柴油機(jī)NOx排放對(duì)進(jìn)氣濕度的敏感性問(wèn)題研究

王磊，黃志強(qiáng)

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)研究實(shí)驗(yàn)室，上海 201805)

0 引言

由于柴油機(jī)在燃燒過(guò)程中局部溫度較高，幾乎總是工作在過(guò)量空氣系數(shù)λ>1的工況，高溫和富氧條件造成柴油機(jī)的NOx排放量顯著增加[1-3]。NOx的比排放水平是衡量柴油機(jī)排放性能的重要標(biāo)準(zhǔn)[4]。

大量的試驗(yàn)研究表明，柴油機(jī)的NOx排放量與進(jìn)氣狀態(tài)有關(guān)[5]，不同的進(jìn)氣濕度和進(jìn)氣溫度都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程，是影響NOx比排放水平的重要因素[6]。濕度高則水蒸氣含量高，進(jìn)氣濕度對(duì)燃燒過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：1)與空氣相比，水蒸氣的比熱容較大，能吸收燃燒過(guò)程中的熱量，降低燃燒溫度，從而破壞“高溫”條件[7]；2)水蒸氣對(duì)空氣中的氧有一定的稀釋作用，破壞了“富氧”條件。因此，較高的濕度會(huì)降低NOx的排放，反之則會(huì)增大NOx的排放量[8]。

對(duì)于道路柴油機(jī)，在國(guó)五和國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)中，除規(guī)定實(shí)驗(yàn)室大氣因子的有效范圍外，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度和濕度范圍并沒(méi)有作直接明確的約束與限定[9]。目前對(duì)于該問(wèn)題的研究和解釋主要為定性分析或者仿真模擬，缺少實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量分析。本文中基于一臺(tái)國(guó)五道路柴油機(jī)，通過(guò)對(duì)歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)(European steady state cycle，ESC)中A、B、C轉(zhuǎn)速的3個(gè)外特性點(diǎn)在不同濕度下NOx的排放結(jié)果，利用Minitab軟件進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)較好的線性擬合關(guān)系；定量分析柴油機(jī)NOx排放對(duì)進(jìn)氣濕度的敏感性問(wèn)題，并探究在試驗(yàn)中通過(guò)合理地控制進(jìn)氣濕度以獲得具有代表性的NOx排放結(jié)果。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)對(duì)象及測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)115 kW渦輪增壓中冷道路柴油機(jī)，排放滿足文獻(xiàn)[10]的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)所用測(cè)功機(jī)為德國(guó)SCHENCK公司交流電力測(cè)功機(jī)，型號(hào)為DYNAS2-220，額定功率220 kW，最大扭矩580 N·m，最高轉(zhuǎn)速10 000 r/min，測(cè)量準(zhǔn)確度A級(jí)；發(fā)動(dòng)機(jī)排氣采樣分析系統(tǒng)為日本HORIBA公司MEXA 7200DEGR，系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度≤2%；發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)采用德國(guó)Imtech公司ComCon60/1000 PTH型進(jìn)氣空調(diào)系統(tǒng)，溫度控制范圍為((15～35)±1)℃，壓力(絕對(duì)壓力)控制范圍為((70～110)±10)kPa，相對(duì)濕度(relative humidity，HR)控制范圍為((20～80)±3)%。

1.2 試驗(yàn)方法

為了研究不同進(jìn)氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量的影響，選取ESC循環(huán)中的3個(gè)特征轉(zhuǎn)速，即A、B、C轉(zhuǎn)速分別是1899、2335、2771 r/min。在3個(gè)轉(zhuǎn)速各自的外特性工況下，控制進(jìn)氣相對(duì)濕度為25%～75%，以5%的梯度逐步增加，待工況及排放穩(wěn)定后，在每個(gè)進(jìn)氣濕度條件下測(cè)量3次相關(guān)參數(shù)后取平均值。

獲得3組共33個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的公式，對(duì)實(shí)驗(yàn)室大氣因子fa，NOx溫濕度校正因子KH.D，NOx比排放量等進(jìn)行計(jì)算。在同一轉(zhuǎn)速下，按照不同進(jìn)氣相對(duì)濕度對(duì)NOx排放量的影響進(jìn)行縱向、橫向比較，定量分析柴油機(jī)NOx排放對(duì)進(jìn)氣濕度的敏感性問(wèn)題。

1.3 試驗(yàn)條件控制

進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣濕度均影響NOx排放，為了單一分析進(jìn)氣濕度對(duì)排放的影響，需嚴(yán)格控制進(jìn)氣溫度，如圖1所示，所有試驗(yàn)工況點(diǎn)的進(jìn)氣溫度均控制在(25±0.5)℃內(nèi)，以期將溫度的影響降至最低；為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)良好的可對(duì)比性，將進(jìn)氣相對(duì)濕度的偏差范圍控制在1%以內(nèi)，如圖2所示。

圖1 對(duì)進(jìn)氣溫度條件的控制 圖2 對(duì)進(jìn)氣相對(duì)濕度條件的控制

2 排放計(jì)算過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)室大氣因子

文獻(xiàn)[10]規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)的有效試驗(yàn)條件，對(duì)于帶或不帶進(jìn)氣中冷的渦輪增壓柴油機(jī)，計(jì)算公式為:

(1)

圖3 實(shí)驗(yàn)室大氣因子計(jì)算結(jié)果

式中：Ps為干空氣壓，kPa；Ta為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口處空氣的絕對(duì)溫度，K。

只有當(dāng)0.96≤fa≤1.06時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果有效(國(guó)六階段，將該有效范圍調(diào)整為0.93≤fa≤1.07)[11]。根據(jù)公式(1)計(jì)算得出3個(gè)轉(zhuǎn)速下不同進(jìn)氣濕度狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)室大氣因子，見(jiàn)圖4。由圖4可知，大氣因子計(jì)算結(jié)果符合規(guī)定，本次所有測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)均有效。

2.2 NOx溫濕度校正因子

由于NOx的排放量與大氣狀態(tài)相關(guān)，因此文獻(xiàn)[10]對(duì)NOx的濃度進(jìn)行溫度和濕度修正，校正因子計(jì)算公式如下：

(2)

式中：D、E分別為計(jì)算系數(shù)項(xiàng)；Ta為進(jìn)氣的絕對(duì)溫度，K；Ha為進(jìn)氣的絕對(duì)濕度(水-干空氣)，g/kg。D、E和Ha的計(jì)算公式為：

D=0.309GFUEL/GAIRD-0.026 6,

(3)

E=-0.209GFUEL/GAIRD+0.009 54,

(4)

(5)

式中：GFUEL為燃料質(zhì)量流量，kg/n;GAIRD為進(jìn)氣質(zhì)量流量(干基),kg/h;Ra為進(jìn)氣的相對(duì)濕度，%；Pa為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空氣的飽和蒸氣壓，kPa；PB為總大氣壓，kPa。

文獻(xiàn)[10]中并未直接給出具體的飽和蒸氣壓計(jì)算公式，本文中采用了工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用最普遍的Antoine方程進(jìn)行計(jì)算[12]，方程的常用形式為：

(6)

式中：Pa為空氣飽和蒸氣壓，kPa；Ta為空氣的絕對(duì)溫度，K；a、b、c為Antoine常數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]推薦，在溫度為273～303 K時(shí)，建議取a=5.402 21，b=1 838.675，c=241.413。

國(guó)六階段對(duì)NOx溫濕度校正公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化：

(7)

其中，對(duì)于進(jìn)氣絕對(duì)濕度Ha，標(biāo)準(zhǔn)指出可以由相對(duì)濕度的測(cè)量值、露點(diǎn)測(cè)量值、蒸汽壓測(cè)量值或干-濕球溫度計(jì)測(cè)量值用通用的方程計(jì)算得出，即可參考上述計(jì)算過(guò)程。

2.3 NOx比排放

本次試驗(yàn)采用直接采樣方式測(cè)量NOx排放濃度，由于所用分析設(shè)備對(duì)NOx的測(cè)量并未除濕，所以最終NOx排放無(wú)需進(jìn)行干-濕基修正。

假設(shè)排氣在273 K和101.3 kPa下的密度為1.293 kg/m3，每工況NOx的質(zhì)量流量(單位g/h)計(jì)算公式[14]

NOxmass=0.001 587×NOxconc×KH.D×GEXHW

,

(8)

式中：NOxconc為NOx從原始排氣中直接采樣的平均體積濃度，10-6；GEXHW為排氣質(zhì)量流量(濕基)，kg/h。

根據(jù)質(zhì)量守恒,有

GEXHW=GAIRW+GFUEL,

(9)

式中：GAIRW為進(jìn)氣質(zhì)量流量(濕基)，kg/h。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 NOx比排放

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算后，得到A、B、C轉(zhuǎn)速下的NOx比排放量與進(jìn)氣相對(duì)濕度的關(guān)系圖，如圖4～6所示。

圖4 A轉(zhuǎn)速下NOx比排放與進(jìn)氣相對(duì)濕度關(guān)系 圖5 B轉(zhuǎn)速下NOx比排放與進(jìn)氣相對(duì)濕度關(guān)系

圖6 C轉(zhuǎn)速下NOx比排放與進(jìn)氣相對(duì)濕度關(guān)系

由圖4～6可知：

1)在同一工況下，隨著進(jìn)氣相對(duì)濕度的增加，NOx比排放量逐漸減少[15]；

2)由于溫濕度校正因子的不同，導(dǎo)致國(guó)五和國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)中NOx比排放計(jì)算值稍有差別[16]。在進(jìn)氣相對(duì)濕度較低時(shí)，最大差異達(dá)2%左右。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果回歸分析

從NOx比排放和進(jìn)氣相對(duì)濕度的關(guān)系圖可粗略觀察到兩者呈現(xiàn)一種負(fù)相關(guān)的線性趨勢(shì)。利用質(zhì)量分析軟件Minitab，對(duì)兩者相關(guān)性進(jìn)行定量分析。

表2 分析結(jié)果主要參量

以A轉(zhuǎn)速為例進(jìn)行分析，得到各主要參量如表2所示。其中Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.973,接近于-1，說(shuō)明2個(gè)變量負(fù)相關(guān)程度高；P值為0<0.05，說(shuō)明兩者關(guān)聯(lián)程度是顯著的；決定系數(shù)R-Sq為94.7%,接近于1，說(shuō)明回歸方程是顯著的。以進(jìn)氣相對(duì)濕度為自變量，NOx比排放為因變量畫(huà)出圖線，如圖7所示，得到線性擬合方程：y=2.029-0.018 33x；正態(tài)概率如圖8所示，圖線能較好的擬合成直線，說(shuō)明數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特點(diǎn)。

圖7 轉(zhuǎn)速A下的線性擬合曲線 圖8 正態(tài)概率分布

利用殘差圖對(duì)線性回歸進(jìn)行充分驗(yàn)證，如圖9所示。由圖可見(jiàn)在上、下對(duì)稱帶中，各殘差散點(diǎn)圍繞0線隨機(jī)、均勻地分布。說(shuō)明A轉(zhuǎn)速下的擬合模型不存在擬合不佳的情況。圖10為殘差頻數(shù)直方圖，殘差也基本圍繞中值呈左右對(duì)稱。

按照同樣的方法分析，對(duì)B和C轉(zhuǎn)速下NOx比排放與進(jìn)氣相對(duì)濕度的關(guān)系做線性擬合和驗(yàn)證。結(jié)果表明，兩者線性擬合度都很好，相關(guān)系數(shù)均在95%以上。得到B、C轉(zhuǎn)速下的線性擬合方程分別為y=1.961-0.0158 8x以及y=2.123-0.013 11x，兩種轉(zhuǎn)速下的線性擬合曲線如圖11、12所示。

圖9 殘差散點(diǎn)分布 圖10 殘差頻數(shù)直方圖

圖11 轉(zhuǎn)速B下的線性擬合曲線 圖12 轉(zhuǎn)速C下的線性擬合曲線

3.3 NOx對(duì)進(jìn)氣濕度敏感性分析

對(duì)于線性函數(shù)關(guān)系，響應(yīng)量對(duì)輸入量的敏感程度取決于直線斜率。而A、B、C轉(zhuǎn)速下線性擬合斜率分別為KA=-0.018 33，KB=-0.015 88，KC=-0.013 11。因?yàn)閨KA|>|KB|>|KC|，可以推論，在相同負(fù)荷下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx比排放量對(duì)進(jìn)氣濕度變化的敏感程度越低，反之則越高[17]。同時(shí)可推知，在同一工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)相同進(jìn)氣濕度變化量的敏感程度基本相同[18]。

3.4 NOx代表性排放結(jié)果問(wèn)題分析

4 結(jié)論

1)進(jìn)氣濕度影響NOx排放的原因主要是高比熱容及對(duì)氧的稀釋作用。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著進(jìn)氣濕度的逐步增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量也單向下降。

2)利用Minitab軟件對(duì)進(jìn)氣相對(duì)濕度和NOx比排放量進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)線性特性。

3)利用線性斜率來(lái)分析NOx對(duì)進(jìn)氣濕度敏感性問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)在同一工況下，NOx排放對(duì)相同濕度變化量敏感性相同；而在不同轉(zhuǎn)速下，相同進(jìn)氣濕度變化量對(duì)低轉(zhuǎn)速工況排放更敏感。

4)用實(shí)測(cè)NOx比排放結(jié)果取均值帶入擬合方程，推出生成代表性NOx結(jié)果的預(yù)測(cè)點(diǎn)進(jìn)氣相對(duì)濕度均在50%左右，這對(duì)于認(rèn)證或開(kāi)發(fā)標(biāo)定試驗(yàn)中NOx的測(cè)量和邊界控制有一定參考意義。為獲得具有代表性的結(jié)果，建議進(jìn)氣相對(duì)濕度范圍控制在(50±5)%左右。