柴油機自1892年問世以來，憑借其良好的動力性、經(jīng)濟性和耐久性等優(yōu)點在各種動力裝置、和車輛上得到日益廣泛的應(yīng)用。歐洲和日本在20世紀(jì)70年代就基本實現(xiàn)了載貨汽車和大型客車的柴油機化。從80年代后期開始，轎車上也越來越多的應(yīng)用柴油機，例如目前德國生產(chǎn)的1.4-2.0L排量的小轎車中，柴油機轎車占61%，而法國轎車柴油機的比例高達(dá)88%。從世界范圍來看，汽車柴油化已經(jīng)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。

    車用柴油機主要排放物為PM(顆粒狀物質(zhì))和NOx，而CO和HC排放較低�？刂撇裼蜋C尾氣排放主要是控制顆粒物質(zhì)PM和NO生成，降低PM和NOx的直接排放。柴油機與同等功率的汽油機相比，微粒和NOx是排放中兩種最主要的污染物。目前，世界各國都在致力于減少柴油機顆粒排放的技術(shù)研究，并且已經(jīng)取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。由于柴油機排氣微粒與NOx的生成機理不同，因此減少微粒的同時又增加了NOx的排放，同時微粒的減少又使得催化劑中毒得以有效的扼制，從而使采用機外催化技術(shù)凈化NOx成為可能。現(xiàn)代柴油機尾氣排放控制通常采取以下方法。

    2.柴油機尾氣排放的危害和生成機理

    柴油機NOx排放的危害。柴油機排出的NOx中，NO約占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO無色無味、毒性不大，但高濃度時能導(dǎo)致神經(jīng)中樞的癱瘓和痙攣，而且NO排入大氣后會逐漸被氧化為NO2。NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強(毒性大約是NO的5倍)的紅棕色氣體，可對人的呼吸道及肺造成損害，嚴(yán)重時能引起肺氣腫。當(dāng)濃度高達(dá)100×10-6體積濃度以上時，會隨時導(dǎo)致生命危險。NOx和HC在太陽光作用下會生成光化學(xué)煙霧，NOx還會增加周圍臭氧的濃度，而臭氧則會破壞植物的生長。此外，NOx還對各種纖維、橡膠、塑料、電子材料等具有不良影響。

    基于上述原因，柴油機排放物中的NOx對環(huán)境的嚴(yán)重污染引起了世界范圍的普遍關(guān)注，因此各國限制其排放的法規(guī)亦越來越嚴(yán)格。

    柴油機尾氣排放物的生成機理。迄今為止人們已經(jīng)對NOx的生成機理進(jìn)行了大量的研究，但尚未達(dá)成共識。比較容易接受的是策爾多維奇機理。該機理認(rèn)為：柴油機排放中的NO并非來自燃油的燃燒，而是來自氮氣與氧氣的反應(yīng)，它是在氧氣過剩的情況下由于燃燒室的持續(xù)高溫而形成的，在膨脹和排氣時有少量的分解，排到大氣后遇氧形成NOx和其它氮氧化物。

    柴油機燃燒過程中噴射各區(qū)均可以生成NO，其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和氧原子的濃度、燃燒產(chǎn)物的冷卻速度和滯留時間(即高溫下所占燃燒循環(huán)的時間量)等因素有關(guān)。從理論上講，柴油機NOx排放的形成是無法避免的，但通過控制燃燒過程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時間等可以加以限制。

    3.柴油機控制尾氣排放的機內(nèi)主要凈化措施

    柴油機機內(nèi)凈化的核心是對燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化，使發(fā)動機達(dá)到混合均勻、燃燒充分、工作柔和、啟動可靠、排放較少的要求。采取機內(nèi)凈化是治本之舉，它是通過改進(jìn)柴油機結(jié)構(gòu)參數(shù)或者增加附加裝置來改善燃燒性能，進(jìn)而達(dá)到減少NOx排放的目的。

   提高噴油壓力和減小噴孔直徑。提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低PM的排放。為了避免高壓噴射導(dǎo)致的NOx的增加，要求適當(dāng)降低空氣渦流運動，提高壓縮比和可變定時燃油噴射與其相適應(yīng)。高壓噴油系統(tǒng)需要和燃燒室良好配合，以避免過多燃油噴射到汽缸的冷表面上，減少HC和PM中SOF(有機可溶物)的排放；同時減少噴嘴壓力室容積或采用無壓力室噴油嘴，能使PM和HC排放大大減少；通過燃油噴射率的優(yōu)化，如采用雙彈簧噴油器，可降低PM和NOx的排放。

    進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化。對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，主要目的是在提高充氣效率的同時，合理組織進(jìn)氣渦流，以利于混合氣的形成，提高燃燒速率，并盡量減少NOx的生成。

    進(jìn)氣渦流的優(yōu)化。提高渦流比可使燃燒加速并且完全，其結(jié)果可導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力與溫度的升高，從而使NOx的排放明顯增加；若減少進(jìn)氣渦流的強度雖可減少NOx的排放，但又勢必會犧牲柴油機的動力性和經(jīng)濟性。因此，可采用可變渦流進(jìn)氣道技術(shù)使渦流比在0.2-2.5范圍內(nèi)變化，以兼顧柴油機在整個工況范圍內(nèi)務(wù)個方面的性能。但采用可變渦流進(jìn)氣道技術(shù)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本較高的問題，因而限制了該技術(shù)的推廣。

    改進(jìn)燃燒系統(tǒng)。改進(jìn)燃燒系統(tǒng)指的是燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進(jìn)氣流動的最佳匹配。應(yīng)保證在發(fā)動機整個工況范圍內(nèi)，燃油在燃燒室中均勻分布，有合適的氣體流動，有合理的噴油規(guī)律。

    采用電控制噴油泵、電控泵噴嘴、電子調(diào)速器、可變渦流系統(tǒng)、多氣門化和中央配置噴油器等措施，既可改善柴油機性能，又可降低柴油機尾氣排放物，尤其是顆粒PM物質(zhì)的排放。

    防止機油串入燃燒室。由于柴油機排放顆粒狀物質(zhì)的相當(dāng)部分，是由串入燃燒室的機油的不完全燃燒造成的，所以應(yīng)盡可能地減少串機油量。防止和減少機油串入燃燒室，應(yīng)通過加強機體剛度，改善汽缸蓋與機體的連接，減少汽缸工作面的變形，改善活塞、活塞環(huán)和汽缸表面的設(shè)計，加強機油控制，減少從氣門推桿泄漏機油等措施來實現(xiàn)。

    增壓中冷。柴油機采用進(jìn)氣增壓技術(shù)后，由于壓縮溫度升高，在動力性與經(jīng)濟性提高的同時，NOx的排量也必然增加。但增壓柴油機在采用中冷技術(shù)以后，增壓空氣在進(jìn)入氣缸以前被冷卻，在一定程度上可以抑制NOx的排放。廢氣渦輪增壓提高了汽缸內(nèi)平均有效壓力、過量空氣系數(shù)和整個循環(huán)的平均溫度，可使柴油機顆粒物的排放量降低50%左右，并減少CO和CH的排放。利用中冷技術(shù)，NO的排放量可降低60%-70%。目前，柴油機增壓中冷技術(shù)在中型柴油機上應(yīng)用日益廣泛，小型柴油機上也逐漸在采用。一些新研制的轎車柴油機上也開始采用。廢氣渦輪增壓中冷技術(shù)的應(yīng)用大大提高了汽車柴油機的動力性、改善了燃油經(jīng)濟性，并且還在降低汽車排放有害物、減少溫室效應(yīng)氣CO2、保護(hù)環(huán)境等方面起到了重要作用。為使汽車柴油機滿足歐洲I、Ⅱ法規(guī)，渦輪增壓中冷技術(shù)是一個很好的技術(shù)方案；為滿足更高的排放法規(guī)歐洲Ⅲ、Ⅳ的要求，則必須采用電控可變噴嘴渦輪增壓器。隨著渦輪增壓器技術(shù)和其他先進(jìn)發(fā)動機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，柴油機將會成為真正的低能耗、高環(huán)保性的汽車動力。

    采用柴油電控高壓噴射技術(shù)。柴油電控技術(shù)已從第一代的位置控制、第二代的時間控制發(fā)展到今天的共軌式電控高壓噴射。正在研制或裝機的共軌式噴油系統(tǒng)，可在柴油機運轉(zhuǎn)的整個特牲曲線范圍內(nèi)改變噴油過程。如德國Bosch公司開發(fā)的共軌噴射系統(tǒng)，可自由選擇噴油壓力，高精度控制噴油量，靈活控制噴油定時，并可靈活進(jìn)行預(yù)噴射和多級噴射，對顆粒和煙度的降低很有利。在采用共軌多級噴射系統(tǒng)和電控噴油器的柴油機試驗中觀察到，由于分段噴射加強了空氣的卷吸和紊流，加強了燃油和空氣的混合，可明顯降低煙度。電子控制柴油機高壓噴射技術(shù)(如電控高壓共軌噴射)的應(yīng)用可使柴油機通過最佳噴油定時、最佳噴油率和預(yù)噴射，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷之間的關(guān)系進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，使顆粒排放降低40%以上，并且發(fā)動機過渡工況的排放性能也可得到顯著改善。電控高壓噴射控制對噴油規(guī)律進(jìn)行控制，能根據(jù)發(fā)動機運行工況實現(xiàn)最佳噴油，同時通過控制預(yù)混合燃燒與擴散燃燒的比例，可同時降低有害排放和控制發(fā)動機的空燃比，有利于實現(xiàn)有效的機外凈化措施。

    采用可變技術(shù)。一般發(fā)動機的壓縮比是不可變動的，因為燃燒室容積及氣缸工作容積都是固定的參數(shù)，在設(shè)計中已經(jīng)定好。不過，為了使得現(xiàn)代發(fā)動機能在各種變化的工況中發(fā)揮更好的效率，以變對變來改善發(fā)動機的運行性能。其中氣門可變驅(qū)動技術(shù)早已實現(xiàn)，做為重要參數(shù)的壓縮比，也有人嘗試由固定不變改為“隨機應(yīng)變”。近年紳寶(Saab)開發(fā)的SVC發(fā)動機以改變壓縮比來控制發(fā)動機的燃油消耗量。它的核心技術(shù)就是在缸體與缸蓋之間安裝楔型滑塊，缸體可以沿滑塊的斜面運動，使得燃燒室與活塞頂面的相對位置發(fā)生變化，改變?nèi)紵�室的客積，從而改變壓縮比。其壓縮比范圍可從8：1至14：1之間變化。在發(fā)動機小負(fù)荷時采用高壓縮比以節(jié)約燃油；在發(fā)動機大負(fù)荷時采用低壓縮比，并輔以機械增壓器以實現(xiàn)大功率和高扭矩輸出。紳寶SVC發(fā)動機是1.6L5缸發(fā)動機，每缸缸徑68mm，活塞行程88mm，最大功率166kW，最大扭矩305N·m，綜合油耗比常規(guī)發(fā)動機降低了30%，并且滿足歐洲Ⅳ號排放標(biāo)準(zhǔn)。

    柴油機采用可變技術(shù)使發(fā)動機在不同工況下的性能都較為理想，使不同工況下排放性能和經(jīng)濟性都得到提高，這包括噴油定時的可變控制、可變渦流控制和增壓系統(tǒng)的可變控制，這些措施的合理使用可使HC和顆粒物排放減少近35%。

    改進(jìn)潤滑系統(tǒng)設(shè)計，減少潤滑油轉(zhuǎn)化為50%，可有效降低柴油機的PM排放。增加活塞環(huán)壓力，減少裙部間隙，優(yōu)化活塞環(huán)形狀設(shè)計，提高汽缸套圓度及改進(jìn)進(jìn)氣門挺桿的密封等措施，可有效地降低潤滑油消耗量，使串漏的潤滑油有效地燃燒，也可有效地降低排放。

    采用多氣門技術(shù)。在柴油機上采用多氣門技術(shù)是滿足更嚴(yán)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氣缸中央，從而優(yōu)化了進(jìn)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(jìn)一步優(yōu)化，因而在提高動力性和經(jīng)濟性的同時減少了NOx排放，但增加了成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。例如采用四氣門技術(shù)的缸蓋，可優(yōu)化噴嘴位置，使其垂直置于燃燒室中央。活塞頂?shù)娜紵�室凹坑也同樣處于中心位置或旋轉(zhuǎn)對稱位置，這樣就可在活塞頂燃燒室凹坑內(nèi)形成均勻的氣流，多孔噴嘴噴出的油束處于沿任何方向流量均等的理想狀態(tài)，從而改善了進(jìn)氣渦流和油霧分布的均勻性，達(dá)到了最佳的空氣利用率和降低顆粒排放的效果。

    四氣門結(jié)構(gòu)不僅能提高發(fā)動機功率，而且改善了活塞和噴油器的冷卻條件，可在不同轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)渦流比可變，優(yōu)化了燃燒方式，降低了低轉(zhuǎn)速區(qū)的排放。四氣門結(jié)構(gòu)可減少換熱損失，從而改善了低速扭矩。采用四氣門結(jié)構(gòu)的缺點是增加了柴油機成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了達(dá)到歐美各國嚴(yán)格的排放法規(guī)，小缸徑柴油機上使用四氣門的也越來越多。最小的已在AVL缸徑為85mm的小型轎車柴油機上使用。在燃用汽油的大、中、小型轎車上，多氣門技術(shù)已經(jīng)作為成熟技術(shù)得到了應(yīng)用。在柴油機上應(yīng)用多氣門技術(shù)是國際學(xué)術(shù)界研究熱點之一，國外內(nèi)燃機的氣門最多時已達(dá)到5個，目前已在大型柴油機應(yīng)用的基礎(chǔ)上，逐漸開始在小型柴油機上應(yīng)用，國內(nèi)在這方面的研究尚未成熟。

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