柴油引擎洗心革面

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撰文╱艾胥利（Steven Ashley）
翻譯／甘錫安 

 

　　貨車司機打開車門，熱心地踩上駕駛座，手朝車頂伸去。他手伸得老長，把一條手帕掛在這輛新型柴油貨車的排氣管頂端。沒多久，黑煙裡的煤灰就把白色手帕染黑了一塊。他問：「這樣可以了嗎？」並拿下隨廢氣飄揚的手帕，我點頭謝謝他，拿回手帕。在美國紐澤西州這個高速公路休息區中，除了這輛怠速運轉中的貨車和另一輛18輪聯結車，不遠處還有一輛剛推出的新款賓士E320 Bluetec轎車。鑰匙一轉，這輛賓士車的柴油引擎立刻動了起來。過一會兒，我跪在車後，用一塊乾淨的布蓋住排氣管。即使放了將近一分鐘，布上還是幾乎沒有污漬。　　

 

　　為了落實這樣的革新，新型柴油車運用了製造更少污染物的先進引擎、可除去煤灰並將廢氣轉換成無害氣體的排氣系統，以及北美地區2006年秋季剛剛上市、更潔淨的低硫柴油。除此之外，這些改進並沒有使其價格高到讓人難以接受。戴姆勒克萊斯勒（賓士汽車製造廠商）的研發董事韋伯（Thomas Weber）表示：「E320 Bluetec柴油款價格只比汽油款高出1000美元。」

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　這次可稱為「手帕測試」的實驗顯示，所謂的「潔淨柴油」已經不是自相矛盾的名詞了。柴油一向被視為污染最嚴重的能源，大眾一直有這種印象的主要原因是這種技術十分耐用，有很多幾十年的老車到現在還在路上行駛。E320只是先遣部隊，新一代的柴油轎車、運動休旅車和小貨卡不僅排放的空氣污染少得多，而且柴油引擎省油的優異傳統絲毫不受影響。舉例來說，E320的動力來源為3000c.c.、V-6引擎，每公升可跑15公里（高速∕市區混合），加滿油後的行駛距離長達1255公里。

　　福斯、奧迪、寶馬、本田、通用汽車、福特、PSA標緻雪鐵龍和其他車廠，也計畫在未來幾年內推出更潔淨的柴油車。這類汽車的環保程度和油電混合車相差無幾，但成本沒增加那麼多，傳動系統也沒有那麼複雜。汽車製造廠商希望讓新型柴油車、油電混合車和先進型汽油車攜手合作，填補現今汽車和未來氫燃料電池車之間的過渡期（請參閱2006年5月號〈省油環保車，充電再上路〉與2005年4月號〈氫燃料電池車乾淨上路〉）。

　　市場上近年來之所以迫切需要更省油、更環保的汽車，是因為降低化石燃料消耗量（同時降低二氧化碳排放量）已經成為避免全球暖化及降低美國對進口石油依賴程度的主要對策。根據美國環保署的資料顯示，如果美國有1/3的輕載重車輛（包括轎車、運動休旅車和小貨車）以柴油為動力來源，每天將可省下140萬桶石油，相當於沙烏地阿拉伯每天運到美國的石油量（沙烏地阿拉伯的原油有7%出口到美國）。

 

柴油引擎壓縮就能點火
　　柴油引擎的歷史十分悠久。德國工程師狄賽爾（Rudolf Diesel）於1890年代發明柴油引擎後，它很快就成為現代重工業與運輸業的重要支柱。汽油引擎必須以火星塞來點燃汽缸中的壓縮油氣混合物，柴油引擎則只需壓縮就能點燃油氣：活塞衝程將汽缸中的空氣壓得更緊密，提高溫度，注入的燃料便會自行爆發。通用動力傳輸部門柴油工程執行主管弗瑞斯（Charles Freese）指出，目前這種所謂的「壓縮點火引擎」（compression-ignition engine）消耗每單位燃料所產生的能量多於汽油引擎，因此行駛里程多出25~30%。舉例來說，一公升的燃料可供小型柴油車行駛17~21公里，但排氣量相當的汽油車則很少能超過每公升15公里。

　　弗瑞斯說，柴油引擎可提供「充沛的低速扭力（起步時的旋轉力），再加上新型渦輪增壓裝置（用以提升馬力），讓柴油引擎擁有優異的起步加速能力，因此極具駕駛樂趣。」但這種技術由於燃料特性和較高的燃燒溫度，其所產生的極細碳微粒（煤灰）以及構成煙霧與酸雨的氮氧化物，也比汽油引擎來得多。根據美國天然資源保護委員會潔淨燃料與車輛計畫主管凱瑟爾（Richard Kassel）估計，各種來源的柴油引擎廢氣（包含汽車、貨車、火車與道路外機具等），每年在美國造成2萬5000件早產夭折病例，以及因癌症、氣喘、支氣管炎與其他疾病而損失的250萬個工作天。凱瑟爾表示，如果能避免釋出這些空氣污染物，到2030年，全美國每年省下的醫療成本將可達到1500億美元左右。

 

　　儘管具備某些優點，柴油車在美國的發展依然不見起色。根據市場研究機構J.D. Power的資料，柴油車銷售量僅佔美國的3~4%（在全世界的汽車和小貨車中，柴油車所佔的比例同樣相當低，僅13%，汽油車則佔了85%）。柴油車銷售量一直不高的原因是美國消費者對柴油車印象不佳，加上美國國內環保標準相當嚴格。噴出大量黑煙的聯結車所造成的惡劣形象，以及美國1970年代製造的劣質柴油車所留下的慘痛記憶，讓大多數駕駛人對柴油車敬而遠之。同時，美國聯邦法規對柴油引擎排放的氮氧化物和煤灰所訂定的限制，遠高於汽油引擎排放的主要空氣污染物──一氧化碳和碳氫化合物。氮氧化物的排放標準在北美地區特別嚴格，新規定對柴油引擎的要求是氮氧化物排放量不得超過歐洲容許量的1/6。

 

　　　　　　　　

　　　　　　　　2007年的賓士E320轎車是一款潔

　　　　　　　　淨柴油車。

 

 

　　但在大西洋另一邊，狀況就完全不同了。低硫柴油在歐洲已經上市數年，歐洲煉油廠有充份的市場誘因，因此柴油的產量比汽油還高。在歐洲，柴油車在新車銷售量中所佔比率超過40%。歐洲法規制訂者比較注重省油程度，因此在近幾十年內鼓勵使用柴油，除了透過稅賦控制柴油價格，降低汽油的優勢，同時廢氣排放標準也不特別限制氮氧化物和煤灰。幾十年來，歐洲這些政策使柴油比汽油還便宜，但近幾年兩者的價格正在逐漸拉近。歐洲柴油目前每公升約為1.32美元，汽油則為1.59美元，但在美國兩者都介於0.59~0.66美元之間。由於歐洲國家對柴油特別優待，促使汽車工程師開發排氣量較小（2000c.c.）的柴油引擎，他們多年的努力已洗刷以往柴油引擎噪音過大，以及在低溫下不容易發動等不良形象。

 

引擎與燃料向上提升
　　所謂的潔淨柴油技術，是工程師為了改良引擎、燃料和排氣系統所做的努力。弗瑞斯表示，一連串引擎技術革新（一開始大多用於貨車）帶動了引擎方面的改良。這些改良包括以高壓燃料系統縮短柴油注入時間、提高汽缸壓縮比，以及改良引擎室與氣門設計，從而改善油氣混合方式，得到均勻穩定、效率又高的燃燒。渦輪增壓裝置（以排氣推動的壓縮裝置）是將空氣注入燃燒室，增加可用於燃燒的氧氣量。在此同時，精密的控制系統以感測器監測引擎運作及調整運轉參數，讓引擎運轉達到最佳狀態。

　　在柴油引擎廢氣控制中特別重要的一項發展，是1970年代開發的引擎裝置，稱為排氣再循環系統（exhaust gas recirculation system）。這種裝置可注入活性較低的廢氣，稀釋汽缸中促進燃燒的氧，降低燃燒速率，避免可能產生氮氧化物的溫度陡升現象。根據業界表示，這種裝置出現後，氮氧化物的產生量減少了大約3/4。這個領域比較新近的發展是冷卻式排氣再循環系統，可降低排氣溫度（將排氣與外界空氣混合或以熱交換器冷卻），再將其注入燃燒室，以進一步降低氮氧化物排放量。

　　這些技術改良可降低廢氣產生量，但單靠這些技術仍不足以淨化柴油引擎的運作。另一個重要關鍵是必須有超低硫柴油，才能讓這些改良效果完全發揮。原油本身所含的硫不僅會腐蝕引擎元件，還會「毒化」觸媒轉換器，使其失去效用，這是因為硫會搶先跟觸媒化合物結合，堵塞微粒捕集器（particulate trap），導致排氣回流。為了除去硫，煉油廠便以容易結合硫的氫來處理柴油。美國聯邦法規中超低硫燃料的硫含量必須比原始含量低97%，也就是要從500ppm降低為15ppm，相當於整輛油罐車的柴油僅有約28公克的硫。

 

【本文轉載自《科學人雜誌》2007年4月號】