進氣濕度對某船用柴油機NOX排放結果的影響研究

徐明月 張桂芹 李文濤 馮元福 王繼勇

摘要：大型船用柴油機試驗臺架上實現環境溫濕度控制非常困難，在某大型船用柴油機排放試驗過程中，發現進氣相對濕度變化對排放參數NOX的比排放量影響非常大。為此選取四個不同濕度的排放試驗循環結果做比較分析，表明NOX的濕度校正系數對結果進行了過度校正，導致校正后的NOX比排放量隨進氣相對濕度增大而增大。

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.

關鍵詞：進氣濕度;船用柴油機;NOX比排放量;NOX濕度校正系數

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

中圖分類號：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0054-04

0? 引言

隨著環境問題的日益突出和排放法規的日益嚴格，排放指標在柴油機研發和升級過程中愈發重視。《GB 15097-2016 船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》的發布，標志著船用柴油機排放要求進入新的階段。在對某大型船用柴油機進行排放升級試驗過程中，發現在相近的環境溫度和大氣壓力下，環境濕度不同，柴油機本身的性能參數影響不大，但最終的柴油機NOX比排放量卻差異很大，極易對排放測試結果造成誤判。

針對此問題，本文從NOX理論計算公式和柴油機實際排放試驗數據入手，剖析造成此現象的原因，并提出合理的改進建議。

1? 排放結果計算公式

根據國標的測量和計算方法，NOX的最終比排放量計算主要與環境因素（溫度、濕度、大氣壓力）、濕基排氣質量流量以及排放設備測量的NOX濕基濃度有關。

1.1 試驗環境條件

進氣的絕對溫度Ta用K表示，干空氣壓PS用kPa表示，根據下列公式計算試驗環境大氣因子fa：

對于帶或不帶進氣中冷的渦輪增壓船機：

（1）

當大氣因子滿足0.93≤fa≤1.07時，認為試驗是有效的。

由上公式可看出，大氣因子僅與進氣絕對溫度和干空氣壓力有關。

1.2 NOX排放結果計算

1.2.1 比排放量

NOX氣體最終的測量結果為比排放量，公式如下：

每個工況點的比排放量（g/kWh）=（2）

Gasmass其中為該工況點的質量流量，Pn為加權功率。

1.2.2 質量流量

單個工況點的質量流量公式如下：

（3）

對NOX來說，u為常數0.001587，conc為NOX校正濃度（設備表顯濃度與濕度校正系數KH的乘積），GEXHW為濕基排氣質量流量（濕基進氣質量流量GAIRW和燃油消耗量GFUEL之和）。

1.2.3 NOX濕度校正

NOX排放與環境大氣條件有關，NOX濃度應根據下式給出的系數KH進行環境溫度和濕度校正，NOX濕度校正系數公式如下：

（4）

式中：

（5）

（6）

（7）

其中，GFUEL為燃油消耗量，GAIRD為干基進氣質量流量，Ha為進氣絕對濕度，Ra為進氣相對濕度，pB為現場環境大氣壓力，pa為進氣飽和蒸汽壓，與進氣絕對溫度Ta有關，公式為：

（8）

1.2.4 干基進氣質量流量

干基進氣質量流量GAIRD與進氣絕對濕度Ha有關，公式為：

（9）

其中濕基進氣質量流量GAIRW可讀取現場進氣流量計或用碳平衡法計算。

2? 排放試驗

柴油機磨合調試完成后，按GB 15097-2016要求進行四次不同濕度環境的E3循環排放試驗（四次循環試驗代號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），環境溫度在28-31℃間，計算時取平均值30℃（303K）;大氣壓力為100.1-100.4kPa，計算時取平均值100.3kPa;各循環中四個工況點的平均進氣相對濕度分別為82.1%、59.7%、43.6%、34.3%，試驗在某次大雨過后三天內完成，以確保柴油機和排放設備狀態盡可能接近。

2.1 不同濕度下的NOX比排放量

不同濕度環境下測出的NOX比排放量見圖1。

由圖1可知，NOX的最終比排放量隨著進氣相對濕度下降而減小。

2.2 不同濕度下的柴油機參數

四個循環中不同工況點柴油機的爆壓、排溫和油耗率對比分別見圖2、圖3、圖4。

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

2.3 NOX濕基濃度和濕基進氣量

排放設備讀取的NOX濕基濃度和濕基進氣量對比分別見圖5、圖6。

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

3? 排放試驗結果分析

根據以上公式和排放試驗結果，取加權因數較大的75%負荷工況進行單點分析。

進氣的絕對溫度Ta為303K，干空氣壓Ps為100.3kPa。

3.1 試驗環境校核

按公式（1）計算大氣因子=1.016，滿足0.93-1.07范圍，因此試驗環境條件滿足要求。

3.2 排放參數計算

根據公式（2）-公式（9），計算75%工況點各參數見表1。

由表1可知，進氣濕度差異導致NOX濕度校正系數KH有較大差異，最高濕度Ⅰ循環比最低濕度Ⅳ循環大了31.7%，而根據圖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質量流量Gasmass計算后高了36.7%，導致最終的單工況點比排放量高了1.91g/kWh。

3.3 NOX濕度校正前后的影響

為驗證NOX濕度校正系數KH在計算中的作用，取四個循環75%工況點的KH為1，即忽略進氣濕度對結果的影響，NOX表顯濃度和校正濃度相等，計算質量流量，得到的結果見表2。

由表2可知，當濕度參數不參與計算時，四個循環得到的單點比排放量幾乎相等。濕度校正前后NOX的質量流量Gasmass的變化曲線見圖7。

由于四個循環柴油機參數差異不大，排放結果理應變化不大，濕度高造成進氣量減少，同時NOX表顯濃度上升，兩者的乘積變化如圖7質量流量校正前曲線，變化很小。進行濕度校正后，質量流量結果有了很大差異，按公式（4），75%工況點下進氣相對濕度Ra和NOX濕度校正系數KH關系見圖8。

由圖8可知，NOX濕度校正系數和進氣相對濕度為正相關關系，這就導致圖7中校正后的質量流量和進氣相對濕度有了正相關的關系，濕度越大，濕度校正系數越大，導致最終的比排放量增大，濕度校正系數對最終的結果造成了過度校正。

3.4 后續試驗的濕度校正

由3.1和3.2的試驗結果分析，對該型號柴油機，進氣相對濕度對燃燒的影響很小，因而在濕度校正前得出的比排放量幾乎和濕度沒有關系，因此，在后續的排放對比試驗中，如環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比更具有意義。

在排放試驗，盡可能在該地區平均相對濕度下進行，如無法避免在過濕或過干的天氣進行排放試驗時，對排放結果應進行計算處理，以免造成誤判。

4? 結論

按上述試驗結果和分析，對該型號柴油機有如下結論：①進氣濕度對柴油機性能影響不大，但對最終的NOX比排放量影響非常大;②進氣濕度對NOX比排放量影響大的主要原因是，在計算過程中使用了一個和進氣濕度正相關的濕度校正系數對最終比排放量結果進行了校正，而在濕度系數校正前，進氣相對濕度大小對NOX比排放量幾乎沒有影響;③建議在日常柴油機排放摸底試驗中暫不進行濕度校正或按日常平均濕度進行校正，排放認證試驗時盡量避免在濕度過高的試驗環境下進行。

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