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内燃机的警钟 更省油的柴油车为何屡遭封杀?

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点击次数:1466 更新时间:2016年12月23日11:19:02 打印此页 关闭
一段时间,柴油车遭遇禁令的新闻不绝于耳。让人惊讶的是,大多数的禁令竟然出现在柴油车盛行的欧洲地区。
2018年02月26日,菲亚特克莱斯勒集团宣布自2022年起停产柴油轿车。
2018年02月28日,德国联邦行政法院对部分城市的柴油车禁令作出裁决。
2018年03月01日,意大利罗马拟在2024年前禁止柴油车上路。
……
一曲凉凉真的要献给柴油车?
柴油车禁令,油耗造假
自上世纪70年代伴随着全球石油危机和环保减排压力的增加,发达国家加大普及柴油机的步伐。在汽车厂商的宣传中,柴油车以其高效的燃油经济性、出色的扭矩和更精简耐用的结构而成为“吃得少,干得多”的典范。然而,不出数十年的时间柴油车经历了从天堂到地狱,这其中原因又是为何?
柴油机的优劣之处
柴油和汽油都是由石油提炼而来,虽然都是由碳和氢的烃类化合物组成,但是汽油和柴油的碳原子数不同,因此构成的分子质量不同。短链结构的汽油挥发性更好、扩散速度快、更易被点燃但自燃温度较高,而长链结构的柴油更容易被氧化、自燃点更低。
结构的不同使得柴油机和汽油机的构成和工作方式也有所差异。最直观的便是汽油机采用点燃方式而柴油机使用压燃方式。
柴油车禁令,油耗造假
得益于更低的自燃点和压燃方式,柴油机能实现更高的压缩比,对于提升热效率来说是显而易见的,这也是柴油机普遍更为省油的一大原因。除了省油之外,柴油燃烧的时间较长更为充分,做功行程中缸内温度和压力较高使得发动机在低转速条件下就可获得更强有力的扭矩。
然而相对应的,柴油机在排放控制方面也有着不少劣势。与汽油机不同的是,柴油机直接往缸内喷射燃料形成扩散燃烧,柴油分子链较大,汽化时间短,因此容易产生颗粒物(PM),为了减少颗粒物,一般可加装后处理的颗粒捕捉器(DPF)或提升缸内燃烧温度,但提升缸内燃烧温度会带来氮氧化物(NOx)的增加,形成不可调和的矛盾。处理颗粒物和氮氧化物就成为应对柴油机排放的重中之重了。
应对排放的技术手段
长久以来,工程师为了降低柴油机的排放以达到相关的标准做了许多努力,除了采用进气增压、增压中冷、高压共轨、电控喷射、废气再循环(EGR)等缸内技术外,更主要的还是通过排气后处理技术完成。
柴油车禁令,油耗造假
针对颗粒物,目前主要有氧化催化转化器(DOC)和颗粒捕捉器(DPF)两种装置。氧化催化转化器通过催化剂对柴油机的尾气进行催化,主要是降低颗粒中的可溶性有机物成分,能同时降低碳氢化合物、一氧化碳和颗粒。氧化催化转化器对于柴油中的硫含量极其敏感,如果硫化物过高在过滤体内造成沉积将会导致过滤效率降低、排气阻力增加而固态的硫酸盐颗粒会额外增加颗粒物的排放量。其次,转化器中的贵金属在高温中容易发生烧结而导致催化剂活性降低。相比氧化催化转化器,颗粒捕捉器在控制颗粒物排放的效果上更为突出。颗粒捕捉器借助惯性碰撞、截留、扩散和重力沉降等手段将颗粒物从气流中分离出来。与捕捉器的过滤材质相比,如何及时去除捕捉器中的颗粒物积存(捕捉器的再生)是更为迫切的研究课题。目前主要通过主被动升温来达到燃烧颗粒物的目标,这对于温度的控制要求极为精准,后期标定和维护难度较高。
针对氮氧化物,最主流的处理方式为还原催化装置(SCR),以氨或尿素作为还原剂对氮氧化物进行选择性还原,转化效率高达90%。这种装置需要额外的储存装置来存放氨或尿素并且需要定时填充,是用车的额外成本。
从以上我们可以看到,无论是哪种技术路线,都意味着更复杂的标定和维护或者更高的后期使用成本,这也是制约柴油车发展的重要原因之一。
沉重打击:车企的造假行为
与美国、日本等汽油主导的市场相比,欧洲市场更青睐柴油,车企对于柴油发动机的研究也更加深入,大众的TDI清洁柴油技术、菲亚特的JTD柴油发动机都曾是全球各大厂商渴望合作的柴油技术之一。
然而就在2015年,美国环保署和加州空气资源局对大众集团启动调查程序,指控大众对进入北美市场的柴油车型加装了失效程序,尾气处理系统仅在台架测试上才会启用,而在日常行驶中会在失效程序的控制下关闭,以达到降低油耗、提升动力输出的目的。此次丑闻立刻引起了轩然大波,大众的罚款总额接近300亿美元。
柴油车禁令,油耗造假
第一个多米诺骨牌倒下,此后的数年中,菲亚特克莱斯勒、奥迪、福特、戴姆勒多家车企都接连遭受排放造假的指控,柴油车尾气排放造假如同高悬的达摩克利斯之剑,成为所有厂商不敢忽视的要点。
究其原因,柴油车加上后排放处理装置虽能够使排放达标,但带来的副作用是牺牲动力输出、更高的后期维护和使用成本。成本、排放和动力之间似乎成了一个不可能三角,在竞争和利润的迫使下,谁也不愿意白白流失客户,不少厂商开始铤而走险。
环保和电气化的双重压力
在大众集团排放门之后,全球范围内就掀起了反对柴油车的浪潮,德国环保组织DUH以空气中颗粒物超过欧盟标准限制为由,将德国城市杜塞尔多夫和斯图加特告上法庭,要求全面禁止柴油车上路。
柴油车禁令,油耗造假
除了来自环保组织的压力,日益严苛的环保法规也是步步紧逼。在欧盟Euro 6的柴油机排放标准中,氮氧化物的限制从0.18g/km进一步缩减至0.08g/km,而美国EPA 2007年实施排放标准更是要求限制降为0.05g/mi,换算成公里数为0.03g/km。可以说排放法规就像小岛四周上涨的水面,而针对内燃机的内部挖潜已经逼近成本和效益的临界点,几近退无可退。
与柴油车作对的不仅仅是环保和政府机构,近年来渐成潮流的电气化智能化技术在应对环保法规方面有着得天独厚的优势,48V系统、插电式混合动力、纯电动你方唱罢我登场。与其在内燃机投入巨大的成本和精力挖潜,不如调转方向投入电气化的怀抱,因此我们渐渐看到不少车企乃至国家发布了内燃机停售时间表。
结语
环保法规越来越严,技术挖潜成本越来越高;电气化减排效果更加理想;环保组织反对呼声渐高,这或许就是柴油车屡遭封杀的原因了。尽管内忧外患不断,仍有厂商选择逆流而上,降低压缩比、HCCI均质压燃等技术也都在不断地被尝试应用。但从大环境来说,随着环保排放压力的增大以及电动车的发展,柴油机或许很难再重回以往的巅峰时刻了。在电气化加速到来的时代,当柴油机不断遭遇禁令,汽油机的冬天还会远吗?
毫无疑问,这是内燃机最好的时代,这是内燃机最坏的时代。

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