現(xiàn)代內(nèi)燃機技術(shù)的進步，大力推動著全球汽車工業(yè)的發(fā)展，隨之而產(chǎn)生的汽車能源消耗與環(huán)境污染已成為21世紀人類所關(guān)注的熱點問題。隨著人們環(huán)保意識的增強，各國對柴油機排放的廢氣所造成的環(huán)境污染越來越重視，紛紛制定相應(yīng)的排放法規(guī)，以法律的形式嚴格控制柴油機排放的污染物?，F(xiàn)在國際上通用的是歐洲經(jīng)濟委員會制定的一系列排放標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)主要是對柴油機NOx、HC、CO及微粒的排放做出了嚴格限制。
與汽油機相比，柴油機有著較少的溫室氣體排放，并以其良好的動力性、經(jīng)濟性和耐久性，廣泛應(yīng)用于各種動力裝置、船舶和車輛中。城市里3.5t以上的載重車輛、大運量帶空調(diào)的大型公交車、工地施工機械和車輛都離不開柴油車；在歐洲，出租車有90%以上是柴油車，30%以上的轎車是柴油車，且比例仍在上升。因此，柴油車在當(dāng)今交通物流運輸中起著至關(guān)重要的作用。但柴油機的NOx和微粒(PM)排放量高、噪音大，對現(xiàn)時柴油機的持續(xù)發(fā)展帶來很大的挑戰(zhàn)。正因如此，柴油機的環(huán)保技術(shù)已成為現(xiàn)時柴油機技術(shù)研究的重點，其核心內(nèi)容是怎么樣減少柴油機的NOx和微粒排放量，以便使柴油機達到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)。
1.柴油機排放的主要產(chǎn)物及其影響
與汽油機相比，現(xiàn)代車用柴油機具有兩大優(yōu)點，即動力性較高，經(jīng)濟性較好,高效率、低油耗、壽命長、使用可靠等特點，柴油汽車有了很大發(fā)展。柴油車比汽油車省油三分之一，排放的污染物相對較少。隨著柴油汽車的社會擁有量的迅速增大，伴隨著工業(yè)文明的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的環(huán)境問題不斷增多。環(huán)境保護問題越來越引起人們的高度重視。柴油機工作時排放的產(chǎn)物可分為兩類，一類是可見產(chǎn)物，即顆粒狀物，如碳粒、重碳氫化物、硫酸鹽、油氣、水氣及灰分等,“墨斗魚”是人們對尾氣排放嚴重超標(biāo)的重型柴油車的形象稱呼。這類產(chǎn)物中，有些為致癌物質(zhì)，它們污染環(huán)境、阻礙視線。另一類是一般情況下肉眼看不見的物質(zhì)。如一氧化碳(CO)、氮氧化合物(Nox)和二氧化硫、碳氫化合物(HC)等。CO對人體有毒，而且在大氣中不易自凈； SO2有難聞的刺鼻氣味；HC、NO，在一定地理氣候條件下，經(jīng)太陽光的作用會形成毒性很強的光化學(xué)煙霧；NOx和SOx易溶于水形成酸雨。顯然，柴油機工作時排出的燃燒產(chǎn)物不僅會對人類生存環(huán)境造成污染與破壞，而且由于柴油燃燒不完全，造成了能源的浪費。碳煙越濃，排放的可燃物越多，對環(huán)境的污染越嚴重，能源的浪費就越大。控制重點是氮氧化物和顆粒污染物。近年的一項調(diào)查顯示,在全國機動車的排放污染物分擔(dān)率中,柴油車占氮氧化物的43%,占顆粒懸浮物的83%。
柴油機排放的廢氣中，氮氣(N)占75.2%；二氧化碳(CO2)占7.1%；氧氣(O)及其它成分占16.88%；有害排放占0.82%。其中有害排放的主要成分包括:氮氧化合物(NOx)占35.4%、一氧化碳(CO)占35.4%、碳氫化合物(HC)占8.54%、硫化物(SO2)及微粒主要是碳煙，還包括油霧、金屬顆粒等占20.66%。與汽油機相比,柴油機排放的CO和HC要少得多,NOx與汽油機在同一數(shù)量級,而微粒及碳煙的排放要比汽油機多十幾倍甚至更多。因此柴油機的排放控制,重點是NOx和微粒及碳煙,其次是HC。柴油機的燃燒過程比較復(fù)雜,影響因素較多，由于諸多因素的影響使柴油與空氣難以達到完全燃燒的程度，可能會造成局部或整個燃燒空間內(nèi)出現(xiàn)不完全燃燒，所以產(chǎn)生出不完全燃燒產(chǎn)物和燃燒中間產(chǎn)物，這些燃燒產(chǎn)物大部分是有毒的，或者具有強烈的刺激性和致癌作用，造成了對大氣環(huán)境的污染和對人體的危害，必須加以控制。
為了保護環(huán)境，減少能源浪費，發(fā)達國家制定了各種限制汽車排放和柴油機排氣煙度的有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)，從國家法規(guī)的角度約束汽車與柴油機有害物質(zhì)的排放。隨著汽車設(shè)計和柴油機設(shè)計制造技術(shù)水平的迅速提高，各種有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)不斷修改，日趨嚴格。我國也發(fā)布了有關(guān)汽油車、柴油車污染物及煙度排放標(biāo)準(zhǔn)并正式實施。按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放指標(biāo)，只要柴油機的排放煙度在規(guī)定指標(biāo)范圍內(nèi)，對環(huán)境的危害性就會大為降低。遺憾的是，在實際生產(chǎn)與生活中，人們常常會看到濃煙滾滾的柴油車。實質(zhì)上，這時的柴油機已經(jīng)處于一種非正常排放煙度的工作狀況 (以下簡稱為非正常煙度工況)。在這種工況下，柴油機雖然沒有喪失工作能力，但其動力性、經(jīng)濟性都已有所下降。從宏觀經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益的角度看，柴油機非正常煙度工況時間越長，其危害性就越大。因此，盡可能地避免柴油機發(fā)生異常煙度工況和減少異常煙度工況出現(xiàn)的時間，有著十分積極的意義。
2.柴油車的社會運用條件
柴油車的社會運用條件好壞，對柴油車能否正常工作有著十分重要的影響。柴油車異常煙度工況出現(xiàn)時間的長短與出現(xiàn)幾率的多少在很大程度上取決于此。柴油車的社會運用條件涉及面很寬，主要有:駕駛員、維修服務(wù)機構(gòu)及人員；油料、配件供應(yīng)；教育培訓(xùn)與行政管理。柴油車工作過程中涉及的很多工作都需要駕駛員去主動完成。駕駛員的工作狀況直接影響到柴油車能否正常工作和正常工作時間的長短，影響到柴油車工作的可靠性與經(jīng)濟性。近幾年來，由于柴油車的迅速增多，駕駛員由于缺乏對柴油車基本使用常識的了解，出現(xiàn)一些不該發(fā)生的事故。同樣的柴油車，不同的駕駛員可能有不同的使用效果。因此，要減少柴油車的異常煙度工況時間，就必須提高駕駛員的工作質(zhì)量。
柴油車在使用中因為磨損等原因?qū)е铝慵?、工作失常，不可避免地需要進行維護與修理。能否及時、正確地修理，修理質(zhì)量的好壞，是影響柴油車異常煙度工況時間長短的又一重要因素。及時、正確的維修可以有效地減少異常煙度工況時間。例如:噴油嘴偶件卡滯、供油時間變化、氣門間隙不對、空氣濾清器阻塞，都可能導(dǎo)致柴油車排放濃煙，若能及時更換、調(diào)整與修復(fù)，即可有效地縮短異常煙度工況的時間。經(jīng)修理后的柴油車，其性能指標(biāo)理應(yīng)達到規(guī)定的修理技術(shù)要求。包括應(yīng)達到規(guī)定的動力性、經(jīng)濟性及排放煙度指標(biāo)，但實際生產(chǎn)中，經(jīng)修理后的柴油車，其性能與排放指標(biāo)是否達到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，常常是根據(jù)送修和承修人雙方的感覺確定的,這種感覺是否正確，取決于二者的實際經(jīng)驗與要求。因此，通過犧牲排放指標(biāo)來滿足動力性指標(biāo)的情況時有發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)異常煙度工況也就在所難免。
油料、配件供應(yīng)情況對柴油車異常煙度工況的影響，主要表現(xiàn)在供應(yīng)油料、配件的質(zhì)量問題上。目前，油料、配件供應(yīng)質(zhì)量上存在的主要問題是假冒偽劣產(chǎn)品太多。劣質(zhì)油料、配件帶來的是柴油車零件磨損與損壞的幾率增大，正常工作時間減少, 異常煙度工況時間增多。近年來，油泵油嘴及柴油機維修行業(yè)的蓬勃發(fā)展，除了有柴油車社會擁有量的迅速增多的原因以外，劣質(zhì)油料、配件的使用也是重要的原因。
柴油車設(shè)計、制造、運用維修與管理，都有其特定的運行規(guī)律和特定的要求。只有當(dāng)人們認識并掌握了它的運行規(guī)律與技術(shù)要求之后，它才可能產(chǎn)生最好的社會經(jīng)濟效益與最佳的社會環(huán)境效益,教育培訓(xùn)的目的,就是要使人們掌握柴油機的運行規(guī)律與技術(shù)要求。實際生產(chǎn)中表現(xiàn)出來的很多技術(shù)問題，從根本上說，在很多情況下反映了人的素質(zhì)。教育培訓(xùn)就是要提高人的素質(zhì)。教育培訓(xùn)是多層次、全方位的。除專門的技術(shù)教育院校、科研機構(gòu)要做的教育培訓(xùn)工作外，還應(yīng)有各種專業(yè)短期培訓(xùn)班以及科普知識宣傳教育。要讓與柴油車設(shè)計制造、運用維修和管理等有關(guān)的各部門、各行業(yè)人員都知道自己應(yīng)負的責(zé)任。讓人們都知道，柴油車冒煙污染環(huán)境與每個社會成員的健康與生存緊密相關(guān)，應(yīng)該自覺地為此作出有益的貢獻。
在減少柴油車異常煙度工況時間方面，管理工作十分重要。管理部門通過對有關(guān)法規(guī)的制定和監(jiān)督檢查，可以有效地制止和限制異常煙度工況的出現(xiàn)，通過管理手段去促進柴油機設(shè)計制造，運用維修及教育培訓(xùn)等各行業(yè)的工作，使社會生產(chǎn)與生活能夠有序地快速發(fā)展。
3.采用有效的排放控制技術(shù)
燃料的燃燒狀況是影響柴油機排氣成分的決定因素，從排氣有害物形成來看，改善燃燒可使CO、HC和顆粒物的排放降低，但與此同時在燃燒區(qū)域出現(xiàn)的高溫與高的燃氣壓力，促進了N和0的化學(xué)反應(yīng)，又使NOx的排放量增加,尤其是NOx與顆粒物之間的關(guān)系是反比例關(guān)系，從理論上講，高溫富氧易產(chǎn)生NOx，而貧氧則易產(chǎn)生顆粒物(PM)，這種矛盾的排放特性，給柴油機達到排放法規(guī)帶來困難。也是柴油機排氣凈化的難點。在排氣凈化方面，由于柴油機的空燃比較大，燃燒過程較為完善，排氣中CO和HC相對較少，一般可達到要求。另外由于燃燒時的高溫及混合氣的不均勻，NOx與顆粒物較高，因此柴油機的排氣凈化對象主要是NOx與顆粒物。由于柴油機排放氣體中會有較高的硫(S)和顆粒物(PM)，容易使催化器中毒失效或使顆粒堵塞，因而目前柴油機的排氣凈化主要以機內(nèi)凈化和機前處理為主，主要采取以下措施。
前處理技術(shù)主要通過對燃油的改進或重新選擇來達到降低排放的目的。機前處理是對進入汽缸的工作介質(zhì)(燃料、空氣、循環(huán)廢氣等)做有利于降低有害排放物生成的預(yù)處理。主要方法有空氣處理，燃料處理(去硫、摻水等)，排氣再循環(huán)等措施。燃油摻水的凈化原理與EGR基本相同。水的蒸發(fā)潛熱很高，所以水蒸氣的生成要吸收大量的熱，因而導(dǎo)致了最高燃燒溫度的下降；水蒸氣還對燃氣進行稀釋，降低了氧的濃度，所以使NOx的產(chǎn)生受到遏制。但這種方法需要經(jīng)常加水，還會引起機油稀釋和機件生銹等問題。乳化燃料雖不會遇到這類問題，但燃料的成本稍高，燃油中的顆粒大小與分布的穩(wěn)定性還不能久貯不變，所以目前實際應(yīng)用也不多。
清潔燃油是凈化排放的必要條件，只有提高燃油的品質(zhì)，高水平的排放控制技術(shù)才能得以推廣。據(jù)美國殼牌(shel1)公司研究人員最新的研究報告指出,燃油質(zhì)量影響排放的關(guān)鍵因素有含硫量、十六烷值等。燃油改進的方法主要是采用各種低污染代用燃料，如甲醇、乙醇、氫、液化石油氣及壓縮天然氣等。在一些技術(shù)先進的國家，已經(jīng)使用以壓縮天然氣、液化石油氣和甲醇等所謂“綠色燃料”，這使排放指標(biāo)達到了極佳的水平。
機內(nèi)解決措施，就是從有害排放物的生成機理出發(fā)，在燃燒室內(nèi)部對有害排放物的生成反應(yīng)予以最大限度的限制，而對它們的消失反應(yīng)則盡量提供有利的條件，進而從根本上達到減少排氣污染的目的。目前運用比較廣泛，技術(shù)相對成熟的機內(nèi)解決措施主要有以下幾種。
EGR(廢氣再循環(huán))是目前運用較為廣泛，技術(shù)也較為成熟的產(chǎn)品。EGR首先應(yīng)用于汽油機，研究表明同樣也適用于柴油機。柴油機排氣中氧含量相對于汽油機排氣要高，柴油機允許也需要較大量的再循環(huán)廢氣來降低NOx的排放。EGR在所有負荷條件下都可以有效抑制NOx排放，它是將定量廢氣引入柴油機進氣系統(tǒng)中，在循環(huán)到燃燒室內(nèi)，有利于點火延遲，增加了參與反應(yīng)物質(zhì)的熱容量，以及由于CO2、H20、N2等惰性氣體對氧氣的稀釋作用，降低了燃燒最高溫度，從而減少了N0x生成。改進進氣系統(tǒng)能適當(dāng)?shù)慕档蚇Ox排放，可以通過組織適當(dāng)?shù)倪M氣渦流強度、改變進氣重疊度、改變進氣狀態(tài)和采用多氣門技術(shù)等多個方面著手。進氣渦流減弱，N0x降低，但煙度增加。其原因是混合氣形成條件變差而使燃燒速度變慢，因而汽缸內(nèi)溫度降低。因此，進氣渦流強度需要在N0與煙度之間作適中的選擇。氣門的大小和配氣相位影響汽缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，從而影響N0排放。當(dāng)殘余廢氣增加時，N0x排放降低。此外，通過改變進氣狀態(tài)如適當(dāng)?shù)卦黾舆M氣濕度，使最高溫度降低，也可以使N0x排放降低。在柴油機上采用多氣門技術(shù)是滿足更嚴格排放指標(biāo)的有效途徑。由于缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑布置在汽缸中央，從而優(yōu)化了進氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件，并可實現(xiàn)渦流比在不同轉(zhuǎn)速下的變化，這使混和氣的形成進一步優(yōu)化，因而在提高動力性和經(jīng)濟性的同時減少了N0x排放，但增加了成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
燃燒系統(tǒng)匹配是指燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進氣流動的最佳匹配。對柴油機而言,應(yīng)保證在發(fā)動機整個工況范圍內(nèi)，有足夠的噴油壓力,以確保噴霧細度和有足夠多的噴孔以保證在燃燒室中的均勻分布，有合適的氣體流動與之配合，如再采用電控噴油泵、電控噴油嘴、可變渦流系統(tǒng)、多氣門和中央配置噴油器等，這既可改善柴油機性能，又可降低柴油機排氣排放物，尤其是顆粒狀物質(zhì)的排放。再燃燒法是將柴油機排出廢氣中燃燒不完全的物質(zhì)通入燃燒包(后燃器)，并在較高溫度(800℃～1000℃)下保持一段時間，使廢氣中HC、CO及微粒物再次燃燒。同時導(dǎo)入少量的水分和廢氣進入燃燒室，以降低N0x排放。但是此方法不能保證燃燒包在各種工況下都可靠地燃燒，在工況變化(尤其在高負荷)時，容易熄火。而一旦熄火，廢氣污染就更加嚴重(二次污染)。此外因為再燃燒法所需設(shè)備多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等缺點，所以這種方法沒獲得廣泛的使用。
稀N0x技術(shù)是指用HC化合物作為還原劑減少N0x排放。其中被動的稀N0x技術(shù),是指直接利用發(fā)動機廢氣中的HC作為還原劑，主動的稀N0x技術(shù),是指通過共軌燃油系統(tǒng)的后噴射來增加廢氣中的HC作為還原劑,但是由于柴油機廢氣中HC的濃度比較低,所以其最大轉(zhuǎn)換率不超過15%；若采取主動噴射HC化合物的技術(shù)，N0x最大轉(zhuǎn)換率將增長到30%。
等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài),是由電子、離子、原子、分子和自由基等粒子組成的集合體,具有宏觀尺度的電中性和高導(dǎo)電性。等離子體中的離子、電子和激發(fā)態(tài)原子都是極活潑的反應(yīng)性物種,會使在通常條件下難以進行或速度很慢的反應(yīng)變得快速。脈沖電暈等離子體化學(xué)處理技術(shù)是20世紀80年代發(fā)展起來的一種控制空氣污染的新技術(shù)。利用高能電子轟擊反應(yīng)器中的氣體分子,經(jīng)過激活、分解、電離等過程產(chǎn)生氧化能力很強的自由基、原子氧和臭氧等，這些強氧化物質(zhì)可迅速氧化掉NOx和SO2，在水分子作用下生成HNO，和HzSO2,若加入適當(dāng)添加劑則生成相應(yīng)的銨鹽,可通過過濾器或靜電除塵器收集產(chǎn)物,從而達到脫硫、脫硝控制污染的目的。等離子體技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活已得到廣泛的應(yīng)用。
N0x的吸咐--催化技術(shù)(NAC)的機理是在催化劑(Pt)的作用下，吸附劑在富氧條件下將廢氣中NOx吸附；而后在催化劑作用下，還原劑(HC、CO、H)在缺氧條件下將NOx還原成水和N0，同時也是吸附劑的再生過程。這項技術(shù)在柴油機上應(yīng)用面臨著兩個難題：一是廢氣中的SO2，會使催化劑中毒,失去催化作用；二是吸附劑在缺氧條件下的再生問題。為了解決SO2使催化劑中毒的問題，可以采用雙反應(yīng)室，這種系統(tǒng)在用柴油作為還原劑時，可使N0的轉(zhuǎn)換率高達95%以上。
選擇性催化還原技術(shù)(SCR)的機理是將適量的某種還原劑(氨水、尿素)噴入廢氣中，在催化劑的作用下，使氮的氧化物還原，生成無害的水和N，該項技術(shù)已在大型船用柴油機和固定式柴油機中得到廣泛的應(yīng)用。SCR是一種能有效降低車用柴油機N0x排放的機外控制措施，在國外已經(jīng)進入實用階段。但SCR作為一個新的后處理技術(shù)，由于初期投資高、操作和保養(yǎng)費用高、需要加一套較復(fù)雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)等等原因，在車用柴油機上還沒有得到大范圍的推廣。隨著對SCR技術(shù)的進一步開發(fā)研究和排放法規(guī)的日趨嚴格，相信SCR技術(shù)很快會得到推廣。
機內(nèi)措施主要是通過降低燃燒峰值溫度來降低N0x，這種措施往往會引起燃油經(jīng)濟性的降低和顆粒、HC排放不同程度的升高，而排氣后處理裝置在一定程度上能減少N0x的排放量，還能解決燃油經(jīng)濟性和降低NOx所帶來的矛盾。為了滿足越來越嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)，在開發(fā)柴油機燃燒系統(tǒng)的早期，就應(yīng)將發(fā)動機控制技術(shù)和排氣后處理技術(shù)綜合考慮，以充分利用兩種措施各自的優(yōu)勢。機內(nèi)凈化方法幾乎已達到其技術(shù)的極限,隨著排放法規(guī)的日益嚴格,機外凈化顯得越來越重要。
4.使用清潔燃料
醇類燃料是一種可再生的燃料，有害排放成分較少，其結(jié)構(gòu)中含有氧，易于燃燒，理化特性與汽油接近，但十六烷值較低，汽化潛熱高，著火困難，因此在柴油機上需用柴油引燃或用點燃方式點燃，需對柴油機燃燒系統(tǒng)進行較大的改動。目前醇類燃料主要指甲醇和乙醇，在汽車上的應(yīng)用主要有三種類型：摻燒、純燒和改質(zhì)。甲醇是一種輕質(zhì)、無色、略有臭味、低污染的燃料，可用天然氣、石油和煤炭等原料來制取。乙醇來源廣泛，可以從谷物、纖維素等生物可再生資源中獲取，也可通過化學(xué)方法進行合成。乙醇是最早開發(fā)的代用燃料，汽油機循環(huán)方式的乙醇發(fā)動機及與汽油混合的醇燃料發(fā)動機已在一些國家成功地使用多年。與甲醇相比，乙醇更易與柴油相溶和乳化。
生物燃料是指從植物或動物的脂肪中提取的無毒、可生物分解、可再生的燃料。目前已研制成功并投入使用的植物油型燃料有菜籽油、棉籽油、豆油等。由于植物在生長過程中吸收CO2,且生長期遠短于石油的生成期,還可人工種植,因此采用生物燃料有助于減少CO2的排放。生物燃料具有十六烷值高、硫含量及芳香烴含量低、揮發(fā)性低和富氧等特點,還可以減少CO、HC和微粒排放。另一方面,生物柴油的環(huán)境效益不僅體現(xiàn)在廢氣排放上，而且由于其易于生物分解，如果發(fā)生泄漏事故，其對土壤、河流的污染比化工燃料小得多。
二甲醚是一種無色略帶氣味的氣體，沸點為-24.9℃，環(huán)境溫度下的蒸汽壓力為0.51MPa。二甲醚無腐蝕性，無致癌性，幾乎沒有毒性；無活性，長期與空氣接觸不至于被進一步氧化；其十六烷值大于55，比柴油的十六烷(38～53)值高，有利于降低NOx的生成量，并可減小噪聲。目前，二甲醚在柴油機上的應(yīng)用方式主要有兩種類型：一是以二甲醚作為助燃劑，二是柴油機單純用液態(tài)二甲醚。
5.優(yōu)化結(jié)構(gòu)和完善燃燒過程
柴油機的燃燒分為兩個階段：預(yù)混燃燒與擴散燃燒，以擴散燃燒為主，預(yù)混燃燒為輔。為控制燃燒有害物的排放，對預(yù)混燃燒要加以抑制，以降低最高燃燒溫度，有利于控制NOx排放量；提高噴油速率，加強油氣混合，促進燃燒擴散，縮短擴散燃燒時間，減少后燃等可減少煙度和微粒的排放。具體措施主要有：采用合適的進氣道與渦流比，合理組織進氣氣流；優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)與形狀，對于直噴式柴油機采用縮口型燃燒室更有利于混合氣均勻混合。對于間接噴射式柴油機優(yōu)化副燃燒室結(jié)構(gòu)與通道形狀,有利于混合氣在主燃燒室的燃燒；減少供油提前角，可以使燃燒過程避開上止點，降低燃燒溫度，另外接近上止點噴油，缸內(nèi)空氣溫度高，有利于燃油蒸發(fā)，使燃料空氣混合加快，有利于燃燒的完善，使NOx和PM降低。
噴油系統(tǒng)對柴油機影響至關(guān)重要,改善噴霧質(zhì)量,促進油氣良好混合,對于控制NOx和PM的生成非常關(guān)鍵。從供油規(guī)律來看希望初期噴油不宜過多,可使汽缸內(nèi)壓力升高率減少,汽缸峰值壓力和溫度降低,以抑制NOx的生成；中期快速供油，控制碳煙的形成；后期斷油干脆，避免后燃，減少微粒和HC的生成。采取措施主要有：高壓噴射及電控。如采用電控直列噴油泵、電控分配式噴油泵、電控泵噴嘴、電控單體噴油泵、電控共軌噴油系統(tǒng)等；采用小壓力室或無壓力室(VCO)噴油器,使之?dāng)嘤脱杆?有利于減少HC和PM的排放。壓力室容積愈小，HC排放愈低。另外對燃油經(jīng)濟性、排煙及NO也沒有不良的影響；合理的噴孔尺寸、油線長度與分布，使之與汽缸直徑、燃燒室形狀、進氣渦流相適應(yīng)，以求高負荷與低負荷時排放有良好的折中；合理供油規(guī)律和供油定時。
6.有效降低NOx的排放量常用的方法
柴油機的主要排放物有CO、HC(少量)、N0x、碳煙微粒(PM)，其中NOx為影響較大的有害氣體之一，如何降低車用柴油機NOx排放的研究顯得尤為重要。為保護大氣環(huán)境，各國相繼制定了排放法規(guī)，用以控制汽車污染物排放量。自從美國60年代《潔凈空氣法案》頒布以來,全世界開始了控制汽車排放的歷程,經(jīng)過幾十年的努力，目前已經(jīng)形成了以美國、歐洲和日本為代表的三大汽車排放法規(guī)體系。世界上許多國家都不同程度地采用這些法規(guī),我國的排放法規(guī)體系就是在全面等效采用歐洲EEC技術(shù)內(nèi)容和部分采用EEC的基礎(chǔ)上形成的。由于NOx是空氣中N和O在燃燒室高溫條件下形成的，它取決于火焰高峰溫度和高溫持續(xù)的時間，因此降低火焰高峰的溫度可有效降低NOx的排放量，目前常用的方法有：油中摻水乳化技術(shù)；燃燒空氣增濕技術(shù)；直接將水噴人燃燒室的直接噴水技術(shù)和推遲供油提前角等。
利用油中摻水乳化方法可降低NOx20%～30%，主要受保持穩(wěn)定而適用的最高水油比的限制(很低)，要維持發(fā)動機的功率，尚須使用超大尺寸的噴油裝置。存在問題是乳化穩(wěn)定性；噴油裝置可靠性(由于油里摻水，容易引起噴油裝置穴蝕)；采用無水燃料時I生能變差。采用燃燒空氣增濕技術(shù)利用進氣增濕技術(shù)可降低NOxl0%～30%，存在主要問題是受水冷凝的限制；而且會造成進氣口和氣門的腐蝕或侵蝕。采用直接噴水技術(shù)降低NOx很明顯，達50%～60%，但需要配備一套噴水裝置，噴嘴可采用組合式噴嘴，一個針閥用于噴水，另一個針閥用于噴油。采用這種方法的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費用較高，而且對噴入的水質(zhì)也有要求。
采用NOx轉(zhuǎn)換器是將一種還原劑噴入廢氣流，使廢氣中有毒的NOx轉(zhuǎn)化成無毒的氣體。采用這種方法的缺點是：在所有的運行工況中，如果想最大限度的降低NOx排放，必須精確計量還原劑的用量。為此，需要配備一套精確的定量配給系統(tǒng)。
采用有利于降低顆粒排放的燃油和機油:歐、美、日本經(jīng)大量研究表明,柴油密度、多環(huán)芳香族化合物的含量、硫的含量、十六烷值等與顆粒排放有關(guān)，柴油密度、多環(huán)芳香族化合物的含量與顆粒排放具有正的相關(guān)性；十六烷值與顆粒排放具有小的負的相關(guān)性；硫是顆粒排放的重要來源，減少柴油中硫的含量可降低顆粒排放。此外，選取適當(dāng)黏度的機油，保證活塞和氣缸之間的良好潤滑，減少它們之間的磨損，可降低顆粒排放；防止機油竄入氣缸的數(shù)量亦可減少顆粒排放。
燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響燃油的霧化質(zhì)量，從而影響混合氣的形成及燃燒，因此它在柴油機的排放控制中占有重要的地位，通過調(diào)整參數(shù)可有效控制顆粒排放。汽缸壁與活塞之間的縫隙容積對顆粒的形成也有影響，縫隙中的未燃碳氫化合物是顆粒有機組分的一個來源，應(yīng)盡量減小縫隙容積，并采用鋼片組合油環(huán)，以防止竄機油。
采用顆粒捕捉器是利用碰撞、截留、擴散、重力沉降等原理，將排氣中的顆粒收集起來，一個好的顆粒捕捉器，應(yīng)具備良好的顆粒收集效率、捕捉器入口和出口之間的壓降低、使用壽命長的特點。顆粒捕捉器捕捉到的顆粒必須及時清除，否則會引起柴油機排氣背壓急劇上升，所以當(dāng)顆粒達到一定程度時，將會利用高溫使這些顆粒充分燃燒，從而達到去除這些顆粒的目的，同時過濾器也實現(xiàn)了再生的過程。碳顆粒的再生溫度一般在550～600℃以上。如果在顆粒捕捉器表面涂一層貴重金屬(如鉑、銠等)，再生溫度可降到400℃以下。
7.采用先進制造技術(shù)與生產(chǎn)工藝
采用先進制造技術(shù)與生產(chǎn)工藝不僅可以降低成本，縮短工期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可大大降低在柴油機制造過程中對環(huán)境造成的污染。這些先進的制造技術(shù)包括生長型制造技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、成組技術(shù)、柔性制造技術(shù)等。
生長型制造技術(shù)即快速原型制造技術(shù)，是計算機技術(shù)(CAD/CAPP、CAM)、CNC技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)的集成和綜合應(yīng)用，以二維的制造方法制造三維實體，可大大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，并極大地提高資源的利用率。其成本幾乎與產(chǎn)品的批量和復(fù)雜程度無關(guān)，采用黏接、融結(jié)、燒結(jié)、固化等工藝方法，對環(huán)境的污染很小。
虛擬制造技術(shù)是利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)與計算機技術(shù)，在高性能的計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下,對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真,通過模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等可能存在的問題，實現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析，質(zhì)量檢驗，并進行過程管理與控制，達到縮短新產(chǎn)品的上市時間、降低成本、優(yōu)化設(shè)計、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。
生產(chǎn)工藝的改進主要有采用清潔涂裝、改變汽車零部件的加工方式、采用多工位自動機床等。涂裝生產(chǎn)工藝是汽車生產(chǎn)工藝核心部分，給環(huán)境帶來污染的主要有除油脫脂廢水、酸洗廢水、電泳漆廢水、油漆廢水、漆泥等。目前清潔涂裝主要先進技術(shù)有,采用噴浸結(jié)合的前處理工藝、采用低溫、室溫前處理劑；采用無重金屬、無亞硝酸鹽磷化工藝等。
8.結(jié)束語
柴油機的排放控制技術(shù)是柴油機發(fā)展的重要技術(shù)，柴油機的排放應(yīng)滿足愈來愈嚴格的排放法規(guī)要求，促進柴油機技術(shù)的進步。我國與國外先進的工業(yè)國家相比，研究起步較晚，由于國外技術(shù)的引進和國外產(chǎn)品與企業(yè)的進入，促進了柴油機技術(shù)的進步。但是與國外先進技術(shù)相比，降低排放研究方面還存在較大差距。降低柴油機排放的技術(shù)工作，需要應(yīng)用許多新技術(shù)，吸取和借鑒國外先進成熟的技術(shù)與經(jīng)驗，在不斷探索的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，使動力性經(jīng)濟性好、低排放的柴油機滿足各個領(lǐng)域的使用要求。
與汽油機相比，柴油機有著較少的溫室氣體排放，并以其良好的動力性、經(jīng)濟性和耐久性，廣泛應(yīng)用于各種動力裝置、船舶和車輛中。城市里3.5t以上的載重車輛、大運量帶空調(diào)的大型公交車、工地施工機械和車輛都離不開柴油車；在歐洲，出租車有90%以上是柴油車，30%以上的轎車是柴油車，且比例仍在上升。因此，柴油車在當(dāng)今交通物流運輸中起著至關(guān)重要的作用。但柴油機的NOx和微粒(PM)排放量高、噪音大，對現(xiàn)時柴油機的持續(xù)發(fā)展帶來很大的挑戰(zhàn)。正因如此，柴油機的環(huán)保技術(shù)已成為現(xiàn)時柴油機技術(shù)研究的重點，其核心內(nèi)容是怎么樣減少柴油機的NOx和微粒排放量，以便使柴油機達到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)。
1.柴油機排放的主要產(chǎn)物及其影響
與汽油機相比，現(xiàn)代車用柴油機具有兩大優(yōu)點，即動力性較高，經(jīng)濟性較好,高效率、低油耗、壽命長、使用可靠等特點，柴油汽車有了很大發(fā)展。柴油車比汽油車省油三分之一，排放的污染物相對較少。隨著柴油汽車的社會擁有量的迅速增大，伴隨著工業(yè)文明的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的環(huán)境問題不斷增多。環(huán)境保護問題越來越引起人們的高度重視。柴油機工作時排放的產(chǎn)物可分為兩類，一類是可見產(chǎn)物，即顆粒狀物，如碳粒、重碳氫化物、硫酸鹽、油氣、水氣及灰分等,“墨斗魚”是人們對尾氣排放嚴重超標(biāo)的重型柴油車的形象稱呼。這類產(chǎn)物中，有些為致癌物質(zhì)，它們污染環(huán)境、阻礙視線。另一類是一般情況下肉眼看不見的物質(zhì)。如一氧化碳(CO)、氮氧化合物(Nox)和二氧化硫、碳氫化合物(HC)等。CO對人體有毒，而且在大氣中不易自凈； SO2有難聞的刺鼻氣味；HC、NO，在一定地理氣候條件下，經(jīng)太陽光的作用會形成毒性很強的光化學(xué)煙霧；NOx和SOx易溶于水形成酸雨。顯然，柴油機工作時排出的燃燒產(chǎn)物不僅會對人類生存環(huán)境造成污染與破壞，而且由于柴油燃燒不完全，造成了能源的浪費。碳煙越濃，排放的可燃物越多，對環(huán)境的污染越嚴重，能源的浪費就越大。控制重點是氮氧化物和顆粒污染物。近年的一項調(diào)查顯示,在全國機動車的排放污染物分擔(dān)率中,柴油車占氮氧化物的43%,占顆粒懸浮物的83%。
柴油機排放的廢氣中，氮氣(N)占75.2%；二氧化碳(CO2)占7.1%；氧氣(O)及其它成分占16.88%；有害排放占0.82%。其中有害排放的主要成分包括:氮氧化合物(NOx)占35.4%、一氧化碳(CO)占35.4%、碳氫化合物(HC)占8.54%、硫化物(SO2)及微粒主要是碳煙，還包括油霧、金屬顆粒等占20.66%。與汽油機相比,柴油機排放的CO和HC要少得多,NOx與汽油機在同一數(shù)量級,而微粒及碳煙的排放要比汽油機多十幾倍甚至更多。因此柴油機的排放控制,重點是NOx和微粒及碳煙,其次是HC。柴油機的燃燒過程比較復(fù)雜,影響因素較多，由于諸多因素的影響使柴油與空氣難以達到完全燃燒的程度，可能會造成局部或整個燃燒空間內(nèi)出現(xiàn)不完全燃燒，所以產(chǎn)生出不完全燃燒產(chǎn)物和燃燒中間產(chǎn)物，這些燃燒產(chǎn)物大部分是有毒的，或者具有強烈的刺激性和致癌作用，造成了對大氣環(huán)境的污染和對人體的危害，必須加以控制。
為了保護環(huán)境，減少能源浪費，發(fā)達國家制定了各種限制汽車排放和柴油機排氣煙度的有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)，從國家法規(guī)的角度約束汽車與柴油機有害物質(zhì)的排放。隨著汽車設(shè)計和柴油機設(shè)計制造技術(shù)水平的迅速提高，各種有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)不斷修改，日趨嚴格。我國也發(fā)布了有關(guān)汽油車、柴油車污染物及煙度排放標(biāo)準(zhǔn)并正式實施。按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放指標(biāo)，只要柴油機的排放煙度在規(guī)定指標(biāo)范圍內(nèi)，對環(huán)境的危害性就會大為降低。遺憾的是，在實際生產(chǎn)與生活中，人們常常會看到濃煙滾滾的柴油車。實質(zhì)上，這時的柴油機已經(jīng)處于一種非正常排放煙度的工作狀況 (以下簡稱為非正常煙度工況)。在這種工況下，柴油機雖然沒有喪失工作能力，但其動力性、經(jīng)濟性都已有所下降。從宏觀經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益的角度看，柴油機非正常煙度工況時間越長，其危害性就越大。因此，盡可能地避免柴油機發(fā)生異常煙度工況和減少異常煙度工況出現(xiàn)的時間，有著十分積極的意義。
2.柴油車的社會運用條件
柴油車的社會運用條件好壞，對柴油車能否正常工作有著十分重要的影響。柴油車異常煙度工況出現(xiàn)時間的長短與出現(xiàn)幾率的多少在很大程度上取決于此。柴油車的社會運用條件涉及面很寬，主要有:駕駛員、維修服務(wù)機構(gòu)及人員；油料、配件供應(yīng)；教育培訓(xùn)與行政管理。柴油車工作過程中涉及的很多工作都需要駕駛員去主動完成。駕駛員的工作狀況直接影響到柴油車能否正常工作和正常工作時間的長短，影響到柴油車工作的可靠性與經(jīng)濟性。近幾年來，由于柴油車的迅速增多，駕駛員由于缺乏對柴油車基本使用常識的了解，出現(xiàn)一些不該發(fā)生的事故。同樣的柴油車，不同的駕駛員可能有不同的使用效果。因此，要減少柴油車的異常煙度工況時間，就必須提高駕駛員的工作質(zhì)量。
柴油車在使用中因為磨損等原因?qū)е铝慵?、工作失常，不可避免地需要進行維護與修理。能否及時、正確地修理，修理質(zhì)量的好壞，是影響柴油車異常煙度工況時間長短的又一重要因素。及時、正確的維修可以有效地減少異常煙度工況時間。例如:噴油嘴偶件卡滯、供油時間變化、氣門間隙不對、空氣濾清器阻塞，都可能導(dǎo)致柴油車排放濃煙，若能及時更換、調(diào)整與修復(fù)，即可有效地縮短異常煙度工況的時間。經(jīng)修理后的柴油車，其性能指標(biāo)理應(yīng)達到規(guī)定的修理技術(shù)要求。包括應(yīng)達到規(guī)定的動力性、經(jīng)濟性及排放煙度指標(biāo)，但實際生產(chǎn)中，經(jīng)修理后的柴油車，其性能與排放指標(biāo)是否達到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，常常是根據(jù)送修和承修人雙方的感覺確定的,這種感覺是否正確，取決于二者的實際經(jīng)驗與要求。因此，通過犧牲排放指標(biāo)來滿足動力性指標(biāo)的情況時有發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)異常煙度工況也就在所難免。
油料、配件供應(yīng)情況對柴油車異常煙度工況的影響，主要表現(xiàn)在供應(yīng)油料、配件的質(zhì)量問題上。目前，油料、配件供應(yīng)質(zhì)量上存在的主要問題是假冒偽劣產(chǎn)品太多。劣質(zhì)油料、配件帶來的是柴油車零件磨損與損壞的幾率增大，正常工作時間減少, 異常煙度工況時間增多。近年來，油泵油嘴及柴油機維修行業(yè)的蓬勃發(fā)展，除了有柴油車社會擁有量的迅速增多的原因以外，劣質(zhì)油料、配件的使用也是重要的原因。
柴油車設(shè)計、制造、運用維修與管理，都有其特定的運行規(guī)律和特定的要求。只有當(dāng)人們認識并掌握了它的運行規(guī)律與技術(shù)要求之后，它才可能產(chǎn)生最好的社會經(jīng)濟效益與最佳的社會環(huán)境效益,教育培訓(xùn)的目的,就是要使人們掌握柴油機的運行規(guī)律與技術(shù)要求。實際生產(chǎn)中表現(xiàn)出來的很多技術(shù)問題，從根本上說，在很多情況下反映了人的素質(zhì)。教育培訓(xùn)就是要提高人的素質(zhì)。教育培訓(xùn)是多層次、全方位的。除專門的技術(shù)教育院校、科研機構(gòu)要做的教育培訓(xùn)工作外，還應(yīng)有各種專業(yè)短期培訓(xùn)班以及科普知識宣傳教育。要讓與柴油車設(shè)計制造、運用維修和管理等有關(guān)的各部門、各行業(yè)人員都知道自己應(yīng)負的責(zé)任。讓人們都知道，柴油車冒煙污染環(huán)境與每個社會成員的健康與生存緊密相關(guān)，應(yīng)該自覺地為此作出有益的貢獻。
在減少柴油車異常煙度工況時間方面，管理工作十分重要。管理部門通過對有關(guān)法規(guī)的制定和監(jiān)督檢查，可以有效地制止和限制異常煙度工況的出現(xiàn)，通過管理手段去促進柴油機設(shè)計制造，運用維修及教育培訓(xùn)等各行業(yè)的工作，使社會生產(chǎn)與生活能夠有序地快速發(fā)展。
3.采用有效的排放控制技術(shù)
燃料的燃燒狀況是影響柴油機排氣成分的決定因素，從排氣有害物形成來看，改善燃燒可使CO、HC和顆粒物的排放降低，但與此同時在燃燒區(qū)域出現(xiàn)的高溫與高的燃氣壓力，促進了N和0的化學(xué)反應(yīng)，又使NOx的排放量增加,尤其是NOx與顆粒物之間的關(guān)系是反比例關(guān)系，從理論上講，高溫富氧易產(chǎn)生NOx，而貧氧則易產(chǎn)生顆粒物(PM)，這種矛盾的排放特性，給柴油機達到排放法規(guī)帶來困難。也是柴油機排氣凈化的難點。在排氣凈化方面，由于柴油機的空燃比較大，燃燒過程較為完善，排氣中CO和HC相對較少，一般可達到要求。另外由于燃燒時的高溫及混合氣的不均勻，NOx與顆粒物較高，因此柴油機的排氣凈化對象主要是NOx與顆粒物。由于柴油機排放氣體中會有較高的硫(S)和顆粒物(PM)，容易使催化器中毒失效或使顆粒堵塞，因而目前柴油機的排氣凈化主要以機內(nèi)凈化和機前處理為主，主要采取以下措施。
前處理技術(shù)主要通過對燃油的改進或重新選擇來達到降低排放的目的。機前處理是對進入汽缸的工作介質(zhì)(燃料、空氣、循環(huán)廢氣等)做有利于降低有害排放物生成的預(yù)處理。主要方法有空氣處理，燃料處理(去硫、摻水等)，排氣再循環(huán)等措施。燃油摻水的凈化原理與EGR基本相同。水的蒸發(fā)潛熱很高，所以水蒸氣的生成要吸收大量的熱，因而導(dǎo)致了最高燃燒溫度的下降；水蒸氣還對燃氣進行稀釋，降低了氧的濃度，所以使NOx的產(chǎn)生受到遏制。但這種方法需要經(jīng)常加水，還會引起機油稀釋和機件生銹等問題。乳化燃料雖不會遇到這類問題，但燃料的成本稍高，燃油中的顆粒大小與分布的穩(wěn)定性還不能久貯不變，所以目前實際應(yīng)用也不多。
清潔燃油是凈化排放的必要條件，只有提高燃油的品質(zhì)，高水平的排放控制技術(shù)才能得以推廣。據(jù)美國殼牌(shel1)公司研究人員最新的研究報告指出,燃油質(zhì)量影響排放的關(guān)鍵因素有含硫量、十六烷值等。燃油改進的方法主要是采用各種低污染代用燃料，如甲醇、乙醇、氫、液化石油氣及壓縮天然氣等。在一些技術(shù)先進的國家，已經(jīng)使用以壓縮天然氣、液化石油氣和甲醇等所謂“綠色燃料”，這使排放指標(biāo)達到了極佳的水平。
機內(nèi)解決措施，就是從有害排放物的生成機理出發(fā)，在燃燒室內(nèi)部對有害排放物的生成反應(yīng)予以最大限度的限制，而對它們的消失反應(yīng)則盡量提供有利的條件，進而從根本上達到減少排氣污染的目的。目前運用比較廣泛，技術(shù)相對成熟的機內(nèi)解決措施主要有以下幾種。
EGR(廢氣再循環(huán))是目前運用較為廣泛，技術(shù)也較為成熟的產(chǎn)品。EGR首先應(yīng)用于汽油機，研究表明同樣也適用于柴油機。柴油機排氣中氧含量相對于汽油機排氣要高，柴油機允許也需要較大量的再循環(huán)廢氣來降低NOx的排放。EGR在所有負荷條件下都可以有效抑制NOx排放，它是將定量廢氣引入柴油機進氣系統(tǒng)中，在循環(huán)到燃燒室內(nèi)，有利于點火延遲，增加了參與反應(yīng)物質(zhì)的熱容量，以及由于CO2、H20、N2等惰性氣體對氧氣的稀釋作用，降低了燃燒最高溫度，從而減少了N0x生成。改進進氣系統(tǒng)能適當(dāng)?shù)慕档蚇Ox排放，可以通過組織適當(dāng)?shù)倪M氣渦流強度、改變進氣重疊度、改變進氣狀態(tài)和采用多氣門技術(shù)等多個方面著手。進氣渦流減弱，N0x降低，但煙度增加。其原因是混合氣形成條件變差而使燃燒速度變慢，因而汽缸內(nèi)溫度降低。因此，進氣渦流強度需要在N0與煙度之間作適中的選擇。氣門的大小和配氣相位影響汽缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，從而影響N0排放。當(dāng)殘余廢氣增加時，N0x排放降低。此外，通過改變進氣狀態(tài)如適當(dāng)?shù)卦黾舆M氣濕度，使最高溫度降低，也可以使N0x排放降低。在柴油機上采用多氣門技術(shù)是滿足更嚴格排放指標(biāo)的有效途徑。由于缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑布置在汽缸中央，從而優(yōu)化了進氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件，并可實現(xiàn)渦流比在不同轉(zhuǎn)速下的變化，這使混和氣的形成進一步優(yōu)化，因而在提高動力性和經(jīng)濟性的同時減少了N0x排放，但增加了成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
燃燒系統(tǒng)匹配是指燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進氣流動的最佳匹配。對柴油機而言,應(yīng)保證在發(fā)動機整個工況范圍內(nèi)，有足夠的噴油壓力,以確保噴霧細度和有足夠多的噴孔以保證在燃燒室中的均勻分布，有合適的氣體流動與之配合，如再采用電控噴油泵、電控噴油嘴、可變渦流系統(tǒng)、多氣門和中央配置噴油器等，這既可改善柴油機性能，又可降低柴油機排氣排放物，尤其是顆粒狀物質(zhì)的排放。再燃燒法是將柴油機排出廢氣中燃燒不完全的物質(zhì)通入燃燒包(后燃器)，并在較高溫度(800℃～1000℃)下保持一段時間，使廢氣中HC、CO及微粒物再次燃燒。同時導(dǎo)入少量的水分和廢氣進入燃燒室，以降低N0x排放。但是此方法不能保證燃燒包在各種工況下都可靠地燃燒，在工況變化(尤其在高負荷)時，容易熄火。而一旦熄火，廢氣污染就更加嚴重(二次污染)。此外因為再燃燒法所需設(shè)備多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等缺點，所以這種方法沒獲得廣泛的使用。
稀N0x技術(shù)是指用HC化合物作為還原劑減少N0x排放。其中被動的稀N0x技術(shù),是指直接利用發(fā)動機廢氣中的HC作為還原劑，主動的稀N0x技術(shù),是指通過共軌燃油系統(tǒng)的后噴射來增加廢氣中的HC作為還原劑,但是由于柴油機廢氣中HC的濃度比較低,所以其最大轉(zhuǎn)換率不超過15%；若采取主動噴射HC化合物的技術(shù)，N0x最大轉(zhuǎn)換率將增長到30%。
等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài),是由電子、離子、原子、分子和自由基等粒子組成的集合體,具有宏觀尺度的電中性和高導(dǎo)電性。等離子體中的離子、電子和激發(fā)態(tài)原子都是極活潑的反應(yīng)性物種,會使在通常條件下難以進行或速度很慢的反應(yīng)變得快速。脈沖電暈等離子體化學(xué)處理技術(shù)是20世紀80年代發(fā)展起來的一種控制空氣污染的新技術(shù)。利用高能電子轟擊反應(yīng)器中的氣體分子,經(jīng)過激活、分解、電離等過程產(chǎn)生氧化能力很強的自由基、原子氧和臭氧等，這些強氧化物質(zhì)可迅速氧化掉NOx和SO2，在水分子作用下生成HNO，和HzSO2,若加入適當(dāng)添加劑則生成相應(yīng)的銨鹽,可通過過濾器或靜電除塵器收集產(chǎn)物,從而達到脫硫、脫硝控制污染的目的。等離子體技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活已得到廣泛的應(yīng)用。
N0x的吸咐--催化技術(shù)(NAC)的機理是在催化劑(Pt)的作用下，吸附劑在富氧條件下將廢氣中NOx吸附；而后在催化劑作用下，還原劑(HC、CO、H)在缺氧條件下將NOx還原成水和N0，同時也是吸附劑的再生過程。這項技術(shù)在柴油機上應(yīng)用面臨著兩個難題：一是廢氣中的SO2，會使催化劑中毒,失去催化作用；二是吸附劑在缺氧條件下的再生問題。為了解決SO2使催化劑中毒的問題，可以采用雙反應(yīng)室，這種系統(tǒng)在用柴油作為還原劑時，可使N0的轉(zhuǎn)換率高達95%以上。
選擇性催化還原技術(shù)(SCR)的機理是將適量的某種還原劑(氨水、尿素)噴入廢氣中，在催化劑的作用下，使氮的氧化物還原，生成無害的水和N，該項技術(shù)已在大型船用柴油機和固定式柴油機中得到廣泛的應(yīng)用。SCR是一種能有效降低車用柴油機N0x排放的機外控制措施，在國外已經(jīng)進入實用階段。但SCR作為一個新的后處理技術(shù)，由于初期投資高、操作和保養(yǎng)費用高、需要加一套較復(fù)雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)等等原因，在車用柴油機上還沒有得到大范圍的推廣。隨著對SCR技術(shù)的進一步開發(fā)研究和排放法規(guī)的日趨嚴格，相信SCR技術(shù)很快會得到推廣。
機內(nèi)措施主要是通過降低燃燒峰值溫度來降低N0x，這種措施往往會引起燃油經(jīng)濟性的降低和顆粒、HC排放不同程度的升高，而排氣后處理裝置在一定程度上能減少N0x的排放量，還能解決燃油經(jīng)濟性和降低NOx所帶來的矛盾。為了滿足越來越嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)，在開發(fā)柴油機燃燒系統(tǒng)的早期，就應(yīng)將發(fā)動機控制技術(shù)和排氣后處理技術(shù)綜合考慮，以充分利用兩種措施各自的優(yōu)勢。機內(nèi)凈化方法幾乎已達到其技術(shù)的極限,隨著排放法規(guī)的日益嚴格,機外凈化顯得越來越重要。
4.使用清潔燃料
醇類燃料是一種可再生的燃料，有害排放成分較少，其結(jié)構(gòu)中含有氧，易于燃燒，理化特性與汽油接近，但十六烷值較低，汽化潛熱高，著火困難，因此在柴油機上需用柴油引燃或用點燃方式點燃，需對柴油機燃燒系統(tǒng)進行較大的改動。目前醇類燃料主要指甲醇和乙醇，在汽車上的應(yīng)用主要有三種類型：摻燒、純燒和改質(zhì)。甲醇是一種輕質(zhì)、無色、略有臭味、低污染的燃料，可用天然氣、石油和煤炭等原料來制取。乙醇來源廣泛，可以從谷物、纖維素等生物可再生資源中獲取，也可通過化學(xué)方法進行合成。乙醇是最早開發(fā)的代用燃料，汽油機循環(huán)方式的乙醇發(fā)動機及與汽油混合的醇燃料發(fā)動機已在一些國家成功地使用多年。與甲醇相比，乙醇更易與柴油相溶和乳化。
生物燃料是指從植物或動物的脂肪中提取的無毒、可生物分解、可再生的燃料。目前已研制成功并投入使用的植物油型燃料有菜籽油、棉籽油、豆油等。由于植物在生長過程中吸收CO2,且生長期遠短于石油的生成期,還可人工種植,因此采用生物燃料有助于減少CO2的排放。生物燃料具有十六烷值高、硫含量及芳香烴含量低、揮發(fā)性低和富氧等特點,還可以減少CO、HC和微粒排放。另一方面,生物柴油的環(huán)境效益不僅體現(xiàn)在廢氣排放上，而且由于其易于生物分解，如果發(fā)生泄漏事故，其對土壤、河流的污染比化工燃料小得多。
二甲醚是一種無色略帶氣味的氣體，沸點為-24.9℃，環(huán)境溫度下的蒸汽壓力為0.51MPa。二甲醚無腐蝕性，無致癌性，幾乎沒有毒性；無活性，長期與空氣接觸不至于被進一步氧化；其十六烷值大于55，比柴油的十六烷(38～53)值高，有利于降低NOx的生成量，并可減小噪聲。目前，二甲醚在柴油機上的應(yīng)用方式主要有兩種類型：一是以二甲醚作為助燃劑，二是柴油機單純用液態(tài)二甲醚。
5.優(yōu)化結(jié)構(gòu)和完善燃燒過程
柴油機的燃燒分為兩個階段：預(yù)混燃燒與擴散燃燒，以擴散燃燒為主，預(yù)混燃燒為輔。為控制燃燒有害物的排放，對預(yù)混燃燒要加以抑制，以降低最高燃燒溫度，有利于控制NOx排放量；提高噴油速率，加強油氣混合，促進燃燒擴散，縮短擴散燃燒時間，減少后燃等可減少煙度和微粒的排放。具體措施主要有：采用合適的進氣道與渦流比，合理組織進氣氣流；優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)與形狀，對于直噴式柴油機采用縮口型燃燒室更有利于混合氣均勻混合。對于間接噴射式柴油機優(yōu)化副燃燒室結(jié)構(gòu)與通道形狀,有利于混合氣在主燃燒室的燃燒；減少供油提前角，可以使燃燒過程避開上止點，降低燃燒溫度，另外接近上止點噴油，缸內(nèi)空氣溫度高，有利于燃油蒸發(fā)，使燃料空氣混合加快，有利于燃燒的完善，使NOx和PM降低。
噴油系統(tǒng)對柴油機影響至關(guān)重要,改善噴霧質(zhì)量,促進油氣良好混合,對于控制NOx和PM的生成非常關(guān)鍵。從供油規(guī)律來看希望初期噴油不宜過多,可使汽缸內(nèi)壓力升高率減少,汽缸峰值壓力和溫度降低,以抑制NOx的生成；中期快速供油，控制碳煙的形成；后期斷油干脆，避免后燃，減少微粒和HC的生成。采取措施主要有：高壓噴射及電控。如采用電控直列噴油泵、電控分配式噴油泵、電控泵噴嘴、電控單體噴油泵、電控共軌噴油系統(tǒng)等；采用小壓力室或無壓力室(VCO)噴油器,使之?dāng)嘤脱杆?有利于減少HC和PM的排放。壓力室容積愈小，HC排放愈低。另外對燃油經(jīng)濟性、排煙及NO也沒有不良的影響；合理的噴孔尺寸、油線長度與分布，使之與汽缸直徑、燃燒室形狀、進氣渦流相適應(yīng)，以求高負荷與低負荷時排放有良好的折中；合理供油規(guī)律和供油定時。
6.有效降低NOx的排放量常用的方法
柴油機的主要排放物有CO、HC(少量)、N0x、碳煙微粒(PM)，其中NOx為影響較大的有害氣體之一，如何降低車用柴油機NOx排放的研究顯得尤為重要。為保護大氣環(huán)境，各國相繼制定了排放法規(guī)，用以控制汽車污染物排放量。自從美國60年代《潔凈空氣法案》頒布以來,全世界開始了控制汽車排放的歷程,經(jīng)過幾十年的努力，目前已經(jīng)形成了以美國、歐洲和日本為代表的三大汽車排放法規(guī)體系。世界上許多國家都不同程度地采用這些法規(guī),我國的排放法規(guī)體系就是在全面等效采用歐洲EEC技術(shù)內(nèi)容和部分采用EEC的基礎(chǔ)上形成的。由于NOx是空氣中N和O在燃燒室高溫條件下形成的，它取決于火焰高峰溫度和高溫持續(xù)的時間，因此降低火焰高峰的溫度可有效降低NOx的排放量，目前常用的方法有：油中摻水乳化技術(shù)；燃燒空氣增濕技術(shù)；直接將水噴人燃燒室的直接噴水技術(shù)和推遲供油提前角等。
利用油中摻水乳化方法可降低NOx20%～30%，主要受保持穩(wěn)定而適用的最高水油比的限制(很低)，要維持發(fā)動機的功率，尚須使用超大尺寸的噴油裝置。存在問題是乳化穩(wěn)定性；噴油裝置可靠性(由于油里摻水，容易引起噴油裝置穴蝕)；采用無水燃料時I生能變差。采用燃燒空氣增濕技術(shù)利用進氣增濕技術(shù)可降低NOxl0%～30%，存在主要問題是受水冷凝的限制；而且會造成進氣口和氣門的腐蝕或侵蝕。采用直接噴水技術(shù)降低NOx很明顯，達50%～60%，但需要配備一套噴水裝置，噴嘴可采用組合式噴嘴，一個針閥用于噴水，另一個針閥用于噴油。采用這種方法的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費用較高，而且對噴入的水質(zhì)也有要求。
采用NOx轉(zhuǎn)換器是將一種還原劑噴入廢氣流，使廢氣中有毒的NOx轉(zhuǎn)化成無毒的氣體。采用這種方法的缺點是：在所有的運行工況中，如果想最大限度的降低NOx排放，必須精確計量還原劑的用量。為此，需要配備一套精確的定量配給系統(tǒng)。
采用有利于降低顆粒排放的燃油和機油:歐、美、日本經(jīng)大量研究表明,柴油密度、多環(huán)芳香族化合物的含量、硫的含量、十六烷值等與顆粒排放有關(guān)，柴油密度、多環(huán)芳香族化合物的含量與顆粒排放具有正的相關(guān)性；十六烷值與顆粒排放具有小的負的相關(guān)性；硫是顆粒排放的重要來源，減少柴油中硫的含量可降低顆粒排放。此外，選取適當(dāng)黏度的機油，保證活塞和氣缸之間的良好潤滑，減少它們之間的磨損，可降低顆粒排放；防止機油竄入氣缸的數(shù)量亦可減少顆粒排放。
燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響燃油的霧化質(zhì)量，從而影響混合氣的形成及燃燒，因此它在柴油機的排放控制中占有重要的地位，通過調(diào)整參數(shù)可有效控制顆粒排放。汽缸壁與活塞之間的縫隙容積對顆粒的形成也有影響，縫隙中的未燃碳氫化合物是顆粒有機組分的一個來源，應(yīng)盡量減小縫隙容積，并采用鋼片組合油環(huán)，以防止竄機油。
采用顆粒捕捉器是利用碰撞、截留、擴散、重力沉降等原理，將排氣中的顆粒收集起來，一個好的顆粒捕捉器，應(yīng)具備良好的顆粒收集效率、捕捉器入口和出口之間的壓降低、使用壽命長的特點。顆粒捕捉器捕捉到的顆粒必須及時清除，否則會引起柴油機排氣背壓急劇上升，所以當(dāng)顆粒達到一定程度時，將會利用高溫使這些顆粒充分燃燒，從而達到去除這些顆粒的目的，同時過濾器也實現(xiàn)了再生的過程。碳顆粒的再生溫度一般在550～600℃以上。如果在顆粒捕捉器表面涂一層貴重金屬(如鉑、銠等)，再生溫度可降到400℃以下。
7.采用先進制造技術(shù)與生產(chǎn)工藝
采用先進制造技術(shù)與生產(chǎn)工藝不僅可以降低成本，縮短工期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可大大降低在柴油機制造過程中對環(huán)境造成的污染。這些先進的制造技術(shù)包括生長型制造技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、成組技術(shù)、柔性制造技術(shù)等。
生長型制造技術(shù)即快速原型制造技術(shù)，是計算機技術(shù)(CAD/CAPP、CAM)、CNC技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)的集成和綜合應(yīng)用，以二維的制造方法制造三維實體，可大大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，并極大地提高資源的利用率。其成本幾乎與產(chǎn)品的批量和復(fù)雜程度無關(guān)，采用黏接、融結(jié)、燒結(jié)、固化等工藝方法，對環(huán)境的污染很小。
虛擬制造技術(shù)是利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)與計算機技術(shù)，在高性能的計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下,對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真,通過模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等可能存在的問題，實現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析，質(zhì)量檢驗，并進行過程管理與控制，達到縮短新產(chǎn)品的上市時間、降低成本、優(yōu)化設(shè)計、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。
生產(chǎn)工藝的改進主要有采用清潔涂裝、改變汽車零部件的加工方式、采用多工位自動機床等。涂裝生產(chǎn)工藝是汽車生產(chǎn)工藝核心部分，給環(huán)境帶來污染的主要有除油脫脂廢水、酸洗廢水、電泳漆廢水、油漆廢水、漆泥等。目前清潔涂裝主要先進技術(shù)有,采用噴浸結(jié)合的前處理工藝、采用低溫、室溫前處理劑；采用無重金屬、無亞硝酸鹽磷化工藝等。
8.結(jié)束語
柴油機的排放控制技術(shù)是柴油機發(fā)展的重要技術(shù)，柴油機的排放應(yīng)滿足愈來愈嚴格的排放法規(guī)要求，促進柴油機技術(shù)的進步。我國與國外先進的工業(yè)國家相比，研究起步較晚，由于國外技術(shù)的引進和國外產(chǎn)品與企業(yè)的進入，促進了柴油機技術(shù)的進步。但是與國外先進技術(shù)相比，降低排放研究方面還存在較大差距。降低柴油機排放的技術(shù)工作，需要應(yīng)用許多新技術(shù)，吸取和借鑒國外先進成熟的技術(shù)與經(jīng)驗，在不斷探索的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，使動力性經(jīng)濟性好、低排放的柴油機滿足各個領(lǐng)域的使用要求。
