高壓共軌式燃料噴射系統，使柴油車顆粒物排放一舉減少85%

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【日經BP社報導】以東京都強化汽車廢氣排放標準為契機，日本的卡車環保技術開發取得了進展。技術開發目標是大幅減少廢氣中的顆粒物（PM）和氮氧化物（NOx）。日野汽車公司於2003年11月上市的新車將顆粒物排放量一舉減少了85％。


「各位，你們敢做深個呼吸嗎？」

時任東京都知事的石原慎太郎以強硬的口吻質問站在面前的卡車企業經營者們。他手中拿著一個盛滿黑色粉末的塑膠瓶。這些粉末其實是使用柴油引擎的卡車排放出來的顆粒物。石原一邊搖晃著瓶子，一邊說：「卡車產生的粉塵正在威脅市民的健康。」

1999年，石原提起這個問題後，針對卡車廢氣的指責迅速增強。在這種形勢下，日本政府決定，于2002年10月開始施行以東京圈、愛知縣和三重縣圈、大阪府和兵庫縣圈為對象的《汽車NOx·PM法》。並且還公佈了將預定2007年實行的「新長期柴油車廢氣規制」提前2年，從2005年開始實行的方針。在當時，這意味著不能將顆粒物排放量降低到現狀的15％以下、將氮氧化物（NOx）降低到40％以下的企業，事實上將被趕出日本新車市場。


「4星級」低公害車

面對這一事態，卡車企業加快了可解決廢氣問題的新技術開發。

當時，在顆粒物減排方面走在業界前列的是日野汽車公司。該公司於2003年11月上市的大型卡車「Profia」成功將顆粒物排放量減少了85％。憑著較少的排放量，該車從日本國土交通省獲得了「4星級」（最高級）認證。該公司領導Profia開發工作的開發部長遠藤真笑著說：「我們希望下次石原搖晃的是一個空塑膠瓶。」

減少卡車廢氣中所含顆粒物的方法大體可分為2種。1種是在引擎內提高燃料的燃燒效率，另外1種是提高用於去除廢氣中有害物質的過濾器的性能。

顆粒物的主要成分，是作為柴油車燃料的柴油進行不完全燃燒時產生的煙灰。老式柴油引擎進行1次燃料噴射後，在燃料完全氣化之前就會發生氣體爆炸，因此，很容易產生作為燃燒殘渣的顆粒物。於是，日野汽車在Profia上安裝了「高壓共軌式燃料噴射系統」（下圖），這種系統可提高燃料噴射的壓力，促進柴油的氣化，而且能通過分成幾個階段進行噴射提高燃燒效率。

共軌是指暫時存放將要輸送入噴射閥的燃料的管子，新系統可在這些管子中將施加給柴油的壓力最大提高到1800個大氣壓。這堪比在食指上放一頭大象時施加的作用力，從閥門中噴出的柴油顆粒會變得極其細小。

Profia的引擎分「試噴」、「預噴」、「主噴」、「後噴」及「補噴」5個階段進行超高壓噴射。目的是使每次燃料噴射具有不同的作用，並將柴油的燃燒控制在最佳狀態。

首先進行試噴，在燃料室內製造柴油與空氣的混合氣，準備好容易發生氣體爆炸的環境。雖然柴油引擎的工作原理是將燃料噴射到體積壓縮到約二十分之一的空氣中，使其自然著火，但如果事先準備好混合氣，就能促成更順利的著火。

接著進行預噴，將極少量的柴油輸送到燃燒室，通過局部著火來製造「火種」。雖然接下來的主噴將引發全面燃燒，但由於有多個火種，氣體爆炸不會同時發生，燃燒會逐步向整體擴散。由此可防止柴油的不完全燃燒，引擎發出的噪音也將減少。

主噴之後進行後噴，其目的不是驅動引擎，而是使主噴時燒剩下的燃料及顆粒物進行燃燒。通過上述流程，日野汽車將引擎的顆粒物排放量減少了約一半。 最後的補噴對通過廢氣管的過濾器去除引擎中未能燒盡的顆粒物起到輔助作用。

廢氣中所含的顆粒物被陶瓷過濾器捕獲，其主要成分煙灰便附著在過濾器的壁面上。如果這些煙灰積存得過多，廢氣氣流就會變慢，引擎的輸出功率也會下降，因此，當壁面上煙灰積存到一定程度時，就必須「掃除」乾淨。


在過濾器內焚燒煙灰

當溫度達到約600度時，煙灰會自然起火燃燒。Profia利用這一性質，用補噴來掃除過濾器。煙灰在過濾器內燃燒的原理大致如下。

首先，在後噴之後，向溫度下降的燃燒室內噴射燃料，有意製造剩餘燃燒現象。將這些燃料輸送到廢氣管中，利用氧化觸媒轉換器使其發生化學反應。通過後噴，可使廢氣管內的溫度上升到約300度，而通過發生劇烈的化學反應，可使這一溫度進一步上升到煙灰的燃燒溫度。



一連串的燃料噴射都要在根據行駛狀況對壓力及噴射量進行調整的同時，分別在千分之四秒的極短時間內進行。因此，日野汽車的技術團隊在進行噴射閥控制系統的開發時最感頭疼。開發部長遠藤說：「為了提高5個階段的燃料噴射效果，我們收集了所有的行駛數據，對噴射的最佳時機及噴射量進行了研究。Profia上安裝的車載電腦中滿載著這方面的研究成果。」

一方面通過上述努力實現了顆粒物減排，另一方面，卡車企業在解決氮氧化物問題的對策上也確立了很有發展前途的新技術。

在氮氧化物對策方面，研究的主流並不是防止柴油高溫燃燒導致產生氮氧化物，而是用於凈化廢氣的觸媒轉換器。其中被寄予了厚望的是日產柴油車工業公司（2010年2月公司名稱變更為UD Trucks）和五十鈴汽車公司所開發的氮氧化物還原觸媒轉換器。

使用氮氧化物還原觸媒轉換器凈化廢氣，是向廢氣中投入尿素水，作為還原劑使與氮結合在一起的氧分離出來。在廢氣管中，尿素水變成氨及二氧化碳，在觸媒轉換器的作用下，氨與氮氧化物發生化學反應。具體而言，就是氨中的氫與氮氧化物中的氧結合形成水，最終，氮氧化物分解成水和氮。五十鈴汽車引擎裝置設計第二部部長木村隆之稱，由此「可去除廢氣中80～90％的氮氧化物」。




基礎設施建設不可或缺

不過，要在大型卡車上配備這種氮氧化物還原觸媒轉換器，廣泛普及這種氮氧化物對策車，就需要在大型卡車加油站中建設完善尿素水補給設備。 在歐洲，為了普及有利於環保的柴油車，政府和企業合力推進基礎設施建設。在日本，經濟產業省、環境省也與卡車企業及能源相關企業建立起了工作小組，進行了關於採用專用設備的探討。 柴油車的燃效很好，二氧化碳排放量也比汽油車少20～40％。如果環境對策技術取得進步，開發出顆粒物及氮氧化物排放少的柴油車，那麼相對於汽油車，柴油車就有可能佔據更大的優勢。（《日經商務週刊》記者：江村英哲）

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/auto/64751-20130219.html?ref=ML&limitstart=0

香港應該考慮引進此種技術．