柴油車排放達(dá)標(biāo)及其治理措施

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

車用柴油機(jī)排放的主要產(chǎn)物及其影響

與汽油機(jī)相比，現(xiàn)代車用柴油機(jī)具有兩大優(yōu)點：動力性較高，經(jīng)濟(jì)性較好；具有高效率、低油耗、長壽命、使用可靠等特點。20世紀(jì)30年代，世界各國開始將柴油機(jī)用于重型車，50年代開始用于輕型車，90年代柴油機(jī)轎車有了很大發(fā)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(fā)展較晚，但很迅速。到2002年全國汽車產(chǎn)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(huán)境的污染問題也引起人們的高度重視。

柴油機(jī)工作時排放的產(chǎn)物可分為兩類：一類是可見物，即顆粒狀物，如碳粒、重碳?xì)浠?、硫酸鹽、油氣、水氣及灰分等，“墨斗魚”是人們對尾氣排放嚴(yán)重超標(biāo)的重型柴油車的形象稱呼。這類產(chǎn)物中，有些為致癌物質(zhì)，它們污染環(huán)境、阻礙視線。另一類是一般肉眼看不見的物質(zhì)，如一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx）和二氧化硫(SO2)、碳?xì)浠衔?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(jīng)太陽光的作用會形成毒性很強(qiáng)的光化學(xué)煙霧；NOx和SOx易溶于水形成酸雨。顯然，柴油機(jī)工作時排出的燃燒產(chǎn)物不僅會對人類生存環(huán)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(huán)境的污染越嚴(yán)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(diào)查結(jié)果顯示，在全國機(jī)動車的排放污染物分擔(dān)率中，柴油車占氮氧化物的43%，占顆粒懸浮物的83%。

柴油機(jī)的異常排放煙度工況

為了保護(hù)環(huán)境，減少能源浪費，發(fā)達(dá)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(jī)排氣煙度的有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)，從國家法規(guī)的角度約束汽車與柴油機(jī)有害物質(zhì)的排放。隨著汽車設(shè)計和柴油機(jī)設(shè)計制造技術(shù)水平的迅速提高，各種有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)不斷修改，日趨嚴(yán)格。我國1983年9月14日發(fā)布了有關(guān)汽油車、柴油車污染物及煙度排放標(biāo)準(zhǔn)，并于1984年4月1日正式實施。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，只要柴油機(jī)的排放煙度在規(guī)定指標(biāo)范圍內(nèi)，對環(huán)境的危害可大為降低。遺憾的是，在實際生產(chǎn)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(jī)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(jī)雖然沒有喪失工作能力，但其動力性、經(jīng)濟(jì)性都已有所下降。從宏觀經(jīng)濟(jì)效益和社會環(huán)境效益的角度看，柴油機(jī)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(jī)發(fā)生異常煙度工況和減少異常煙度工況出現(xiàn)的時間，有著十分積極的意義。

影響柴油機(jī)異常煙度工況的相關(guān)因素

1.柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的性能與工作可靠性

柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了柴油機(jī)的基本功能能否發(fā)揮；決定了柴油機(jī)的生產(chǎn)與使用工藝性的好壞；決定了柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性的好壞。在相同的使用條件下，不同結(jié)構(gòu)特點的柴油機(jī)，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(jī)保證柴油在汽缸內(nèi)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(nèi)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(chǎn)物。碳煙的排放大小與燃燒室結(jié)構(gòu)、過量空氣系數(shù)等因素有關(guān)。實際生產(chǎn)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(nèi)數(shù)量的多少與燃油霧化質(zhì)量的好壞；燃油噴入汽缸內(nèi)的時間正時狀況。上述三方面因素是否恰當(dāng)，直接或間接的涉及到柴油機(jī)各系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)的工作性能。而柴油機(jī)各系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)工作性能的好壞及可靠程度，也反映了柴油機(jī)的設(shè)計水平。很顯然，只有性能優(yōu)良和可靠性高的柴油機(jī)，才具有較少的異常煙度工況時間，才符合社會發(fā)展及環(huán)境保護(hù)的要求。

2.柴油機(jī)的制造質(zhì)量

柴油機(jī)的制造質(zhì)量首先應(yīng)保證達(dá)到柴油機(jī)設(shè)計的性能規(guī)范指標(biāo)。為此，從零部件的制造質(zhì)量到產(chǎn)品的裝配調(diào)試質(zhì)量及包裝、運(yùn)輸?shù)龋紤?yīng)達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。為了保證柴油機(jī)的正常使用，還必須配備詳細(xì)的技術(shù)要求使用說明及必要的售后技術(shù)服務(wù)。柴油機(jī)制造質(zhì)量的好壞，不僅表現(xiàn)在達(dá)到規(guī)定性能指標(biāo)的優(yōu)劣程度，也表現(xiàn)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(zhì)量優(yōu)良的柴油機(jī)，是減少柴油機(jī)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(jī)的制造質(zhì)量水平，是減少異常煙度工況時間的重要環(huán)節(jié)。

3.柴油車的社會運(yùn)用條件

柴油車的社會運(yùn)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(xiàn)時間的長短與出現(xiàn)的幾率在很大程度上取決于此。柴油車的社會運(yùn)用條件涉及面很寬，主要有駕駛員、維修服務(wù)機(jī)構(gòu)及人員；油料、配件供應(yīng)；教育培訓(xùn)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(jīng)濟(jì)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(xiàn)了一些不該發(fā)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(zhì)量。

柴油車在使用過程中因磨損等原因?qū)е铝慵?、工作失常，不可避免地需要進(jìn)行維護(hù)與修理。能否及時、正確的修理，修理質(zhì)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(dǎo)致柴油車排放濃煙，若能及時更換、調(diào)整與修復(fù)，即可有效縮短異常煙度工況時間。經(jīng)修理后的柴油車，其性能指標(biāo)理應(yīng)達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求，包括應(yīng)達(dá)到規(guī)定的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放煙度指標(biāo)。但實際生產(chǎn)中，經(jīng)修理后的柴油車，其性能與排放指標(biāo)是否達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，常常是根據(jù)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(jīng)驗與要求。因此，通過犧牲排放指標(biāo)來滿足動力性指標(biāo)的情況時有發(fā)生，出現(xiàn)異常煙度工況也就在所難免。

油料、配件供應(yīng)情況對柴油車異常煙度工況的影響，主要表現(xiàn)在供應(yīng)油料、配件的質(zhì)量問題上。目前，油料、配件供應(yīng)質(zhì)量上存在的主要問題是假冒偽劣產(chǎn)品太多。劣質(zhì)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(jī)維修行業(yè)的蓬勃發(fā)展，除了有柴油車社會擁有量的迅速增多的原因以外，劣質(zhì)油料、配件的使用也是重要的原因。

教育培訓(xùn)的目的，是使人們掌握柴油機(jī)的運(yùn)行規(guī)律與技術(shù)要求。實際生產(chǎn)中表現(xiàn)出來的很多技術(shù)問題，從根本上說是人員的素質(zhì)問題。教育培訓(xùn)是多層次、全方位的。除專門的技術(shù)教育院校、科研機(jī)構(gòu)要做教育培訓(xùn)工作外，還應(yīng)有各種專業(yè)短期培訓(xùn)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(huán)境與每個社會成員的健康和生存緊密相關(guān)，應(yīng)該自覺的為此做出有益的貢獻(xiàn)。

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(guān)法規(guī)的制定和監(jiān)督檢查，可以有效的制止和限制異常煙度工況的出現(xiàn)。

控制柴油車排放的新技術(shù)——柴油機(jī)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(huán)境的污染得到重視，世界各國業(yè)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(jī)共軌電控燃油噴射技術(shù)是一項較為成功的控制污染排放的新技術(shù)。

共軌電控燃油噴射技術(shù)，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(guān)閥的開啟與閉合，定時、定量的控制噴油器噴射至柴油機(jī)燃燒室的油量，從而保證柴油機(jī)達(dá)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(shù)已開始在國外以柴油機(jī)提供動力的汽車上投入使用。

柴油機(jī)共軌電控燃油噴射技術(shù)的主要特點：采用先進(jìn)的電子控制裝置及配有高速電磁開關(guān)閥；采用共軌方式供油；高速電磁開關(guān)閥頻響高，控制靈活；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍寬。這一技術(shù)的研究與開發(fā)，需解決高壓共軌系統(tǒng)的恒高壓密封問題；解決高壓共軌系統(tǒng)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(tǒng)的MAP(三維控制數(shù)據(jù)表)優(yōu)化問題；解決微結(jié)構(gòu)、高頻響電磁開關(guān)閥設(shè)計與制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

柴油機(jī)排氣凈化技術(shù)

近年來，柴油機(jī)排放控制技術(shù)的發(fā)展主要圍繞以下幾個方面進(jìn)行。

1.燃燒系統(tǒng)直噴技術(shù)

柴油機(jī)污染物的排放量很大程度上取決于汽缸內(nèi)的燃燒過程，改進(jìn)燃燒過程的各個環(huán)節(jié)(如燃燒噴射系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、進(jìn)氣口形狀和燃燒室形狀等)都會改善燃燒過程。燃燒系統(tǒng)直噴技術(shù)的燃燒效率高，比非直噴式系統(tǒng)節(jié)油5%-10%，但要求發(fā)動機(jī)吸入較多的空氣。目前，這種技術(shù)基本上成熟，對控制柴油機(jī)排放污染起到了一定的作用。預(yù)計不久的將來，相比分隔式燃燒系統(tǒng)，直噴技術(shù)將占主導(dǎo)地位。

2.廢氣渦輪增壓與中冷技術(shù)

廢氣渦輪增壓技術(shù)是使發(fā)動機(jī)輕量化、提高輸出功率的有效措施，也是現(xiàn)代柴油機(jī)的代表性技術(shù)。經(jīng)廢氣渦輪增壓后，進(jìn)氣溫度提高，滯燃期縮短，混合氣適當(dāng)變稀，使噪聲、CO和HC排放以及油耗都有所降低。但是，進(jìn)氣溫度上升使NOX增多，空氣密度因溫升而下降，也使進(jìn)氣量未達(dá)到期望水平。于是出現(xiàn)了將增壓后的空氣再進(jìn)行冷卻的中冷技術(shù)，使進(jìn)氣溫度降低，循環(huán)進(jìn)氣量更大，NOX排放下降而功率進(jìn)一步增加。實踐證明：采用廢氣渦輪增壓與中冷技術(shù)可使柴油機(jī)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(shù)

燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的心臟。傳統(tǒng)的泵噴嘴系統(tǒng)的噴油壓力比較低，一般不超過50MPa，而現(xiàn)代燃油噴射系統(tǒng)除泵噴嘴外，還有新型的共軌系統(tǒng)，噴油壓力普遍提高，可達(dá)140MPa。柴油機(jī)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(shù)應(yīng)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(yīng)不同的道路工況；具有自適應(yīng)能力，可以補(bǔ)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(jīng)濟(jì)性之間的最佳配合。采用燃油多次噴射技術(shù)可以實現(xiàn)柔和燃燒，亦可減少柴油機(jī)碳煙與顆粒的排放。

4.多氣門技術(shù)

目前，車用中、小型柴油機(jī)正向多氣門方向發(fā)展，以加大循環(huán)充氣量，改善其動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能。柴油機(jī)使用四氣門(兩進(jìn)兩排)技術(shù)，可增大進(jìn)氣通過的最小截面積，增加循環(huán)進(jìn)氣量，提高柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)速；可實現(xiàn)噴油嘴正中布置，保證各噴嘴噴注的形態(tài)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(guān)閉一個進(jìn)氣道來提高缸內(nèi)旋流速度，并通過特殊設(shè)計，充分利用進(jìn)氣慣性來提高低速進(jìn)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(jìn)氣量的提高，部分解決了傳統(tǒng)機(jī)型低速性能較差的問題。

5.排氣后處理技術(shù)

盡管有多種柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)方案被提出并被研制開發(fā)，但目前被認(rèn)為較實用的僅有氧化催化轉(zhuǎn)化器、微粒捕集器和NOX還原催化轉(zhuǎn)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(jī)微粒后處理技術(shù)。目前應(yīng)用最多的是美國康寧公司和日本NGK公司生產(chǎn)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(cè)被堵住，而另一通道的進(jìn)口側(cè)被堵住。這就迫使排氣由入口敞開的通道進(jìn)入，穿過多孔陶瓷壁面進(jìn)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(dá)90%以上，可溶性有機(jī)成分SOF(主要是高沸點HC)也能部分被捕集。

國產(chǎn)柴油汽車排放治理措施

國家環(huán)?？偩肿罱剂瞬裼蛙嚺欧盼廴痉乐渭夹g(shù)政策，提出要在不同階段達(dá)到相應(yīng)的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，從根本上解決柴油車的尾氣污染問題。目前，我國正在執(zhí)行的柴油車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于歐Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)。而新公布的技術(shù)政策則為我國柴油車產(chǎn)業(yè)確定了尾氣達(dá)標(biāo)的時間表：我國柴油車在2004年前后要達(dá)到歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)，2008年達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，2010年之后爭取與國際排放控制水平接軌。國家環(huán)?？偩职l(fā)布的《關(guān)于實施國家第二階段機(jī)動車排放標(biāo)準(zhǔn)的公告》，要求從2003年9月1日起，所有進(jìn)行定型的重型汽車，必須符合相當(dāng)于歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的國家第二階段核準(zhǔn)的排放限值。這標(biāo)志著我國機(jī)動車排放污染控制進(jìn)入了一個新的階段。凡不符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求的車、機(jī)型不得核準(zhǔn)定型，未經(jīng)國家環(huán)?？偩趾藴?zhǔn)定型的車、發(fā)動機(jī)型視同排放不達(dá)標(biāo)，不得制造、進(jìn)口、銷售和注冊登記。目前，國產(chǎn)車用柴油機(jī)大都達(dá)到了歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)，歐Ⅲ發(fā)動機(jī)的開發(fā)也已經(jīng)啟動。

我國機(jī)動車第二階段排放標(biāo)準(zhǔn)（相當(dāng)于歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)）正式實施后，國內(nèi)主要汽車發(fā)動機(jī)廠的技術(shù)開發(fā)重心已由歐Ⅱ轉(zhuǎn)向歐Ⅲ，有的甚至瞄著歐Ⅳ。除合資企業(yè)和引進(jìn)技術(shù)的廠家外，更多的汽車發(fā)動機(jī)企業(yè)樂于與外國公司聯(lián)手開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高檔發(fā)動機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品。

中國引進(jìn)的發(fā)動機(jī)技術(shù)能夠滿足歐Ⅱ和歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，但發(fā)動機(jī)再好再先進(jìn)，油品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)也將無濟(jì)于事。換句話說，現(xiàn)在影響柴油車達(dá)標(biāo)的主要障礙不是發(fā)動機(jī)，而是油品。油品是中國工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，受國家政策的影響很大。雖然改進(jìn)的技術(shù)難度比較大，如果國家重視，柴油生產(chǎn)企業(yè)投資大，就會很快適應(yīng)發(fā)動機(jī)的需要。

柴油車非正常煙度工況既影響動力性與經(jīng)濟(jì)性，又污染環(huán)境，應(yīng)盡量減少其出現(xiàn)的機(jī)會與時間。柴油機(jī)車非正常煙度工況受柴油車制造與運(yùn)用的社會系統(tǒng)中各因素的影響。解決非正常煙度工況問題既是工業(yè)技術(shù)問題，也是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)問題。應(yīng)從各方面采取措施，如提高人的素質(zhì)，提高柴油車的設(shè)計制造質(zhì)量，改善社會運(yùn)用條件和提高管理服務(wù)水平等。