噴油孔直徑對非道路用柴油機尾氣排放的影響

李來永

（濰坊華東發動機有限公司，山東 濰坊 261100）

在環境污染問題日益加劇的當下，節能降耗、低碳環保已經成為各行各業的必然發展方向。非道路用柴油機的用途較廣，目前已經被應用到多個領域，但由于其排放的尾氣中存在多種有害物質，會給生態環境尤其是大氣環境造成一定的污染，因此近年來關于控制非道路用柴油機尾氣排放的研究日益增多。文章在總結前人經驗的基礎上，對非道路用柴油機尾氣排放的相關問題進行了分析，具體內容如下。

1 非道路用柴油機尾氣排放現狀

柴油機是我國常用的一種發動機，以柴油為燃料，通過將柴油在燃燒過程中產生的能量轉化為動能獲取能量釋放。根據其工作環境、需求強度的差異，可分為非道路用柴油機以及道路用柴油機兩種類型。非道路用柴油機在運行過程中，會產生一定的尾氣，尾氣被排放到大氣中后，會給大氣環境造成污染。采取技術改進、技術優化等措施后，非道路用柴油機的尾氣排放量會有所降低。但由于柴油機的工作環境惡劣、工況變化頻繁、功率范圍較大等，其尾氣排放存在一定的不確定性。

文章對非道路用柴油機尾氣排放的實際情況進行分析發現，受到非道路用柴油機自身因素（如冷卻效果較差等）以及客觀因素（如工作環境惡劣、所用機油質量參差不齊等）的影響，其尾氣排放量較大，其中的污染物會給大氣環境造成一定的危害。當前，非道路用柴油機在多個領域得到了應用，使用數量不斷增多，但其技術水平有待提高。我國現有非道路用柴油機的工藝、技術與西方國家相比存在一定的差距，高油耗、高排放問題限制著我國非道路用柴油機的發展。實現對非道路用柴油機尾氣排放的有效控制，已經成為目前技術研究的重點[1]。

2 噴油孔及其直徑

非道路用柴油機主要被應用于噴油孔，可提高噴油孔的通用性、可靠性。若想分析噴油孔對非道路用柴油機尾氣排放的影響，就要明確噴油孔的規格、形狀，并準確測量噴油孔的尺寸大小。以非道路用柴油機不同的實際使用需求為依據，市場上出現了多種不同規格、不同形狀、不同尺寸的噴油孔，目前最為常見、常用的是圓形噴油孔。這種圓形噴油孔在實際工作中，可確保微小物質在工作中的受力保持一致，從而提高工作的統一性。針對圓形噴油孔，測量噴油孔的尺寸便是測量噴油孔的直徑，相比測量周長，直徑的測量難度大大降低。但是，由于噴油孔直徑往往較小，因此在測量噴油孔的直徑時，為確保測量結果的準確性，應合理選擇測量方法。

噴油孔直徑測量過程中，可采取以下兩種方法。第一，借助測量儀器進行測量。隨著科技的發展，各種精密化的、技術含量高的測量儀器不斷涌現，采用這些測量儀器直接對噴油孔直徑進行測量，操作比較簡單。但是在測量時，測量儀器往往會直接接觸噴油孔內壁，容易對噴油孔造成一定的損傷。同時，這種測量方法容易出現人為誤差，無法確保噴油孔直徑測量的精準度。通常情況下，是使用測量儀器測量直徑較大的噴油孔的直徑，通過控制力度避免噴油孔受損。第二，借助光學成像原理對噴油孔的直徑進行測量。這種測量方式指的是，將被照明的接觸側頭、攝像機擺放在合適的位置上，生成反射影像，然后將其輸入計算機中，并以亞像素精度對噴油孔的直徑數值進行計算。這種測量方法得到的結果更為精確，無須接觸被測量物體，是一種無損測量方法，但其操作過程復雜、煩瑣。目前，人們主要是使用這種測量方法測量直徑較小的噴油孔的直徑，以確保測量結果的準確性[2]。

3 噴油孔直徑對非道路用柴油機尾氣排放的影響

3.1 對動力的影響

非道路用柴油機排放尾氣時，柴油機缸中會出現一系列物理、化學反應，包括燃油噴射反應、湍流反應、油滴蒸發反應、霧化碰撞反應等。由于噴油孔直徑的不同，在上述反應中所產生的尾氣排放方式也有一定的差異，因此非道路用柴油機的尾氣排放動力主要受柴油機缸中燃燒反應的壓力、溫度兩個方面因素的影響，而柴油機缸中的平均壓力、溫度主要取決于噴油孔直徑的大小。在噴油孔數量以及燃料等因素相同的條件下，噴油孔直徑和噴霧反應中的油滴數量呈正相關，而油滴數量越少則代表油氣霧化效果越好。在噴霧速度降低的情況下，燃燒室中產生的霧化產物會和原料相結合，生成更多的混合氣體。在同一密閉空間內，氣體體積不斷上升的情況下，其內部壓強也會不斷提高，混合燃料就能更加完全、劇烈地進行燃燒，進而導致空間內溫度的逐漸提高。經實踐證實，在燃燒初期，燃燒室凹坑部位、活塞部位的溫度要遠遠高于其他部位。隨著燃燒的繼續，高溫面積也會逐漸增加，噴油孔直徑越小，燃燒室內的溫度分布得越廣泛、越均勻。同時，在噴油孔直徑較大的情況下，油束貫穿距離也會比較長，因此會在燃燒室壁面發生附著現象，燃油不容易被蒸發，而中心區域的燃油相對較少，這就造成了燃燒室內部的溫度分布得不夠均勻[3]。

由此可知，非道路用柴油機的尾氣排放動力很大程度上受噴油孔直徑的影響，即噴油孔直徑較小的情況下，柴油機的燃燒反應越充分，產生的氣體體積就越大，且燃燒室內的溫度、壓力較高、較均勻，尾氣排放動力也就越大。

3.2 對成分的影響

非道路用柴油機排放的尾氣通常是由氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳煙（Soot）等物質組成的混合氣，這些物質均會給生態環境造成一定程度的污染與破壞。為了明確噴油孔直徑對非道路用柴油機尾氣成分的影響，以0.25mm、0.5mm、1mm 三種噴油孔直徑下非道路用柴油機尾氣中NOx的生成速率與NOx、CO、Soot 的生成量為例進行分析。為確保結果的準確性，除噴油孔直徑外，非道路用柴油機的其他參數均一致[4]。

首先，對三種噴油孔直徑下非道路用柴油機尾氣中NOx的生成速率進行分析，結果如圖1 所示。

圖1 三種條件下尾氣中NOx 的生成速率

由圖1 可知，非道路用柴油機的運行時間為730s ～740s 時，其尾氣中NOx的生成速率達到峰值，NOx的生成量也最多。與此相對應的，噴油孔直徑越小的情況下，NOx的生成速率越快、NOx的生成量越多。分析其原因發現，噴油孔的直徑越小，則所生成的混合氣質量也越高，柴油機缸中的燃燒反應也就越劇烈，溫度會隨之上升，從而加快NOx的生成速率、增加NOx的生成量[5]。

其次，對非道路用柴油機尾氣中NOx、CO、Soot 的生成量進行分析，結果如圖2 所示。

由圖2 可知，噴油孔直徑較小的情況下，非道路用柴油機尾氣中Soot 的生成量也相對較少。分析其原因發現，噴油孔直徑較小的情況下，Soot 的生成速率雖然較快，但其被氧化的速率也比較快，也就是說Soot 在生成的過程中在持續發生氧化反應。同時，噴油孔直徑較小，因此油束貫穿距離也較短，在這樣的條件下，燃油空燃比增加，整體呈現出缺氧狀態。在燃燒室內，燃油撞壁后在破碎的同時也加快了其蒸發的速度，所生成的油氣混合物比較均勻，可以得到更好的燃燒效果，使得溫度上升，Soot 在生成之后便迅速被氧化，從而減少了Soot 的生成量。同時，在噴油孔直徑較小的情況下，非道路用柴油機尾氣中CO 生成量也相對較少，其原理與Soot 相同。CO 被氧化之后，變成了CO2。

由此可知，非道路用柴油機的尾氣排放成分很大程度上受噴油孔直徑的影響，即噴油孔直徑越小，NOx的生成速率越快、產量越多，而Soot、CO 的生成量越少[6]。

圖2 三種條件下尾氣中NOx、CO、Soot 的生成量

4 結束語

綜上，噴油孔直徑對非道路用柴油機的尾氣排放動力、尾氣成分均有一定的影響，即噴油孔直徑越小，尾氣排放動力越大，尾氣中有害物質Soot、CO 的生成量越小。鑒于此，為實現對非道路用柴油機尾氣排放的有效控制，應選擇直徑較小的噴油孔，從而為生態環境的改善作出積極的貢獻。