互动科普

提到“环保汽车”（eco-car），许多读者立刻就会想到电动汽车和混合动力汽车，它们曾经一度是环保汽车的代名词。实际上，在全球汽车保有量中，纯电动汽车所占的比例是很少的。目前绝大部分客车仍然是汽油或柴油车。对卡车等大型汽车而言，虽然在采用电力或混合动力技术方面有所进展，但因为它们需要更加强大的动力，仍不能完全实现电动化。即使是经济持续强劲发展、新车销售总量屡创新高的中国，绝大多数也是价格便宜的汽油车。当前的主流汽车仍然需要靠发动机燃烧燃料才能行走。

汽油和柴油是从石油中提炼出来的

目前汽车使用的燃料，以汽油和柴油最为常见，它们都是汽车使用的主要燃料。柴油主要用于卡车等大型车辆。那么，汽油和柴油都是从哪里提炼出来的呢？

无论汽油或柴油，它们的主要成分都是“碳氢化合物”，是由许多碳原子（C）和氢原子（H）所组成的化合物，简称为“烃”。碳氢化合物主要是根据其中所包含的碳原子数量及其链接方式进行分类的。简单说，某种碳氢化合物，所含碳原子数越少、分子链越短，它的比重就越轻、沸点也越低，更容易气化。反之，若其所含碳原子数越多、分子链越长，它的比重就越重、沸点也越高，不容易气化。

正是由于汽油、柴油等烃类化合物具有不同沸点的特性，才能够利用蒸馏塔等炼油设备将其从原油中分离、提炼出来，成为可以使用的成品燃油。汽油主要由碳原子数较少的烃类分子组成，柴油的烃类分子所含的碳原子数则比较多。此外，在汽油和柴油的成分中，还包含有环状结构的“芳香烃”类碳氢化合物，以及原油中的硫等杂质。

由这些不同成分组成的燃油，在发动机中的燃烧方法也完全不同，可以分为“点燃式”和“压燃式”两类。其中点燃式发动机采用汽油作为燃料，它需要预先把空气和汽油混合起来，送入气缸压缩以后，由火花塞发出的火花进行点火做功。而压燃式发动机采用柴油作为燃料，气缸先把空气进行压缩升温，然后由高压油嘴把柴油燃料喷射进入气缸，自动着火做功。

对汽车进行环保改造已成大势所趋

只要把汽油、柴油作为燃料使用，就会产生二氧化碳等温室效应气体，以及包括碳和硫等成分在内的颗粒物、氮氧化物（NOX）等污染地球大气层的物质。要减少这些污染物的排放量，需要全世界付出很大努力才行。减少燃料污染物排放的主要技术手段，大致可分为两种：其一是改进现有的汽车发动机，其二就是要开发环保燃料。

目前，无论汽油车还是柴油车发动机的改进，总是围绕着如何节省燃油来进行的。比如马自达公司研发的高效汽油发动机油耗为每升大约30公里左右，所需的燃油与混合动力车相同。而且利用“起步/停车”技术，使得汽车在临时停车时，让发动机自动休止并且能够自动再启动。

就节省燃油和减少温室气体排放量方面而言，与汽油车相比，柴油车具有一定优势，而如何减少柴油车排放的颗粒物，就成为环保的主要问题。近年来，用于控制新车尾气排放的行业标准日趋严格。欧洲计划于2014年开始执行欧六（Euro 6）尾气排放标准。为了适应此尾气排放标准所开发的环保汽车，称为“清洁柴油车”。

清洁柴油车采用了哪些环保技术?

清洁柴油车采用的环保技术，大致分为3种。首先是对柴油发动机本身进行改进，然后是用高压燃油喷射技术，第三招就是采用电控的方法对喷油定时进行精确的控制。

但是，即使在这些方面下足功夫，使NOX和颗粒物同时减少，毕竟还是有限的。于是还需要在排气管中设置能够吸附分解NOX的催化剂，以及颗粒物过滤器（DPF）等化学物理方法，在排气管道中对汽车尾气做进一步的清洁无害化处理。

尾气中的NOX，可以变换成为无害的氮气（N2）。因此，需要把NOX中的氧强行分离出去。为此首先要让尾气中的NOX通过由钡（Ba）和铂（Pt）组成的活性催化剂网带进行吸附和暂时堆积，并且进行充分接触反应。当它们（NOX）堆积到一定程度后，如果发动机中再多喷入燃料，就会变成一氧化碳（CO）和氢气（H2）排放出来。在催化剂铂的帮助下，这些一氧化碳和氢气都具有夺取氧的能力，它们就会与尾气管中堆积着的NOX进行化学反应，并且把它们变换成为清洁无害的氮气，排放到空气中去。

以上这些尾气清洁技术，已经分别应用在三菱和日产公司生产的汽车中。而因生产高级轿车闻名的德国梅赛德斯-奔驰公司所研制的清洁环保柴油车，则采用“尿素”作为夺取氧原子的物质。尿素不必像燃料那样频繁添加，只需在必要时进行补充。

此外，对于尾气中的颗粒物，则需要采用DPF的过滤网进行清除。DPF过滤网的网眼直径平均只有数十微米左右（1微米为百万分之一米），大约与普通细胞一般大小。DPF的结构使得颗粒物必须要经过网眼过滤。（。

与上述NOX无害化处理过程类似，当尾气中的颗粒物堆积到一定程度后，此时如果发动机中再多喷入燃料，排气管中尾气的温度就会上升，从而把先前已经堆积在DPF过滤网中的颗粒物燃烧殆尽。按照三菱公司工业开发本部竹村纯副部长所言，即便将燃烧含碳颗粒物的影响计划在内，清洁柴油车的二氧化碳排放量也会比汽油车少20%。

但是，采用这些最新环保技术的清洁柴油车在普及时，却遭遇了进展缓慢的尴尬局面。主要原因是新的环保技术导致这些新型环保车的价格比较高。另外，大家普遍的印象是，柴油并非什么清洁燃料。竹村副部长指出，由于原油价格持续上涨，柴油的价格比汽油便宜一些，因此柴油车主要优势仍然是经济性。另外柴油车的购买者，主要是那些偏爱功率强劲的大马力汽车的消费群体。

清洁柴油车所采用的环保技术

清洁柴油车采用的两种环保技术的图解。首先如左图所示，是采用能够吸附NOX的催化剂，主要由钡（Ba）和铂（Pt）组成，它们可以把NOX中的氧原子强行分离出去。为此先要让尾气中的硝酸根（NO3）与活性催化剂进行充分接触反应。当它们（NO3）堆积到一定程度后，如果发动机中再多喷入燃料，就会生成一氧化碳和氢气，在催化剂铂的帮助下，它们（CO和H2）就会与尾气管中堆积着的NOX反复进行化学反应，直到把它们都变换成清洁无害的氮气。另外一种技术用于清除尾气中的颗粒物。如右图所示，采用一种DPF柴油颗粒物过滤装置，把尾气中的颗粒物过滤截留下来。它的截面由许多细微的网眼组成，如果不通过这个过滤网，尾气就不会排到外界去。通过采用上述两种环保技术，就会使汽车尾气更加清洁。

开发多种替代燃料

使汽车环保化的另外一种技术手段，就是采用各种清洁环保的“替代燃料”。现在使用的汽油、柴油等燃料，都是由原油或煤炭等提炼出来的，而经过人类多年的开采消耗，石油、煤炭等资源已近枯竭。为了减少原油的使用量和二氧化碳等温室气体的排放量，必须寻找更加多样化的能源来源。

怎样才能使替代燃料做到清洁环保呢？这就要从替代燃料的生产、加工、运输、储存，直至注入汽车的燃料箱中，由发动机驱动车辆的全部流程进行考查，看看其中的各个环节是否可以保证比使用汽油、柴油更加环保。就像本刊上期介绍过的油井-车轮（Well to Wheel）的过程。

讨论替代燃料时，可以把“Well to Wheel”过程划分为两个阶段：其一是油井-燃料罐（Well to Tank）阶段，指的是从原料生产到加工出替代燃料，并把它们运送到燃料罐（Tank）的过程；其二是燃料罐-车轮（Tank to Wheel）阶段，指的是把保存在燃料罐中的替代燃料，加注给每辆汽车，驱动车辆运转。作为替代燃料的条件是在这两个阶段中的任何一个环节，都必须保证具有减排的效果。

近年来，由于在“Tank to Wheel”阶段出色的环保表现，二甲醚和天然气作为替代燃料，引起了人们的普遍关注。

二甲醚（DME，DiMethyl Ether）， 是一种无毒含氧燃料，常压下为气态，可在5个大气压下液化，易于储存与运输，它可从煤、煤层气、天然气、植物等多种资源中制取，能实现高效清洁燃烧，非常适合压燃式发动机，因此是汽车燃料理想的替代品。二甲醚燃烧值高，使用二甲醚作为汽车燃料使用动力更佳，甚至超过柴油。

天然气的主要成分是甲烷（CH4）。虽然与汽油、柴油等碳氢化合物一样，以上这些替代燃料的成分中也都含有碳元素，但毕竟碳所占比例要低于汽油等，这也是它们能够成为替代燃料的主要理由。比如甲烷（CH4）分子中只含有一个碳原子，即使燃烧以后，所形成的碳颗粒物肯定比较少。此外，在二甲醚的分子结构中具有氧原子，因此在燃烧时，很难出现因为氧气不足而导致的不完全燃料的情况，从而也减少了大气污染物的排放量。

（本文发表于《科学世界》2011年第6期）