现代柴油机是绿色发动机

　　现状和争论

　　中国城市大气环境日趋恶化，蓝天白云已经只是人们美好的回忆了。除了工业污染之外，汽车排放也被认为是大气污染的主要原因之一，然而中国经济的快速发展不能没有汽车 工业。为此中央政府颁布了以欧Ⅰ标准为基础的汽车排放法规，2000年4月在全国范围内生效，到2005年将实行欧Ⅱ标准。中国政府还宣布对满足欧Ⅱ排放法规的汽车减免30%的消费税。

　　在排放法规生效之前，中国国内主要柴油机企业如上柴、玉柴、大柴、锡柴等都已经开发出了各自满足欧Ⅰ甚至欧Ⅱ标准的环保型柴油机。然而从1998年开始，我国一些城市相继制定了地方性法规限制柴油汽车进入城市，代之以发展包括压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)的气体燃料汽车，这在很大程度上挫伤了柴油机生产企业开拓市场的能力和技术进步的积极性。我国应建立一个全国统一的汽车排放法规，所有能达到这一法规的车辆，无论采用何种技术均不应受到限定。

　　当我们把目光转向国外的时候就会看到，近10年中，柴油发动机已经在实施最严格排放的欧洲、美国取得了很大的成功。10年前，西欧柴油车的客车市场份额仅约14%，而今天，已增长了将近1倍，1999年达到27%，而且人们预期它还会进一步增长。不仅如此，即使是最豪华的轿车也在使用柴油机，而卡车和大型客车则几乎全部采用了柴油动力。在美国由于汽车价格便宜，虽然在轿车中使用柴油不多，但由于柴油机卓越的动力性能，国内55%的货物是通过柴油卡车运输的。

　　在中国部分城市和国外之间，为什么人们态度如此迥异地对待柴油机呢？

　　排放法规

　　早在20年前一些国家就开始讨论对汽车排放进行控制并制定了相应的法规。世界各国排放法规的实施可以分为三个阶段：中国正处于第一个阶段，开始在全国范围内实施排放法规的严格执行措施，一些城市可以制定更加严格的区域性法规。第二个阶段如墨西哥、巴西制定了更为严格的法规，使排放大幅度降低。处于最后一个阶段的国家如美国、日本、西欧各国执行最严格的标准，并且计划在将来使汽车达到超低排放水平。

　　柴油机的工作特点决定了它本身就是低排放的发动机，尾气中HC、CO和CO2含量远远低于汽油机和天然气发动机。柴油机的主要有害排放物是NOx和微粒，微粒产生于缸内混合气过量、空气系数不足，燃料燃烧不充分的情况下。汽车冒出的黑烟是大尺寸微粒形成的碳烟，具有刺激性气味，中国部分城市禁止柴油机，正是这碳烟惹的祸。然而实际上由于人类自身具有的防御功能，这种大尺寸微粒对健康的危害并不大。小尺寸不可见微粒，容易进入人体被肺部吸收，对人体的危害更大，但是这些小尺寸的不可见微粒也存在于汽车机的排放中。

　　在欧洲标准中对碳烟和不可见微粒都有严格的限制，能够达到欧Ⅱ排放标准的柴油机碳烟已经大大降低。那么，当现代柴油机不断扩大在客车。高级轿车中的市场份额，甚至已经开始进入轻型客车市场的时候，气体燃料发动机是否可能、是否有必要取代柴油机呢？

　　柴油与其它燃料发动机的比较

　　柴油机采用燃料压燃的工作原理，缸内压缩比一般为16-21，而汽油机只有7-10，因而柴油机的热效率远远大于汽油机，柴油机油耗要比汽油机低20%左右，CO2排量与汽油机相比也低得多。柴油机混合气中富氧，燃料能够充分燃烧，而汽油机中很多工况是在缺氧条件下工作的，所以柴油机的HC和CO排放远比汽油机低。德国大众公司Lupo 3L TDI柴油轿车已经首先达到了欧Ⅳ排放标准，油耗只有百公里3升。

　　柴油机低速大扭矩的特性，为汽车提供了更好的驾驶性能。通过采用先进的燃油喷射技术和电控技术，现代柴油机在动力性、加速性、舒适性指标上已经无异于汽油机。

　　气体燃料如；LPG、CNG毫无疑问具有低NOx、低微粒排放、蕴藏量丰富等一些潜在的优点，但是由于目前气体燃料技术尚处于发展阶段，特别是在中国，还存在着一些难以克服的困难。首先是安全问题，气体燃料都是在一定的压力下工作，在运输和工作中很容易出现汇漏，造成安全隐患。其次是动力性能不足制约了运营能力。最后是成本问题。每台天然气发动机改装费用为8千到1万元，进口发动机需要10万元。加气站配套设施尚不完备，据估计每改造或建立一座加气站需要投入260万元。

　　对于电动车，生产电能产生的污染更大，因此这仅仅是一种污染的转移，况且由于电池技术存在着瓶颈，目前电动汽车还不具 备大规模生产和使用的条件。

　　车辆清洁与否，取决于技术而不是燃料。现代柴油机已经是一种低排放、低油耗、可靠、动力强劲的发动机，因而具有无可替代的优越性。那么，现代柴油机究竟采用了哪些技术来提高性能呢？或者说中国相对落后的柴油机技术应该如何改进以满足国家和地方政府制定的越来越严格的排放法规呢？

　　现代柴油机技术

　　现代柴油机技术集中体现在进气系统、燃烧系统、喷射系统以及后处理系统的发展上。与10年前发达国家开始实行排放法规时的情形相比，中国现在的优势是上述技术已经日趋成熟，因而可以直接吸收发达国家成功的经验和技术，而不必重复他们在探索阶段走过的弯路。

　　国外柴油机进气系统大量采用涡轮增压中冷和四气门技术。涡轮增压技术可以增加柴油机进气量，提高燃烧室的地空气系数，降低大负荷工况排气烟度。空气-空气中冷技术可以使增压后的进气湿度降低50℃，从而降低NOx排放。目前通过欧Ⅱ法规的柴油机大都采用涡轮增压加中冷技术，涡轮前排气旁通阀的应用，而降低微粒和CO排放的同时，还可以改善柴油机的瞬态性能和低速扭矩。四气门(二进气二排气)提高了进气流通截面，同样也使进入缸内的空气增加。另外，废气再循环(EGR)技术也可以降低发动机的NOx排放。

　　缸内直喷是燃烧系统技术的一项重要组成部分。在西欧客车市场上，直喷柴油机从10年前的占有率为0发展到75%。与非直喷的柴油机相比，具有更好的经济性和可靠性，但是如果不同时采取相应技术措施，燃烧产生的NOx排放可能会有所增加。燃烧系统的现代技术还包括减少燃烧室余隙，以减少HC排放。喷油嘴居中布置，改善燃油与空气的混合，促进完全燃烧。

　　现代柴油机对柴油喷射技术的要求为：准确的燃油计量，灵活的喷油定时，最佳的喷油压力，优化的喷油规律。分配式喷油泵或VE泵是迄今为止生产量和保有量最大的喷油泵。对欧Ⅰ、欧Ⅱ排放法规，机械控制的喷射系统就可以胜任，而机械控制的VE泵则是中小型乘坐车和货车满足欧Ⅰ、欧Ⅱ的主要泵型。柴油机要达到排放要求和性能指标越高，相对应的喷油系统的要求也就越高。如果要达到欧Ⅲ以上的排放法规，就必须采用电子控制柴油喷射系统(EDC)，当然这将导致柴油机生产成本的大幅度提高。电控的分配泵、直列泵、单体泵、泵喷嘴以及共轨系统已经在满足欧Ⅲ甚至欧Ⅳ标准的机型上得到应用，取得良好的效果。随着技术的发展，曾经长期困扰人们的柴油机NOx和微粒排放问题已经通过提高喷油压力的方法得到了有效解决。德国博世公司的单体泵和泵喷嘴系统，嘴端喷射压力可以达到2000bar以上。改善喷油规律的努力，目前主要集中于多次喷射上，使燃烧柔和，噪声降低，双弹簧喷油器可以很好地实现预喷射功能。

　　柴油机后处理的目标是进一步改善微粒和NOx的排放。目前主要采用选择性化使NOx降低。对于微粒的后处理，可以采用氧化催化，使微粒以及附着其上的HC被排气中的氧气烧掉。使用微粒收集器或者在系统中加装过滤器的措施也被用来降低微粒排放。不过对欧Ⅰ到欧Ⅲ的排放法规，后处理装置并非必要，而且后处理技术本身尚处于发展阶段。

　　通过上述技术的采用，与10年前相比，柴油机微粒排放减少了90%以上，NOx排放减少了70%，可以满足最严格的排放标准，现代柴油机技术已经真正成为了绿色技术。今天在中国，是不是一旦柴油机采用了这些先进技术就可以一劳永逸地成为绿色环保发动机了呢？答案可能并不是那么乐观，那么我们还需要作哪些努力呢？

　　柴油的质量直接影响发动机的正常运转寿命、油耗和排放，很多国家通过强制性法规以提高燃油品质。劣质柴油中含有更多的杂质和硫。杂质可能损坏喷射系统中喷嘴、柱赛等精密零件；硫则可以使柴油机微粒排放增加。现在中国的燃油质质量只相当于欧洲和美国1990年之前的水平。

　　车辆不正确的使用如超载，将直接导致排放增加。改善我国养路费、过路费收缴办法和车辆注册制度，是减少或杜绝超载的根本方法。

　　常规性的保养维护是降低费用和排放的一个简单办法。如果不定时更换滤清器，不依照规定重新校准喷油系统，不使用合格的润滑油和柴油，任何发动机都无法得到良好的燃油经济性和清洁的排放。

　　文／蔡立波

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