柴油汽車上「氮氧化物催化裝置」的工作原理是什麼？

01-04

新聞：【圖】涉自由俠等德政府指控FCA柴油排放作弊

據外媒Bild am Sonntag報道，德國監管部門現正在對一款可能在排放測試中作弊的菲亞特柴油車展開調查。不過它的作弊跟大眾有些區別：大眾使用的是一套相對複雜的演算法，它可以檢測出汽車是否處在測試環境，若是，則啟用測試專用的排放流程；而菲亞特只是更改了引擎的部分參數，僅在汽車啟動後22分鐘內使用作弊數據，無論其是否處在測試環境下。

文章中所提到到的「氮氧化物催化裝置」是什麼？它的工作原理又是如何？它的關閉與否會對汽車尾氣排放產生哪些影響？

目前主流柴油發動機上配置的「氮氧化物催化裝置」應該都是SCR(Selective catalysis reduction選擇性催化還原)裝置。前面幾個答案介紹的比較詳細，但知識也比較舊。

我這邊想從一個宏觀的角度來講講目前柴油尾氣後處理（Exhaust Gas Treatment，以下簡稱EGT）的整體配置，在此基礎上仔細介紹下SCR系統的基本知識。

其實不同時期的EGT配置都不一樣，在國三之前，甚至不需要催化劑，用EGR就可以達到排放。

下圖，最新的國六柴油發動機EGT的一個典型配置。

你可以看到該系統主要分四個模塊：

DOC（柴油氧化催化劑）
CSF or DPF (催化顆粒捕捉器)
SCR (選擇性還原催化劑)
AMOX (氨氧化催化劑)

OK，主要講下SCR部分，即在催化劑的幫助下通過化學反應來將發動機尾氣中的NOx轉化為無毒無害的N2，其實就是往尾氣裡面噴尿素，尿素在高溫下分解生成氨氣NH3，氨氣再與氮氧化物發生反應，生成N2。主要化學反應如下：

尿素分解反應：

SCR反應：

SCR系統概況

是的，在SCR系統中，SCR催化劑扮演者重要的角色。國五之前，主要是V2O5基催化劑(抗高溫能力弱)，現在主要是分子篩催化劑，隨著環保的越來越高的要求，對SCR催化劑的研製提出了更高的要求：

高效的NOx轉化效率
良好的氨存儲能力
良好的抗高溫老化性能力
良好的抗硫老化和再生性能

催化劑形貌（截面+宏觀）

當然，有了好的催化劑，還遠遠不夠。

發動機的標定也是一個技術活，目前國六也僅僅只有博世，康明斯等幾家公司能做。

如題，如果不往裡面噴尿素的話，催化裝置就成了了擺設，無法工作。

但實際上，目前中國的好多大型貨車上的SCR系統都是關閉的，司機為了省幾千塊的尿素錢，當然也有相當多的車企參與作弊。

需要細講的部分請留言。

謝邀。首先，抄自己的不算抄，嗯嗯。先貼一段以前寫的關於柴油機降低NOx的兩種方式。

鏈接：大眾發動機尾氣作弊是什麼原理？ - 孫晨曦的回答

柴油機尾氣處理降低NOx 主要有兩種方式。一種是使用LNT （Lean NOx Trap），其工作原理是在柴油機正常運行的時候，用存儲材料（storage material）將NOx暫時存儲。而後，以富油燃燒（油多空氣少）的方式產生較多不完全燃燒產物一氧化碳（CO）和碳氫化合物（THC），用來與NOx發生中和反應，還原NOx形成氮氣。另一種NOx後處理系統為SCR（Selective Catalytic Reduction），通過向尾氣中噴射尿素溶液，分解產生的氨氣（NH3）與NO或NO2發生中和反應，產生無害的氮氣（N2）和水。

相比於SCR，LNT的優勢在於其成本相對較低，體積較小，不需要後續填充尿素。尿素溶劑的凝固點為 -11oC，所以需要加熱系統以應對寒冷地區氣候。每次更換機油周期大概需要5加侖（19升）尿素溶劑，更對於其體積和質量提出了要求。可是，LNT儲存的NOx需要富油燃燒再生周期定時對其還原，這會對車輛的燃油經濟性（fuel economy）產生負面影響，也就意味著行駛同樣的路程需要更多的燃油，降低了每加侖英里數（MPG）。使用LNT大概會降低3-7% 的燃油經濟性。同時，對於大排量柴油機，LNT的效果差強人意，近年來更多品牌的選擇了使用成本較高的SCR。

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抄完自己繼續寫：

柴油機降低排放一般都是這兩種原理。總結起來就是：

LNT 效率低，費油，轉化率相對差。但是成本低體積小，而且不需要保養（不需定期填尿素）。

SCR 效率高，不費油，轉化率好。但是相對貴，並且用戶體驗差（需要定期填尿素）。

樓上的大神已經有調查FCA到底是採用的那種方式了，我就不去八卦這件事了。

如果用的是LNT：目的很簡單，省略了富油燃燒產生CO/UHC，還原催化劑上吸附的NO2的步驟。可以省油，增加燃油經濟性（fuel economy），增加每加侖里程數。

如果用的是SCR：可以省尿素（寫完這句特別想汗一個）

個人感覺如果用SCR還關閉催化系統的話也有些過於明目張胆了。尿素用的太少應該很容易會被發現吧。

至於關閉催化劑的後果么，就是NOx不經過還原直接排放到大氣，排放會增加幾十倍甚至幾百倍唄。

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對於柴油機來講，氮氧化物（NOx）和碳煙（soot）是其兩大排放問題。曾有人問我為什麼大家都對NOx作弊，沒有對soot作弊的。

原因是，處理NOx 的催化劑都是氣流經過式的。關掉的話尾氣也可以排出去。而處理碳煙soot用的是DPF (diesel particulate filter)。Filter 顧名思義就是過濾。DPF一組是一端開口，一端封閉，靠這些茫茫多的wall來把碳煙trap住的系統。也需要定時的加熱來把集在壁上的碳煙氧化掉。叫做DPF regeneration。如果soot在壁上越積越多，就會大大的增加back pressure，尾氣就排不出去了。

Active regeneration 的時候，意思就是需要把DPF加熱。可以電加熱，也可以用post-injection的方式增加尾氣溫度加熱。總結起來要麼費電要麼費油，在汽車上費電其實也就等於費油。

可是還有一種passive-regeneration，意思就是不需要多餘的動作，碳煙soot一邊集在壁上，一邊慢慢的氧化。NOx 其實是一種特別好的氧化劑，可以大大的提高soot的氧化。同學們不要問不還原NOx會不會增加passive regeneration。一般處理soot的DPF在處理NOx系統的前面所以其實沒差。

另外之前有幾個人說三元催化劑Three-way catalyst。

TWC只能在化學配比平衡的（stoichiometry）時候使用（油和氧氣的比例不多不少正好反應完全）。而柴油機的燃燒並不是遵循化學配比平衡的，所以不能用這種催化劑。

汽油機一般使用three-way catalyst（TWC）進行尾氣處理，利用three-way catalyst 可以同時做到還原NOx，並氧化顆粒物（PM），碳氫化合物（THC）和一氧化碳（CO）。

還有說EGR的，其實EGR不能叫做催化劑。EGR是直接在缸內燃燒過程中減少NOx的產生，不屬於後處理系統。（繼續抄一段自己以前寫的）

NOx在氣缸內的形成主要有三種原理，第一種thermal NOx也是最主要的形成機理，就是高溫下氮氣氧氣反應形成，反應速率與溫度指數形式正相關。第二種是promote NOx，是油在燃燒過程中產生的中間產物例如CH成為了NOx形成的催化劑。也是生物柴油biodiesel會增加NOx的主要原理。第三種是fuel NOx，就是由於油中含氮元素，導致NOx的形成。可是一般的汽油成份並沒有太大區別，不會引起後兩部分部分造成的差別。所以降低反應溫度和缸內氧氣濃度便成了減少thermal NOx的重點。

為了降低缸內燃燒溫度和氧氣濃度，柴油車往往使用排氣再循環（EGR：Exhaust
gas recirculation）的方法，即把一部分廢氣導回氣缸內。廢氣再循環使得氧氣濃度變低，同時廢氣中的二氧化碳有較高的比熱容，可以有效地降低缸內燃燒溫度。同時，廢氣中的顆粒物（PM）會導致EGR管道結垢（EGR cooler fouling），增加了其不穩定性。因為一旦結垢，廢氣便無法回到缸內，整個EGR系統也就失效了。

針對題主所問的FCA涉事發動機的氮氧化物催化裝置作一些解釋，其他的氮氧化物催化技術就不涉及了。

這個事件很有意思，FCA被德國監管部門KBA（Kraftfahrt-Bundesamt - Federal Motor Transport Authority）指控「作弊」的流程是這樣的：在車輛起動後的約22分鐘後，氮氧化物後處理裝置就會關閉，而德國的測試循環大約持續20分鐘。如果認定FCA是作弊，那麼他們的方式很簡單粗暴——無論我是不是在被測試，我只開22分鐘後處理。雖然FCA方面沒有回應，但部分機構認為此行為可以被歸屬於「Thermal
Window」（也許可以翻譯為：熱態時間窗），即汽車廠商廣泛存在的一種行為：汽車廠商可以自由設計一段時間關閉後處理系統，是為了在冷機狀態下，避免排氣冷凝對後處理系統中的催化劑造成損害。

（相關報道：http://www.reuters.com/article/us-fiat-emissions-germany-idUSKCN0XL0MT）

目前事件還沒有定論，涉案的發動機為菲亞特2.0升柴油發動機，涉案車輛包括菲亞特500X、菲亞特多寶和Jeep自由俠（Fiat 500X,
Jeep Renegade and Fiat Doblo』s van version）。

（補一張發動機照，搭載於Jeep Renegade，圖片來源：Segredo: saiba detalhes do Jeep Renegade nacional que estreia no Sal?o）

那麼這款2.0升柴油發動機採用的氮氧化物催化裝置是什麼呢？

通過查閱FCA在2015年年報（http://reports.fcagroup.com/sites/fcacsr15/files/download_center/products_and_processes.pdf），可以知道2.0升柴油發動機採用的氮氧化物後處理技術為NSC（NOx Storage
Catalyst，氮氧化物存儲催化還原技術），FCA稱該技術可以最多降低60%的氮氧化物排放。

順便提一句，Fiat的旗艦柴油機3.0升V6發動機使用的是SCR（Selective
Catalytic Reduction選擇性催化還原技術）。

NSC技術，實際上和LNT是一致的技術路線， @徐敏推測無誤。NSC的工作過程分為兩步：吸附和再生，即其名字中的存儲和催化還原兩個過程：

首先通過貴金屬（Pt）催化，用鹼金屬（Ba）氧化物將NOx吸附，生成Ba(NO3)2；再通過加熱催化，將Ba(NO3)2，還原成NO2與NO，與CO催化反應，還原成氮氣N2。

（NSC/LNT工作原理，圖片來源：FEV，http://www.fev.com/fileadmin/user_upload/Media/TechnicalPublications/Diesel_Systems/ParticulateMatterAndNOxExhaustAftertreatmentSystems.pdf）

NSC的控制邏輯，是通過下游的NOx/氧感測器監測來判斷廢氣狀態，進而判斷吸附、再生的工作過程是否結束。在FCA年報的描述中，NSC的控制器設計了更複雜的控制演算法，與整機的噴射策略互相關聯。這是有道理的，噴射策略決定了缸內的燃燒狀態，與排放水平息息相關，而Fiat的Multi-jet噴射技術，同樣是其降低NOx排放的重要手段。

NSC技術的缺點包括：控制複雜，會增加油耗與貴金屬消耗。如果作有罪推定，可以認為正是成本的增加構成了「作弊」的動機，然而FCA到底有罪與否，且靜待這場大戲的下回分解了。

謝邀。

柴油機 $NO_{x}$ 還原方法主要有四種：

1.選擇性非催化還原（SNCR）；

2.選擇性催化還原（SCR）；

3.非選擇性催化還原（NSCR）；

4.吸附還原；

其中1、2方式雖然成本低但是轉化率也很低，4方式成本較高，對發動機要求也比較苛刻，所以都很少應用。

以尿素為還原劑的SCR催化劑（尿素-SCR）是目前應用最廣泛的 $NO_{x}$ 催化凈化技術，目前產業化的催化劑主要用 $V_{2} O_{5}-Ti O_{2}$ ，這種釩基催化劑具有對 $NO_{x}$ 選擇性好、高效溫度窗口寬、抗硫中毒的特點。

尿素-SCR催化反應中的還原劑實際是氨（ $NH_{3}$ ），但因為氨腐蝕性強，儲存運輸比較困難，所有現在都使用尿素水溶液作為還原劑。

柴油機 $NO_{x}$ 排放中90%以上都是NO，因此還原反應的主要途徑是

$4NO+4NH_{3} +O_{2} =4N_{2} +6H_{2}O$

這一反應也被稱為「標準SCR反應」。

上圖是一種重型柴油車尿素-SCR後處理系統示意圖。尿素噴射電控單元根據發動機工況參數以及排氣溫度感測器的數據等條件，確定尿素水溶液噴射量。經過精確計量，尿素水溶液在壓縮空氣輔助下噴入排氣管，受熱分解出氨氣，與排氣均勻混合後進入SCR催化劑進行還原反應。

至於題主問的「它的關閉與否會對汽車尾氣排放產生哪些影響？」，我想就不用贅述了吧。

參考資料：

《汽車發動機原理》，王建昕帥石金主編，清華大學出版社，2014.2

用專業術語說，氮氧化物催化器的工作原理是：當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，催化器中的凈化劑將增強CO、HC和NOx三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx還原成氮氣和氧氣。

要是用外行的話簡單說呢，它的作用就是將三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化（所以國內一般叫做三元催化器）。

為什麼汽車廠商會在這個東西上作弊呢？

因為催化器的結構是夾層和網格導流，尾氣通過催化器時，氣流速度會因為受到阻礙而下降，這樣就客觀上降低了發動機的功率（排氣越慢，功率越小，所以改裝汽車的主要方式之一就是換上較粗的排氣管、拆除消聲器等，消聲器也是降低排氣速度的因素之一）。為了提高效率節省燃油，車主和廠家都樂於在催化器上做手腳。

沒有去專門查這個發動機的詳細資料，不過從鏈接新聞猜測，這種"氮氧化物催化裝置"很有可能是LNT，即稀燃NOx吸附轉化器，原理是先用鹼金屬鹽和NOx反應，將NOx固定下來，待吸附快飽和的時候再使用碳氫還原回原有的狀態，碳氫一般來自於後噴或排氣管噴射。這種轉化器效率比SCR低，一般在歐5及以下的輕型車中用的比較多。作弊的原理就是前22分鐘開啟還原，之後就任由吸附飽和也不去管，導致NOx無法被轉化，好處就是可以省下還原所需要的碳氫(柴油)。雖然原理只是猜測，但有一點可以肯定的是，說三元的可以洗洗睡了。

根據我個人在柴油機尾氣排放控制方面的工作經驗，我補充幾點：

1。歐洲柴油機尾氣NOx排放控制技術基本上就是靠煙氣再循環（exhaust gas recirculation, EGR）加上選擇性催化還原（selective catalytic reduction, SCR），其中EGR可以將引擎出口的NOx排放降至1-2 g/kWh水平，但這還是遠高於現行的排放標準。剩下的工作需要後處理系統（after-treatment system）里的SCR來完成。

2。LNT (lean NOx trap)離商業化還有一段距離，因此SCR是唯一商業化的NOx後處理技術，通常用的是32.5%的尿素水溶液。噴注入尾氣管道SCR床前進行水解反應產生NH3。但是，噴尿素要求的最低尾氣溫度是180 C。低於這個溫度，SCR催化劑效率很低，大量NH3未經利用就排出，形成強烈刺激氣味和二次污染。

3。SCR系統一般要求完成三個動作：[1] 先將尾氣中佔90%以上的NO氧化成NO2，這一步是由一個前置DOC (diesel oxidation catalyst)來完成的。最優的NO2/NO摩爾比是1：1。 [2] SCR內，通過一快一慢兩個主要反應將氮氧化物催化還原為N2和水。這兩個方程式幾乎在任一個介紹SCR的文獻里都能找到，這裡不再重複。 [3] 將稍稍富餘的NH3再通過一個clean-up catalyst (CUP)氧化為N2。

4。研究表明，柴油機NOx排放80%以上都是引擎發動後的大約20分鐘內排入大氣的。這是由引擎本身和尾氣系統所有部件的熱慣性決定的，不同發動機品牌這個時間會稍長或稍短。尤其是開頭180-200秒，發動機已熱，但後處理系統基本還是冷的，基本上是發動機燃燒時生成多少NOx就排放多少。180-200秒後，尾氣溫度應已達到噴尿素溫度，所以已經開始降低NOx，只是效率還不夠高。20分鐘以後，尾氣後處理系統完全進入理想工作溫區，SCR效率可達98%，NOx排放達標不是問題。正因如此，廠商如果想作弊，針對的就是最初20分鐘左右。作弊的方法之一，就是以虛假數據示人，瞞報開頭20餘分鐘的NOx真實排放數據。或者，僅在排放測試時通過以不正常手段抬高尾氣溫度來提高開頭20餘分鐘的SCR效率來達標，但用戶在實際開車運行時並不這樣做，因此實際排放量大大高於測試時的排放量。

以上評論並非對菲亞特案件，而只是從原理角度對為什麼「啟動後22分鐘」這麼重要作出解釋。

業內信息

http://www.zhihu.com/question/35924824

真心不懂

一、三元催化器

它可將汽車尾氣排出的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物等有害氣體通過氧化和還原作用轉變為二氧化碳和水。其中一氧化碳在高溫下氧化為二氧化碳氣體；碳氫化合物在高溫下氧化成水和二氧化碳；氮氧化物還原成氮氣和氧氣，使汽車尾氣得以凈化。常使用三元催化器的汽車嚴格禁止使用含鉛汽油，並要儘可能降低燃油中的硫含量。

二、廢氣再循環，簡稱EGR。

其基本工作方式是，將5％～20％的燃燒廢氣重新引入進氣管，與新鮮混合氣一同進入燃燒室。由於廢氣不能再燃燒，所以沖淡了混合氣，降低了燃燒速度。廢氣中大多是以二氧化碳和H2O蒸汽為主的三原子分子，熱容大，因此廢氣再循環降低了最高燃燒溫度，直接減少了氮氧化物排放。

三、選擇還原技術，簡稱SCR，是迄今為止最有效的柴油機氮氧化物控制技術。

SCR技術由美國安格公司發明，於1957年申請專利，後來日本在本國環保政策的驅動下，成功研製出了現今被廣泛使用的V205/Ti02催化器，是我國重型柴油機為滿足國家Ⅳ階段排放標準的首選技術路線。

在SCR系統中發生的是硝基反應，濃度為32.5％的尿素水溶液經過精確計量後噴到柴油機的廢氣中去，然後通過水解反應，尿素中氨分解為氨氣。在催化器的作用下，氨與氮氧化物發生反應，將氮氧化物還原為氮氣，達到去除氮氧化物的目的。在SCR系統中，氮氧化物的還原效率很高。