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主题:【原创】NOx or Particulate-柴油发动机的抉择 -- 波波粥

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  • 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。

    点看全图

    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:

    点看全图

    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#新技术元宝推荐:橡树村,

    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 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 送花献宝

      谢谢:作者意外获得【西西河通宝】一枚

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    • 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。

        • 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 市场短期行为到底是多久

                  1年,5年,10年?

                  我觉得,每次石油危机和随后的廉价周期应该算是一次市场短期行为。

                  但人类社会的液态化石能源全盛期,看来只维持了4次石油危机周期就步入终结,2代人的时间而已,也算不了多长。

                  每次想到这里,就有点悲观。觉得工业和科技界的进步,只是刺激了富裕居民的浪费和贫穷居民的有效生育能力,大家在努力的毁灭自己共同的家园。

            • 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

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