（一）柴油發(fā)電機排放控制
現(xiàn)代柴油發(fā)電機技術(shù)集中體現(xiàn)在進氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)以及后處理系統(tǒng)的發(fā)展上。與10年前發(fā)達國家開始實行排放法規(guī)時的情形相比，國內(nèi)現(xiàn)在的優(yōu)勢是上述技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，因而可以直接吸收發(fā)達國家成功的經(jīng)驗和技術(shù)，而不必重復(fù)他們在探索階段走過的彎路。柴油發(fā)電機排放物的生成主要和缸內(nèi)燃油的分布情況，即和缸內(nèi)空氣和燃油的混合情況密切相關(guān)。就宏觀而言，控制和降低柴油發(fā)電機的排放主要從以下幾個方面入手。
i．采用提高燃油的品質(zhì)、進氣質(zhì)量等手段，如采用增壓中冷，多氣門技術(shù)，EGR（廢氣再循環(huán)）等。這種方法通常稱為機前措施。
ii.現(xiàn)代柴油發(fā)電機對柴油噴射技術(shù)的要求為：準確的燃油計量，靈活的噴油定時，較佳的噴油壓力，優(yōu)化的噴油規(guī)律。通常將這一手段稱為機內(nèi)凈化方法。由于幾乎所有的排放污染物都和柴油發(fā)電機的燃燒過程有關(guān)，因此改進柴油發(fā)電機的燃燒和工作過程是解決柴油發(fā)電機排放問題的關(guān)鍵。如提高供油壓力，目前采用的高壓共軌噴射方法等。缸內(nèi)直噴是燃燒系統(tǒng)技術(shù)的一項重要組成部分。與非直噴的柴油發(fā)電機相比，具有更好的經(jīng)濟性和可靠性，但是如果不同時采取相應(yīng)技術(shù)措施，燃燒產(chǎn)生的NOx排放可能會有所增加。燃燒系統(tǒng)的現(xiàn)代技術(shù)還包括減少燃燒室余隙，以減少HC排放。噴油嘴居中布置，改善燃油與空氣的混合，促進完全燃燒。改善噴油規(guī)律的努力，目前主要集中于多次噴射上，使燃燒柔和，噪聲降低，雙彈簧噴油器可以很好地實現(xiàn)預(yù)噴射功能。
iii.采用在柴油發(fā)電機排氣尾部加裝廢氣凈化裝置以進一步降低有害排放物直接排入大氣，如采用De-NOx催化轉(zhuǎn)換器和顆粒捕集器等可以有效地降低NOx和顆粒的排放。這種方法稱為機外凈化方法。
iv.通過使用潔凈能源來改善排放。如采用生物燃料，可再生燃料，CNG（壓縮天然氣），LPG（液化石油氣）等。目前國外機組采用天然氣的已經(jīng)比較普遍。
V.合理的維護和管理。超負荷使用、保養(yǎng)維護不當或檢修調(diào)整不良等使用中的問題，都會使柴油發(fā)電機的性能惡化，導(dǎo)致污染物排放量增加。在使用與維護中，有必要采取嚴格的管理規(guī)范和技術(shù)措施。要選用規(guī)定質(zhì)量等級黏度的機油。要選用十六烷值適中的柴油，一般夏季用0＃、＋10＃柴油，冬季用-10＃、-20＃柴油，嚴寒地區(qū)用-35＃柴油；并盡可能地選用低硫柴油。在柴油中按3/10000～5/10000的比例摻入XS30.30高效柴油添加劑，可有效地控制碳煙的排放。定期維護保養(yǎng)至關(guān)重要。
（二）柴油發(fā)電機排放控制的發(fā)展趨勢
1．渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展
由于柴油發(fā)電機優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟性，目前，國內(nèi)外柴油發(fā)電機組全部采用渦輪增壓技術(shù)或渦輪增壓中冷技術(shù)。渦輪增壓進氣中冷技術(shù)能顯著提高功率密度、降低排放和改善燃油消耗率。與1980年以前的機型相比，現(xiàn)今的柴油發(fā)電機的功率密度提高了近100％，燃油消耗率改善了16％，NOx和顆粒物的排放分別降低了80％和90％。
為滿足越來越嚴的排放法規(guī)要求，必須提高燃料質(zhì)量和采用先進的發(fā)動機技術(shù)。要達到各階段排放限值需有相應(yīng)的柴油發(fā)電機技術(shù)作保證。除了采用其他先進技術(shù)，諸如高壓噴射、多氣門技術(shù)、泵噴嘴、EGR、預(yù)噴射、電控噴射、De-NOx催化器等技術(shù)外，各階段都對應(yīng)一定增壓技術(shù)的改進和提高。
2．渦輪增壓及中冷技術(shù)對排放的影響
柴油發(fā)電機增壓時，空氣被壓縮，溫度與壓力同時提高，若不采用中冷，進入氣缸的空氣密度為
式中 ηad，k——壓氣機絕熱效率；πk——增壓壓比，。
增壓加中冷時，空氣的密度為
由以上兩式可見，未采用中冷時，進氣密度受壓氣機絕熱效率的限制；當柴油發(fā)電機高增壓時，增壓壓比大，應(yīng)同時采用中冷技術(shù)，以提高進氣密度。柴油發(fā)電機的排放污染物主要有CO、HC、NOx和顆粒物，此外，由于溫室效應(yīng)引起國際變暖的問題，CO2的排放量也受到限制。
①一氧化碳（CO）柴油發(fā)電機中CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，主要是在局部缺氧或低溫下形成的。由于柴油發(fā)電機在過量空氣系數(shù)a＞1下燃燒的特點，汽車柴油發(fā)電機的CO排放較低。采用渦輪增壓后，可供燃燒的空氣增多，并且增壓發(fā)動機大多數(shù)工況負荷較大，發(fā)動機的缸內(nèi)溫度能保證燃料更充分燃燒，CO排放可進一步降低。
②碳氫化合物（HC）柴油發(fā)電機排氣中的HC是由原始燃料分子、分解的燃料分子以及再化合的中間化合物所組成；小部分HC是由潤滑油生成的。增壓時，由于進氣密度增加，可以改善油束的形成，提高燃油霧化質(zhì)量，減少沉積于燃燒室壁面上的燃油，HC減少；增壓還使柴油發(fā)電機燃燒整個循環(huán)的平均介質(zhì)溫度升高，氧化反應(yīng)速率大，未燃HC排放降低。
③氮氧化物（NOx）柴油發(fā)電機中氮氧化物的主要成分NO的生成取決于氧的濃度、溫度及反應(yīng)時間等。降低NO的措施是以降低火焰溫度、氧濃度及高溫下停留時間為目標。
對于現(xiàn)有的自然吸氣柴油發(fā)電機，如果只簡單采用增壓措施，可能會因為過量空氣系數(shù)增大和燃燒溫度的升高而導(dǎo)致NOx增加。實際應(yīng)用中，柴油發(fā)電機增壓時采用減小壓縮比、推遲噴油定時等措施來減小熱負荷、降低較高燃燒溫度。壓縮比的減小可以降低壓縮終了的介質(zhì)溫度從而降低燃燒火焰溫度；推遲噴油定時，可以縮短滯燃期，減少油束稀薄火焰區(qū)的燃料蒸發(fā)和混合，降低較高燃燒溫度。為減少噴油定時導(dǎo)致的后燃期過長的問題，須增大供油速率，縮短噴油時間，以加快燃燒速率，縮短燃燒時間。
廢氣再循環(huán)EGR是降低NOx排放的一種有效措施。引入熱容量較高的廢氣成分與新氣混合，可以降低較高燃燒溫度；同時，廢氣對新鮮混合氣的稀釋作用，減小了氧的濃度，達到降低NOx的目的。根據(jù)柴油發(fā)電機燃燒理論，降低NOx生成濃度的措施將會影響燃燒效率、增加燃油消耗、降低動力性能。增壓柴油發(fā)電機在燃油經(jīng)濟性和動力性能上的改善，可以使汽車柴油發(fā)電機在降低NOx的同時，保持良好的燃油經(jīng)濟性和動力性。
采用進氣中冷技術(shù)降低進氣溫度，可降低增壓柴油發(fā)電機NOx的排放；特別采用先進的空-空中冷后，可進一步降低進氣充量的溫度。進氣充量溫度降低，燃燒溫度可以得到有效控制，有利NOx的減少。如圖5.5所示，隨著中冷后進氣溫度的降低，NOx和燃油消耗率都有所改善。試驗數(shù)據(jù)表明，增壓中冷柴油發(fā)電機中NOx排放物可以降低60％。
④顆粒（PM）影響柴油發(fā)電機顆粒生成的原因較復(fù)雜，其主要因素是過量空氣系數(shù)、燃油霧化質(zhì)量、噴油速率、燃燒過程和燃油質(zhì)量等。此外，柴油發(fā)電機機內(nèi)凈化降低NOx的措施通常會帶來PM增加。增壓柴油發(fā)電機，特別是采用高增壓比和空-空中冷技術(shù)后，可顯著增大進氣密度，增加缸內(nèi)可用的空氣量。如同時采用高壓燃油噴射、共軌電控噴射、低排放燃燒室和中心噴嘴四氣閥技術(shù)，并提高燃油霧化質(zhì)量，改善燃燒過程，則可有效地控制PM排放。試驗數(shù)據(jù)表明，采用增壓中冷技術(shù)的柴油發(fā)電機可降低PM排放約45％。在大負荷區(qū)，與顆粒排放密切相關(guān)的可見污染物排放，也隨著柴油發(fā)電機增壓比的增大而顯著下降，如圖1所示。
圖1 柴油發(fā)電機可見污染物、功率密度與增壓比的關(guān)系
⑤燃油經(jīng)濟性及二氧化碳（CO2）增壓柴油發(fā)電機的燃油經(jīng)濟性改善得利于廢氣能量的利用和燃燒效率的提高；另外，增壓柴油發(fā)電機的平均有效壓力增加，發(fā)動機的摩擦損失增加相對較小，且沒有任何進氣損失，因而機械效率提高；增壓柴油發(fā)電機的質(zhì)量密度大，同樣功率的柴油發(fā)電機可以做得更小、更輕，整機的質(zhì)量可以減小，也有利于燃油經(jīng)濟性的改善。柴油發(fā)電機的燃油經(jīng)濟性與進氣密度有一定關(guān)系，因此，高增壓柴油發(fā)電機采用進氣中冷技術(shù)降低進氣溫度，提高進氣密度能改善燃油經(jīng)濟性，如圖2所示。
圖2 柴油發(fā)電機燃油消耗率與增壓比的關(guān)系
⑥燃油消耗 意味著更多的清潔空氣。采用渦輪增壓的柴油發(fā)電機的動力具有良好的燃油經(jīng)濟性。較小的燃油消耗量消耗的新鮮空氣量少，有害污染物排放的總量也下降。
3．渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展趨勢
促進渦輪增壓技術(shù)發(fā)展的主要因素是增大發(fā)動機輸出功率、提高發(fā)動機低速轉(zhuǎn)矩、加快瞬態(tài)響應(yīng)速度、降低排放有害物和改善燃油經(jīng)濟性。增壓器的技術(shù)關(guān)鍵是改善渦輪和壓氣機的效率，拓寬工作范圍，提高增壓比，降低軸承系統(tǒng)的損失和提高穩(wěn)定性及耐久性。
柴油發(fā)電機增壓器的新技術(shù)包括：可變噴嘴渦輪VNT、鐵鋁合金、滾動軸承、可擦涂層、混流式渦輪、電子控制執(zhí)行器總成、電控渦輪復(fù)合式發(fā)動機等。
進一步改善增壓器效率必須提高峰值效率，并考慮非設(shè)計工況效率的提高對發(fā)動機性能的影響。采用改進軸承和先進的可擦涂層技術(shù)是有效的技術(shù)措施。試驗表明，渦輪增壓器壓氣機室涂覆聚酯可擦涂層、渦輪殼室涂覆一種鎳鋁石墨材料可擦涂層的小型增壓器的效率可以提高7％～8％；采用滾動軸承可以提高渦輪低轉(zhuǎn)速的效率約10％。
采用可調(diào)噴嘴增壓器VNT可以提高發(fā)動機低速進氣壓力而不增加發(fā)動機背壓。VNT可進一步改善渦輪的響應(yīng)特性，提高渦輪效率，拓寬流量范圍。與旁通式增壓器相比，采用先進的可調(diào)噴嘴增壓器性能可以得到進一步提高，功率密度增大，具有更好的燃油經(jīng)濟性和更低的排放水平；油耗可降低2％～5％，低速煙度可降低，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩顯著增加。
采用輕質(zhì)的鐵鋁合金，可以減小渦輪轉(zhuǎn)動慣量，改善響應(yīng)特性。與陶瓷材料相比，鐵鋁合金材料便宜60％，而且比陶瓷渦輪具有較高的抗擊碎強度。
此外，混流式渦輪可進一步提高渦輪的效率；電子控制執(zhí)行器總成可更精確地完成對增壓器的控制；對于高增壓的柴油發(fā)電機，采用電控渦輪復(fù)合增壓式可回收廢氣中多余的能量作為動力輸出。
廢氣渦輪增壓中冷技術(shù)的應(yīng)用大大提高了柴油發(fā)電機的動力性、改善了燃油經(jīng)濟性，并且還在降低排放有害物、減少溫室效應(yīng)氣體CO2、保護環(huán)境等方面起到了重要作用。
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