柴油車排放達標及其治理措施

編者按：本文根據車用柴油機排放的主要產物及其影響，闡述了柴油機異常排放煙度時的工況和相關因素；介紹了控制現代柴油車排放的新技術--共軌電控燃油噴射柴油機排氣凈化技術，以及國家對柴油車排放治理的措施。

車用柴油機排放的主要產物及其影響

與汽油機相比，現代車用柴油機具有兩大優點：動力性較高，經濟性較好；具有高效率、低油耗、長壽命、使用可靠等特點。20世紀30年代，世界各國開始將柴油機用于重型車，50年代開始用于輕型車，90年代柴油機轎車有了很大發展。柴油車比汽油車省油三分之一，排放的污染物相對較少。目前，歐洲轎車消費市場上，柴油轎車占40%以上。我國的柴油車發展較晚，但很迅速。到2002年全國汽車產量為325萬輛，其中柴油車99.8萬多輛，約占汽車總量的30%。隨著柴油汽車社會擁有量的迅速增大，柴油車排放對環境的污染問題也引起人們的高度重視。

柴油機工作時排放的產物可分為兩類：一類是可見物，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的重型柴油車的形象稱呼。這類產物中，有些為致癌物質，它們污染環境、阻礙視線。另一類是一般肉眼看不見的物質，如一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx）和二氧化硫(SO2)、碳氫化合物(HC)等。CO對人體有害，而且在大氣中不易自凈；S02有難聞的刺鼻氣味；HC、NO在一定氣候條件下，經太陽光的作用會形成毒性很強的光化學煙霧；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物不僅會對人類生存環境造成污染與破壞，而且由于柴油燃燒不完全，還會造成能源的浪費。碳煙越濃，排放的可燃物越多，對環境的污染越嚴重，能源的浪費就越大。控制的重點是氮氧化物和顆粒污染物。一項調查結果顯示，在全國機動車的排放污染物分擔率中，柴油車占氮氧化物的43%，占顆粒懸浮物的83%。

柴油機的異常排放煙度工況

為了保護環境，減少能源浪費，發達國家從50年代后期先后制定了各種限制汽車排放和柴油機排氣煙度的有關規定與標準，從國家法規的角度約束汽車與柴油機有害物質的排放。隨著汽車設計和柴油機設計制造技術水平的迅速提高，各種有關規定與標準指標不斷修改，日趨嚴格。我國1983年9月14日發布了有關汽油車、柴油車污染物及煙度排放標準，并于1984年4月1日正式實施。按照國家標準，只要柴油機的排放煙度在規定指標范圍內，對環境的危害可大為降低。遺憾的是，在實際生產與生活中，人們常常會看到濃煙滾滾的柴油車，這時的柴油機已處于一種非正常排放煙度的工作狀況（以下簡稱非正常煙度工況）。在這種工況下，柴油機雖然沒有喪失工作能力，但其動力性、經濟性都已有所下降。從宏觀經濟效益和社會環境效益的角度看，柴油機非正常煙度工況時間越長，其危害性就越大。因此，盡可能避免柴油機發生異常煙度工況和減少異常煙度工況出現的時間，有著十分積極的意義。

影響柴油機異常煙度工況的相關因素

1.柴油機結構設計的性能與工作可靠性

柴油機的結構設計決定了柴油機的基本功能能否發揮；決定了柴油機的生產與使用工藝性的好壞；決定了柴油機動力性、經濟性與可靠性的好壞。在相同的使用條件下，不同結構特點的柴油機，其非正常煙度工況的時間有長有短。其原因雖然很多，但從根本上說，是因為各種不同柴油機保證柴油在汽缸內充分燃燒做功的性能及這種性能保證的可靠程度的差異。碳煙主要是燃油在汽缸內燃燒時在某一溫度與壓力條件下，缺氧造成油料裂解聚合的產物。碳煙的排放大小與燃燒室結構、過量空氣系數等因素有關。實際生產中，排放煙度的大小受如下具體因素的影響：燃燒室類型和汽缸壓力；燃油噴入汽缸內數量的多少與燃油霧化質量的好壞；燃油噴入汽缸內的時間正時狀況。上述三方面因素是否恰當，直接或間接的涉及到柴油機各系統與機構的工作性能。而柴油機各系統與機構工作性能的好壞及可靠程度，也反映了柴油機的設計水平。很顯然，只有性能優良和可靠性高的柴油機，才具有較少的異常煙度工況時間，才符合社會發展及環境保護的要求。

2.柴油機的制造質量

柴油機的制造質量首先應保證達到柴油機設計的性能規范指標。為此，從零部件的制造質量到產品的裝配調試質量及包裝、運輸等，都應達到規定的質量標準。為了保證柴油機的正常使用，還必須配備詳細的技術要求使用說明及必要的售后技術服務。柴油機制造質量的好壞，不僅表現在達到規定性能指標的優劣程度，也表現在能否較可靠的保證其正常工作和正常工作時間的長短。因此，制造質量優良的柴油機，是減少柴油機故障工作時間和停工待修時間的基本條件；不斷提高柴油機的制造質量水平，是減少異常煙度工況時間的重要環節。

3.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時間的長短與出現的幾率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、維修服務機構及人員；油料、配件供應；教育培訓與行政管理。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濟性。近年來，柴油車的社會保有量在迅速增長，但由于駕駛員缺乏對柴油車基本使用常識的了解，出現了一些不該發生的事故。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量。

柴油車在使用過程中因磨損等原因導致零件失效、工作失常，不可避免地需要進行維護與修理。能否及時、正確的修理，修理質量的好壞，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的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，都可能導致柴油車排放濃煙，若能及時更換、調整與修復，即可有效縮短異常煙度工況時間。經修理后的柴油車，其性能指標理應達到規定的技術要求，包括應達到規定的動力性、經濟性及排放煙度指標。但實際生產中，經修理后的柴油車，其性能與排放指標是否達到規定標準，常常是根據送修和承修雙方的感覺確定的，這種感覺是否正確，取決于二者的實際經驗與要求。因此，通過犧牲排放指標來滿足動力性指標的情況時有發生，出現異常煙度工況也就在所難免。

油料、配件供應情況對柴油車異常煙度工況的影響，主要表現在供應油料、配件的質量問題上。目前，油料、配件供應質量上存在的主要問題是假冒偽劣產品太多。劣質油料、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的蓬勃發展，除了有柴油車社會擁有量的迅速增多的原因以外，劣質油料、配件的使用也是重要的原因。

教育培訓的目的，是使人們掌握柴油機的運行規律與技術要求。實際生產中表現出來的很多技術問題，從根本上說是人員的素質問題。教育培訓是多層次、全方位的。除專門的技術教育院校、科研機構要做教育培訓工作外，還應有各種專業短期培訓班以及科普知識宣傳教育。讓人們都知道，柴油車冒煙污染環境與每個社會成員的健康和生存緊密相關，應該自覺的為此做出有益的貢獻。

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法規的制定和監督檢查，可以有效的制止和限制異常煙度工況的出現。

控制柴油車排放的新技術——柴油機共軌電控燃油噴射

盡管柴油車與汽油車相比排放的污染物較少，但隨著社會保有量的增加，柴油車排放的尾氣對環境的污染得到重視，世界各國業已開始尋找和采取有效措施減少和控制柴油車污染物的排放。柴油機共軌電控燃油噴射技術是一項較為成功的控制污染排放的新技術。

共軌電控燃油噴射技術，通過共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個噴油器，并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關閥的開啟與閉合，定時、定量的控制噴油器噴射至柴油機燃燒室的油量，從而保證柴油機達到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的點火時間、足夠的點火能量和最少的污染排放。目前，該項新技術已開始在國外以柴油機提供動力的汽車上投入使用。

柴油機共軌電控燃油噴射技術的主要特點：采用先進的電子控制裝置及配有高速電磁開關閥；采用共軌方式供油；高速電磁開關閥頻響高，控制靈活；系統結構移植方便，適應范圍寬。這一技術的研究與開發，需解決高壓共軌系統的恒高壓密封問題；解決高壓共軌系統中共軌壓力的微小波動所造成的噴油量不均勻問題；解決高壓共軌系統的MAP(三維控制數據表)優化問題；解決微結構、高頻響電磁開關閥設計與制造過程中的關鍵技術問題。

柴油機排氣凈化技術

近年來，柴油機排放控制技術的發展主要圍繞以下幾個方面進行。

1.燃燒系統直噴技術

柴油機污染物的排放量很大程度上取決于汽缸內的燃燒過程，改進燃燒過程的各個環節(如燃燒噴射系統、進氣系統、進氣口形狀和燃燒室形狀等)都會改善燃燒過程。燃燒系統直噴技術的燃燒效率高，比非直噴式系統節油5%-10%，但要求發動機吸入較多的空氣。目前，這種技術基本上成熟，對控制柴油機排放污染起到了一定的作用。預計不久的將來，相比分隔式燃燒系統，直噴技術將占主導地位。

2.廢氣渦輪增壓與中冷技術

廢氣渦輪增壓技術是使發動機輕量化、提高輸出功率的有效措施，也是現代柴油機的代表性技術。經廢氣渦輪增壓后，進氣溫度提高，滯燃期縮短，混合氣適當變稀，使噪聲、CO和HC排放以及油耗都有所降低。但是，進氣溫度上升使NOX增多，空氣密度因溫升而下降，也使進氣量未達到期望水平。于是出現了將增壓后的空氣再進行冷卻的中冷技術，使進氣溫度降低，循環進氣量更大，NOX排放下降而功率進一步增加。實踐證明：采用廢氣渦輪增壓與中冷技術可使柴油機功率提高200%，NOX降低80%，微粒減少90%，耗油量降低16%。

3.燃油噴射高壓化和多次噴射技術

燃油噴射系統是柴油機的心臟。傳統的泵噴嘴系統的噴油壓力比較低，一般不超過50MPa，而現代燃油噴射系統除泵噴嘴外，還有新型的共軌系統，噴油壓力普遍提高，可達140MPa。柴油機噴油壓力越高，燃油和空氣的混合就越好，排煙就越少。與此同時，將電子技術應用于燃油噴射過程的控制，可非常精確的控制噴油量和噴油時間，以適應不同的道路工況；具有自適應能力，可以補償零件磨損和零件制造偏差引起的變化，以取得NOX、微粒排放量和燃油經濟性之間的最佳配合。采用燃油多次噴射技術可以實現柔和燃燒，亦可減少柴油機碳煙與顆粒的排放。

4.多氣門技術

目前，車用中、小型柴油機正向多氣門方向發展，以加大循環充氣量，改善其動力性、經濟性及排放性能。柴油機使用四氣門(兩進兩排)技術，可增大進氣通過的最小截面積，增加循環進氣量，提高柴油機功率和轉速；可實現噴油嘴正中布置，保證各噴嘴噴注的形態和混合氣條件相同，使噴注分布和混合氣形成更加合理；低速時可通過關閉一個進氣道來提高缸內旋流速度，并通過特殊設計，充分利用進氣慣性來提高低速進氣量。以上各點對減少有害排放物都是有利的，特別是低速渦流比和進氣量的提高，部分解決了傳統機型低速性能較差的問題。

5.排氣后處理技術

盡管有多種柴油機排氣后處理技術方案被提出并被研制開發，但目前被認為較實用的僅有氧化催化轉化器、微粒捕集器和NOX還原催化轉化器，其中微粒捕集器是目前國際上最接近商品化的柴油機微粒后處理技術。目前應用最多的是美國康寧公司和日本NGK公司生產的壁流式蜂窩陶瓷微粒捕集器。與一般催化劑載體不同的是，這種微粒捕集器的壁面是多孔陶瓷，相鄰的兩個通道中，一個通道的出口側被堵住，而另一通道的進口側被堵住。這就迫使排氣由入口敞開的通道進入，穿過多孔陶瓷壁面進入相鄰的出口敞開通道，而微粒就被過濾在通道壁面上。這種微粒捕集器對碳煙的過濾率達90%以上，可溶性有機成分SOF(主要是高沸點HC)也能部分被捕集。

國產柴油汽車排放治理措施

國家環保總局最近公布了柴油車排放污染防治技術政策，提出要在不同階段達到相應的尾氣排放標準，從根本上解決柴油車的尾氣污染問題。目前，我國正在執行的柴油車污染物排放標準相當于歐Ⅰ標準。而新公布的技術政策則為我國柴油車產業確定了尾氣達標的時間表：我國柴油車在2004年前后要達到歐Ⅱ標準，2008年達到歐Ⅲ標準，2010年之后爭取與國際排放控制水平接軌。國家環保總局發布的《關于實施國家第二階段機動車排放標準的公告》，要求從2003年9月1日起，所有進行定型的重型汽車，必須符合相當于歐Ⅱ標準的國家第二階段核準的排放限值。這標志著我國機動車排放污染控制進入了一個新的階段。凡不符合上述標準要求的車、機型不得核準定型，未經國家環保總局核準定型的車、發動機型視同排放不達標，不得制造、進口、銷售和注冊登記。目前，國產車用柴油機大都達到了歐Ⅱ標準，歐Ⅲ發動機的開發也已經啟動。

我國機動車第二階段排放標準（相當于歐Ⅱ標準）正式實施后，國內主要汽車發動機廠的技術開發重心已由歐Ⅱ轉向歐Ⅲ，有的甚至瞄著歐Ⅳ。除合資企業和引進技術的廠家外，更多的汽車發動機企業樂于與外國公司聯手開發具有自主知識產權的高檔發動機技術和產品。

中國引進的發動機技術能夠滿足歐Ⅱ和歐Ⅲ標準，但發動機再好再先進，油品質量不達標也將無濟于事。換句話說，現在影響柴油車達標的主要障礙不是發動機，而是油品。油品是中國工業生產的基礎，受國家政策的影響很大。雖然改進的技術難度比較大，如果國家重視，柴油生產企業投資大，就會很快適應發動機的需要。

柴油車非正常煙度工況既影響動力性與經濟性，又污染環境，應盡量減少其出現的機會與時間。柴油機車非正常煙度工況受柴油車制造與運用的社會系統中各因素的影響。解決非正常煙度工況問題既是工業技術問題，也是社會經濟發展和環境保護問題。應從各方面采取措施，如提高人的素質，提高柴油車的設計制造質量，改善社會運用條件和提高管理服務水平等。