喷油器参数对非道路柴油机瞬态循环排放的影响

孙景震

（招商局检测车辆技术研究院有限公司，重庆 400000）

进入21世纪以来，中国经济高速发展，非道路机械产品伴随着工农业迅速发展及现代化进程的加快保有量一直稳步上升。但是同道路车机相比，非道路用机械产品由于其工作环境及作业条件比较恶劣，使用的机油及燃油品质好坏不一，导致其在环境污染中的比例也随之增加[1-3]。根据公开数据显示，2020年，非道路移动源排放碳氢化合物THC为42.5万t，非道路移动源排放氮氧化物NOx为478.2万t，非道路移动源排放颗粒物PM为23.7万t，因此非道路移动机械对环境空气的质量影响已经不可忽视。

为实现2030年的碳达峰及2060年前实现碳中和国家生态战略目标，同时也响应和落实国家的《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》，打赢蓝天保卫战，国家生态环境部于2020-12-28正式颁布了HJ 1014—2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》标准，比起国三非道路标准，该标准新增了NRTC瞬态循环工况。该工况由冷态、热态2部分组成，其中冷态排放占比权重为10%，热态权重为90%[4]。NRTC循环可全面覆盖非道路发动机的工作范围，更加接近其实际的运行工况。从国三到国四，不同功率段的非道路移动机械用发动机采用不同的技术升级策略。本文主要是基于37 kW以下发动机进行测试研究，对于37 kW以下的非道路发动机，目前采用的策略主要是优化发动机进气、燃烧室、喷油系统。喷油器参数直接影响发动机缸内混合气的形成及燃烧过程，从而对排放产生较大的影响，有必要研究喷油器参数对非道路移动机械用柴油机的NRTC循环排放影响[5-9]。

本文主要采用了2种喷油器，分别为喷油器1及喷油器2，2种喷油器具有不同的喷油器特性参数。喷油器1的喷油孔数为6，喷油孔直径为0.145 mm；喷油器2的喷油孔数为7，喷油孔直径为0.138 mm。本文采用的发动机基于1台非道路国三发动机，为了达到国四排放要求，通过配置2种不同的喷油器来进行升级改造，研究对热态NRTC的气态排放污染物的影响，以期为实现非道路国四标准要求提供技术及数据支撑。

1 测试设备

本文研究的非道路移动机械用发动机未携带任何后处理，发动机基本参数如表1所示。

表1 发动机基本参数

发动机的台架系统是基于德国Horiba公司进口的350 kW交流电力测功机。排放测试系统由日本Horiba研制的最新的Mexa One系列稀释采样分析仪及全流颗粒稀释系统。稀释采样分析仪可进行CO、NOx、THC等气体排放污染物的分析，全流颗粒稀释系统进行颗粒物的采集测试。燃油消耗仪采用AVL公司生产的型号为740的油耗仪，进气流量计为上海同圆发动机测试设备有限公司生产的FMT700-P。同时试验过程中采用了温度及压力传感器，以便记录循环过程中的数据进行后续分析。

2 试验结果及分析

非道路移动机械用柴油机的NRTC瞬态循环共计1 238 s，试验采用Mexa One分析仪连续采取循环中的气体排放信号进行积分，从而求得最后的污染物体积分数测量值，再根据定容分析采样系统求得整个循环的稀释体积，根据两者求得最后的比排放测量值。由于热态NRTC占比为90%，直接影响冷热态NRTC的最终结果，且为减少冷态NRTC的冷机时间，本文只进行了热态NRTC试验。为保证试验的一致性，在2次热态的NRTC循环之前都根据发动机厂家的申报条件对边界（进气阻力、排气压力、出水温度、机油温度等）进行了重新校核。2次热态试验都是在发动机最大功率点的100%工况充分热机（发动机的冷却液及润滑油温度温度保持在平均值的±2%之内至少2 min）后停机热浸20 min再进行试验。2次试验由相同的试验人员在同一发动机台架下进行测量。2次试验都采用同一个瞬态外特性曲线图以保证瞬态循环工况的一致性[4，10]。

2.1 不同喷油器参数对CO排放的影响

图1为2种喷油器在整个循环中的实时排放体积分数，由图1可知，2种喷油器在体积分数趋势走势上比较一致。在800 s之前，2种喷油器的CO排放体积分数基本相同，2种喷油器CO排放体积分数的差异主要体现在800 s之后，即出现在转速比较高、负荷变动急剧的区域。2次试验循环最后测得的结果为：喷油器1的CO比排放值为6.02 g/（kW·h），喷油器2的比排放值为5.45 g/（kW·h）。结果表明使用喷油器2的CO比排放值要比喷油器1低10.5%，且能够满足非道路国四的标准限值5.5g/（kW·h）的标准。

图1 不同喷油器NRTC循环的CO排放体积分数

由CO的生成机理可知，发动机尾气中的CO主要是燃烧过程中燃烧不完全所致。喷油器2同喷油器1相比，由于喷油孔数增加，导致在喷油过程中，燃油在气缸内的分布覆盖范围变广，有利于燃油的雾化，再加上缸内涡流的影响，促使缸内空气和燃油混合更好，有利于缸内燃烧。喷油孔径的减小，致使初始油滴直径变小，油束贯穿距离变短，有利于燃油沿周向的破碎雾化，提高了空气利用率。因此使用喷油器2可优化缸内燃烧，使燃烧不完全的CO减少。

2.2 不同喷油器参数对NO x排放的影响

图2为2种喷油器在整个循环中的实时排放体积分数，在整个循环过程中，喷油器2的NOx比排放都要高于喷油器1的比排放。喷油器1的NOx比排放值为3.84 g/（kW·h），喷油器2的比排放值为4.16 g/（kW·h）。最终数据表明，使用喷油器2的NOx比排放值要比喷油器1高8.3%。

图2 不同喷油器NRTC循环的NO x排放体积分数

由NOx的生成机理可知，影响NOx生成的因素主要是缸内的燃烧温度及含氧情况。由于柴油机的混合气形成方式决定了缸内含氧量基本充足，因此影响缸内NOx生成的主要因素是缸内的燃烧温度。由于喷油孔数及喷油孔径减小，使缸内燃烧温度升高，导致在整个循环中NOx生成量增加。

2.3 不同喷油器参数对THC排放的影响

图3为2种喷油器在整个NRTC循环过程中的瞬态排放体积分数。由图3可知，在循环初期，2种喷油器的体积分数相差很小，在循环的中期，喷油器2的THC体积分数要高于喷油器1的体积分数，在试验的后期，喷油器2的体积分数与喷油器1的体积分数走势比较一致，但喷油器2的体积分数一直低于喷油器1的浓度。试验最终的结果为：喷油器1的THC比排放值为1.64 g/（kW·h），喷油器2的THC比排放值为1.55 g/（kW·h）。使用多孔数、小孔径的喷油器做出来的比排放结果要低5.5%。

图3 不同喷油器NRTC循环THC排放体积分数

发动机尾气中的THC主要来源于发动机缸内未燃烧的燃油及燃烧不充分的燃油以及窜入缸内的部分机油，其中占比权重最大的是未燃烧的燃油。喷油孔数的增加，使喷入燃烧室内的燃油更加细化，有利于燃油的雾化，从而使混合气的混合更加均匀。在喷油量不变的情况下，喷油孔径的减小使喷油速率加快，喷油射程增加，喷油持续时间增加，有利于燃油持续燃烧。

2.4 不同喷油器参数对颗粒物PM排放的影响

通过2次试验，测得最终结果为：喷油器1的PM值为88.9 mg/（k W·h），喷油器2的PM值为72.5 mg/（kW·h），使用多孔小直径的喷油器的比排放值要低18.4%。综上可知，喷油孔数的增加及孔径的减小有利于空气的混合，使缸内燃烧充分，最终减少了PM的产生。

2.5 不同喷油器参数对油耗的影响

通过2次试验，测得最终结果为：喷油器1的比油耗值为284.3 g/（kW·h），喷油器2的PM值为277.0 g/（kW·h），使用多孔小直径的喷油器的比排放值要低2.6%。由以上原理及结果可知，喷油孔数的增加及孔径的减小使CO、THC、颗粒物PM减少，从而使油耗也降低。

以上喷油器参数的选择是基于发动机生产厂的生产经验。因为喷油孔数的增加会影响缸内周向的燃油密度，导致相邻的2种喷油孔的油束会发生干涉和重叠，而喷油孔径的减小虽然使油滴变得更小、更轻，但也会导致油滴在燃烧室内的贯穿距离缩短，不利于油束在燃烧室内径向的分布扩散，影响燃烧室底部混合气的混合。因此喷油孔数及喷油孔径的选择应结合具体的生产经验，不能随意增加及降低。

3 结论

采用不同特性参数的喷油器会影响缸内的混合气形成及燃烧情况，从而影响非道路柴油机瞬态循环排放值。

增加喷油孔数、减小喷油孔径会提高空气利用率，从而使混合气燃烧充分，减少CO、THC、颗粒物等排放，油耗降低，提高缸内燃烧温度，从而增加NOx排放。

喷油孔数由6孔变为7孔，喷油孔直径由0.145 mm变为0.138 mm：使CO比排放值由6.02 g/（kW·h）降为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）降为1.55 g/kWh，降低了5.5%；颗粒物PM由88.9 mg/（kW·h）变为72.5 mg/（kW·h），减小了18.4%；燃油的比油耗由284.3 g/（kW·h）降为277.0 g/（kW·h），降低了2.6%。