柴油車尾氣排放特征與后處理技術研究現狀

黨瑾希　肖宇　牛元　白偉超

摘 要：柴油車已經成為大氣顆粒物（PM）和氮氧化物（NOx）主要的排放源之一。為了提高環境空氣質量并降低柴油車的污染物排放，可以通過安裝尾氣后處理裝置來減少PM和NOx的排放。如何使后處理技術與車輛降低PM和NOx排放的需求相匹配，以實現穩定的減排效果，是一個值得進一步研究的問題。柴油車尾氣中PM，以及NO和NO2等關鍵參數，對于設計尾氣后處理裝置（如DPF和Urea-SCR）以及設定DPF再生和Urea-SCR噴氨策略具有重要意義。因此，本文以柴油車為研究對象，分析了其PM的濃度、粒徑分布、化學成分和形態特征，以及NOx（NO+NO2）和部分PM前體物的排放特性。同時，分析了車輛行駛狀況對尾氣PM濃度和粒徑分布的影響，為在用柴油車加裝尾氣后處理裝置以降低尾氣污染物排放提供了重要的參考依據。

關鍵詞：柴油車排放 顆粒物 氮氧化物 排放特征 尾氣后處理

1 引言

柴油車在為城市貨運和客運提供便利的同時，也逐漸變成了城市空氣污染的主要原因之一[1]。柴油車排放的尾氣顆粒物（PM）對人體健康和環境空氣質量有直接影響，其粒徑大小關乎其對呼吸系統和心腦血管疾病發病率的影響程度。同時，排放的氣態污染物，如揮發性有機物和氮氧化物（NOx）會在空氣中進行光化學反應，生成二次有機氣溶膠，降低大氣能見度，惡化空氣質量。特別是NOx，除了能形成酸雨，還是臭氧（O3）的前體物[2]。隨車輛行駛里程和車齡的增加，柴油車的尾氣污染物排放會逐漸增多。為了應對這一問題，我國一些空氣污染較為嚴重的地區已開始對在用柴油貨車進行尾氣后處理改造和淘汰。安裝了柴油機氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）、柴油機顆粒過濾器（Diesel Particulate Filter，DPF）和選擇性催化還原器（Selecyive Catalytic Reduction，SCR）的重型柴油車/發動機，其尾氣污染物排放有明顯降低[3]。特別是安裝了DOC+DPF的柴油車，能有效減少一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）和PM的排放；而安裝了DOC+DPF+SCR的柴油發動機，能顯著降低PM和NOx的排放。

雖然對排放較高的國III在用柴油車和國IV在用柴油車進行尾氣后處理改造升級，都可以顯著降低尾氣污染物排放，但這個過程也存在一些難題。首先，由于在用車的發動機已經有一定的劣化，尾氣污染物排放差異性大，如果盲目加裝尾氣后處理裝置，可能會導致尾氣中硫酸鹽顆粒排放增加，發動機排氣壓降過大，以及后處理裝置失效等問題。其次，車輛的行駛工況、環境溫度和燃油品質等因素都會影響尾氣后處理裝置的污染物削減效果，使得實際效果與發動機臺架測試效果有所差距，可能達不到預期的減排效果。此外，如果尾氣后處理裝置參數選取不合理，如DPF的結構和再生方式，可能會增大車輛發動機的排氣壓降，甚至引發車輛自燃，給被改造車輛帶來安全隱患。而且，后處理裝置的費用需要在預算和車主的心理預期之內。最后，由于在用車的結構尺寸差異化大，后處理裝置的安裝空間可能會受到限制[4]。

2 柴油車尾氣污染物

柴油車的尾氣排放是城市空氣中PM和NOx主要的污染源。尾氣污染物的排放量也直接影響到尾氣后處理裝置DOC、DPF和SCR的凈化效率。在用柴油車的尾氣污染物排放與新車不同，與車輛的行駛里程、車齡、技術等級和尾氣后處理裝置有關。PM的濃度和粒徑分布對人體健康、大氣能見度和空氣質量有重大影響，也是設計柴油車尾氣后處理裝置DPF的關鍵因素。柴油車尾氣PM的粒徑分布和汽油車、天然氣車的尾氣PM粒徑分布有所不同。車輛的技術等級對柴油車尾氣PM的排放有顯著影響。提高排放標準可以有效減少柴油車尾氣PM的排放，這與發動機技術的進步和尾氣后處理裝置的使用密切相關。對于達到國III排放標準的柴油公交車，加裝DOC和DPF可以降低尾氣中PM2.5的數量和質量排放因子。機動車尾氣PM的化學成分對大氣能見度、人體健康和尾氣后處理裝置的性能有重大影響，同時也是分析城市氣溶膠來源的關鍵依據。為了研究化學成分和PM形態的關聯，掃描電鏡和透射電鏡經常與X射線能譜儀配合使用，以便對機動車尾氣排放的PM形態和化學成分進行研究。在柴油車尾氣排放的PM中，碳煙顆粒是主要成分；在非碳質顆粒中，富含Ca和Fe的顆粒在汽油車和柴油車尾氣中的含量較高。盡管碳煙顆粒都是由多個粒徑相近的球形顆粒聚集而成，但其形態結構（如鏈狀和絮狀）卻有所不同，這與燃料種類、發動機轉速和負荷等因素有關[5]。

道路柴油車排放的NOx已經占全球NOx總排放量的大約55%。CO是由于燃料燃燒不完全產生的，它是環境空氣污染物和O3的前體物質，對人體健康構成威脅[6]。HC則是未燃燒或燃燒不完全的燃油、潤滑油及其裂解產物和部分氧化物，它參與大氣光化學反應，對人體健康和環境空氣質量造成影響。柴油車排放的污染物對環境空氣質量和人體健康有重大危害。影響在用柴油車污染物排放特性的因素眾多，如車輛的技術等級、行駛里程、燃油質量和行駛條件等，這使得在用柴油車之間的污染物排放存在較大差異。然而，總體來看，隨著車輛技術等級的提高和尾氣后處理裝置的使用，柴油車的污染物排放顯示出下降的趨勢。

為控制機動車污染物排放，常見的方法是制定排放法規，并通過實施越來越嚴格的排放限制標準來推動先進排放控制技術的研發和應用。我國的柴油車排放法規主要參照歐洲標準執行。自從2019年在重點區域實施國VI標準以來，我國的重型車排放標準已經超越了歐洲的排放標準，與美國的排放標準基本持平，只是在NOx排放限值上還有一些差距。重型柴油車售后的檢測要求相對較低，檢測工況為自由加速工況或加載減速工況，排放限制主要針對尾氣煙度值。隨著尾氣后處理技術的研發和應用，以及柴油車污染治理的需求，也提出了在用重型柴油車尾氣NOx濃度的限值。因此，無論是新車還是在用車的排放標準，對PM和NOx的排放限值都在不斷加嚴。由于柴油車尾氣中NOx和PM的生成條件存在相互制約的關系，尾氣后處理裝置因此成為控制柴油車，特別是重型柴油車污染排放的重要手段之一。

3 柴油機尾氣后處理控制技術

柴油車尾氣污染物的控制可以從四個方面進行：發動機、油品、在用車管理和尾氣后處理技術。如果從發動機角度控制柴油車的污染物排放，需要改造車輛發動機，這既困難又費用高昂。從油品的角度看，自2003年實施的車用柴油標準GB/T19147，隨著油品質量的提高，燃油含硫量限值已從500mg/kg降至10ppm，因此柴油車尾氣中的硫酸鹽、氣態SO2排放已逐步減少。同時，隨著柴油硫含量的降低，環境空氣中的二次硫酸鹽顆粒物排放量也會顯著減少。但提升油品質量需要一定的研究周期。在用車管理技術主要從管理層面減少在用柴油車的污染物排放。因此，本研究將重點討論尾氣后處理控制技術。目前，我國廣泛應用的尾氣后處理技術包括柴油機氧化催化器（DOC）和柴油機顆粒過濾器（DPF）用于控制尾氣PM排放，選擇性催化還原技術（SCR）、稀燃NOx捕集技術（Lean NOx Trap，LNT）和低溫等離子體（Low Temperature Plasma， LTP）技術用于減少尾氣NOx排放。

4 柴油機顆粒過濾器

DPF，自1989年首次被用于重型柴油車尾氣顆粒物凈化以來，已在歐洲、美國和日本的柴油車標準中，作為主要的尾氣后處理裝置。DPF主要由殼體、過濾體/載體和墊片三部分組成，其凈化原理是使發動機排氣通過多孔過濾體，過濾掉顆粒物，從而使凈化后的氣體排出。根據孔道封閉情況，DPF可以分為壁流式顆粒過濾器和通流/部分流式顆粒過濾器。再根據再生方式，DPF可以分為主動再生和被動再生兩種。主動再生通過加熱使DPF上的顆粒物達到著火點，并通過燃燒去除這些顆粒物，實現DPF過濾體的再生。而被動再生則無需額外的加熱設備，成本更低，安全性更高，但如果顆粒沉積速度超過再生速度，可能會導致DPF堵塞失效。

5 柴油機氧化催化器

自20世紀90年代中期開始，DOC就被用于控制柴油車氣態污染物CO、HC以及PM中的可溶性有機物和固相多環芳烴的排放。DOC的凈化效果受其尺寸結構、催化劑類型、排氣溫度和燃料含硫量等因素影響。SCR技術則通過使還原劑與排氣中的NOx反應，將NOx還原為N2，被認為是目前減少柴油發動機NOx排放最有效的方法之一。SCR的優點在于還原劑與O2的反應較少，有效避免了還原劑的過度消耗，減少了反應熱，同時也降低了反應器的溫度。SCR的還原劑有很多種，如體積濃度為32.5%的尿素水溶液（AdBlue）、二甲醚和碳氫化合物等，其中以AdBlue為還原劑的Urea-SCR技術最為常見。Urea-SCR主要由尿素噴射系統和SCR反應器/催化劑兩部分組成，尿素噴射系統通過接收發動機和環境數據來控制尿素噴射，而SCR反應器則提供了NOx還原反應的場所和催化劑。Urea-SCR對NOx的轉化效率受SCR催化劑種類、尾氣溫度、化學組分和車輛行駛工況等影響。當尿素噴射方案由開環控制轉變為閉環控制時，可以在保證NOx轉化效率的同時，一定程度上防止NH3的逃逸。NOx傳感器、NH3傳感器甚至多傳感器聯用常被作為反饋設備，實現Urea-SCR尿素噴射的閉環控制。

6 DOC、DPF和SCR的組合技術

為了同時減少PM和NOx的排放，重型柴油車尾氣污染物治理常采用DOC、DPF和SCR的組合技術。例如，尾氣通過DOC后，NO2/NOx的比值會增加，從而提高DPF和SCR的凈化效果。DOC位于DPF前面，可以利用DOC中CO和HC氧化產生的熱量，提高后續排氣溫度，減少DPF再生的能耗，同時增加的NO2含量也有助于DPF的連續被動再生。這種組合技術可以有效降低柴油車尾氣中的氣態污染和顆粒物排放。然而，影響尾氣后處理技術減排效果的因素眾多。以DPF為例，如果設備結構參數選擇不當，可能會縮短DPF的使用壽命，降低車輛的動力性能，增加燃油消耗。盡管Urea-SCR在實際操作中可以降低柴油車尾氣NOx的排放，但可能無法達到預期的減排效果。此外，柴油車尾氣污染排放量大，而可安裝尾氣后處理設備的空間又有限。

7 結論與展望

盡管新能源發動機具有巨大的發展潛力，柴油發動機仍然是一種非常重要的發動機，具有無限的可能性。柴油發電機尾氣后處理技術的應用研究對其發展具有重大意義。DPF技術主要用于輕型柴油車的污染控制，而SCR技術主要用于重型柴油車的污染控制。優選的方法是使用DOC+DPF+SCR的組合技術來減少排氣中的PM、NOx等主要污染物，這對所有后處理技術都提出了更嚴格的要求。需要開發高效的柴油車污染控制技術，以實現柴油車主要污染物NOx、PM的高效減排。這需要將發動機與后處理系統控制技術相結合，以提高低溫下的NOx凈化效率和DPF的安全可靠再生。在實際管理過程中，需要清楚了解柴油車排放的污染物的特性，根據不同污染物采取不同的管控和處理技術。高效的SCR+DOC+DPF，在整個處理過程中取消了EGR，增加了SCR部分的尿素噴射量，也能達到降低氮氧化物的效果，具有廣闊的市場前景。找尋體積更小、催化效率更高的物質進行催化，以及提高硬件系統的穩定性，是柴油發動機尾氣后處理技術未來發展需要解決的問題。

參考文獻：

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[3]楊文龍，汪偉峰.重型柴油車后處理技術進展[J].內燃機與配件， 2021 （21）： 46-47.

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