噴油器參數對非道路柴油機瞬態循環排放的影響

孫景震

（招商局檢測車輛技術研究院有限公司，重慶 400000）

進入21世紀以來，中國經濟高速發展，非道路機械產品伴隨著工農業迅速發展及現代化進程的加快保有量一直穩步上升。但是同道路車機相比，非道路用機械產品由于其工作環境及作業條件比較惡劣，使用的機油及燃油品質好壞不一，導致其在環境污染中的比例也隨之增加[1-3]。根據公開數據顯示，2020年，非道路移動源排放碳氫化合物THC為42.5萬t，非道路移動源排放氮氧化物NOx為478.2萬t，非道路移動源排放顆粒物PM為23.7萬t，因此非道路移動機械對環境空氣的質量影響已經不可忽視。

為實現2030年的碳達峰及2060年前實現碳中和國家生態戰略目標，同時也響應和落實國家的《柴油貨車污染治理攻堅戰行動計劃》，打贏藍天保衛戰，國家生態環境部于2020-12-28正式頒布了HJ 1014—2020《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》標準，比起國三非道路標準，該標準新增了NRTC瞬態循環工況。該工況由冷態、熱態2部分組成，其中冷態排放占比權重為10%，熱態權重為90%[4]。NRTC循環可全面覆蓋非道路發動機的工作范圍，更加接近其實際的運行工況。從國三到國四，不同功率段的非道路移動機械用發動機采用不同的技術升級策略。本文主要是基于37 kW以下發動機進行測試研究，對于37 kW以下的非道路發動機，目前采用的策略主要是優化發動機進氣、燃燒室、噴油系統。噴油器參數直接影響發動機缸內混合氣的形成及燃燒過程，從而對排放產生較大的影響，有必要研究噴油器參數對非道路移動機械用柴油機的NRTC循環排放影響[5-9]。

本文主要采用了2種噴油器，分別為噴油器1及噴油器2，2種噴油器具有不同的噴油器特性參數。噴油器1的噴油孔數為6，噴油孔直徑為0.145 mm；噴油器2的噴油孔數為7，噴油孔直徑為0.138 mm。本文采用的發動機基于1臺非道路國三發動機，為了達到國四排放要求，通過配置2種不同的噴油器來進行升級改造，研究對熱態NRTC的氣態排放污染物的影響，以期為實現非道路國四標準要求提供技術及數據支撐。

1 測試設備

本文研究的非道路移動機械用發動機未攜帶任何后處理，發動機基本參數如表1所示。

表1 發動機基本參數

發動機的臺架系統是基于德國Horiba公司進口的350 kW交流電力測功機。排放測試系統由日本Horiba研制的最新的Mexa One系列稀釋采樣分析儀及全流顆粒稀釋系統。稀釋采樣分析儀可進行CO、NOx、THC等氣體排放污染物的分析，全流顆粒稀釋系統進行顆粒物的采集測試。燃油消耗儀采用AVL公司生產的型號為740的油耗儀，進氣流量計為上海同圓發動機測試設備有限公司生產的FMT700-P。同時試驗過程中采用了溫度及壓力傳感器，以便記錄循環過程中的數據進行后續分析。

2 試驗結果及分析

非道路移動機械用柴油機的NRTC瞬態循環共計1 238 s，試驗采用Mexa One分析儀連續采取循環中的氣體排放信號進行積分，從而求得最后的污染物體積分數測量值，再根據定容分析采樣系統求得整個循環的稀釋體積，根據兩者求得最后的比排放測量值。由于熱態NRTC占比為90%，直接影響冷熱態NRTC的最終結果，且為減少冷態NRTC的冷機時間，本文只進行了熱態NRTC試驗。為保證試驗的一致性，在2次熱態的NRTC循環之前都根據發動機廠家的申報條件對邊界（進氣阻力、排氣壓力、出水溫度、機油溫度等）進行了重新校核。2次熱態試驗都是在發動機最大功率點的100%工況充分熱機（發動機的冷卻液及潤滑油溫度溫度保持在平均值的±2%之內至少2 min）后停機熱浸20 min再進行試驗。2次試驗由相同的試驗人員在同一發動機臺架下進行測量。2次試驗都采用同一個瞬態外特性曲線圖以保證瞬態循環工況的一致性[4，10]。

2.1 不同噴油器參數對CO排放的影響

圖1為2種噴油器在整個循環中的實時排放體積分數，由圖1可知，2種噴油器在體積分數趨勢走勢上比較一致。在800 s之前，2種噴油器的CO排放體積分數基本相同，2種噴油器CO排放體積分數的差異主要體現在800 s之后，即出現在轉速比較高、負荷變動急劇的區域。2次試驗循環最后測得的結果為：噴油器1的CO比排放值為6.02 g/（kW·h），噴油器2的比排放值為5.45 g/（kW·h）。結果表明使用噴油器2的CO比排放值要比噴油器1低10.5%，且能夠滿足非道路國四的標準限值5.5g/（kW·h）的標準。

圖1 不同噴油器NRTC循環的CO排放體積分數

由CO的生成機理可知，發動機尾氣中的CO主要是燃燒過程中燃燒不完全所致。噴油器2同噴油器1相比，由于噴油孔數增加，導致在噴油過程中，燃油在氣缸內的分布覆蓋范圍變廣，有利于燃油的霧化，再加上缸內渦流的影響，促使缸內空氣和燃油混合更好，有利于缸內燃燒。噴油孔徑的減小，致使初始油滴直徑變小，油束貫穿距離變短，有利于燃油沿周向的破碎霧化，提高了空氣利用率。因此使用噴油器2可優化缸內燃燒，使燃燒不完全的CO減少。

2.2 不同噴油器參數對NO x排放的影響

圖2為2種噴油器在整個循環中的實時排放體積分數，在整個循環過程中，噴油器2的NOx比排放都要高于噴油器1的比排放。噴油器1的NOx比排放值為3.84 g/（kW·h），噴油器2的比排放值為4.16 g/（kW·h）。最終數據表明，使用噴油器2的NOx比排放值要比噴油器1高8.3%。

圖2 不同噴油器NRTC循環的NO x排放體積分數

由NOx的生成機理可知，影響NOx生成的因素主要是缸內的燃燒溫度及含氧情況。由于柴油機的混合氣形成方式決定了缸內含氧量基本充足，因此影響缸內NOx生成的主要因素是缸內的燃燒溫度。由于噴油孔數及噴油孔徑減小，使缸內燃燒溫度升高，導致在整個循環中NOx生成量增加。

2.3 不同噴油器參數對THC排放的影響

圖3為2種噴油器在整個NRTC循環過程中的瞬態排放體積分數。由圖3可知，在循環初期，2種噴油器的體積分數相差很小，在循環的中期，噴油器2的THC體積分數要高于噴油器1的體積分數，在試驗的后期，噴油器2的體積分數與噴油器1的體積分數走勢比較一致，但噴油器2的體積分數一直低于噴油器1的濃度。試驗最終的結果為：噴油器1的THC比排放值為1.64 g/（kW·h），噴油器2的THC比排放值為1.55 g/（kW·h）。使用多孔數、小孔徑的噴油器做出來的比排放結果要低5.5%。

圖3 不同噴油器NRTC循環THC排放體積分數

發動機尾氣中的THC主要來源于發動機缸內未燃燒的燃油及燃燒不充分的燃油以及竄入缸內的部分機油，其中占比權重最大的是未燃燒的燃油。噴油孔數的增加，使噴入燃燒室內的燃油更加細化，有利于燃油的霧化，從而使混合氣的混合更加均勻。在噴油量不變的情況下，噴油孔徑的減小使噴油速率加快，噴油射程增加，噴油持續時間增加，有利于燃油持續燃燒。

2.4 不同噴油器參數對顆粒物PM排放的影響

通過2次試驗，測得最終結果為：噴油器1的PM值為88.9 mg/（k W·h），噴油器2的PM值為72.5 mg/（kW·h），使用多孔小直徑的噴油器的比排放值要低18.4%。綜上可知，噴油孔數的增加及孔徑的減小有利于空氣的混合，使缸內燃燒充分，最終減少了PM的產生。

2.5 不同噴油器參數對油耗的影響

通過2次試驗，測得最終結果為：噴油器1的比油耗值為284.3 g/（kW·h），噴油器2的PM值為277.0 g/（kW·h），使用多孔小直徑的噴油器的比排放值要低2.6%。由以上原理及結果可知，噴油孔數的增加及孔徑的減小使CO、THC、顆粒物PM減少，從而使油耗也降低。

以上噴油器參數的選擇是基于發動機生產廠的生產經驗。因為噴油孔數的增加會影響缸內周向的燃油密度，導致相鄰的2種噴油孔的油束會發生干涉和重疊，而噴油孔徑的減小雖然使油滴變得更小、更輕，但也會導致油滴在燃燒室內的貫穿距離縮短，不利于油束在燃燒室內徑向的分布擴散，影響燃燒室底部混合氣的混合。因此噴油孔數及噴油孔徑的選擇應結合具體的生產經驗，不能隨意增加及降低。

3 結論

采用不同特性參數的噴油器會影響缸內的混合氣形成及燃燒情況，從而影響非道路柴油機瞬態循環排放值。

增加噴油孔數、減小噴油孔徑會提高空氣利用率，從而使混合氣燃燒充分，減少CO、THC、顆粒物等排放，油耗降低，提高缸內燃燒溫度，從而增加NOx排放。

噴油孔數由6孔變為7孔，噴油孔直徑由0.145 mm變為0.138 mm：使CO比排放值由6.02 g/（kW·h）降為5.5 g/（kW·h），降低了10.5%；NOx比排放值由3.84 g/（kW·h）增加到4.16 g/（kW·h），升高了8.3%；THC比排放值由1.64 g/（kW·h）降為1.55 g/kWh，降低了5.5%；顆粒物PM由88.9 mg/（kW·h）變為72.5 mg/（kW·h），減小了18.4%；燃油的比油耗由284.3 g/（kW·h）降為277.0 g/（kW·h），降低了2.6%。