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主题：【原创】NOx or Particulate-柴油发动机的抉择 -- 波波粥
家园 【原创】NOx or Particulate-柴油发动机的抉择 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
本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)家园 补充一点，EGR是现在产品中对付NOx的利器，写一些就完整了 而且是柴油机的最主要减排低成本工具。NOx尾气处理催化器，成本现在还是很高，这也是阻碍HGDI大规模应用的原因。谈到生产，现在NOx催化器的可靠性也是问题，实验室和小批量应该没有问题了，但涉及到可能的巨大warranty账单，还没有厂家大规模推出纯新NOx催化器的柴油车，和lean汽油直喷车。
家园 这一篇主要写尾气处理 EGR这些以后有机会慢慢写写，呵呵，来日方长嘛
家园 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？
家园 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。
家园 送花献宝 谢谢：作者意外获得【西西河通宝】一枚鲜花已经成功送出。
此次送花为【有效送花赞扬，涨乐善、声望】
家园 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。
家园 燃料的趋势 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。
- 复 燃料的趋势
家园 无视大工业的技术能力,脱离现实的法规估计很难通过 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。家园 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。
家园 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
家园 你讲的是控制价格？ 节能方面，当然是工业界需要做的事情了。从开采，运输，炼油，到发动机，很多事情呢。
三十多年来工业界的努力下，一升油多跑了不少的路呢，否则现在油价要更高。
至于市场短期行为，那是和工业界没有太密切的关系。
阿拉伯国家也多打不出多少井了，我手上一份报告说，欧佩克的产油量可能在2015年开始下降。非欧佩克国家的产油量下降可能还会早两年。
家园 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