柴油機油氣混合不均勻，燃料不能完全燃燒，導致分解為以碳為主的顆粒。同時，與汽油機相比，柴油機的過量空氣系數很高，且燃燒中產生局部高溫，導致氮氧化物（NOx）大量生成，但一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）的排放比汽油機低得多，燃油經濟性也非常好。由此可以看出，優(yōu)化柴油機的排放性能，主要解決如何降低氮氧化物（NOx）和微粒。

   柴油機在緩燃期中燃燒溫度達到最大，直接影響到氮氧化物（NOx）的生成量。同時緩燃期中，若發(fā)動機還在噴油，且噴到高溫廢氣區(qū)，或者混合氣過濃，都會導致因缺氧而生成微粒。

   因此，從機內凈化的角度，可以通過調節(jié)最高溫度與燃油濃度的關系，降低氮氧化物（NOx）的生成。可采用多氣門技術、增壓中冷技術、控制噴油速率和廢氣再循環(huán)。通過調節(jié)噴油或組織氣流，使燃料迅速而完全地燃燒，降低微粒的生成。可采用廢氣渦輪增壓技術、提高噴射壓力、改進燃燒室結構、減少機油消耗、使用低硫燃油、控制噴油過程和調節(jié)燃油量。

   1廢氣渦輪增壓技術

   根據增壓的方式不同，發(fā)動機的增壓可分為：機械增壓、氣波增壓、廢氣渦輪增壓、復合增壓。其中廢氣渦輪增壓是利用發(fā)動機排出的具有一定能量的廢氣進入渦輪并膨脹作功，廢氣渦輪的全部功率用于驅動與渦輪機同軸旋轉的壓氣機，在壓氣機中將新鮮空氣壓縮后再送人氣缸，如圖1所示。

   1.1發(fā)展現狀

   廢氣渦輪增壓器可提高發(fā)動機的進氣密度，提高發(fā)動機的充量。一般車用發(fā)動機多采用徑流式，以滿足高轉速及較高響應性能的要求。增壓器的壓氣機部分一般都采用單極離心式結構，而渦輪增壓系統(tǒng)，可分為定壓渦輪增壓系統(tǒng)和脈沖渦輪增壓系統(tǒng)。其中，定壓增壓系統(tǒng)對排氣利用率低，低速轉矩特性和加速性能較差，適合低增壓時使用。脈沖渦輪增壓系統(tǒng)低增壓時對廢氣利用率相對較高，掃氣作用明顯，排氣管容積小，對負荷變化敏感，動態(tài)響應好，結構復雜。車用柴油機，對加速性能和轉矩特性要求較高，因此多采用脈沖渦輪增壓系統(tǒng)。

   與機械增壓相比，廢氣渦輪增壓不消耗由發(fā)動機曲軸輸出的功率，不影響發(fā)動機功率，不會增加燃油消耗。與氣波增壓相比，其增壓壓力高，可達0.4MPa，用于柴油機時單機功率大于35kW，且技術相對成熟，已實現產品化。與復合增壓相比，其結構簡單，易控制，更適于車用柴油機使用。使用廢氣渦輪增壓器，柴油機經過必要的改裝，可使功率提高30%～50%，燃油消耗率降低5%左右，有利于改善整機的動力性、經濟性和排放性能。

   但廢氣渦輪增壓技術也存在一定的缺陷。首先，低轉速時性能不好。當柴油機處于較低轉速時，帶動渦輪機所產生的功率也會降低，導致壓氣機的增壓壓力相應降低，增壓效果不好。其次，加速響應慢。由于使用廢氣帶動增壓器，發(fā)動機至少經過一個循環(huán)排出廢氣量才會增加，才會反映到增壓器上，因此瞬態(tài)響應性不好。再次，對進、排氣壓力的敏感度高。當氣缸排氣量過小，增壓器會發(fā)生喘震。當氣缸排氣量過大，增壓器會發(fā)生堵塞。這兩種非正常工況均會影響增壓器的增壓壓力及工作效率。

   1.2廢氣渦輪增壓對排放的影響

   1.2.1對CO排放的影響

   柴油機中CO是燃料不完全燃燒的產物，主要在局部缺氧或低溫下形成。柴油機通常工作在稀燃條件下，渦輪增壓技術使過量空氣系數變大，燃料霧化和混合得到改善，使燃料燃燒更充分，CO排放進一步降低。

   1.2.2對HC排放的影響

   柴油機中的HC主要是由原始燃料分子、分解的燃料分子以及燃燒反應中的中間化合物所組成，小部分由竄人氣缸的潤滑油生成。增壓后進氣密度增加，過量空氣系數變大，可以提高燃油霧化質量，減少沉積于燃燒室壁面上的燃油，HC排放減少。

   1.2.3對NOx排放的影響

   NOx的生成主要取決于燃燒過程中的濃度、溫度和反應時間。柴油機單純增壓后，因過量空氣系數增大和燃燒溫度升高而導致NOx排放增加。因此常在增壓同時配合減少壓縮比、推遲噴油、廢氣再循環(huán)等方式，降低NOx的排放。采用進氣中冷技術可以大大降低增壓后進氣溫度，有效控制燃燒溫度，利于減少NOx。

   1.2.4對微粒排放的影響

   影響微粒生成的原因較復雜，主要受過量空氣系數、燃油霧化質量、噴油速率、燃燒過程和燃油品質影響。通常有利于降低NOx的措施都不利于微粒的排放。增壓后，進氣密度增加，充量增大，配合中冷技術、高壓燃油噴射、電控共軌噴射、多氣門技術等，可更有效地控制微粒的排放。

   1.2.5對CO2排放的影響

   CO2是重要的溫室氣體，可導致全球氣溫升高。同時，CO2的排放也是衡量發(fā)動機燃油經濟性的指標。增壓柴油機充分利用了廢氣的能量，經濟性高，整機的平均有效壓力增加，CO2排放優(yōu)于汽油機。

   1.3渦輪增壓技術未來發(fā)展趨勢

   可變截面渦輪增壓是未來有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N增壓技術。由于傳統(tǒng)的渦輪增壓器不能隨轉速、負荷的變化調整噴嘴截面，可以滿足高轉速的良好工作，但不能滿足低轉速的良好工作，低轉速時的增壓效率較低?？勺兘孛鏈u輪可在低轉速時減小渦輪噴嘴面積，達到提高增壓壓力的效果，保證低轉速時的良好工作。

   2廢氣再循環(huán)（EGR）

   為了解決NOx排放，產生了廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR），結構框圖如圖2所示。其原理是將一部分廢氣導入燃燒室，增加燃燒室內氣體的熱容量，降低燃燒氣體的最高溫度，從而抑制NOx排放。

   2.1EGR發(fā)展現狀

   從20世紀70年****始，國外就開始了廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的研究，現在一些柴油車上已經安裝了EGR系統(tǒng)，為柴油車達到歐Ⅳ標準奠定了基礎。

   對于增壓中冷柴油機，通常有以下兩種方式：從渦輪前取氣回流到壓氣機后的EGR系統(tǒng)；從渦輪后取氣回流到壓氣機前的EGR系統(tǒng)。渦輪增壓柴油機的冷卻再循環(huán)結構設計適宜采用前一種方式，可避免出現再循環(huán)廢氣污染壓氣機和中冷器，減少淤塞和腐蝕問題，同時避免EGR隨工況變化響應滯后。

   由于柴油機過氧燃燒，直噴式柴油機的EGR率超過40%，非直噴式可達25%。為防止微粒產生，中、低負荷常采用較大的EGR率，全負荷不采用EGR，以保證發(fā)動機的動力性和燃油經濟性。當轉速提高時降低EGR率，保證較多新鮮空氣的進入，由實驗標定測得最佳的EGR脈譜。

   對EGR率的精準控制多采用電子信號。根據發(fā)動機的轉速信號、油泵齒條信號（即供油量）和水溫信號等，按預先設定好的脈譜改變EGR率。因柴油進、排氣管間壓差較小，柴油機的E－GR回流管直徑較大，且柴油機所需的EGR率較高，可在進氣管上加節(jié)氣門，低負荷時，通過進氣節(jié)流達到增加進、排氣管間壓差。同時，采用冷EGR，可進一步降低NOx的排放。柴油機排氣中的SO2會生成硫酸，對EGR系統(tǒng)的管路和閥門以及氣缸壁面形成腐蝕，應選用高品質潤滑油和低硫柴油。

   2.2廢氣再循環(huán)對排放的影響

   2.2.1對NOx排放的影響

   廢氣再循環(huán)技術降低了燃燒室內可達到的最高燃燒溫度，減少了進氣充量，從而抑制NOx的排放。實驗表明，當發(fā)動機的轉速一定時，廢氣中NOx的比例，會隨廢氣再循環(huán)率的增加而降低。當發(fā)動機處于不同負荷時，NOx排放下降率與EGR率呈近似線性關系。較大的廢氣再循環(huán)率會導致柴油機動力下降，在中高負荷時，EGR率較低，在小負荷時，EGR率較高，根據不同的工況，選擇適當的EGR率。

   2.2.2對微粒排放的影響

   當發(fā)動機的轉速一定時，微粒排放量會隨EGR率的變化而變化。一般來說，廢氣的引入會造成進入氣缸的新鮮空氣降低，易造成局部缺氧和燃料燃燒不完全，引起微粒的增加。隨著EGR率的增加，發(fā)動機排出的微粒也隨之增加。但實際上中、高負荷時，噴油較多，燃燒時間較短，E－GR率對過量空氣系數的影響較大，微粒增加幅度較大。在小負荷時，噴油較少，EGR率對過量空氣系數的影響相對減弱，微粒增加的趨勢也相對較小。與NOx的線性關系不同，微粒排放量增加率與EGR率關系為二次響應，因此微粒增加比例相對更大。

   隨著廢氣的引入，NOx排放會降低，微粒值會升高，負荷較大的工況微粒增加的趨勢很明顯，應限制高負荷工況下的EGR率。同時，帶有EGR系統(tǒng)的發(fā)動機排氣微粒中的HC成分較少。需綜合NOx和微粒兩方面選擇適當的EGR率。

    2.2.3對HC、CO排放的影響

   隨著EGR率的增加，發(fā)動機尾氣中HC與CO的排放變化關系較為一致，呈現上升趨勢。在發(fā)動機轉速一定的情況下，隨著EGR率增加，HC和CO均為燃料燃燒不充分所產生的排放物。當充入氣缸內的廢氣增加，必然導致參與燃燒的氧氣量相對減少，燃料燃燒條件惡化。HC排放在中高負荷時呈現增加趨勢，在小負荷時呈現下降趨勢。HC排放主要來自滯燃期內形成的極稀混合氣，因此HC排放與滯燃期時間長短有關。負荷越低，滯燃期內形成的極稀混合氣越多，發(fā)動機排氣中HC的濃度越高。在同樣低負荷時，廢氣回流率越大，加熱進氣的作用越明顯，滯燃期將縮短，對改善HC排放有利。

   2.2.4對CO2及燃油消耗率的影響

   試驗表明，當發(fā)動機的廢氣再循環(huán)率增加，過量空氣系數有所降低，但CO2的排放量及燃油消耗率只有很小波動，基本保持不變。

   2.3EGR未來發(fā)展趨勢

   在歐美發(fā)達國家，EGR在汽油機和輕型柴油機領域已是一種成熟的工業(yè)技術，發(fā)展方向是將其完善：如何將EGR技術與顆粒捕捉技術、電控高壓噴油技術、進氣富氧技術等密切結合起來，使各種有害排放物全面降低；如何實現EGR率變工況時的精準控制以及動態(tài)響應特性的提高都是以后的研究重點。為達到歐Ⅳ標準，EGR率還需進一步提高，EGR應用于增壓發(fā)動機時，腐蝕性問題和進排壓逆差問題需要研究，以得到一個比較理想的解決方案。在重型柴油機領域，應用EGR的問題更多更復雜，在重型柴油機較高負荷情況下，隨著EGR率的增加微粒排放增加速度加快，發(fā)動機的耐久性和可靠性受到影響。目前EGR在重型柴油機的應用是國外的一個重點研究方向，可以預見在不遠的將來，EGR將在重型柴油機領域得到廣泛的應用。

   3柴油機摻燒

   以上兩種方法是通過改變柴油機燃燒室內的燃燒方式達到降低NOx或者微粒的目的。但是，因NOx與微粒的排放規(guī)律常常相悖，通常是減少一種而另一種隨之增加，因此，可以考慮通過改進燃料的方式來達到既降低NOx又降低微粒。

   3.1柴油機摻燒LPG（液化石油氣）

   實驗表明，柴油機摻燒LPG后，由于LPG在進氣道與空氣混合，較為均勻，燃燒過程中的局部缺氧情況得到改善，微粒的排放得到抑制。NOx、HC、CO會隨LPG加入量及工況的變化而變化。NOx排放在中小負荷時隨LPG量增大而減小，全負荷工況時，LPG量較少，NOx隨LPG量增大而降低。當LPG量繼續(xù)增大，NOx排放略有升高。HC、CO排放隨LPG量增大而升高，可通過減小供油提前角來降低排放。

   3.2柴油機摻燒CNG（天然氣）

   天然氣是一種比較常見的燃料，CNG/柴油雙燃料發(fā)動機已經產品化。例如用少量柴油引燃天然氣的發(fā)動機，其混合氣為預混燃燒，燃燒過程中產生很多著火點，燃燒中局部缺氧狀況得到改善，減少了微粒的排放。同時燃燒速度更快，選擇適當的天燃氣、柴油比例，可以降低NOx的排放量。

   3.3柴油機摻燒氫氣

   氫氣是一種熱值很高的物質，氫氣在燃燒過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣群芸?，不會產生HC、CO和CO2，是一種十分清潔的燃料，而且資源極其豐富。當柴油機摻氫燃燒時，可大大改善燃燒情況。等離子體制氫技術在汽車上有應用前景，可以為發(fā)動機提供富氫氣體，提高熱效率，同時氫氣燃燒速度快，可以縮短滯燃期，可以抑制NOx的排放。目前，等離子體制氫技術在汽油機上應用有所進步，在柴油機上也會有不錯的效果。

   3.4其他代用燃料

   隨著能源的緊缺，會有更多的新型燃料參與到優(yōu)化柴油機燃燒的方法中。通過改善燃料的品質和組成，改善缸內燃燒過程，以提高發(fā)動機效率和排放性能，一定會有十分廣闊的前景。

   4結論

   （1）使用廢氣渦輪增壓技術，可以提高燃油的經濟性，降低HC、CO和微粒的排放，但會惡化NOx的排放。因此需要通過加裝后處理設備，才可以全面降低各種排放物。

   （2）廢氣再循環(huán)技術主要針對柴油機稀燃產生大量NOx排放，可顯著降低NOx的排放量，相比會增加其他排放物的生成量，尤其是微粒的排放隨EGR率升高，快速增加，配合微粒捕捉器排放效果會有改善。

   （3）通過摻燒其他燃料，如：天然氣、液化石油氣、氫氣等都能一定程度上改善排氣中NOx和微粒的數量，需要根據工況調整其比例，需要進一步的研究。