【原创】NOx or Particulate-柴油发动机的抉择 36
面对日益严格的排放法规，柴油发动机正在面临着一场抉择：在尾气中，排放更多的氮氧化合物（NOx）还是颗粒物（Particulate）, 这是个问题。

其实，与汽油发动机相比，这是一个“幸福”的烦恼，为什么呢？先让我买个关子，呵呵，俺在这种关键时刻从不来上一句“土鳖抗牛”。小小自豪一把。

典型的四冲程柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样，每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。



但是柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为18，涡轮增压可以达到25），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa，同时温度高达750-1000K，这个温度超过了柴油的自燃温度。因此混合气会立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa，温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而做功。

因此柴油发动机的一氧化碳和碳氢化合物的排放比汽油发动机要少，因为燃料燃烧更充分。对于氮氧化物（NOx）的排放柴油发动机非但不能降低，甚至比汽油发动机高很多倍。因为氮氧化物主要是燃烧时空气中的氮气与氧气结合发生反应所致。氮气是一种很稳定的气体，正常情况下是很难跟氧气发生反应的，但是在高温高压下，部分氮气会跟氧气反应产生氮氧化物。我们知道柴油的压缩比很高，而且气缸内压力是非常大的，这样正好给氮气跟氧气的结合创造了条件。所以氮氧化物的排放急剧增加就不足为奇了。

在这里，大家肯定要抗议了，说了这么多，怎么还没有说哪里是柴油发动机的“幸福”啊，哪里是它的“抉择”啊。呵呵，别急，喝口水先。

说它“幸福”，是因为它比汽油发动机工作效率高，功率更大，更省油，而正是因为它的这几个优点，造成了它的NOx排放居高不下，成为欧五，欧六标准围剿的重点。呵呵，汽油发动机想排放这么多氮氧化合物还没有呢。

那么，它的“抉择”是什么呢？由上面对柴油发动机的介绍我们可以知道，如果柴油在燃烧室内充分燃烧，那么它最后会变成二氧化碳和水，而由于充分燃烧造成的高温，使得大量的氮氧化合物生成；那么，如果燃料不充分燃烧，不久可以使燃烧室内的温度峰值下降，从而减少氮氧化合物的生成了么？Bingo！看来您已经理解我前面一大段话了，可是新的问题出来了，如果燃料不能充分燃烧，那么，除了二氧化碳和水之外，还会产生未燃尽的颗粒物，同时意味着油耗的上升（因为燃料没有燃尽，为了做同样多的功，需要喷入更多的油）。所以说，NOx和Particulate是一对矛盾体，此多彼少，此少彼多。

发动机废气的排放标准如下：
标准               NOx[g/km]      Particulate[g/km]
欧五                   0.18                    0.005
欧六                   0.08                    0.005
TIER Bin10             0.60                    0.14
TIER Bin8              0.14                    0.02

在北美的XDJM们要稍微郁闷一点了，下面的TIER就是北美标准，它要比欧盟标准低一些，因为在欧盟内部，绿党的势力相当强大，现在推行的欧五欧六标准已经让奔驰，宝马，宝石捷鸡飞狗跳了，不过旁边的大众，菲亚特，雷诺喜上眉梢，WHY？因为小车比大车容易达标。至于俺么，现在正在为“欧七”而奋斗，标准？保密，保密。

为了达到既省油又少排放的伟大目标，嗯，听着怎么像既要马儿跑又不要马儿吃草呢？柴油发动机正在苦苦的挣扎中，下面就是为了满足欧六标准，使用了18般武器的柴油轿车示意图：



兵器1：氧化催化器
在发动机启动或者低负载运转时，燃烧不需要那么“猛烈”，这个时候不需要出那么多力气么，燃烧室内的温度也不那么高（相对而言），所以，在这个阶段，只需要使用氧化催化器，把未燃尽的碳氢化合物已经生成的一氧化碳氧化成为二氧化碳即可，Easy！

兵器2：存储催化器
在发动机高负荷运转时，兄弟，这个时候你可得出力了啊。发动机燃烧室内温度急剧上升，氮氧化合物的生成快速增加，我们需要存储催化器把NOx转化成为无害的氮气（N2），反应步骤大致为两步：1，废气中的NO在催化器中被氧化为NO2，然后以硝酸盐的形式被储存在催化器中的存储单元内，比如孔洞中；2，存储装置中的以硝酸盐形式存在的Nox达到一定值后（这个值由氮氧化合物传感器来判断），通过发动机电控系统的指挥，喷油系统进行再次喷射，只是那么一点点油哦，这些油很少参加燃烧室内的燃烧反应，而是随着排气阀的打开，和燃烧之后的废气一起进入排气系统中，进入存储催化器，和NOx反应，把它还原为N2。

兵器3：颗粒捕捉器
这个原理相对简单，就相当于多孔物质，如活性炭，那些未燃尽的大分子团就被滞留在这里，聚集起来，形成大分子团，然后由于废气的高温（约600°   C）被加热，从而与废气中的氧气再次反应，这就是所谓颗粒捕捉器的再生。其实，这个过程也是由发动机电控系统来控制，在颗粒捕捉器中有压力传感器，当颗粒物聚集很多时，发动机废气的流动就不那么顺畅了，从而产生压力差，背压传感器把这个信号反馈给中央电脑，电脑控制燃料喷射量和空气进气流量，从而使废气中有足够的氧气和滞留在颗粒捕捉其中的大分子团反应。最后的生成物是CO2

不过对于颗粒捕捉器还存有争议，大分子团在颗粒捕捉器中燃烧后会生成一些超细粉末，这些超细粉末是否会导致肺癌在医学上还存有疑问

兵器4：SCR（选择性催化）
SCR的目标也是NOx，在SCR中有一套AdBlue的喷射系统，AdBlue就是成份为含32.5%高纯度尿素的水溶液，由于废气的高温，它分解为尿素和水，尿素在200°C时分解为氨气（NH3），而氨气和NOx反应，生成N2和水。

终于，这个世界清静了，发动机的废气里，只有CO2，H2O和N2了。我们的汽车终于可以满足欧五，欧六的标准了，写到这里，我已经是泪眼婆娑，大家，请用鲜花再次把我砸晕在河底吧！

另：关于催化器的基本知识参见橡树村老大在《油品与节能》一贴中的跟贴

关键词(Tags): 发动机 新技术
橡树村 荐,最后于2008-05-23 15:27:36改,共2次;

第一个送花，同时钦佩一下牛牛们
我的脑壳怎么就记不住这些东东捏？很奇怪，按说偶的记性从前是很好的呢。

记外语的东西没有中文快，正常
我也一样，中文的可以一目十行，过目不忘，呵呵，比较自吹自擂，但是的确记得很快，但是外语的内容么，需要多看几遍了, 三遍不行就五遍，没办法，咋叫不是俺的母语呢

最后于2008-05-23 15:42:23改,共1次;

现在对芳烃含量和硫含量的要求趋势是什么样子的？
还有二氧化碳排放？
欧五欧六感觉对燃料本身的要求就很高的，欧七不知道会是什么样子。

送花献宝

燃料的趋势 2
是向无硫方向发展，总芳烃的含量目前要求降低到5%以下，以后还要继续降。至于“欧七”现在还在酝酿中，已经有人感叹说石油炼油工艺是没指望了。
二氧化碳从2012年开始是130g/km，不过二氧化碳的排放标准现在反弹很强烈，特别是大车厂商，所以还会有一段时间的讨价还价才会趋势明朗，比如大车厂商和小车厂商的排放权交易等等。但是以目前发动机的技术储备，要满足更严格的二氧化碳排放还是没有太大技术难度的。


最后于2008-05-24 04:01:32改,共1次;

还是合成油前途光明么 1
合成油硫含量在ppb级，芳烃含量低于1%。

不过工业界不会通过没有技术解决前途的标准的，所以如果下一代标准太严格，估计不大可能通过，或者定一个遥远的期限。
液体脱硫成本很高的，降低芳烃含量更是有很远的路要走。

成数量级的减少NOx排放，确实只有复杂的尾气催化装置才能实现
但从节能和减少二氧化碳排放来看，共轨等喷油系优化技术和燃烧室结构设计更为重要，波波粥能否再谈谈这个？

节能和减少CO2排放是一致的
所使用的技术手段都是紧紧围绕着提高热机效率来的，如涡轮增压等。

至于这些技术手段，以后有机会会写一些的。

无视大工业的技术能力,脱离现实的法规估计很难通过

呵呵，您小看工业界的技术能力了
解决这个矛盾的技术手段也相当的多。

有技术手段也得考虑操作成本不是？
如果其他地方都不动
光欧洲那边搞得热火朝天的
那对其他地方倒不是个坏消息

在内燃机技术上
欧洲已经取得了一些优势了，他们不过想继续扩大这种优势罢了。

有中国和美国这对邪恶轴心在，欧洲人想突破不容易 1
经济板块不少人讨论过老欧洲借环保发力，试图重振雄风的企图，但有中国和美国这对邪恶轴心在，老欧洲节能环保上的努力注定是徒劳的。

100辆车从欧六升级为欧七带来的环保效益会被一辆新生产的农用车抵消。这就是发展中国家的残酷现实一个缩影，低经济发展成本与高成本环保的矛盾。

另外就是燃油问题，目前中国甚至没有一个车用柴油的强制国家标准，汽油标准满是漏洞。各汽车公司为了能生产可以在中国跑的车辆，必须对原方案进行修改，以应付不可预计的恶劣燃油性质，否则就等着大面积坏车。而这次燃油升级，又成各石油公司提价的借口（北京不涨价，广东却涨价不少）。

合成油的利益，特别是天然气合成油的利益，更像是其他能源没有充分市场化结果，或者没有被欧佩克垄断的结果，其价格被长期合同限制，缓慢的在追赶石油价格。和美国乙醇战略的价格扭曲背景相似。随着世界农产品加工暴涨，估计现在再搞乙醇厂经济上就不太划算了。同样，煤炭和天然气如果再涨几倍，合成油的前景会如何？

在排放问题上，发达国家是一致的(有修改)
美国的排放标准并不只有TIER一种。并且，省油的车总是受到消费者的欢迎，特别现在油价这么高。
在粮食涨价的同时石油也在涨价，目前乙醇这些所谓生物燃料在经济上还是合算。煤炭和天然气涨价，石油也必然涨价。能源价格是一涨大家涨，除非某天突然宣称某一种能源的储量又有大发现，那时所有能源的价格才会有所回落。


最后于2008-05-24 18:08:32改,共1次;

节能和环保并没有必然联系 1
节能的技术并不一定天然环保，环保技术也并不一定省油，为了满足排放标准而使用的各种尾气处理装置就是耗能的。

我觉得日本的实用主义节能方案比欧洲的激进环保主义更适合中国的发展需求。日本车在耐粗粮方面做得比欧洲车好，同样压缩比下能耗更少，技术难度低，推广性好。

你前面谈到的各种技术，以及炼油工业面对的低芳烃和低硫要求。目标都是环保而不是节能。降低油品的芳烃含量和硫含量，是一个熵增加过程，肯定是耗能的.而燃烧特性和能耗方面上，与烯烃含量不同,芳烃和硫高一些，不会有大的问题。





最后于2008-05-24 19:56:55改,共1次;

只要欧洲以外的地方在这些环保问题上不松口
那欧洲搞的那些'领先'也就没什么实际意义
因为环保不等于节能不等于降低成本
很多时候
强调环保反倒会增加能耗增加成本

在能源方面，工业界的技术能力做的有限
只要有能源，从二氧化碳和水还是合成油的工艺已经打通，效率也不错。

工业界技术革新的影响，也远比阿拉伯国家多打几口井，阀门拧开点的影响小，甚至可以被国内打击小煤窑的政策或者欧洲绿党的几个提案影响小