发布于 08-23 18:20:05
现在汽车上搭载的柴油发动机，在使用过程中都需要添加一种叫做“尿素”的东西。如果不使用还不行，否则发动机就会动力下降，限制输出扭矩。很多司机对此特别不理解，说汽车为什么要添加这个东西啊？它是不是像乙醇汽油中的乙醇一样降低柴油浓度的呀？那它为什么不直接加入柴油箱中和柴油混合在一起呢？它是从哪儿喷入发动机燃烧的呢？
当然，这个所谓的尿素并不是农民伯伯种地使用的化肥，而是一种尿素的水溶液。它的学名叫做“柴油机尾气处理液”，是专门用来处理柴油机尾气中的氮氧化物，将其还原成氮气和水，避免柴油机尾气超标。所以它并不是进入发动机燃烧室燃烧，而是喷入柴油机排气管中中和尾气的。在国三排放之前的柴油机是不需要添加尿素的，从国四排放才开始执行，现在的国五、国六更加严格了。由于很多司机不知道尿素真实的作用，在国四柴刚刚施行时还闹过这样的笑话：司机直接把尿素加到柴油箱里面了！后果自然是非常严重的。
那么柴油机为什么要使用尿素来处理尾气呢？汽油机为什么就不用呢？这我们就要来说说柴油机的尾气特点以及处理方式了。
大家知道，柴油机可燃混合气的形成方式是柴油直接喷入气缸中与空气混合，着火方式是压燃。在柴油喷入气缸与空气混合过程中，由于柴油粘度较大，不容易蒸发，所以柴油在空气中是以一个个小油滴的型式存在的，可燃混合气的浓度也是不均匀的，在某些区域空燃比极高，有些区域又极低，并且柴油的喷射过程也不是一次性完成的，而是分成几段喷射。因此柴油的燃烧过程是“边喷射、边混合、边燃烧”，类似于一种等压燃烧放热过程，燃烧过程分为四个阶段：备燃期、速燃期、缓燃期和后燃期。
由于在局部区域空燃比足够高，所以在柴油喷射进入气缸与空气混合后就会迅速起火燃烧，而另一些区域可能没有柴油，不会燃烧。所以，柴油在气缸内燃烧时会同时形成多个火焰中心，同时燃烧。为了尽可能的让柴油完全燃烧，实际喷入气缸中的柴油是比较少的，与空气形成的可燃混合气空燃比是比较大的，一般都在20以上（标准是14.7），属于富氧燃烧，这样就有了大量剩余的空气。由于空气较多，所以柴油燃烧比较充分，尾气中的一氧化碳以及碳氢化合物是比较少的，但是空气中的主要成分是氮气，氮气在气缸内高温高压的环境下，会与氧气发生反应，生成氮氧化物，比如一氧化氮、二氧化氮等。氮氧化物对大气的污染是比较严重的，它本身就是一种有毒有害的气体，同时还是酸雨的主要成分，此外还会导致土壤酸化以及水体富营养化，使生态系统失衡。
此外，由于在某些区域空燃比较低，柴油过剩，不能完全燃烧，特别是在缓燃期和后燃期，气缸中的空气较少，喷入的柴油不能完全燃烧，因此形成了大量的颗粒状碳烟。所以，柴油机尾气的特点是：一氧化碳以及碳氢化合物含量较少，氮氧化物含量较高，颗粒物含量较高。柴油机尾气排放治理的重点就是：降低氮氧化物含量，减少颗粒物排放。
降低柴油机尾气排放的方法总的来说有两种，一种是机内净化，一种是机外净化。
先来说说机内净化。所谓的机内净化，主要是指改善柴油在发动机中的燃烧状态，使其尽可能充分燃烧，并降低燃烧温度。采用的主要措施有改善燃烧室形状，增大面容比；改善进气道形状，在燃烧室中形成更强的进气涡流；增大喷油器的喷油压力，改善喷油规律，采用多段喷射技术，使柴油蒸发雾化更彻底，加快燃烧速度；采用废气再循环技术（EGR）等。这些方法，可以有效的改善柴油的燃烧状态，减少尾气中氮氧化物和颗粒物的含量。
但是这些措施都不能从根本上改变柴油机的燃烧方式，因此这些措施的作用极其有限，同时有些方法还是互相矛盾的，为了减少颗粒物排放，就会增加氮氧化物的含量；为了降低氮氧化物含量，就会增加颗粒物排放。有时候为了找到这个平衡点，汽车工程师也是煞费苦心。但即使这样，在越来越严苛的排放法规面前，这些措施还是不足以完成尾气达标的任务。因此，还需要采取直接净化尾气的机外净化措施。
所谓的尾气机外净化，就是指对柴油机排放到机外的尾气直接进行净化处理。主要的措施有氧化催化转换器（DOC）、颗粒捕集器（POC）、颗粒过滤器（DPF）以及选择性催化还原技术（SCR）。其中的前三项主要是针对颗粒物的排放，选择性催化还原技术（SCR）主要针对氮氧化物，就是向排气管中喷入尿素，以降低氮氧化物的含量。事实上在现在的柴油机上，这几项技术是综合存在的，它们共同作用，净化后柴油机尾气中只含有二氧化碳、氮气和水。
下面我们来说说选择性催化还原系统（SCR）是如何降低氮氧化物含量的。选择性催化还原的英文名称是Selective Catalyst Reduction，简称SCR，它是由尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等装置组成的。
SCR系统的工作原理是：在柴油机排气系统中，有一段排气混和管，在混和管上安装有尿素计量与喷射装置，根据发动机的转速、负荷等信息，计量与喷射装置将一定量的尿素水溶液从这里喷出进入排气混和管，与从排气歧管中排出的高温高压尾气相混合，随后尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨气（NH3），然后氨气与尾气一起进入SCR催化器（也就是我们所说的消音器），在催化剂的高温表面（300~500°C），氨气将氮氧化物还原为无毒无害的氮气和水，而多余的氨气也被还原为氮气。这样就使尾气中的氮氧化物含量大大降低，只排出氮气、二氧化碳和水。据测算，SCR系统的转化效率可达90%以上，可以说是相当成功的尾气处理系统。
SCR系统重要的工作介质就是尿素。其实我们从上面的工作原理可以看到，起中和尾气作用的并不是尿素，而是氨气。但是氨气的使用与储存都很不方便，因此人们就使用这种可以很方便转化为氨气的尿素来代替。在实际使用中，一般用32.5%的高纯尿素和67.5%的去离子水配置而成，学名叫做“柴油机尾气处理液”。它的品质高低，直接影响柴油机的工作性能以及尾气排放。如果使用了不合格的尾气处理液，不仅会导致发动机的尾气排放不合格，还会降低发动机的动力性，甚至损坏SCR系统。因此，大家一定不要在这方面省钱，这套SCR系统维修起来可是费用不菲啊！
SCR系统的主要故障有尿素消耗量过高、尿素消耗量过低、尿素结晶、不喷射尿素、尾气超标等。不论哪一种，都会在仪表盘上点亮尾气排放超标故障灯。当出现这种故障时，柴油机为了降低尾气排放，会降低喷油量，限制发动机转速（一般不超过1500转/分钟），汽车会出现加速无力、无法到达最高车速、爬坡吃力等现象，也就是我们俗称的“限扭”。只有等故障消除后才可以正常使用。
一般来说，尿素的消耗量是燃油的3~5%。如果一辆车每年行驶十万公里，消耗三万升柴油，那么需要消耗的尿素大约是1500升。以每升5元计算，大约需要七千多元。这对于以货运运输为生的卡车司机来说，是一笔不小是开支。因此就有人想办法节省这笔开支。一种方法是使用水来代替尿素，事实证明这种方法是不可以的，水没有中和氮氧化物的功能，柴油机检测到尾气中的氮氧化物超标，就会限制发动机扭矩；第二种方法是直接将SCR系统的电源断开，让SCR系统停止工作，这种方法也不行，同样会引发发动机保护机制；第三者方法是直接改写发动机控制单元的程序，也就是将SCR系统屏蔽掉，这种方法虽然可以让柴油机正常工作，但是在汽车年检时尾气是不合格的，此外还会由于改装导致汽车三包失效，也是不可取的。因此我们就不要在这上面动歪脑筋了，为了我们共同的环境，就付出一点代价吧！
最后再来说说汽油机为什么不需要SCR系统，不需要使用尿素。这主要是因为，汽油机与柴油机的尾气成分是不一样的。汽油机尾气的主要成分是一氧化碳和碳氢化合物，氮氧化物和颗粒物含量较少。而处理一氧化碳和碳氢化合物的有效方法是使用三元催化器，它可以将这两种有害物质转化为二氧化碳和水，而使用尿素的SCR系统并不具备这样的功能。
