和油，即低磷、低硫、低灰分发动机油（SAPs）和低硫的燃料油。

3.1 发动机制造技术的改进

气缸内排放技术已经用来减少排放，这种技术包括改进喷射器设计、改变喷射时间、改善燃烧室设计、提高喷射压力以及新的活塞设计等。

增加最高燃烧压力：燃料喷射压力增加可以减少颗粒物排放。提高燃料喷射压力在发动机设计上主要采用了高压共轨设计以取代直列多柱塞泵设计，喷射压力可提高60%。高压共轨(Common Rail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail)，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。

卡特皮勒公司的ACERT技术：高级燃烧减排技术（Advanced Combustion Emission Reduced Technology）使用HEUI（液压驱动电子控制泵-喷嘴）燃油喷射系统，引用高级电子喷油定时控制、变换，使用内部废气再循环技术来达到降低排放的目的。 ACERT技术依靠空气管理、精确燃烧、先进的电子装置和有效的后处理这四个系统相互配合以降低颗粒物、氮氧化物和碳氢化合物的排放，同时保持发动机的可靠性和耐久性，从而保持较低的运营成本。

活塞设计的改变：典型的单体铝活塞设计由于活塞与缸体之间的间隙较大且一环的位置较低，致使燃烧死区大而造成颗粒物排放较高，而两体组合式活塞可以大大改善这一问题。

3.2 废气再循环和尾气再处理装置

尾气处理技术的发展可分为以下几个阶段：在没有排放要求或排放要求比较低时无需任何处理装置；采用EGR和ACERT技术可以满足较高排放标准的要求；采用DPF及SCR后处理技术可以满足更高的排放要求。

EGR（废气再循环系统exhaust gas recycle）：增加EGR循环比率将降低燃烧温度，从而减少NOx排放，如图2所示。其基本原理是：

（1）将一部分废气再循环进入燃烧室取代O2,从而减少与N2反应；

（2）部分废气再循环进入燃烧室后，相当于加入惰性气体，降低了燃烧温度峰值；

（3）同时点火延迟也降低了燃烧压力峰值；

（4）低O2含量, 低压力和低温度等于低NOx。

冷却EGR系统是将废气通过冷却后再进入燃烧室，从660 ℃降到190 ℃。

图2 EGR比率与烟炱和NOx含量关系

除了卡特皮勒，其他发动机制造商都宣布将使用更“高循环比例”的冷却EGR系统，以达到2007年的NOx排放需求。现在的冷却EGR发动机是把约10%~15%的废气重新进入进气系统，而在更“高循环比例”的EGR里，这个数值将达到约30%~35%。但由于增加废气循环将导致酸性物质的增加，增加了烟炱和锈蚀问题，影响换油期。图3是在M11高烟炱试验当中对比采用EGR和不采用EGR对TBN值的影响，结果表明，采用EGR使TBN值降低较快而缩短了换油周期。

图3 EGR装置对TBN影响

DPF（颗粒捕集器Diesel Particulate Filter）：DPF装置可以将废气中的固体残余物捕集起来，这些残余物质主要是固体碳黑、硫酸盐灰分、可溶性有机物（部分未完全燃烧的燃料或机油）。微粒分析显示多数微粒的直径大约在0.4~8 μm。这些残余物的主要来源是燃料和油，固体碳黑、可溶性有机物（部分未燃烧的燃料或机油）可以通过再生技术处理掉；硫酸盐灰分造成的堵塞是不可再生的，其主要来源为燃料中的硫和油中的钙、锌、镁、硫和磷。

通过对柴油客车测试表明：如果燃油消耗量相对恒定，新油的硫酸盐灰分和过滤器上微粒是成比例的。通过对过滤器上物质的研究我们发现不燃物主要是硫酸钙，以及较小数量的ZN2P2O7（锌焦磷酸），两者约占不燃物的80%。由于吸附的微粒物质会形成背压，背压增加会改变空燃比，增加烟炱，降低燃料经济性。如果卡车没有背压传感器，在行驶80467~193121 km（50000~120000 mile）就需要进行清洁以防止背压积累。

CDPFs（催化颗粒捕集器Catalyze Diesel Particulate Filter）：是一个铂催化剂床构成的烟炱过滤器，是将尾气中的NO经铂催化剂生成NO2，后者与烟炱中的C反应产生CO2和N2，以达到减少颗粒物排放的目的。

其作用原理如下：

NO+1/2 O2NO2

NO2+CNO+CO(在DPF中)

NO2+C1/2 N2+CO2(在DPF中)

不管高循环比例的冷却EGR系统或者ACERT是否被使用，所有的发动机生产厂家都宣布他们将引进催化微粒捕集器（CDPFs），以达到2007年美国PM标准。

SCR（选择性催化转化器Selective Catalytic Reduction）：是欧洲国家主要采用的降低排放的方案，此设计的燃料经济性较好，但需要加装尿素装置，体积比较大。其作用原理是：

4NO+4NH3+O24N2+6H2O

NO+NO2+2NH32N2+3H2O

6NO2+8NH37N2+12H2O

CDPFs和SCR的普遍应用带来了另一个课题就是：如何保证其正常工作。

首先，由于硫酸盐灰分是构成不燃颗粒物的主要成分，而硫酸盐灰分主要来自于油中的清净分散剂，因此世界各地对油中的灰分要求越来越严格，到2010年，油中的灰分不大于1%，甚至要降到0.5%~0.6%范围内。

其次，由于CDPFs中使用的催化剂大部分是贵金属，油品中的硫会造成催化剂中毒，目前硫的主要来源是燃料油和油添加剂，因此各国在不断更新柴油中的硫含量要求。各国对柴油中的硫含量要求趋势如表3。

表3 亚洲、欧洲和美国当前以及未来柴油中硫含量发展趋势μg/g

当柴油中的硫降到15 μg/g时，油中的硫含量在燃烧过程中的影响就非常显著了，因此严格控制机油中的硫含量也是减排技术的要求，到2010年，硫含量要降到0.4%以下。

最后，SCR装置对磷和硫的含量也有限制。相对CDPFs技术，SCR技术对燃油中的硫含量和油中的磷含量有一定的适应度，到2010年，要求磷含量降到0.12%。

3.3 燃料油的要求

为了减少排放和适应新的排放技术，要求柴油中的硫含量大大降低。柴油中的硫可以使尾气处理装置催化剂中毒以造成排放失控；可以形成硫酸盐灰分，直接造成不燃物质增加；可以腐蚀发动机，降低发动机的寿命，缩短换油周期。

1994年，美国把燃料中硫含量由1993年的5000 μg/g降到了500 μg/g。2006年为了满足OEM的要求降到15 μg/g。硫含量在15 μg/g以下的柴油被称为“超低硫柴油ULSD”，加氢精制工艺可用于减少柴油的硫含量和生产ULSD，相对于普通柴油有较低的密度和较高的十六烷值。美国环境保护署（EPA）要求逐步实施15 μg/g的硫含量标准。从2006年到2010年按80∶20的比例。在2006年6月以前80%的车辆必须采用硫含量15 μg/g以下的ULSD,剩下的20%在2006年6月到2010年1月之间逐步实施。但是EPA调查发现到2006年6月车辆用柴油95%以上是ULSD，到2010年，车用柴油和非车用柴油都将采用15 μg/g的ULSD。

从目前情况看，中国可以满足国Ⅲ排放标准的汽油和柴油规格大约要到2009年底才会实施。

4 柴油机油的未来

为了满足日益严格的汽车尾气排放标准，以及更好地延长发动机机外净化装置的使用寿命，对柴油机油的要求也越来越严格，总体要求是使用低SAPs机油，即低磷、低硫、低灰分机油。

(1)要求更好的性能。

更好的抗磨性能;

更好的碱值保持性;

更好的锈蚀保护性能;

更好的抗氧化性能;

更好的烟炱分散能力;

更好地控制涡轮增压器中沉积物的产生;

更好的油耗控制；

更好的剪切稳定性;

更好的燃料经济性要求。

（2）更严格的化学成分指标：到2010年，机油对以下几个成分的要求标准如下：

灰分：最大为1.0%，以延长DPF的寿命；

硫含量：最大为0.4%，以防止DOC失活，减少颗粒物；

磷含量：最大为0.12%，以防止DOC失活以及防止NOx控制系统失活；

挥发性：可能维持在13%。

（3）逐渐趋向使用高质量基础油：在未来的几年内，随着优质基础油的需求增大，使得众多的Ⅰ类油生产厂关闭。在今后10年中，这将会造成全球约9×108 kg（20×108 lb）基础油的缺口，这个缺口将由GTL基础油(gas-to-liquids)所填补。到2015年，全球GTL基础油将占约25%的市场份额。GTL基础油原料是天然气，不同于其他的Ⅱ类和Ⅲ类基础油生产工艺,GTL技术是将天然气转变为合成气后再进一步转变为燃油及油基础油。GTL基础油基于其几乎零硫、氮、芳烃含量，以及几乎完全为异构烷烃的结构特点，表现出优异的氧化安定性、低温性能、较低的NOACK蒸发损失和高的粘度指数，能够满足市场对于更高性能基础油的增长要求。目前，GTL基础油的生产工艺已发展到能够制备从2 mm2/s到大于9 mm2/s的较大跨度粘度级别（100 ℃），甚至可以生产高粘度级别光亮油。

5 柴油机排放启示

综上所述，在柴油机排放方面我们可以得到如下启示：

（1）我们应以前瞻性的思维来对待柴油发动机排放的后处理问题。

（2）我国的机油等级可以实行蛙跳策略，跳过某些级别,缩小与世界油技术级别的差距。

（3）我国柴油硫含量高，尾气处理系统可以考虑采用对硫不是很敏感的SCR技术。

（4）加强技术攻关，尽快淘汰高油耗、高排放、低效率的柴油机。

排放是关系到国计民生的大事，柴油机行业、炼油行业、油行业和添加剂行业，必须进行跨行业跨学科的合作。

参考文献：

［1］ James A McGeehan，Gary M Parsons. Diesel Engines Have a Future and That Future Is Clean……But Nothing Is Free［A］. The 11th Annual Fuels & Lubes Asia Conference［C］，2005.

［2］ Ruud Vebeek, Mack van Aken,Maarten Verkivl．DAF Euro-4 Heavy Duty Diesel Engine with TNO EGR System and CRT Particulates Filter［A］. 2000Society of Automotive Engineer［C］, 2001-01-1947.

SUMMARIES AND VIEWPOINTS ABOUT EMISSION FROM DIESEL ENGINE

CHEN Da-ying1, SUN Nian-ze2, GAO Yue3, LI Fu-chang3, CHEN Bin3

(1.Chevron Oronite (Tianjin) International Trading Co., Ltd Beijing Liaison Office, Beijing 100004,China; 2.Southwest Research Institute (SwRI) Beijing Office, Beijing 100004,China; 3.Beijing Sunway Co., Ltd, Beijing 100101, China)

Abstract:The issues of the more and more prominent vehicle diesel engine emission are summarized. The importance of emission control is elaborated according to its harm to the human health and the environment. And all sorts of methods of reducing the emission are introduced in details, including more and more strict emission regulation, improving the engine manufacture technology, the application of exhaust rehandling system, reducing the sulfur content in fuel, as well as harsher demand on the performance of the diesel oil. At the same time, the work principles of the EGR (Exhaust Gas Recycle), DPF (Diesel Particulate Filter), CDPF (Catalyze Diesel Particulate Filter) and SCR (Selective Catalytic Reduction) are emphatically introduced. And Chinese present situation and the development of diesel engine emission control, as well as the revelation bring to us in this field through researching the effort all over the world are introduced.

Key Words:diesel engine; emission regulation; exhaust rehandling system; diesel oil