進(jìn)氣濕度對(duì)某船用柴油機(jī)NOX排放結(jié)果的影響研究

徐明月 張桂芹 李文濤 馮元福 王繼勇

摘要：大型船用柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度控制非常困難，在某大型船用柴油機(jī)排放試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣相對(duì)濕度變化對(duì)排放參數(shù)NOX的比排放量影響非常大。為此選取四個(gè)不同濕度的排放試驗(yàn)循環(huán)結(jié)果做比較分析，表明NOX的濕度校正系數(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了過(guò)度校正，導(dǎo)致校正后的NOX比排放量隨進(jìn)氣相對(duì)濕度增大而增大。

Abstract： It is very difficult to control ambient temperature and humidity on the test bench of large marine diesel engine. During the emission test of a large marine diesel engine， it is found that the change of relative humidity of intake air has a great influence on the specific emission of the emission parameter NOX. The results of four different humidity emission test cycles were compared and analyzed and found that the humidity correction coefficient of NOX overcorrected the results， resulting in the modified NOX specific emission increased with the increase of the relative humidity of the intake air.

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣濕度;船用柴油機(jī);NOX比排放量;NOX濕度校正系數(shù)

Key words： intake air humidity;marine diesel engine;NOX specific emission;humidity correction coefficientof NOX

中圖分類號(hào)：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0054-04

0? 引言

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，排放指標(biāo)在柴油機(jī)研發(fā)和升級(jí)過(guò)程中愈發(fā)重視。《GB 15097-2016 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》的發(fā)布，標(biāo)志著船用柴油機(jī)排放要求進(jìn)入新的階段。在對(duì)某大型船用柴油機(jī)進(jìn)行排放升級(jí)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在相近的環(huán)境溫度和大氣壓力下，環(huán)境濕度不同，柴油機(jī)本身的性能參數(shù)影響不大，但最終的柴油機(jī)NOX比排放量卻差異很大，極易對(duì)排放測(cè)試結(jié)果造成誤判。

針對(duì)此問(wèn)題，本文從NOX理論計(jì)算公式和柴油機(jī)實(shí)際排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)入手，剖析造成此現(xiàn)象的原因，并提出合理的改進(jìn)建議。

1? 排放結(jié)果計(jì)算公式

根據(jù)國(guó)標(biāo)的測(cè)量和計(jì)算方法，NOX的最終比排放量計(jì)算主要與環(huán)境因素（溫度、濕度、大氣壓力）、濕基排氣質(zhì)量流量以及排放設(shè)備測(cè)量的NOX濕基濃度有關(guān)。

1.1 試驗(yàn)環(huán)境條件

進(jìn)氣的絕對(duì)溫度Ta用K表示，干空氣壓PS用kPa表示，根據(jù)下列公式計(jì)算試驗(yàn)環(huán)境大氣因子fa：

對(duì)于帶或不帶進(jìn)氣中冷的渦輪增壓船機(jī)：

（1）

當(dāng)大氣因子滿足0.93≤fa≤1.07時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)是有效的。

由上公式可看出，大氣因子僅與進(jìn)氣絕對(duì)溫度和干空氣壓力有關(guān)。

1.2 NOX排放結(jié)果計(jì)算

1.2.1 比排放量

NOX氣體最終的測(cè)量結(jié)果為比排放量，公式如下：

每個(gè)工況點(diǎn)的比排放量（g/kWh）=（2）

Gasmass其中為該工況點(diǎn)的質(zhì)量流量，Pn為加權(quán)功率。

1.2.2 質(zhì)量流量

單個(gè)工況點(diǎn)的質(zhì)量流量公式如下：

（3）

對(duì)NOX來(lái)說(shuō)，u為常數(shù)0.001587，conc為NOX校正濃度（設(shè)備表顯濃度與濕度校正系數(shù)KH的乘積），GEXHW為濕基排氣質(zhì)量流量（濕基進(jìn)氣質(zhì)量流量GAIRW和燃油消耗量GFUEL之和）。

1.2.3 NOX濕度校正

NOX排放與環(huán)境大氣條件有關(guān)，NOX濃度應(yīng)根據(jù)下式給出的系數(shù)KH進(jìn)行環(huán)境溫度和濕度校正，NOX濕度校正系數(shù)公式如下：

（4）

式中：

（5）

（6）

（7）

其中，GFUEL為燃油消耗量，GAIRD為干基進(jìn)氣質(zhì)量流量，Ha為進(jìn)氣絕對(duì)濕度，Ra為進(jìn)氣相對(duì)濕度，pB為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境大氣壓力，pa為進(jìn)氣飽和蒸汽壓，與進(jìn)氣絕對(duì)溫度Ta有關(guān)，公式為：

（8）

1.2.4 干基進(jìn)氣質(zhì)量流量

干基進(jìn)氣質(zhì)量流量GAIRD與進(jìn)氣絕對(duì)濕度Ha有關(guān)，公式為：

（9）

其中濕基進(jìn)氣質(zhì)量流量GAIRW可讀取現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)氣流量計(jì)或用碳平衡法計(jì)算。

2? 排放試驗(yàn)

柴油機(jī)磨合調(diào)試完成后，按GB 15097-2016要求進(jìn)行四次不同濕度環(huán)境的E3循環(huán)排放試驗(yàn)（四次循環(huán)試驗(yàn)代號(hào)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），環(huán)境溫度在28-31℃間，計(jì)算時(shí)取平均值30℃（303K）;大氣壓力為100.1-100.4kPa，計(jì)算時(shí)取平均值100.3kPa;各循環(huán)中四個(gè)工況點(diǎn)的平均進(jìn)氣相對(duì)濕度分別為82.1%、59.7%、43.6%、34.3%，試驗(yàn)在某次大雨過(guò)后三天內(nèi)完成，以確保柴油機(jī)和排放設(shè)備狀態(tài)盡可能接近。

2.1 不同濕度下的NOX比排放量

不同濕度環(huán)境下測(cè)出的NOX比排放量見(jiàn)圖1。

由圖1可知，NOX的最終比排放量隨著進(jìn)氣相對(duì)濕度下降而減小。

2.2 不同濕度下的柴油機(jī)參數(shù)

四個(gè)循環(huán)中不同工況點(diǎn)柴油機(jī)的爆壓、排溫和油耗率對(duì)比分別見(jiàn)圖2、圖3、圖4。

由圖2-圖4可知，不同濕度下柴油機(jī)爆壓差異在3bar以內(nèi)，各缸平均排溫在5℃以內(nèi)，油耗率在3g/kWh以內(nèi)，柴油機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)基本相同。

2.3 NOX濕基濃度和濕基進(jìn)氣量

排放設(shè)備讀取的NOX濕基濃度和濕基進(jìn)氣量對(duì)比分別見(jiàn)圖5、圖6。

由圖5、圖6可知，進(jìn)氣濕度大，空氣中水分增加，氣體密度小，因而進(jìn)氣量偏小，NOX濃度大。

3? 排放試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上公式和排放試驗(yàn)結(jié)果，取加權(quán)因數(shù)較大的75%負(fù)荷工況進(jìn)行單點(diǎn)分析。

進(jìn)氣的絕對(duì)溫度Ta為303K，干空氣壓Ps為100.3kPa。

3.1 試驗(yàn)環(huán)境校核

按公式（1）計(jì)算大氣因子=1.016，滿足0.93-1.07范圍，因此試驗(yàn)環(huán)境條件滿足要求。

3.2 排放參數(shù)計(jì)算

根據(jù)公式（2）-公式（9），計(jì)算75%工況點(diǎn)各參數(shù)見(jiàn)表1。

由表1可知，進(jìn)氣濕度差異導(dǎo)致NOX濕度校正系數(shù)KH有較大差異，最高濕度Ⅰ循環(huán)比最低濕度Ⅳ循環(huán)大了31.7%，而根據(jù)圖5，NOX表顯濃度在最高濕度下僅比最低濕度低了4.5%，最終的NOX質(zhì)量流量Gasmass計(jì)算后高了36.7%，導(dǎo)致最終的單工況點(diǎn)比排放量高了1.91g/kWh。

3.3 NOX濕度校正前后的影響

為驗(yàn)證NOX濕度校正系數(shù)KH在計(jì)算中的作用，取四個(gè)循環(huán)75%工況點(diǎn)的KH為1，即忽略進(jìn)氣濕度對(duì)結(jié)果的影響，NOX表顯濃度和校正濃度相等，計(jì)算質(zhì)量流量，得到的結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，當(dāng)濕度參數(shù)不參與計(jì)算時(shí)，四個(gè)循環(huán)得到的單點(diǎn)比排放量幾乎相等。濕度校正前后NOX的質(zhì)量流量Gasmass的變化曲線見(jiàn)圖7。

由于四個(gè)循環(huán)柴油機(jī)參數(shù)差異不大，排放結(jié)果理應(yīng)變化不大，濕度高造成進(jìn)氣量減少，同時(shí)NOX表顯濃度上升，兩者的乘積變化如圖7質(zhì)量流量校正前曲線，變化很小。進(jìn)行濕度校正后，質(zhì)量流量結(jié)果有了很大差異，按公式（4），75%工況點(diǎn)下進(jìn)氣相對(duì)濕度Ra和NOX濕度校正系數(shù)KH關(guān)系見(jiàn)圖8。

由圖8可知，NOX濕度校正系數(shù)和進(jìn)氣相對(duì)濕度為正相關(guān)關(guān)系，這就導(dǎo)致圖7中校正后的質(zhì)量流量和進(jìn)氣相對(duì)濕度有了正相關(guān)的關(guān)系，濕度越大，濕度校正系數(shù)越大，導(dǎo)致最終的比排放量增大，濕度校正系數(shù)對(duì)最終的結(jié)果造成了過(guò)度校正。

3.4 后續(xù)試驗(yàn)的濕度校正

由3.1和3.2的試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)該型號(hào)柴油機(jī)，進(jìn)氣相對(duì)濕度對(duì)燃燒的影響很小，因而在濕度校正前得出的比排放量幾乎和濕度沒(méi)有關(guān)系，因此，在后續(xù)的排放對(duì)比試驗(yàn)中，如環(huán)境溫度和大氣壓差別不大的情況下，使用未校正的比排放量對(duì)比更具有意義。

在排放試驗(yàn)，盡可能在該地區(qū)平均相對(duì)濕度下進(jìn)行，如無(wú)法避免在過(guò)濕或過(guò)干的天氣進(jìn)行排放試驗(yàn)時(shí)，對(duì)排放結(jié)果應(yīng)進(jìn)行計(jì)算處理，以免造成誤判。

4? 結(jié)論

按上述試驗(yàn)結(jié)果和分析，對(duì)該型號(hào)柴油機(jī)有如下結(jié)論：①進(jìn)氣濕度對(duì)柴油機(jī)性能影響不大，但對(duì)最終的NOX比排放量影響非常大;②進(jìn)氣濕度對(duì)NOX比排放量影響大的主要原因是，在計(jì)算過(guò)程中使用了一個(gè)和進(jìn)氣濕度正相關(guān)的濕度校正系數(shù)對(duì)最終比排放量結(jié)果進(jìn)行了校正，而在濕度系數(shù)校正前，進(jìn)氣相對(duì)濕度大小對(duì)NOX比排放量幾乎沒(méi)有影響;③建議在日常柴油機(jī)排放摸底試驗(yàn)中暫不進(jìn)行濕度校正或按日常平均濕度進(jìn)行校正，排放認(rèn)證試驗(yàn)時(shí)盡量避免在濕度過(guò)高的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行。

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