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(fā)動機有限公司，山東 濰坊 261100）

在環(huán)境污染問題日益加劇的當(dāng)下，節(jié)能降耗、低碳環(huán)保已經(jīng)成為各行各業(yè)的必然發(fā)展方向。非道路用柴油機的用途較廣，目前已經(jīng)被應(yīng)用到多個領(lǐng)域，但由于其排放的尾氣中存在多種有害物質(zhì)，會給生態(tài)環(huán)境尤其是大氣環(huán)境造成一定的污染，因此近年來關(guān)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(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對非道路用柴油機尾氣排放的相關(guān)問題進行了分析，具體內(nèi)容如下。

1 非道路用柴油機尾氣排放現(xiàn)狀

柴油機是我國常用的一種發(fā)動機，以柴油為燃料，通過將柴油在燃燒過程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為動能獲取能量釋放。根據(jù)其工作環(huán)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(chǎn)生一定的尾氣，尾氣被排放到大氣中后，會給大氣環(huán)境造成污染。采取技術(shù)改進、技術(shù)優(yōu)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(huán)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(fā)現(xiàn)，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(huán)境惡劣、所用機油質(zhì)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(huán)境造成一定的危害。當(dāng)前，非道路用柴油機在多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用，使用數(shù)量不斷增多，但其技術(shù)水平有待提高。我國現(xiàn)有非道路用柴油機的工藝、技術(shù)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(fā)展。實現(xiàn)對非道路用柴油機尾氣排放的有效控制，已經(jīng)成為目前技術(shù)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(yīng)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(guī)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(jù)，市場上出現(xiàn)了多種不同規(guī)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(zhì)在工作中的受力保持一致，從而提高工作的統(tǒng)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(jié)果的準確性，應(yīng)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(fā)展，各種精密化的、技術(shù)含量高的測量儀器不斷涌現(xiàn)，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(nèi)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(xiàn)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(xué)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(cè)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(shù)值進行計算。這種測量方法得到的結(jié)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(fù)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(jié)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(xiàn)一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，包括燃油噴射反應(yīng)、湍流反應(yīng)、油滴蒸發(fā)反應(yīng)、霧化碰撞反應(yīng)等。由于噴油孔直徑的不同，在上述反應(yīng)中所產(chǎn)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(yīng)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(shù)量以及燃料等因素相同的條件下，噴油孔直徑和噴霧反應(yīng)中的油滴數(shù)量呈正相關(guān)，而油滴數(shù)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(chǎn)生的霧化產(chǎn)物會和原料相結(jié)合，生成更多的混合氣體。在同一密閉空間內(nèi)，氣體體積不斷上升的情況下，其內(nèi)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(dǎo)致空間內(nèi)溫度的逐漸提高。經(jīng)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(xù)，高溫面積也會逐漸增加，噴油孔直徑越小，燃燒室內(nèi)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(fā)生附著現(xiàn)象，燃油不容易被蒸發(fā)，而中心區(qū)域的燃油相對較少，這就造成了燃燒室內(nèi)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(yīng)越充分，產(chǎn)生的氣體體積就越大，且燃燒室內(nèi)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(zhì)組成的混合氣，這些物質(zhì)均會給生態(tài)環(huán)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(jié)果的準確性，除噴油孔直徑外，非道路用柴油機的其他參數(shù)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(jié)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(yīng)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(fā)現(xiàn)，噴油孔的直徑越小，則所生成的混合氣質(zhì)量也越高，柴油機缸中的燃燒反應(yīng)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(jié)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(fā)現(xiàn)，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(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)。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(xiàn)出缺氧狀態(tài)。在燃燒室內(nèi)，燃油撞壁后在破碎的同時也加快了其蒸發(fā)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(chǎn)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(jié)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(zhì)Soot、CO 的生成量越小。鑒于此，為實現(xiàn)對非道路用柴油機尾氣排放的有效控制，應(yīng)選擇直徑較小的噴油孔，從而為生態(tài)環(huán)境的改善作出積極的貢獻。