互动科普

绿色柴油机

撰文  史蒂文·阿什利（Steven Ashley）

翻译  赵学庆

在美国新泽西州收费公路休息区的空地上，停放着几辆18轮大型卡车。在我的请求下，一位司机拉开卡车车门，一脚踩到驾驶室座椅上，身体往上抬，把一块手帕盖在车顶的排气管上。不一会，黑烟就喷脏了白色手帕。“这样行了吗，”他问。我点头道谢，请他取下这块手帕，递给了我。就在不远处，还停着一辆新型柴油车——梅赛德斯－奔驰E320 Bluetec型轿车。我坐进去，转动车钥匙，发动引擎。过了一会，我跪在这辆车的后面，把一小块干净的布盖在排气管上。整整一分钟过去了，这块布仍然洁白。

这种所谓的手帕试验表明，“清洁柴油机”已经不再是自相矛盾的名词。长期以来，人们一直认为柴油机是最肮脏的动力装置之一。这种柴油机技术经久耐用，数十年前的柴油机型号，至今仍活跃于交通运输行业，而柴油机的肮脏名声也在人们心中挥之不去。但是，E320型轿车却代表了柴油机轻型车(包括轿车、SUV和皮卡车等)的新潮流：它们极少排放空气污染物，又继承了柴油发动机一贯优良的节油性能。例如，E320型轿车由一台3.0升的V-6发动机提供动力，平均每加仑柴油（混合型）可行驶约58千米，每加一次油可行驶约1,250千米。

为了实现真正的“清洁”，现代柴油机采用了控制污染物的先进动力装置、能清除碳烟并将尾气变为无害气体的新型排气系统，还采用了2006年秋天才推向北美市场的更清洁的低硫燃油。而且，这些改进措施并未引起柴油机价格的大幅度上涨。戴姆勒－克莱斯勒公司（制造梅赛德斯的公司）研发部门的工作人员托马斯·韦伯（Thomas Weber）说：“E320 Bluetec的柴油机成本仅比汽油机高出1,000美元。”

大众、奥迪、宝马、本田、通用汽车、福特、PSA标致－雪铁龙和其他汽车制造公司也不甘落后，纷纷打算在今后几年内采用更清洁的柴油机。这种清洁柴油机汽车的环保性能甚佳，几乎可与汽油－电力复合动力车媲美，却不会增加特殊传动系统的成本和复杂程度。一些汽车制造商打算大力推广这些新型柴油机汽车，让它们与复合动力车和先进的汽油机车辆并驾齐驱，填补当代汽车与未来氢燃料电池车之间的空白（参见2006年5月号《环球科学》约瑟夫·J·罗姆和安德鲁·A·弗兰克所著《复合动力车加速跑》一文）。

在避免全球气候变暖和减少对进口石油依赖的过程中，降低化石燃料消耗量（以及由此产生的二氧化碳排放量）已成为关键，因此也就大大增强了推广更有效、更清洁汽车的动力。据美国环境保护局（EPA）介绍，如果将美国1/3的轻型车辆（包括轿车、SUV和小型卡车）换由柴油机提供动力，每天将节省大约140万桶石油。

肮脏的柴油机

柴油发动机从诞生之初就推动着工业和运输业向前发展，但它给公众的形象却一直不佳：滚滚的黑烟、刺耳的噪音、严重污染环境，因此在不少国家受到严格限制。

柴油发动机有着悠久的历史。19世纪90年代，德国工程师鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）发明了柴油机，从那时起，它就一直扮演着推动现代重工业和交通运输业发展的重要角色。汽油发动机需要电火花（electric spark）来点燃气缸中的油气混合物，而柴油机则依靠压缩来点燃油气混合物：其活塞冲程更紧密地压缩气缸中的空气，提高它的温度，使喷入的燃油自发爆炸。美国GM Powertrain公司柴油机工程技术执行主任查尔斯·弗里兹（Charles Freese）解释说，当今这种所谓的压缩点火发动机（compression-ignition engine）每单位燃油产生的能量更多，比起汽油发动机来，里程数要高出25％～30％。例如，柴油机轿车每加仑燃油可行驶约 64~80千米，而类似的小型汽油发动机车辆，每加仑燃油很少行驶超过56千米。

弗里兹说，这种柴油机提供“大量的低端扭矩（启动时的转动力），与现代（助力）涡轮增压器（turbocharger）一道，赋予柴油机良好的启动加速力和加速度，使它们易于驱动”。然而，由于它的燃料特性和较高的燃烧温度，这种技术产生的超细碳微粒（碳烟）和氮氧化物（NOx，会引起烟雾和酸雨）尾气污染物，也比汽油发动机要多。美国自然资源保护理事会（Natural Resources Defense Council）清洁燃料和车辆项目主任理查德·卡塞尔（Richard Kassel）估计，所有柴油机车辆（轿车、卡车、重型道路牵引车辆和越野车辆）的排放物，在美国每年导致2.5万人过早死亡，250万人因癌症、哮喘、支气管炎和其他疾病而丧失工作能力。他指出，如果能避免这些空气污染物的释放，那么到2030年，美国每年将节省大约1,500亿美元的医疗卫生费用。

据J.D. Power市场研究公司介绍，尽管柴油机车辆有一些优点，但在美国，对它的评价一直不是很高，它的销售量也仅占汽车销售总量的3％～4％（据报道，全球轿车和小型卡车的柴油机市场份额也相对较低：柴油机车占13％，而汽油机车占85％）。柴油机在美国购买者中口碑极差，美国国内环境标准对它也极为不利，因此柴油机的销售情况一直不佳。20世纪70年代，美国制造的柴油机驱动的拖拉机拖车大喷黑烟，令人讨厌，给公众留下了负面印象，让大多数司机对柴油发动机车辆避而远之。同时，比起汽油发动机产生的主要空气污染物——一氧化碳（carbon monoxide）和碳氢化合物（hydrocarbon）来，美国联邦法规对柴油机排放的NOx和碳烟的限制更为苛刻，一些新法规要求，柴油机排放的NOx浓度不得超过欧洲允许排放浓度的1/6。

欧洲的情况则跟美国相去甚远。欧洲一直鼓励炼油厂多生产柴油，少生产汽油，低硫燃料早在许多年前就开始在欧洲市场上销售了。在一些欧洲国家，人们购买的新轿车中，40％以上都使用柴油。欧洲管理机构更关心燃油效率，最近几十年来，欧洲政府一直用税收调控燃料的定价，以降低汽油销量，并执行了一些新的排放标准，放宽了对NOx和碳烟排放量的限制，鼓励人们使用柴油。数十年来，欧洲的这些政策使得柴油价格一直低于汽油，不过近年来，两者的价格已开始接近——目前的柴油价格约为5美元／加仑，汽油价格在6美元／加仑左右；而在美国，它们的价格都较低，每加仑为2.25~2.50美元。欧洲国家的政策向柴油倾斜，促使汽车工程设计人员研发一些排量更小（2升）的柴油发动机，经过数年努力，这些柴油发动机已经摆脱了以前柴油机的大多数不良特性，包括令人生厌的发动机噪声和寒冷气候条件下难以启动等缺点。

发动机和燃料改进

要造就“清洁柴油机”，就必须对现有柴油机进行改造和升级，大幅度减少NOx的生成量。当然，超低含硫量的柴油机燃料也必不可少。

所谓的清洁柴油机，为工程师在改进柴油发动机、燃料和排气系统方面的研究，指明了方向。弗里兹说，最初的一系列发动机创新技术主要用于卡车上，引发了第一批改进型柴油机的问世。这些升级改进包括高压供油系统（减少柴油机燃油喷射时间和加强气缸压缩功能），还有经过最优化设计的燃烧室和气门系统，可以让空气和燃油良好混合，确保均匀、稳定和有效燃烧。涡轮增压器（由废气驱动的气体压缩机）把空气压入燃烧室，增加了可供燃烧的氧气量，从而增大了输出功率。同时，先进控制系统使用传感器监测发动机运行状况，并调节运行参数，使它处于最佳运行状态。

20世纪70年代初，一种名叫废气再循环系统（exhaust gas recirculation system）的发动机组件研制成功，对于控制柴油机排放物起了重要作用。该组件将无法助燃的废气注入气缸，稀释气缸中的氧气浓度，以减缓燃烧速度，避免了瞬间高温，减少了NOx的产生率（NOx要在高温下才能产生）。据业界介绍，这一组件的采用，已经使NOx的生成量减少了3/4。该领域的一项最新技术成果是冷却式废气再循环系统（cooled exhaust gas recirculation system），在将废气泵入燃烧室之前，先降低废气的温度（例如将废气与外部空气混合，或在热交换器中将它们冷却），进一步减少NOx的生成量。

这些改进技术虽然减少了排放量，却不足以独自完成净化柴油机的任务。另一个关键在于，必须使用超低含硫量的柴油机燃料——只有这种燃料才能使清洁柴油机成为可能。硫以自然状态存在于原油中，不仅腐蚀发动机部件，而且还会使催化净化器（catalytic converter）“中毒”或失效，因为硫极易同催化剂发生反应，堵塞专用排放物收集器，造成排气系统堵塞。为了清除硫，炼油厂用极易同硫发生化学反应的氢来处理柴油。处理后得到的超低含硫量燃料符合美国联邦新等级标准，与此前的低硫柴油相比，它的含硫量减少了97％：从百万分之五百降至百万分之十五，相当于满满一辆油罐车的柴油中仅含1盎司硫 （1盎司等于28.35克）。

排气管净化

先进的柴油机废气净化技术，利用氧化催化净化器和微粒排放物过滤器等装置，清除掉排气管排出的大部分废气。

先进的废气净化技术为解决清洁柴油机难题补上了最后一环，这项技术目前正应用于轿车上。现代柴油发动机排放出来的废气，一般先进入排放物控制系统的第一级，即氧化催化净化器（oxidizing catalytic converter），让废气中的一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物与废气流中的氧气发生化学反应，清除掉很大一部分有害成分。

然后，这些废气常常会进入柴油机微粒排放物过滤器，滤掉其中的碳烟。通常一台收集器含有一块布满蜂窝孔的耐热陶瓷砖（例如碳化硅或堇青石），这些洞孔的两端被交替封堵起来，迫使流进洞孔的废气都必须通过涂敷有催化剂的基底墙，过滤掉这些超细碳粒子（carbon particle）。这样的过滤器减少的黑烟排放物多达98％。

美国通用汽车公司的弗里兹说，当过滤器被堵塞时，它们就会发挥“类似于自洁式烘箱”的作用。如果传感器检测发现废气流减速，柴油发动机控制装置就会在短时间内增加喷入气缸中的燃油量，以提高碳氢化合物的生成量。在氧化催化净化器中，这些化合物被拦截下来，接着控制装置点火，将废气温度提升至650℃左右，这一温度足以将阻塞的碳烧掉，恢复过滤器的过滤能力。

清除NOx

某些现有技术可以清除NOx，但这些技术都有缺陷，尚不完美。而戴姆勒-克莱斯勒和博世公司开发的下一代Bluetec技术，则可将NOx排放量减少80％。

在新型清洁柴油机车辆中，排放的废气会进入一个清除NOx的后处理系统——这是柴油机业界目前技术研究的重中之重。其中的部分组件被称为稀燃NOx收集器（lean-Nox trap）或稀燃NOx催化剂（lean-Nox catalyst），它们在发动机稀燃运转期间发挥自己的功能。“稀燃”是指发动机气缸的燃烧混合物中燃油的浓度较低。当少量燃油喷入时，发动机在稀燃状态运转，这就意味着在燃烧混合物中的氧气相对较多；当燃烧的燃油较多时，发动机便处于富燃运转状态。为保持良好的燃油效率，工程师将柴油机设计成在稀燃状态下运行，但这样导致的氧气浓度增加，却促使燃料燃烧时生成NOx。

美国本田公司负责研发的副总裁本·奈特（Ben Knight）说，有一些基本方法可以去除NOx，包括连续碳氢化合物选择性催化还原（continuous hydrocarbon selective catalytic reduction）。这种方法让柴油发动机处于富燃运行状态，使碳氢化合物进入废气流中，让它们与一种催化剂共同作用，以化学方式还原NOx——也就是说，在反应过程中，给氮提供一个电子，让NOx可以随时转换为氮气。在欧洲的一些试车循环实验中，这种方法已将NOx生成量减少了达40％，但燃油损失也增加了5％，因此算不上一种划算的解决方案。此外，在低温条件下，它的转换效率较低。

另一种去除NOx的方法，是NOx捕集与转换（NOx storage and conversion）技术，目前应用于采用汽油直喷发动机的车辆中。这种所谓的不连续技术在正常的稀燃状态下，使用一种含钡催化剂来捕集NOx；然后在气缸混合气中加入燃油，使发动机处于短暂的富燃状态，此时废气中的氧气浓度降低，NOx被释放出来，再以化学方式将它们还原为氮气。将这种方法应用于柴油机动力装置，需要在设计上以及运行方式上作重大修改。与碳氢化合物选择性还原技术一样，在低温条件下，这种技术的NOx转换效率较低。

第三种比较常见的方法是添加尿素的选择性催化还原技术。该方法通常将一种被称为尿素的含氨液体用作还原剂，在一种催化基底上将NOx转变为氮气。它的主要缺点在于使用了一套尿素添加系统，需要新建一系列商用尿素加注站与之配套，还需要经常给随车容器注满这种液体。

戴姆勒－克莱斯勒、大众等汽车公司即将采用的下一代Bluetec技术，添加的则是一种尿素溶液，生产厂商将这种溶液命名为AdBlue（见第68页框图）。韦伯说，这套系统是戴姆勒－克莱斯勒的工程师与博世公司的研究人员一道研制出来的，可将NOx排放量减少80％。采用了这种下一代废气后处理技术之后，下一款E320轿车完全能够满足严格的美国联邦Tier2/Bin5排放标准（其中规定，机动车每英里的NOx排放量不得超过0.07克、微粒排放量不得超过0.01克）。在原有规定基础上，这些标准将碳烟排放量缩减到1/10，将NOx排放量减少了一半。一些与Bin5几乎完全相同的标准，预定于2007年在美国加利福尼亚州开始实施，同时Bin5也将于2009年在美国全国实施。可以预期，在未来一段时间内，这两项排放限制标准还将得到进一步加强。他指出，新款E320轿车每100千米行程的尿素还原剂使用量平均为0.1升。装盛这种尿素的容器被设计得足够大，因此不必频繁加注尿素，只须在加油时顺便加满即可。

固态催化剂

本田公司开发的去除NOx技术颇具创新性，其核心是一种致密的双层催化剂，既可减少NOx排放量，又可降低燃油损失。2009年，这项技术将用于一款柴油机驱动的雅阁轿车上。

本田公司最近公布了去除NOx的一项绝佳新技术——一种稀燃NOx催化剂。事实证明，它的NOx转换率达到90％，而且无须添加还原剂（见第68页框图）。这种创新技术先将一些NOx转换为氨，然后将氨与剩余的NOx重新结合，生成氮气。这一原创技术是由本田公司首席工程师大野浩史领导的研究小组开发的。据媒体报道，2009年，该技术将首先应用于一款柴油机驱动的本田雅阁轿车上。

奈特说，本田公司研发的这种装置的核心是一种致密的双层催化剂。上层催化剂含有沸石（zeolite）、提供较大表面积的多微孔材料和促进化学反应的固态酸性基质。底层则混合了另外两种常用的催化剂：氧化铈和铂。

奈特解释说：“在正常的稀燃发动机运转期间，上层催化剂一边吸收NOx，一边将部分NOx转换为氮气。当柴油机处于短暂的富燃运行状态时，底部催化层便从废气中生成氨。但是，这些氨并不会直接返回废气流，而是存储于上层沸石基质中。当发动机恢复到稀燃运行状态之后，这些氨就会在那里将NOx还原成氮气。”底部催化层以两种方式生成氨：可以令周围的NOx和氢发生化学反应，结合生成氨；也可以通过化学家口中的水煤气变换反应（water-gas shift reaction），用一氧化碳与水蒸气来生成氨。他说，与其他方法相比，这种方法的NOx存储负担减少，所以在稀燃运行状态期间捕集的NOx较少，这样就缩小了该装置的体积，而且可以减少富燃运行时间，降低燃油损耗。

奈特强调，稀燃NOx催化剂先进的控制系统十分重要，因为它决定了氨的生成量。通过监测和改变发动机运行状态，确定稀燃和富燃运行时间的长短，这套控制系统就能够发挥作用。奈特说：“即使催化剂的催化能力经过一段时间后有所下降，这种控制装置也能自我调节，让整套系统处于最佳状态。”想让未来的本田柴油机汽车在其一生至少12.5万英里（约20万千米）的行驶里程中，始终达到美国环境保护局的Tier2/Bin5排放标准，这种自适应调节能力将是成功的关键。

这就是柴油机的未来？

对于清洁柴油机车辆及清洁柴油的前景，各方持不同态度。尽管它的推广还存在种种困难，但它的出现毕竟翻开了柴油机发展史上新的一页，同时也是人类为努力寻求发展绿色汽车而迈出的重要一步。

清洁柴油机究竟将把我们引向何方，目前尚不得而知。对于这种柴油机汽车在北美市场的前景，虽然包括戴姆勒－克莱斯勒、本田和大众在内的一些公司持乐观态度，但其他一些公司却保守得多，特别在小型车辆方面。例如，通用汽车公司和福特公司就认为，至少在最初阶段，轻型柴油发动机更适合于皮卡车和大型多用途运动车（SUV），在这一领域柴油发动机的特大转矩输出和高燃油效率，明显比其他发动机更胜一筹。丰田公司甚至对家用柴油机汽车的前景持悲观态度。该公司发言人约翰·汉森（John Hanson）说：“丰田近期并不打算在北美推广柴油机汽车。虽然我们将继续为欧洲和亚洲市场研发先进柴油机，可是我们认为，美国市场现在不会，而且在将来一段时间内也不会接受这一技术。”汉森还说，丰田公司把最新一代柴油机视为“更清洁的柴油机”，但是“按照美国环境保护局和加利福尼亚州的环保标准，这些新型柴油机得不到较高的评级……即使最清洁的柴油机，也只是勉强够格在加利福尼亚州使用”。

此外，在燃油方面也存在一些问题。虽然美国市场上有超低含硫量燃油出售，但是相较于欧洲出售的同类燃油，它的十六烷值更低，标准也更不统一（柴油中的十六烷相当于汽油的辛烷）。质量更好、更黏稠的燃油将有助于促进清洁柴油机技术的推广。但是，北美的炼油厂是专门针对生产汽油设计的，而非柴油，因此要生产改良型柴油燃料，可能需要对生产设备进行改造，这就需要投入大量资金。

同时，尽管最近媒体对清洁柴油进行了大量报道，但是据业界人士预计，无硫生物柴油（美国本土可由大豆之类的农作物制造无硫生物柴油）仍将是一种利基产品（niche product，商业用语，是指针对企业的优势细分出来的市场，这个市场不大，产品推进这个市场，有盈利的基础）。美国自然资源保护理事会的卡塞尔说：“在未来几十年内，生物柴油供应商将发展壮大起来，但仍然只能满足全美国柴油供应的极小部分。”他还提议“需要建立全国性生物柴油等级技术规范”，以确保发动机燃油无论来自何处，质量性能始终稳定可靠。在世界其他地方，欧洲的柴油机制造商和一些能源公司最近则对一类新颖的柴油生产方法发生了兴趣。这些仍处于尝试阶段的方法采用了多种费－托合成反应（一种二战期间研发出来的燃油合成方法），利用合格的煤和天然气来生产无硫柴油燃料。

在今后25年或更长时间内，今天的大部分柴油发动机显然都将继续奔驰在公路上。这一现实意味着，至少在未来10年内，清洁柴油机技术不大可能在改善大气环境方面表现出显著效益。不过，这并非意味着它的积极作用没有出头之日。美国环境保护局预计，到2030年，随着车辆的报废注销，美国柴油机车辆的情况终将大为改观，NOx排放量每年将减少400万吨，致癌微粒每年将减少25万吨。它在阻止气候变化方面也会有重大意义，也许并不那么明显。

卡塞尔说：“最近，低硫燃料已经在美国市场上出售，这是汽车世界的一个巨大变化。可以与20世纪70年代初，美国政府推出无铅汽油相提并论。”当年的行动不仅遏止了铅排放，而且还让工程师能使用催化转化器处理其他废气污染物。他指出：“30年前，汽车还在排放含铅尾气，我们也缺少有效的排放物控制措施；如今，我们已经发展出清洁汽车，燃油效率也在不断提升——汽车界已经发生了翻天覆地的变化。从明年开始，清洁柴油发动机将引领柴油机车的发展潮流，在未来10年内，让汽车产业再经历一次类似的转变。”