柴油機油氣混合不均勻，燃料不能完全燃燒，導致分解為(wei) 以碳為(wei) 主的顆粒。同時，與(yu) 汽油機相比，柴油機的過量空氣係數很高，且燃燒中產(chan) 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(you) 化柴油機的排放性能，主要解決(jue) 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，若發動機還在噴油，且噴到高溫廢氣區，或者混合氣過濃，都會(hui) 導致因缺氧而生成微粒。

   因此，從(cong) 機內(nei) 淨化的角度，可以通過調節最高溫度與(yu) 燃油濃度的關(guan) 係，降低氮氧化物（NOx）的生成。可采用多氣門技術、增壓中冷技術、控製噴油速率和廢氣再循環。通過調節噴油或組織氣流，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、控製噴油過程和調節燃油量。

   1廢氣渦輪增壓技術

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

   1.1發展現狀

   廢氣渦輪增壓器可提高發動機的進氣密度，提高發動機的充量。一般車用發動機多采用徑流式，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，而渦輪增壓係統，可分為(wei) 定壓渦輪增壓係統和脈衝(chong) 渦輪增壓係統。其中，定壓增壓係統對排氣利用率低，低速轉矩特性和加速性能較差，適合低增壓時使用。脈衝(chong) 渦輪增壓係統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，動態響應好，結構複雜。車用柴油機，對加速性能和轉矩特性要求較高，因此多采用脈衝(chong) 渦輪增壓係統。

   與(yu) 機械增壓相比，廢氣渦輪增壓不消耗由發動機曲軸輸出的功率，不影響發動機功率，不會(hui) 增加燃油消耗。與(yu) 氣波增壓相比，其增壓壓力高，可達0.4MPa，用於(yu) 柴油機時單機功率大於(yu) 35kW，且技術相對成熟，已實現產(chan) 品化。與(yu) 複合增壓相比，其結構簡單，易控製，更適於(yu) 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，有利於(yu) 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。當柴油機處於(yu) 較低轉速時，帶動渦輪機所產(chan) 生的功率也會(hui) 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。由於(yu) 使用廢氣帶動增壓器，發動機至少經過一個(ge) 循環排出廢氣量才會(hui) 增加，才會(hui) 反映到增壓器上，因此瞬態響應性不好。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(hui) 發生喘震。當氣缸排氣量過大，增壓器會(hui) 發生堵塞。這兩(liang) 種非正常工況均會(hui) 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(chan) 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係數變大，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。增壓後進氣密度增加，過量空氣係數變大，可以提高燃油霧化質量，減少沉積於(yu) 燃燒室壁麵上的燃油，HC排放減少。

   1.2.3對NOx排放的影響

   NOx的生成主要取決(jue) 於(yu) 燃燒過程中的濃度、溫度和反應時間。柴油機單純增壓後，因過量空氣係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後進氣溫度，有效控製燃燒溫度，利於(yu) 減少NOx。

   1.2.4對微粒排放的影響

   影響微粒生成的原因較複雜，主要受過量空氣係數、燃油霧化質量、噴油速率、燃燒過程和燃油品質影響。通常有利於(yu) 降低NOx的措施都不利於(yu) 微粒的排放。增壓後，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，可更有效地控製微粒的排放。

   1.2.5對CO2排放的影響

   CO2是重要的溫室氣體(ti) ，可導致全球氣溫升高。同時，CO2的排放也是衡量發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(you) 於(yu) 汽油機。

   1.3渦輪增壓技術未來發展趨勢

   可變截麵渦輪增壓是未來有發展潛力的一種增壓技術。由於(yu) 傳(chuan) 統的渦輪增壓器不能隨轉速、負荷的變化調整噴嘴截麵，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。可變截麵渦輪可在低轉速時減小渦輪噴嘴麵積，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（EGR）

   為(wei) 了解決(jue) NOx排放，產(chan) 生了廢氣再循環係統（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(nei) 氣體(ti) 的熱容量，降低燃燒氣體(ti) 的最高溫度，從(cong) 而抑製NOx排放。

   2.1EGR發展現狀

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

   對於(yu) 增壓中冷柴油機，通常有以下兩(liang) 種方式：從(cong) 渦輪前取氣回流到壓氣機後的EGR係統；從(cong) 渦輪後取氣回流到壓氣機前的EGR係統。渦輪增壓柴油機的冷卻再循環結構設計適宜采用前一種方式，可避免出現再循環廢氣汙染壓氣機和中冷器，減少淤塞和腐蝕問題，同時避免EGR隨工況變化響應滯後。

   由於(yu) 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(wei) 防止微粒產(chan) 生，中、低負荷常采用較大的EGR率，全負荷不采用EGR，以保證發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率的精準控製多采用電子信號。根據發動機的轉速信號、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，可在進氣管上加節氣門，低負荷時，通過進氣節流達到增加進、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(hui) 生成硫酸，對EGR係統的管路和閥門以及氣缸壁麵形成腐蝕，應選用高品質潤滑油和低硫柴油。

   2.2廢氣再循環對排放的影響

   2.2.1對NOx排放的影響

   廢氣再循環技術降低了燃燒室內(nei) 可達到的最高燃燒溫度，減少了進氣充量，從(cong) 而抑製NOx的排放。實驗表明，當發動機的轉速一定時，廢氣中NOx的比例，會(hui) 隨廢氣再循環率的增加而降低。當發動機處於(yu) 不同負荷時，NOx排放下降率與(yu) EGR率呈近似線性關(guan) 係。較大的廢氣再循環率會(hui) 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

   當發動機的轉速一定時，微粒排放量會(hui) 隨EGR率的變化而變化。一般來說，廢氣的引入會(hui) 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率對過量空氣係數的影響較大，微粒增加幅度較大。在小負荷時，噴油較少，EGR率對過量空氣係數的影響相對減弱，微粒增加的趨勢也相對較小。與(yu) NOx的線性關(guan) 係不同，微粒排放量增加率與(yu) EGR率關(guan) 係為(wei) 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(hui) 降低，微粒值會(hui) 升高，負荷較大的工況微粒增加的趨勢很明顯，應限製高負荷工況下的EGR率。同時，帶有EGR係統的發動機排氣微粒中的HC成分較少。需綜合NOx和微粒兩(liang) 方麵選擇適當的EGR率。

    2.2.3對HC、CO排放的影響

   隨著EGR率的增加，發動機尾氣中HC與(yu) CO的排放變化關(guan) 係較為(wei) 一致，呈現上升趨勢。在發動機轉速一定的情況下，隨著EGR率增加，HC和CO均為(wei) 燃料燃燒不充分所產(chan) 生的排放物。當充入氣缸內(nei) 的廢氣增加，必然導致參與(yu) 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(nei) 形成的極稀混合氣，因此HC排放與(yu) 滯燃期時間長短有關(guan) 。負荷越低，滯燃期內(nei) 形成的極稀混合氣越多，發動機排氣中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，當發動機的廢氣再循環率增加，過量空氣係數有所降低，但CO2的排放量及燃油消耗率隻有很小波動，基本保持不變。

   2.3EGR未來發展趨勢

   在歐美發達國家，EGR在汽油機和輕型柴油機領域已是一種成熟的工業(ye) 技術，發展方向是將其完善：如何將EGR技術與(yu) 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麵降低；如何實現EGR率變工況時的精準控製以及動態響應特性的提高都是以後的研究重點。為(wei) 達到歐Ⅳ標準，EGR率還需進一步提高，EGR應用於(yu) 增壓發動機時，腐蝕性問題和進排壓逆差問題需要研究，以得到一個(ge) 比較理想的解決(jue) 方案。在重型柴油機領域，應用EGR的問題更多更複雜，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(ge) 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(liang) 種方法是通過改變柴油機燃燒室內(nei) 的燃燒方式達到降低NOx或者微粒的目的。但是，因NOx與(yu) 微粒的排放規律常常相悖，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後，由於(yu) LPG在進氣道與(yu) 空氣混合，較為(wei) 均勻，燃燒過程中的局部缺氧情況得到改善，微粒的排放得到抑製。NOx、HC、CO會(hui) 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/柴油雙燃料發動機已經產(chan) 品化。例如用少量柴油引燃天然氣的發動機，其混合氣為(wei) 預混燃燒，燃燒過程中產(chan) 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，火焰傳(chuan) 播速度很快，不會(hui) 產(chan) 生HC、CO和CO2，是一種十分清潔的燃料，而且資源極其豐(feng) 富。當柴油機摻氫燃燒時，可大大改善燃燒情況。等離子體(ti) 製氫技術在汽車上有應用前景，可以為(wei) 發動機提供富氫氣體(ti) ，提高熱效率，同時氫氣燃燒速度快，可以縮短滯燃期，可以抑製NOx的排放。目前，等離子體(ti) 製氫技術在汽油機上應用有所進步，在柴油機上也會(hui) 有不錯的效果。

   3.4其他代用燃料

   隨著能源的緊缺，會(hui) 有更多的新型燃料參與(yu) 到優(you) 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(nei) 燃燒過程，以提高發動機效率和排放性能，一定會(hui) 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(hui) 惡化NOx的排放。因此需要通過加裝後處理設備，才可以全麵降低各種排放物。

   （2）廢氣再循環技術主要針對柴油機稀燃產(chan) 生大量NOx排放，可顯著降低NOx的排放量，相比會(hui) 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(hui) 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。