王磊，黃志強

(上海機動車檢測認證技術有限公司 發(fā)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(shù)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(tài)有關[5]，不同的進氣濕度和進氣溫度都會影響發(fā)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(xiàn)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(guī)定實驗室大氣因子的有效范圍外，對發(fā)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(shù)據(jù)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(wěn)態(tài)測試循環(huán)(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(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)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(tǒng)

試驗用發(fā)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(fā)動機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機主要參數(shù)

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(fā)動機排氣采樣分析系統(tǒng)為日本HORIBA公司MEXA 7200DEGR，系統(tǒng)測量準確度≤2%；發(fā)動機進氣系統(tǒng)采用德國Imtech公司ComCon60/1000 PTH型進氣空調(diào)系統(tǒng)，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(fā)動機NOx排放量的影響，選取ESC循環(huán)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(wěn)定后，在每個進氣濕度條件下測量3次相關參數(shù)后取平均值。

獲得3組共33個點的數(shù)據(jù)后，根據(jù)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(nèi)，以期將溫度的影響降至最低；為了保證試驗數(shù)據(jù)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(nèi)，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(guī)定了發(fā)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(fā)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(diào)整為0.93≤fa≤1.07)[11]。根據(jù)公式(1)計算得出3個轉速下不同進氣濕度狀態(tài)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(guī)定，本次所有測量點的數(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，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(shù)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(fā)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(yè)生產(chǎn)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(shù)，根據(jù)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(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)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(lián)程度是顯著的；決定系數(shù)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(tài)概率如圖8所示，圖線能較好的擬合成直線，說明數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特點。

圖7 轉速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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(fā)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(fā)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(shù)據(jù)表明，隨著進氣濕度的逐步增加，發(fā)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(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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。