您的柴油車吃尿素嗎?

真相追追追

上方這張精選圖片是希臘雅典上空的污染,在聊這個主題之前,先來談談一件往事。話說實習那年是在至善國中,張大千的摩耶精舍就在旁邊,那個年代處理校園內的落葉枯枝是直接燒掉,於是大千居士就來抗議:「我旅居巴西與舊金山二十餘年,最後回來外雙溪定居,就是相中這裡空氣品質好,你們竟然還燒垃圾給我聞?」(註:冬天風向是從至善國中吹向摩耶精舍),從此校園落葉就拿來製作堆肥了^^。外雙溪的空氣品質真的很好,特別是在冬天,因為海風是從萬里方向吹進來,沿著瑪鋉溪經過風櫃嘴、內雙溪的河道吹進外雙溪,因此空氣就非常清新。相對的要是在無風的日子,若是清晨從陽明山往內湖方向望去,就常能看到台北盆地上空籠罩著棕色的霾→”台灣的陰霾“,這些棕色的氣體主要就是二氧化氮NO2

在汽車的廢氣排放系統中有一個觸媒轉換器(Catalytic converter),其細微的金屬或陶瓷結構載體通道內壁塗佈鉑、鈀及銠等金屬做為觸媒,利用催化機制能將氮氧化物(NO2、NO)分解成氮氣N2與氧氣O2,氧氣隨後被下一個塗佈儲氧劑 Ceria-zirconia(氧化鈰-氧化鋯)的通道內壁吸附,即可將一氧化碳(CO)氧化成二氧化碳,並將碳氫化合物(HC)轉換成CO2與H2O來排放

相對於汽油引擎,柴油引擎具有更高的 壓縮比,因此熱效率與扭力輸出就會高於汽油引擎。可是由於燃料特性與壓縮點火之燃燒方式,柴油引擎更容易生成NO2和NO等氮氧化物(NOx),這是因為燃燒過程中吸進的空氣比燃燒實際所需空氣至少多了20%(註:資料來源→現代科技讓柴油引擎更乾淨)。雖然這能使得燃燒更完全,但高溫富氧所付出的代價就是多出來的氧氣與原本就存在於空氣中約80%的氮氣就更容易在高溫燃燒時反應生成氮氧化物。也就是說,若要減少柴油燃燒後產生的黑煙,就必須在更稀而富氧的油氣濃度下來燃燒,這樣換來的代價就是廢氣中NOx濃度的增加。於是在環保新法規的限制下,柴油車降低NOx濃度的「選擇性催化還原器;Selective Catalytic Reduction,SCR」新技術應運而生

這是將尿素溶液噴入排氣系統中,利用廢氣的高溫將尿素與水先進行複分解來生成氨氣與二氧化碳

由於反應物是一個尿素分子與二個水分子,因此完全反應下這個尿素溶液的質量百分率濃度理應是60/(60+36)=62.5%。但是20°C時尿素在水中的溶解度約52%(0°C的溶解度約40%),為了避免過飽和而析出晶體及考量柴油車在高緯度地區冬天時的氣溫,一般使用在 SCR 系統之尿素水溶液為 32.5﹪(此濃度下的尿素水溶液具有最低的凝固溫度-11℃),可以符合大部分的地區使用,多餘的水就以水蒸氣形式排出。至於氨氣與氮氧化物的反應,主要有下列幾種形式:
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O
其中以第三式的反應速率最快,由於柴油引擎廢氣中 NO 約佔了氮氧化物的 90﹪,為了達到 NO 與 NO2 分子數比為 1:1 的最佳比例,目前的 SCR 系統中,會預先使用氧化觸媒將 NO 轉換成 NO2

至於有無免用尿素就能達到柴油車五期 NO標準的呢?有的,比如由我的好友鄭學淵老師所提供的這張照片↓

這輛商用貨車應該是利用廢氣再循環(EGR)技術,將引擎排出的部份廢氣冷卻後再導入燃燒室,使燃燒時的最高溫度能下降,從而達成抑制氮氧化物生成之目的。

另外,還有一種降低氮氧化物排放的技術稱為 LNT (Lean NOx Trap),比如 Volvo S60,這是利用碳酸鋇在鉑的催化下抓取氮氧化物轉變成硝酸鋇來暫時儲存。隨後噴油系統快速轉換成短時間的富油燃燒狀態(油多空氣少),藉此產生較多的不完全燃燒產物一氧化碳和碳氫化合物,從而與釋出的氮氧化物發生反應,將 NO還原形成氮氣。 以Volvo S60 而言,這個去除氮氧化物的循環約5分鐘進行一次,每次持續約15秒

台灣目前採用與歐盟五期相同之標準,卡車廢氣排放的氮氧化物 NOx 需低於 2.0 g/kWh,即將於明年實施的六期標準則是加嚴至 0.4 g/kWh。輕型柴油車五期 NOx 標準是0.18 g/km,六期則加嚴至 0.08 g/km。

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