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几种降低柴油机有害排放物的控制技术
柴油机的有害排放物是造成大气污染的一个主要来源，随着环境保护题目重要性的日趋增加，降低柴油机有害排放物这一目标成为当今世界上柴油机发展的一个重要方向。为了减少柴油排放对大气的污染，开展柴油机有害排放物控制方法的研究，是从事柴油机设计者的首要任务，本文在这里简述几种降低有害排放物的控制技术。
1柴油机有害排放物及其危害
柴油机排气中包含各种成分，其基本成分是二氧化碳（CO2），水蒸气（H2O），过剩的氧气（O2）以及存留下来的氮气（N2）等。他们是燃料和空气完全燃烧后的产物，从毒物学的观点看，排气中的这些成分是无害的，除上述基本成分外，柴油机排气中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC），氮氧化合物（NOX），微粒（PT）及醛类生平。这些成分的质量总和在柴油机排气中所占的比例固然还不到1%，但它们大部分是有害的，或有强烈刺激的臭味，有的还有致癌作用，因此被列为有害排放物。
2控制方法之一——高压共轨喷射系统
柴油机降低排放的对策主要是改善燃烧，而喷射系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素，要改进传统的由柱塞泵分缸脉动喷射系统难度较大，高压共轨喷射系统正是顺应上述需求而诞生，且正得到了很大发展。它被世界内燃机行业公以为二十世纪三大突破之一（另外两项是汽油直喷技术和DME代用燃料）。
高压共轨喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷射系统。它主要有高压泵，带调压阀的共轨管，带电磁阀的喷油器，ECV（电子控制单元）和各种传感器组成高压共轨系统不再用柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波，再通过各高压油管输送到喷油器上，由喷油器上的电磁阀的动作控制喷油的开始和终止。电磁阀作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原理，因此又可称为压力时间控制式控喷射系统。
高压共轨喷射系统的特点是；喷油压力的建立与喷油过程无关；喷油压力，喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响；喷油定时与喷油计量完全分开，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点；能实现预喷射，快速停喷和多段喷射。因此高压共轨喷射系统通过对喷油要素的优化控制柴油机燃烧更充分，从而减少燃烧中有害物的形成，使柴油机的有害排放，噪声排放和冷起动性能都得到很大改善。
3控制方法之二——废气再循环系统
1柴油机有害排放物及其危害
柴油机排气中包含各种成分，其基本成分是二氧化碳（CO2），水蒸气（H2O），过剩的氧气（O2）以及存留下来的氮气（N2）等。他们是燃料和空气完全燃烧后的产物，从毒物学的观点看，排气中的这些成分是无害的，除上述基本成分外，柴油机排气中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC），氮氧化合物（NOX），微粒（PT）及醛类生平。这些成分的质量总和在柴油机排气中所占的比例固然还不到1%，但它们大部分是有害的，或有强烈刺激的臭味，有的还有致癌作用，因此被列为有害排放物。
2控制方法之一——高压共轨喷射系统
柴油机降低排放的对策主要是改善燃烧，而喷射系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素，要改进传统的由柱塞泵分缸脉动喷射系统难度较大，高压共轨喷射系统正是顺应上述需求而诞生，且正得到了很大发展。它被世界内燃机行业公以为二十世纪三大突破之一（另外两项是汽油直喷技术和DME代用燃料）。
高压共轨喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷射系统。它主要有高压泵，带调压阀的共轨管，带电磁阀的喷油器，ECV（电子控制单元）和各种传感器组成高压共轨系统不再用柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波，再通过各高压油管输送到喷油器上，由喷油器上的电磁阀的动作控制喷油的开始和终止。电磁阀作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原理，因此又可称为压力时间控制式控喷射系统。
高压共轨喷射系统的特点是；喷油压力的建立与喷油过程无关；喷油压力，喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响；喷油定时与喷油计量完全分开，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点；能实现预喷射，快速停喷和多段喷射。因此高压共轨喷射系统通过对喷油要素的优化控制柴油机燃烧更充分，从而减少燃烧中有害物的形成，使柴油机的有害排放，噪声排放和冷起动性能都得到很大改善。
3控制方法之二——废气再循环系统
废气再循环系统是将柴油机产生的废气的一小部分再送回气缸。由于柴油机中富余的氧气较多，当送回汽缸的废气与新鲜空气混合后，该过程导致气缸内氧气浓度降低，使燃烧速度减慢，燃烧温度下降，从而减少有害成分氮氧化物（NOX）的形成。
目前采用和研究废气再循环系统有多种类型，日野汽车公司开发的脉冲式废气再循环系统在柴油机进气过程中，排气门稍有提升，使部分高压废气回流到汽缸内。排气门的这个作用是通过修改排气门凸轮的外形和将废气再循环系统微升来实现的。
在脉冲式废气再循环系统中，废气被重新送回气缸内，因此废气的压力应高到足以负气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时，从而利用废气的压力波才能实现，在该废气再循环系统中，废气压力“脉冲”被有效利用。
增压中冷柴油机实现废气再循环还有另外两种方式，一种是将涡轮前的排气引进中冷器之后，称为高压废气反向。采用可变截面涡轮增压器，可以扩大废气再循环有效工作范围，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT），燃油耗也不升高，这可能是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最好方法。
另一种是将涡轮后的排气引进压气机之前，称为低压废气再循环系统，它可有效降低氮氧化物（NOX），而废气循环工作范围较大，与柴油机匹配能有效地发挥其功能。
4控制方法之三——增压中冷技术
所谓增压，就是增加进进柴油机汽缸内的空气密度。中冷则是将压缩后的空气的温度降低。因此，柴油机采用增压中冷系统后，滞燃期缩短，在稀烯火焰熄灭区内积存的燃油量较少，从而减少排气中有害成分碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）的天生。目前，增压方法主要有机械增压三种方式。其中废气涡轮增压器主要是由涡轮和压气机组成，它与柴油机没有机械传动联系，柴油机排出的废气经排气管进进涡轮，对涡轮作功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸进外界空气并压缩后送至柴油机进气管。增压中冷柴油机在压气机出口和柴油机进气管进口之间增设中间冷却器（简称中冷器），使压缩后的空气的温度下降，密度增大。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低，以及机械负荷加未几的条件下，大幅度地进步柴油机的功率，降低有害物的排放。
由于废气涡轮增压方式与机械增压和气波增压方式比较，结构简单，工作可靠，在柴油机上得到普遍采用，其他两种增压方式基本不使用。
5控制方法之四——微粒捕集器
目前采用和研究废气再循环系统有多种类型，日野汽车公司开发的脉冲式废气再循环系统在柴油机进气过程中，排气门稍有提升，使部分高压废气回流到汽缸内。排气门的这个作用是通过修改排气门凸轮的外形和将废气再循环系统微升来实现的。
在脉冲式废气再循环系统中，废气被重新送回气缸内，因此废气的压力应高到足以负气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时，从而利用废气的压力波才能实现，在该废气再循环系统中，废气压力“脉冲”被有效利用。
增压中冷柴油机实现废气再循环还有另外两种方式，一种是将涡轮前的排气引进中冷器之后，称为高压废气反向。采用可变截面涡轮增压器，可以扩大废气再循环有效工作范围，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT），燃油耗也不升高，这可能是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最好方法。
另一种是将涡轮后的排气引进压气机之前，称为低压废气再循环系统，它可有效降低氮氧化物（NOX），而废气循环工作范围较大，与柴油机匹配能有效地发挥其功能。
4控制方法之三——增压中冷技术
所谓增压，就是增加进进柴油机汽缸内的空气密度。中冷则是将压缩后的空气的温度降低。因此，柴油机采用增压中冷系统后，滞燃期缩短，在稀烯火焰熄灭区内积存的燃油量较少，从而减少排气中有害成分碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）的天生。目前，增压方法主要有机械增压三种方式。其中废气涡轮增压器主要是由涡轮和压气机组成，它与柴油机没有机械传动联系，柴油机排出的废气经排气管进进涡轮，对涡轮作功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸进外界空气并压缩后送至柴油机进气管。增压中冷柴油机在压气机出口和柴油机进气管进口之间增设中间冷却器（简称中冷器），使压缩后的空气的温度下降，密度增大。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低，以及机械负荷加未几的条件下，大幅度地进步柴油机的功率，降低有害物的排放。
由于废气涡轮增压方式与机械增压和气波增压方式比较，结构简单，工作可靠，在柴油机上得到普遍采用，其他两种增压方式基本不使用。
5控制方法之四——微粒捕集器
柴油机微粒捕集器，可将排气中微粒捕捉不使其排出机外，再利用催化剂，氧化器，燃烧器等进行分解、燃烧。这利装置可将柴油机排气中有害物微粒减少70%-90%。
用来捕集微粒的过滤器的材料和结构有很多种，常用的有整体式陶瓷，金属丝网，纺织纤维圈，陶瓷纤维，泡沫陶瓷等。这些过滤材料的捕集原理一般以为有以下几种：
1碰撞机理：柴油机废气流经捕集单元时，其流线发生了多次拐弯，在流线拐弯处，较大的微粒由于运动惯性大多脱离原来的流线与捕集单元相碰，并吸附或沉积于其上。
2截流机理：柴油机废气流经捕集单元时发生两种情况，一是粒径比过滤材料孔隙大的微粒就被挡住并被粘附住，即发生筛滤效应；二是粒径比过滤材料孔隙小的微粒由于粘着与聚合作用而部分被截流。
3扩散原理：柴油机废气中的微粒物由于气体分子热运动的碰撞而产生布朗运动，县城越小的微粒越明显，又会造成扩散效应。当废气流经捕集单元时，纤维状的捕集单元对微粒的运动起到了汇合的作用，从而有可能将微粒捕集。
4重力沉降机理：当缓慢运行的柴油机废气流经捕集器时，废气逗留时间比较长，较大的粒子的可能在重力作用下发生脱离流线的位移而沉淀在捕集单元上。
排气系统中安装微粒捕集器后将会使柴油机的排气背压进步。功率下降，捕集材料上沉积的微粒越多，排气背压越高。因此，必须定期清除沉积在过滤材料上的微粒。
清除沉积在过滤材料上的微粒的过程为捕集器的再生。在柴油机正常工作的转速和负荷下，排气温度一般在250-500℃，而微粒的燃点一般为550-600℃，依靠柴油机的排气很难使捕集器再生。要使捕集器再生必须降低微粒的燃点或进步排气温度。通过在燃油中加进添加剂或在过滤材料表面涂催化层可以降低微粒的燃点，使微粒能在较低的温度下燃烧掉，一般称主动再生。另一种是利用外部能源，如电热器加热补燃和燃烧器加热补燃来进步排气温度将捕集器材料上的微粒燃烧掉，一般称为被动再生。被动再生是一种定期再生，需要复杂的检测和控制技术以决定再生时间。当前，捕集器再生将主动再生和被动再生技术结合起来，效果明显。
6控制方法之五——催化净化装置
催化净化装置是一种内部装有催化剂的装置，装在发动机的排气管中。催化剂能使发动机排气中的有害成分加速转变成无害成分。催化净化方法有两种，一种是催化氧化法，它以铂，钯，黄金，钴，镍等金属及其氧化作为催化剂，使有害成分一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）氧化成无害成分二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）。另一种是催化还原法，它以碱金属，钴铬合金作为催化剂，使有害成分氮氧化合物（NOX）还原为氮气（N2）和氧气（O2）。
1碰撞机理：柴油机废气流经捕集单元时，其流线发生了多次拐弯，在流线拐弯处，较大的微粒由于运动惯性大多脱离原来的流线与捕集单元相碰，并吸附或沉积于其上。
2截流机理：柴油机废气流经捕集单元时发生两种情况，一是粒径比过滤材料孔隙大的微粒就被挡住并被粘附住，即发生筛滤效应；二是粒径比过滤材料孔隙小的微粒由于粘着与聚合作用而部分被截流。
3扩散原理：柴油机废气中的微粒物由于气体分子热运动的碰撞而产生布朗运动，县城越小的微粒越明显，又会造成扩散效应。当废气流经捕集单元时，纤维状的捕集单元对微粒的运动起到了汇合的作用，从而有可能将微粒捕集。
4重力沉降机理：当缓慢运行的柴油机废气流经捕集器时，废气逗留时间比较长，较大的粒子的可能在重力作用下发生脱离流线的位移而沉淀在捕集单元上。
排气系统中安装微粒捕集器后将会使柴油机的排气背压进步。功率下降，捕集材料上沉积的微粒越多，排气背压越高。因此，必须定期清除沉积在过滤材料上的微粒。
清除沉积在过滤材料上的微粒的过程为捕集器的再生。在柴油机正常工作的转速和负荷下，排气温度一般在250-500℃，而微粒的燃点一般为550-600℃，依靠柴油机的排气很难使捕集器再生。要使捕集器再生必须降低微粒的燃点或进步排气温度。通过在燃油中加进添加剂或在过滤材料表面涂催化层可以降低微粒的燃点，使微粒能在较低的温度下燃烧掉，一般称主动再生。另一种是利用外部能源，如电热器加热补燃和燃烧器加热补燃来进步排气温度将捕集器材料上的微粒燃烧掉，一般称为被动再生。被动再生是一种定期再生，需要复杂的检测和控制技术以决定再生时间。当前，捕集器再生将主动再生和被动再生技术结合起来，效果明显。
6控制方法之五——催化净化装置
催化净化装置是一种内部装有催化剂的装置，装在发动机的排气管中。催化剂能使发动机排气中的有害成分加速转变成无害成分。催化净化方法有两种，一种是催化氧化法，它以铂，钯，黄金，钴，镍等金属及其氧化作为催化剂，使有害成分一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）氧化成无害成分二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）。另一种是催化还原法，它以碱金属，钴铬合金作为催化剂，使有害成分氮氧化合物（NOX）还原为氮气（N2）和氧气（O2）。
目前催化净化装置有氧化催化反应装置和三元催化反应装置。氧化催化反应装置仅依靠氧化反应降低有害成分一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC），柴油机和汽油机都适用。三元催化反应装置则氧化与还原反应同时进行，能使一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）三种有害成分同时得到净化处理，它要求发动机的空燃比精确地控制在理论空燃比四周的最佳范围内，以保证同时对三种有害成分高效率净化，因此，三元催化反应装置一般与燃油电子喷射发动机一起使用，用氧传感器检测排气中的氧浓度，反馈控制发动机的空燃比范围。由于柴油机排气中残留的氧量较多，使氧传感器的控制不灵敏，故三元催化反应装置一般不用于柴油机，而只用于汽油机。
7控制方法之六——采用代用燃料
当前，世界石油制品的消耗量逐年上升，石油资源日益枯竭。国际油价居高不下，积极寻找并研究代用燃料以成为降低有害物排放的另一个方向。二甲醛（DME）就是一种很有前途的代用燃料，其化学分子式为CH3—O—CH3，原来用于喷雾产业。通过Danish公司的革新，其产业生产本钱明显降低，基本上达到与柴油机同的价格水平，并且DME可由煤自然气、甚至生物来制取，用于甲醛时的NOX值较用柴油时可降低50%以上。
采用二甲醛的特点是，由于其喷射压力低，所以当最高喷射压力为25-35MPa时就可获得满足的功率、油耗和排放指标。其条件条件是喷射系统应设计成共轨式，并且需要特殊的防护措施。
综上所述，随着柴油机的广泛使用，柴油机的环境污染，噪声污染、冷起动性能及振动，已经成为衡量柴油机的技术水平的重要指标，同时也是决定柴油性能否继续扩大其市场占有率的主要因素之一。因此，要满足现行及未来的排放法规，就必须降低有害物质CO、HC、NOx和微粒的排放，也即是采取各种技术措施，从而获得良好的动力性，经济性和低排放目标。
7控制方法之六——采用代用燃料
当前，世界石油制品的消耗量逐年上升，石油资源日益枯竭。国际油价居高不下，积极寻找并研究代用燃料以成为降低有害物排放的另一个方向。二甲醛（DME）就是一种很有前途的代用燃料，其化学分子式为CH3—O—CH3，原来用于喷雾产业。通过Danish公司的革新，其产业生产本钱明显降低，基本上达到与柴油机同的价格水平，并且DME可由煤自然气、甚至生物来制取，用于甲醛时的NOX值较用柴油时可降低50%以上。
采用二甲醛的特点是，由于其喷射压力低，所以当最高喷射压力为25-35MPa时就可获得满足的功率、油耗和排放指标。其条件条件是喷射系统应设计成共轨式，并且需要特殊的防护措施。
综上所述，随着柴油机的广泛使用，柴油机的环境污染，噪声污染、冷起动性能及振动，已经成为衡量柴油机的技术水平的重要指标，同时也是决定柴油性能否继续扩大其市场占有率的主要因素之一。因此，要满足现行及未来的排放法规，就必须降低有害物质CO、HC、NOx和微粒的排放，也即是采取各种技术措施，从而获得良好的动力性，经济性和低排放目标。
（选自电控之家）
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