柴油機NOx排放對進氣濕度的敏感性問題研究

王磊，黃志強

(上海機動車檢測認證技術有限公司 發動機檢測研究實驗室，上海 201805)

0 引言

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

大量的試驗研究表明，柴油機的NOx排放量與進氣狀態有關[5]，不同的進氣濕度和進氣溫度都會影響發動機的燃燒過程，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，進氣濕度對燃燒過程的影響主要體現在2個方面：1)與空氣相比，水蒸氣的比熱容較大，能吸收燃燒過程中的熱量，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，較高的濕度會降低NOx的排放，反之則會增大NOx的排放量[8]。

對于道路柴油機，在國五和國六排放標準中，除規定實驗室大氣因子的有效范圍外，對發動機的進氣溫度和濕度范圍并沒有作直接明確的約束與限定[9]。目前對于該問題的研究和解釋主要為定性分析或者仿真模擬，缺少實際試驗數據的定量分析。本文中基于一臺國五道路柴油機，通過對歐洲穩態測試循環(European steady state cycle，ESC)中A、B、C轉速的3個外特性點在不同濕度下NOx的排放結果，利用Minitab軟件進行回歸分析，發現兩者呈現較好的線性擬合關系；定量分析柴油機NOx排放對進氣濕度的敏感性問題，并探究在試驗中通過合理地控制進氣濕度以獲得具有代表性的NOx排放結果。

1 試驗方案

1.1 試驗對象及測量系統

試驗用發動機為一臺115 kW渦輪增壓中冷道路柴油機，排放滿足文獻[10]的要求。發動機的主要參數如表1所示。

表1 柴油機主要參數

試驗所用測功機為德國SCHENCK公司交流電力測功機，型號為DYNAS2-220，額定功率220 kW，最大扭矩580 N·m，最高轉速10 000 r/min，測量準確度A級；發動機排氣采樣分析系統為日本HORIBA公司MEXA 7200DEGR，系統測量準確度≤2%；發動機進氣系統采用德國Imtech公司ComCon60/1000 PTH型進氣空調系統，溫度控制范圍為((15～35)±1)℃，壓力(絕對壓力)控制范圍為((70～110)±10)kPa，相對濕度(relative humidity，HR)控制范圍為((20～80)±3)%。

1.2 試驗方法

為了研究不同進氣濕度對發動機NOx排放量的影響，選取ESC循環中的3個特征轉速，即A、B、C轉速分別是1899、2335、2771 r/min。在3個轉速各自的外特性工況下，控制進氣相對濕度為25%～75%，以5%的梯度逐步增加，待工況及排放穩定后，在每個進氣濕度條件下測量3次相關參數后取平均值。

獲得3組共33個點的數據后，根據文獻[10]中的公式，對實驗室大氣因子fa，NOx溫濕度校正因子KH.D，NOx比排放量等進行計算。在同一轉速下，按照不同進氣相對濕度對NOx排放量的影響進行縱向、橫向比較，定量分析柴油機NOx排放對進氣濕度的敏感性問題。

1.3 試驗條件控制

進氣溫度和進氣濕度均影響NOx排放，為了單一分析進氣濕度對排放的影響，需嚴格控制進氣溫度，如圖1所示，所有試驗工況點的進氣溫度均控制在(25±0.5)℃內，以期將溫度的影響降至最低；為了保證試驗數據良好的可對比性，將進氣相對濕度的偏差范圍控制在1%以內，如圖2所示。

圖1 對進氣溫度條件的控制 圖2 對進氣相對濕度條件的控制

2 排放計算過程

2.1 實驗室大氣因子

文獻[10]規定了發動機的有效試驗條件，對于帶或不帶進氣中冷的渦輪增壓柴油機，計算公式為:

(1)

圖3 實驗室大氣因子計算結果

式中：Ps為干空氣壓，kPa；Ta為發動機進氣口處空氣的絕對溫度，K。

只有當0.96≤fa≤1.06時，認為試驗結果有效(國六階段，將該有效范圍調整為0.93≤fa≤1.07)[11]。根據公式(1)計算得出3個轉速下不同進氣濕度狀態的實驗室大氣因子，見圖4。由圖4可知，大氣因子計算結果符合規定，本次所有測量點的數據均有效。

2.2 NOx溫濕度校正因子

由于NOx的排放量與大氣狀態相關，因此文獻[10]對NOx的濃度進行溫度和濕度修正，校正因子計算公式如下：

(2)

式中：D、E分別為計算系數項；Ta為進氣的絕對溫度，K；Ha為進氣的絕對濕度(水-干空氣)，g/kg。D、E和Ha的計算公式為：

D=0.309GFUEL/GAIRD-0.026 6,

(3)

E=-0.209GFUEL/GAIRD+0.009 54,

(4)

(5)

式中：GFUEL為燃料質量流量，kg/n;GAIRD為進氣質量流量(干基),kg/h;Ra為進氣的相對濕度，%；Pa為發動機進氣空氣的飽和蒸氣壓，kPa；PB為總大氣壓，kPa。

文獻[10]中并未直接給出具體的飽和蒸氣壓計算公式，本文中采用了工業生產中運用最普遍的Antoine方程進行計算[12]，方程的常用形式為：

(6)

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

國六階段對NOx溫濕度校正公式進一步簡化：

(7)

其中，對于進氣絕對濕度Ha，標準指出可以由相對濕度的測量值、露點測量值、蒸汽壓測量值或干-濕球溫度計測量值用通用的方程計算得出，即可參考上述計算過程。

2.3 NOx比排放

本次試驗采用直接采樣方式測量NOx排放濃度，由于所用分析設備對NOx的測量并未除濕，所以最終NOx排放無需進行干-濕基修正。

假設排氣在273 K和101.3 kPa下的密度為1.293 kg/m3，每工況NOx的質量流量(單位g/h)計算公式[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為排氣質量流量(濕基)，kg/h。

根據質量守恒,有

GEXHW=GAIRW+GFUEL,

(9)

式中：GAIRW為進氣質量流量(濕基)，kg/h。

3 試驗結果分析

3.1 NOx比排放

將試驗數據處理計算后，得到A、B、C轉速下的NOx比排放量與進氣相對濕度的關系圖，如圖4～6所示。

圖4 A轉速下NOx比排放與進氣相對濕度關系 圖5 B轉速下NOx比排放與進氣相對濕度關系

圖6 C轉速下NOx比排放與進氣相對濕度關系

由圖4～6可知：

1)在同一工況下，隨著進氣相對濕度的增加，NOx比排放量逐漸減少[15]；

2)由于溫濕度校正因子的不同，導致國五和國六標準中NOx比排放計算值稍有差別[16]。在進氣相對濕度較低時，最大差異達2%左右。

3.2 試驗結果回歸分析

從NOx比排放和進氣相對濕度的關系圖可粗略觀察到兩者呈現一種負相關的線性趨勢。利用質量分析軟件Minitab，對兩者相關性進行定量分析。

表2 分析結果主要參量

以A轉速為例進行分析，得到各主要參量如表2所示。其中Pearson相關系數為-0.973,接近于-1，說明2個變量負相關程度高；P值為0<0.05，說明兩者關聯程度是顯著的；決定系數R-Sq為94.7%,接近于1，說明回歸方程是顯著的。以進氣相對濕度為自變量，NOx比排放為因變量畫出圖線，如圖7所示，得到線性擬合方程：y=2.029-0.018 33x；正態概率如圖8所示，圖線能較好的擬合成直線，說明數據符合正態分布特點。

圖7 轉速A下的線性擬合曲線 圖8 正態概率分布

利用殘差圖對線性回歸進行充分驗證，如圖9所示。由圖可見在上、下對稱帶中，各殘差散點圍繞0線隨機、均勻地分布。說明A轉速下的擬合模型不存在擬合不佳的情況。圖10為殘差頻數直方圖，殘差也基本圍繞中值呈左右對稱。

按照同樣的方法分析，對B和C轉速下NOx比排放與進氣相對濕度的關系做線性擬合和驗證。結果表明，兩者線性擬合度都很好，相關系數均在95%以上。得到B、C轉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，兩種轉速下的線性擬合曲線如圖11、12所示。

圖9 殘差散點分布 圖10 殘差頻數直方圖

圖11 轉速B下的線性擬合曲線 圖12 轉速C下的線性擬合曲線

3.3 NOx對進氣濕度敏感性分析

對于線性函數關系，響應量對輸入量的敏感程度取決于直線斜率。而A、B、C轉速下線性擬合斜率分別為KA=-0.018 33，KB=-0.015 88，KC=-0.013 11。因為|KA|>|KB|>|KC|，可以推論，在相同負荷下，隨著轉速的增加，發動機NOx比排放量對進氣濕度變化的敏感程度越低，反之則越高[17]。同時可推知，在同一工況下，發動機對相同進氣濕度變化量的敏感程度基本相同[18]。

3.4 NOx代表性排放結果問題分析

4 結論

1)進氣濕度影響NOx排放的原因主要是高比熱容及對氧的稀釋作用。試驗數據表明，隨著進氣濕度的逐步增加，發動機的NOx排放量也單向下降。

2)利用Minitab軟件對進氣相對濕度和NOx比排放量進行線性回歸分析，發現兩者之間呈現顯著的負相關線性特性。

3)利用線性斜率來分析NOx對進氣濕度敏感性問題，發現在同一工況下，NOx排放對相同濕度變化量敏感性相同；而在不同轉速下，相同進氣濕度變化量對低轉速工況排放更敏感。

4)用實測NOx比排放結果取均值帶入擬合方程，推出生成代表性NOx結果的預測點進氣相對濕度均在50%左右，這對于認證或開發標定試驗中NOx的測量和邊界控制有一定參考意義。為獲得具有代表性的結果，建議進氣相對濕度范圍控制在(50±5)%左右。