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为什么有的柴油车要加尿素?

发布时间:2018/3/14 12:16:34 浏览次数:287 文章来源:


作者:Sleepy Lin
链接:https://www.zhihu.com/question/25422830/answer/47981742
来源:知乎
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因为排放问题,需要处理氮氧化物。

不嫌啰嗦继续往下看。

解决排放问题的方法有两种,一种是“预防”,在事物发展的前期遏制问题的发生;一种是“治理”,在问题发生以后进行有效的收尾。这两种方法分别叫做前处理和后处理。前处理治本,后处理治标。柴油机的排放物,主要是氮氧化物NOx和和微粒PM(包含碳烟DS),其次是HC 。柴油机的CO和HC与汽油机相比少很多,但PM要多出不少。
柴油机的欧洲排放标准是这样的:

90年代初,很多技术得到电控的辅助,发展迅速(比如日本电装拉开高压共轨的序幕),通过燃烧室、喷油规律、进排气等等的改进,在机内完成净化是可行的,但不论是欧洲还是中国,基本在第四阶段的排放指标完成了一个转折,完全依靠前处理来达到当下的标准,已经做不到了,CO作为燃烧完全与否的证据,其标准在后几个阶段都没有变化,这基本可以说明“继续优化燃烧解决排放”是比较困难的一件事。

 

前面提到柴油机的排放物最关键的是NOx和PM,处理微粒主要靠微粒捕集器(DPF),NOx则主要靠催化还原。NOx对于汽油机来说也是比较关键的排放物,汽油机与柴油机的NOx排放不会差很多,当然柴油机的控制会难一些,不过两者基本在一个数量级。欧洲是在第三阶段排放标准才正式将NOx排放单列一项的:

NOx的生成条件主要是高温富氧。
汽油机的排温比起柴油机要略高100~200°C,但通过一段管道以后到后处理的部分时基本都差不多。其后处理控制NOx主要是通过三效催化剂来完成的,三种贵金属当中的铑Rh在较低的温度下就可以催化NOx被还原剂还原为氮气,还原剂可以是H2也可以是CO。不过这种还原反应是很依赖环境当中的氧浓度的,氧浓度超过一定限度以后,这种氧化还原反应就很难有效的实现,这是前提。

 

而不论是汽油机还是柴油机,燃烧过程基本上可以分为滞燃期(着火准备),急燃期(迅速释放能量),以及后燃期(未在急燃期完全燃烧的燃料继续释放能量)。不过柴油机在后燃期之前,一般会认为存在一个缓燃期,这个时期燃烧仍然迅速,缸内压力持续上升,可是活塞已经过了上止点开始下行,气缸容积不断增加,燃烧必须足够快,压力的上升才能抵消气缸容积膨胀的效果,因此总体来说压力上升速度比急燃期更慢。
在后燃期时,因为急燃、缓燃期间产生的废气以及中间产物的存在,氧浓度已经开始下降,如果氧浓度不足,会造成剩余燃料的燃烧急剧恶化,结果就是燃烧不完全经济性下降、微粒排放提升等等的效果。
柴油机的这个现象颇为严重,增压的效果会在这里带来很多利好(事实上如今的柴油机增压器几乎是标配),因此柴油机需要富氧燃烧,可是富氧燃烧是柴油机的NOx控制更难的原因。

结合前面提到的三效催化器对氧浓度的依赖,让柴油机使用汽油机的三效催化器是不现实的。
当然调节缸内燃烧也存在矛盾,即NOx和PM之间的难以调和,此消彼长。

使用尿素处理NOx的方法,被称为SCR (Seletive Catalytic Reduction),催化作用选择性超强。
SCR使用的还原剂可以是各种氨类物质,比如氨气NH3,氨水NH4OH,尿素(NH2)2CO等等,甚至是一些HC。

使用氨气时,工作温度需要在250~500°C范围内,相关反应是这样的:
4NO+4NH_{3}+O_{2}\rightarrow4N_{2} +6H_{2}O
6NO+4NH_{3}\rightarrow5N_{2} +6H_{2}O
2NO_{2} +4NH_{3}+O_{2}\rightarrow3N_{2} +6H_{2}O
6NO_{2} +8NH_{3}\rightarrow7N_{2} +12H_{2}O

如果温度过低,反应就没办法有效进行,温度过高时,则会损伤催化器,并且会使还原剂直接氧化造成更多的还原剂消耗,导致新的NOx生成:
7O_{2}+4NH_{3}\rightarrow 4NO_{2}+6H_{2}O
5O_{2}+4NH_{3}\rightarrow 4NO_{}+6H_{2}O
2O_{2}+2NH_{3}\rightarrow N_{2} O+3H_{2}O
3O_{2}+4NH_{3}\rightarrow 2N_{2}+6H_{2}O

如果使用氨水作为还原剂,效果拔群。可以降低NOx排放95%以上。但是整机需要一套非常复杂的控制系统,而且氨水的气味非常让人难以接受。
所以通常来说,使用尿素更为方便,尿素的水溶液在200°C的温度以上,会产生NH3。
(NH_{2} )_{2} CO+H_{2} O\rightarrow 2NH_{3} +CO_{2}

如此,通过喷射以及控制系统,就能够有效的对NOx进行处理了。

ECU通过柴油机的转速以及燃油喷射量计算出NOx的排放浓度,通过尿素理论、SCR催化器的温度对NOx的转化率进行估算,并计算所需要的NH3量,最后通过NH3与尿素之间的关系得到当下需要的尿素喷射量。

效率比较可观,欧四要求的转化率仅为50%。

对于排放而言,前后处理的技术如何搭配也比较讲究,需要在性能与成本当中做折中。

还记得前面提到的,调节缸内燃烧时NOx和PM的矛盾么,使用后处理来调和这个矛盾是比较重要的,要达到欧四或者欧五的标准,SCR已经是比较常见的一条路了。

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