噴油器參數(shù)對(duì)非道路柴油機(jī)瞬態(tài)循環(huán)排放的影響

孫景震

（招商局檢測(cè)車輛技術(shù)研究院有限公司，重慶 400000）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，非道路機(jī)械產(chǎn)品伴隨著工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展及現(xiàn)代化進(jìn)程的加快保有量一直穩(wěn)步上升。但是同道路車機(jī)相比，非道路用機(jī)械產(chǎn)品由于其工作環(huán)境及作業(yè)條件比較惡劣，使用的機(jī)油及燃油品質(zhì)好壞不一，導(dǎo)致其在環(huán)境污染中的比例也隨之增加[1-3]。根據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，2020年，非道路移動(dòng)源排放碳?xì)浠衔颰HC為42.5萬(wàn)t，非道路移動(dòng)源排放氮氧化物NOx為478.2萬(wàn)t，非道路移動(dòng)源排放顆粒物PM為23.7萬(wàn)t，因此非道路移動(dòng)機(jī)械對(duì)環(huán)境空氣的質(zhì)量影響已經(jīng)不可忽視。

為實(shí)現(xiàn)2030年的碳達(dá)峰及2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和國(guó)家生態(tài)戰(zhàn)略目標(biāo)，同時(shí)也響應(yīng)和落實(shí)國(guó)家的《柴油貨車污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，國(guó)家生態(tài)環(huán)境部于2020-12-28正式頒布了HJ 1014—2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)，比起國(guó)三非道路標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)新增了NRTC瞬態(tài)循環(huán)工況。該工況由冷態(tài)、熱態(tài)2部分組成，其中冷態(tài)排放占比權(quán)重為10%，熱態(tài)權(quán)重為90%[4]。NRTC循環(huán)可全面覆蓋非道路發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，更加接近其實(shí)際的運(yùn)行工況。從國(guó)三到國(guó)四，不同功率段的非道路移動(dòng)機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)采用不同的技術(shù)升級(jí)策略。本文主要是基于37 kW以下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試研究，對(duì)于37 kW以下的非道路發(fā)動(dòng)機(jī)，目前采用的策略主要是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、燃燒室、噴油系統(tǒng)。噴油器參數(shù)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣的形成及燃燒過(guò)程，從而對(duì)排放產(chǎn)生較大的影響，有必要研究噴油器參數(shù)對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的NRTC循環(huán)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(shù)。噴油器1的噴油孔數(shù)為6，噴油孔直徑為0.145 mm；噴油器2的噴油孔數(shù)為7，噴油孔直徑為0.138 mm。本文采用的發(fā)動(dòng)機(jī)基于1臺(tái)非道路國(guó)三發(fā)動(dòng)機(jī)，為了達(dá)到國(guó)四排放要求，通過(guò)配置2種不同的噴油器來(lái)進(jìn)行升級(jí)改造，研究對(duì)熱態(tài)NRTC的氣態(tài)排放污染物的影響，以期為實(shí)現(xiàn)非道路國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)要求提供技術(shù)及數(shù)據(jù)支撐。

1 測(cè)試設(shè)備

本文研究的非道路移動(dòng)機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)未攜帶任何后處理，發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架系統(tǒng)是基于德國(guó)Horiba公司進(jìn)口的350 kW交流電力測(cè)功機(jī)。排放測(cè)試系統(tǒng)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(tǒng)。稀釋采樣分析儀可進(jìn)行CO、NOx、THC等氣體排放污染物的分析，全流顆粒稀釋系統(tǒng)進(jìn)行顆粒物的采集測(cè)試。燃油消耗儀采用AVL公司生產(chǎn)的型號(hào)為740的油耗儀，進(jìn)氣流量計(jì)為上海同圓發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備有限公司生產(chǎn)的FMT700-P。同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中采用了溫度及壓力傳感器，以便記錄循環(huán)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的NRTC瞬態(tài)循環(huán)共計(jì)1 238 s，試驗(yàn)采用Mexa One分析儀連續(xù)采取循環(huán)中的氣體排放信號(hào)進(jìn)行積分，從而求得最后的污染物體積分?jǐn)?shù)測(cè)量值，再根據(jù)定容分析采樣系統(tǒng)求得整個(gè)循環(huán)的稀釋體積，根據(jù)兩者求得最后的比排放測(cè)量值。由于熱態(tài)NRTC占比為90%，直接影響冷熱態(tài)NRTC的最終結(jié)果，且為減少冷態(tài)NRTC的冷機(jī)時(shí)間，本文只進(jìn)行了熱態(tài)NRTC試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)的一致性，在2次熱態(tài)的NRTC循環(huán)之前都根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的申報(bào)條件對(duì)邊界（進(jìn)氣阻力、排氣壓力、出水溫度、機(jī)油溫度等）進(jìn)行了重新校核。2次熱態(tài)試驗(yàn)都是在發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)的100%工況充分熱機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液及潤(rùn)滑油溫度溫度保持在平均值的±2%之內(nèi)至少2 min）后停機(jī)熱浸20 min再進(jìn)行試驗(yàn)。2次試驗(yàn)由相同的試驗(yàn)人員在同一發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架下進(jìn)行測(cè)量。2次試驗(yàn)都采用同一個(gè)瞬態(tài)外特性曲線圖以保證瞬態(tài)循環(huán)工況的一致性[4，10]。

2.1 不同噴油器參數(shù)對(duì)CO排放的影響

圖1為2種噴油器在整個(gè)循環(huán)中的實(shí)時(shí)排放體積分?jǐn)?shù)，由圖1可知，2種噴油器在體積分?jǐn)?shù)趨勢(shì)走勢(shì)上比較一致。在800 s之前，2種噴油器的CO排放體積分?jǐn)?shù)基本相同，2種噴油器CO排放體積分?jǐn)?shù)的差異主要體現(xiàn)在800 s之后，即出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速比較高、負(fù)荷變動(dòng)急劇的區(qū)域。2次試驗(yàn)循環(huán)最后測(cè)得的結(jié)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(jié)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(guó)四的標(biāo)準(zhǔn)限值5.5g/（kW·h）的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 不同噴油器NRTC循環(huán)的CO排放體積分?jǐn)?shù)

由CO的生成機(jī)理可知，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的CO主要是燃燒過(guò)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(shù)增加，導(dǎo)致在噴油過(guò)程中，燃油在氣缸內(nèi)的分布覆蓋范圍變廣，有利于燃油的霧化，再加上缸內(nèi)渦流的影響，促使缸內(nèi)空氣和燃油混合更好，有利于缸內(nèi)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(yōu)化缸內(nèi)燃燒，使燃燒不完全的CO減少。

2.2 不同噴油器參數(shù)對(duì)NO x排放的影響

圖2為2種噴油器在整個(gè)循環(huán)中的實(shí)時(shí)排放體積分?jǐn)?shù)，在整個(gè)循環(huán)過(guò)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(shù)據(jù)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(huán)的NO x排放體積分?jǐn)?shù)

由NOx的生成機(jī)理可知，影響NOx生成的因素主要是缸內(nèi)的燃燒溫度及含氧情況。由于柴油機(jī)的混合氣形成方式?jīng)Q定了缸內(nèi)含氧量基本充足，因此影響缸內(nèi)NOx生成的主要因素是缸內(nèi)的燃燒溫度。由于噴油孔數(shù)及噴油孔徑減小，使缸內(nèi)燃燒溫度升高，導(dǎo)致在整個(gè)循環(huán)中NOx生成量增加。

2.3 不同噴油器參數(shù)對(duì)THC排放的影響

圖3為2種噴油器在整個(gè)NRTC循環(huán)過(guò)程中的瞬態(tài)排放體積分?jǐn)?shù)。由圖3可知，在循環(huán)初期，2種噴油器的體積分?jǐn)?shù)相差很小，在循環(huán)的中期，噴油器2的THC體積分?jǐn)?shù)要高于噴油器1的體積分?jǐn)?shù)，在試驗(yàn)的后期，噴油器2的體積分?jǐn)?shù)與噴油器1的體積分?jǐn)?shù)走勢(shì)比較一致，但噴油器2的體積分?jǐn)?shù)一直低于噴油器1的濃度。試驗(yàn)最終的結(jié)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(shù)、小孔徑的噴油器做出來(lái)的比排放結(jié)果要低5.5%。

圖3 不同噴油器NRTC循環(huán)THC排放體積分?jǐn)?shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的THC主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)未燃燒的燃油及燃燒不充分的燃油以及竄入缸內(nèi)的部分機(jī)油，其中占比權(quán)重最大的是未燃燒的燃油。噴油孔數(shù)的增加，使噴入燃燒室內(nèi)的燃油更加細(xì)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(xù)時(shí)間增加，有利于燃油持續(xù)燃燒。

2.4 不同噴油器參數(shù)對(duì)顆粒物PM排放的影響

通過(guò)2次試驗(yàn)，測(cè)得最終結(jié)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(shù)的增加及孔徑的減小有利于空氣的混合，使缸內(nèi)燃燒充分，最終減少了PM的產(chǎn)生。

2.5 不同噴油器參數(shù)對(duì)油耗的影響

通過(guò)2次試驗(yàn)，測(cè)得最終結(jié)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(jié)果可知，噴油孔數(shù)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(shù)的選擇是基于發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)閲娪涂讛?shù)的增加會(huì)影響缸內(nèi)周向的燃油密度，導(dǎo)致相鄰的2種噴油孔的油束會(huì)發(fā)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(huì)導(dǎo)致油滴在燃燒室內(nèi)的貫穿距離縮短，不利于油束在燃燒室內(nèi)徑向的分布擴(kuò)散，影響燃燒室底部混合氣的混合。因此噴油孔數(shù)及噴油孔徑的選擇應(yīng)結(jié)合具體的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，不能隨意增加及降低。

3 結(jié)論

采用不同特性參數(shù)的噴油器會(huì)影響缸內(nèi)的混合氣形成及燃燒情況，從而影響非道路柴油機(jī)瞬態(tài)循環(huán)排放值。

增加噴油孔數(shù)、減小噴油孔徑會(huì)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(nèi)燃燒溫度，從而增加NOx排放。

噴油孔數(shù)由6孔變?yōu)?孔，噴油孔直徑由0.145 mm變?yōu)?.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?yōu)?2.5 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%。