喷油孔直径对非道路用柴油机尾气排放的影响

李来永

（潍坊华东发动机有限公司，山东 潍坊 261100）

在环境污染问题日益加剧的当下，节能降耗、低碳环保已经成为各行各业的必然发展方向。非道路用柴油机的用途较广，目前已经被应用到多个领域，但由于其排放的尾气中存在多种有害物质，会给生态环境尤其是大气环境造成一定的污染，因此近年来关于控制非道路用柴油机尾气排放的研究日益增多。文章在总结前人经验的基础上，对非道路用柴油机尾气排放的相关问题进行了分析，具体内容如下。

1 非道路用柴油机尾气排放现状

柴油机是我国常用的一种发动机，以柴油为燃料，通过将柴油在燃烧过程中产生的能量转化为动能获取能量释放。根据其工作环境、需求强度的差异，可分为非道路用柴油机以及道路用柴油机两种类型。非道路用柴油机在运行过程中，会产生一定的尾气，尾气被排放到大气中后，会给大气环境造成污染。采取技术改进、技术优化等措施后，非道路用柴油机的尾气排放量会有所降低。但由于柴油机的工作环境恶劣、工况变化频繁、功率范围较大等，其尾气排放存在一定的不确定性。

文章对非道路用柴油机尾气排放的实际情况进行分析发现，受到非道路用柴油机自身因素（如冷却效果较差等）以及客观因素（如工作环境恶劣、所用机油质量参差不齐等）的影响，其尾气排放量较大，其中的污染物会给大气环境造成一定的危害。当前，非道路用柴油机在多个领域得到了应用，使用数量不断增多，但其技术水平有待提高。我国现有非道路用柴油机的工艺、技术与西方国家相比存在一定的差距，高油耗、高排放问题限制着我国非道路用柴油机的发展。实现对非道路用柴油机尾气排放的有效控制，已经成为目前技术研究的重点[1]。

2 喷油孔及其直径

非道路用柴油机主要被应用于喷油孔，可提高喷油孔的通用性、可靠性。若想分析喷油孔对非道路用柴油机尾气排放的影响，就要明确喷油孔的规格、形状，并准确测量喷油孔的尺寸大小。以非道路用柴油机不同的实际使用需求为依据，市场上出现了多种不同规格、不同形状、不同尺寸的喷油孔，目前最为常见、常用的是圆形喷油孔。这种圆形喷油孔在实际工作中，可确保微小物质在工作中的受力保持一致，从而提高工作的统一性。针对圆形喷油孔，测量喷油孔的尺寸便是测量喷油孔的直径，相比测量周长，直径的测量难度大大降低。但是，由于喷油孔直径往往较小，因此在测量喷油孔的直径时，为确保测量结果的准确性，应合理选择测量方法。

喷油孔直径测量过程中，可采取以下两种方法。第一，借助测量仪器进行测量。随着科技的发展，各种精密化的、技术含量高的测量仪器不断涌现，采用这些测量仪器直接对喷油孔直径进行测量，操作比较简单。但是在测量时，测量仪器往往会直接接触喷油孔内壁，容易对喷油孔造成一定的损伤。同时，这种测量方法容易出现人为误差，无法确保喷油孔直径测量的精准度。通常情况下，是使用测量仪器测量直径较大的喷油孔的直径，通过控制力度避免喷油孔受损。第二，借助光学成像原理对喷油孔的直径进行测量。这种测量方式指的是，将被照明的接触侧头、摄像机摆放在合适的位置上，生成反射影像，然后将其输入计算机中，并以亚像素精度对喷油孔的直径数值进行计算。这种测量方法得到的结果更为精确，无须接触被测量物体，是一种无损测量方法，但其操作过程复杂、烦琐。目前，人们主要是使用这种测量方法测量直径较小的喷油孔的直径，以确保测量结果的准确性[2]。

3 喷油孔直径对非道路用柴油机尾气排放的影响

3.1 对动力的影响

非道路用柴油机排放尾气时，柴油机缸中会出现一系列物理、化学反应，包括燃油喷射反应、湍流反应、油滴蒸发反应、雾化碰撞反应等。由于喷油孔直径的不同，在上述反应中所产生的尾气排放方式也有一定的差异，因此非道路用柴油机的尾气排放动力主要受柴油机缸中燃烧反应的压力、温度两个方面因素的影响，而柴油机缸中的平均压力、温度主要取决于喷油孔直径的大小。在喷油孔数量以及燃料等因素相同的条件下，喷油孔直径和喷雾反应中的油滴数量呈正相关，而油滴数量越少则代表油气雾化效果越好。在喷雾速度降低的情况下，燃烧室中产生的雾化产物会和原料相结合，生成更多的混合气体。在同一密闭空间内，气体体积不断上升的情况下，其内部压强也会不断提高，混合燃料就能更加完全、剧烈地进行燃烧，进而导致空间内温度的逐渐提高。经实践证实，在燃烧初期，燃烧室凹坑部位、活塞部位的温度要远远高于其他部位。随着燃烧的继续，高温面积也会逐渐增加，喷油孔直径越小，燃烧室内的温度分布得越广泛、越均匀。同时，在喷油孔直径较大的情况下，油束贯穿距离也会比较长，因此会在燃烧室壁面发生附着现象，燃油不容易被蒸发，而中心区域的燃油相对较少，这就造成了燃烧室内部的温度分布得不够均匀[3]。

由此可知，非道路用柴油机的尾气排放动力很大程度上受喷油孔直径的影响，即喷油孔直径较小的情况下，柴油机的燃烧反应越充分，产生的气体体积就越大，且燃烧室内的温度、压力较高、较均匀，尾气排放动力也就越大。

3.2 对成分的影响

非道路用柴油机排放的尾气通常是由氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳烟（Soot）等物质组成的混合气，这些物质均会给生态环境造成一定程度的污染与破坏。为了明确喷油孔直径对非道路用柴油机尾气成分的影响，以0.25mm、0.5mm、1mm 三种喷油孔直径下非道路用柴油机尾气中NOx的生成速率与NOx、CO、Soot 的生成量为例进行分析。为确保结果的准确性，除喷油孔直径外，非道路用柴油机的其他参数均一致[4]。

首先，对三种喷油孔直径下非道路用柴油机尾气中NOx的生成速率进行分析，结果如图1 所示。

图1 三种条件下尾气中NOx 的生成速率

由图1 可知，非道路用柴油机的运行时间为730s ～740s 时，其尾气中NOx的生成速率达到峰值，NOx的生成量也最多。与此相对应的，喷油孔直径越小的情况下，NOx的生成速率越快、NOx的生成量越多。分析其原因发现，喷油孔的直径越小，则所生成的混合气质量也越高，柴油机缸中的燃烧反应也就越剧烈，温度会随之上升，从而加快NOx的生成速率、增加NOx的生成量[5]。

其次，对非道路用柴油机尾气中NOx、CO、Soot 的生成量进行分析，结果如图2 所示。

由图2 可知，喷油孔直径较小的情况下，非道路用柴油机尾气中Soot 的生成量也相对较少。分析其原因发现，喷油孔直径较小的情况下，Soot 的生成速率虽然较快，但其被氧化的速率也比较快，也就是说Soot 在生成的过程中在持续发生氧化反应。同时，喷油孔直径较小，因此油束贯穿距离也较短，在这样的条件下，燃油空燃比增加，整体呈现出缺氧状态。在燃烧室内，燃油撞壁后在破碎的同时也加快了其蒸发的速度，所生成的油气混合物比较均匀，可以得到更好的燃烧效果，使得温度上升，Soot 在生成之后便迅速被氧化，从而减少了Soot 的生成量。同时，在喷油孔直径较小的情况下，非道路用柴油机尾气中CO 生成量也相对较少，其原理与Soot 相同。CO 被氧化之后，变成了CO2。

由此可知，非道路用柴油机的尾气排放成分很大程度上受喷油孔直径的影响，即喷油孔直径越小，NOx的生成速率越快、产量越多，而Soot、CO 的生成量越少[6]。

图2 三种条件下尾气中NOx、CO、Soot 的生成量

4 结束语

综上，喷油孔直径对非道路用柴油机的尾气排放动力、尾气成分均有一定的影响，即喷油孔直径越小，尾气排放动力越大，尾气中有害物质Soot、CO 的生成量越小。鉴于此，为实现对非道路用柴油机尾气排放的有效控制，应选择直径较小的喷油孔，从而为生态环境的改善作出积极的贡献。