柴油机NOx排放对进气湿度的敏感性问题研究

王磊，黄志强

(上海机动车检测认证技术有限公司 发动机检测研究实验室，上海 201805)

0 引言

由于柴油机在燃烧过程中局部温度较高，几乎总是工作在过量空气系数λ>1的工况，高温和富氧条件造成柴油机的NOx排放量显著增加[1-3]。NOx的比排放水平是衡量柴油机排放性能的重要标准[4]。

大量的试验研究表明，柴油机的NOx排放量与进气状态有关[5]，不同的进气湿度和进气温度都会影响发动机的燃烧过程，是影响NOx比排放水平的重要因素[6]。湿度高则水蒸气含量高，进气湿度对燃烧过程的影响主要体现在2个方面：1)与空气相比，水蒸气的比热容较大，能吸收燃烧过程中的热量，降低燃烧温度，从而破坏“高温”条件[7]；2)水蒸气对空气中的氧有一定的稀释作用，破坏了“富氧”条件。因此，较高的湿度会降低NOx的排放，反之则会增大NOx的排放量[8]。

对于道路柴油机，在国五和国六排放标准中，除规定实验室大气因子的有效范围外，对发动机的进气温度和湿度范围并没有作直接明确的约束与限定[9]。目前对于该问题的研究和解释主要为定性分析或者仿真模拟，缺少实际试验数据的定量分析。本文中基于一台国五道路柴油机，通过对欧洲稳态测试循环(European steady state cycle，ESC)中A、B、C转速的3个外特性点在不同湿度下NOx的排放结果，利用Minitab软件进行回归分析，发现两者呈现较好的线性拟合关系；定量分析柴油机NOx排放对进气湿度的敏感性问题，并探究在试验中通过合理地控制进气湿度以获得具有代表性的NOx排放结果。

1 试验方案

1.1 试验对象及测量系统

试验用发动机为一台115 kW涡轮增压中冷道路柴油机，排放满足文献[10]的要求。发动机的主要参数如表1所示。

表1 柴油机主要参数

试验所用测功机为德国SCHENCK公司交流电力测功机，型号为DYNAS2-220，额定功率220 kW，最大扭矩580 N·m，最高转速10 000 r/min，测量准确度A级；发动机排气采样分析系统为日本HORIBA公司MEXA 7200DEGR，系统测量准确度≤2%；发动机进气系统采用德国Imtech公司ComCon60/1000 PTH型进气空调系统，温度控制范围为((15～35)±1)℃，压力(绝对压力)控制范围为((70～110)±10)kPa，相对湿度(relative humidity，HR)控制范围为((20～80)±3)%。

1.2 试验方法

为了研究不同进气湿度对发动机NOx排放量的影响，选取ESC循环中的3个特征转速，即A、B、C转速分别是1899、2335、2771 r/min。在3个转速各自的外特性工况下，控制进气相对湿度为25%～75%，以5%的梯度逐步增加，待工况及排放稳定后，在每个进气湿度条件下测量3次相关参数后取平均值。

获得3组共33个点的数据后，根据文献[10]中的公式，对实验室大气因子fa，NOx温湿度校正因子KH.D，NOx比排放量等进行计算。在同一转速下，按照不同进气相对湿度对NOx排放量的影响进行纵向、横向比较，定量分析柴油机NOx排放对进气湿度的敏感性问题。

1.3 试验条件控制

进气温度和进气湿度均影响NOx排放，为了单一分析进气湿度对排放的影响，需严格控制进气温度，如图1所示，所有试验工况点的进气温度均控制在(25±0.5)℃内，以期将温度的影响降至最低；为了保证试验数据良好的可对比性，将进气相对湿度的偏差范围控制在1%以内，如图2所示。

图1 对进气温度条件的控制 图2 对进气相对湿度条件的控制

2 排放计算过程

2.1 实验室大气因子

文献[10]规定了发动机的有效试验条件，对于带或不带进气中冷的涡轮增压柴油机，计算公式为:

(1)

图3 实验室大气因子计算结果

式中：Ps为干空气压，kPa；Ta为发动机进气口处空气的绝对温度，K。

只有当0.96≤fa≤1.06时，认为试验结果有效(国六阶段，将该有效范围调整为0.93≤fa≤1.07)[11]。根据公式(1)计算得出3个转速下不同进气湿度状态的实验室大气因子，见图4。由图4可知，大气因子计算结果符合规定，本次所有测量点的数据均有效。

2.2 NOx温湿度校正因子

由于NOx的排放量与大气状态相关，因此文献[10]对NOx的浓度进行温度和湿度修正，校正因子计算公式如下：

(2)

式中：D、E分别为计算系数项；Ta为进气的绝对温度，K；Ha为进气的绝对湿度(水-干空气)，g/kg。D、E和Ha的计算公式为：

D=0.309GFUEL/GAIRD-0.026 6,

(3)

E=-0.209GFUEL/GAIRD+0.009 54,

(4)

(5)

式中：GFUEL为燃料质量流量，kg/n;GAIRD为进气质量流量(干基),kg/h;Ra为进气的相对湿度，%；Pa为发动机进气空气的饱和蒸气压，kPa；PB为总大气压，kPa。

文献[10]中并未直接给出具体的饱和蒸气压计算公式，本文中采用了工业生产中运用最普遍的Antoine方程进行计算[12]，方程的常用形式为：

(6)

式中：Pa为空气饱和蒸气压，kPa；Ta为空气的绝对温度，K；a、b、c为Antoine常数，根据文献[13]推荐，在温度为273～303 K时，建议取a=5.402 21，b=1 838.675，c=241.413。

国六阶段对NOx温湿度校正公式进一步简化：

(7)

其中，对于进气绝对湿度Ha，标准指出可以由相对湿度的测量值、露点测量值、蒸汽压测量值或干-湿球温度计测量值用通用的方程计算得出，即可参考上述计算过程。

2.3 NOx比排放

本次试验采用直接采样方式测量NOx排放浓度，由于所用分析设备对NOx的测量并未除湿，所以最终NOx排放无需进行干-湿基修正。

假设排气在273 K和101.3 kPa下的密度为1.293 kg/m3，每工况NOx的质量流量(单位g/h)计算公式[14]

NOxmass=0.001 587×NOxconc×KH.D×GEXHW

,

(8)

式中：NOxconc为NOx从原始排气中直接采样的平均体积浓度，10-6；GEXHW为排气质量流量(湿基)，kg/h。

根据质量守恒,有

GEXHW=GAIRW+GFUEL,

(9)

式中：GAIRW为进气质量流量(湿基)，kg/h。

3 试验结果分析

3.1 NOx比排放

将试验数据处理计算后，得到A、B、C转速下的NOx比排放量与进气相对湿度的关系图，如图4～6所示。

图4 A转速下NOx比排放与进气相对湿度关系 图5 B转速下NOx比排放与进气相对湿度关系

图6 C转速下NOx比排放与进气相对湿度关系

由图4～6可知：

1)在同一工况下，随着进气相对湿度的增加，NOx比排放量逐渐减少[15]；

2)由于温湿度校正因子的不同，导致国五和国六标准中NOx比排放计算值稍有差别[16]。在进气相对湿度较低时，最大差异达2%左右。

3.2 试验结果回归分析

从NOx比排放和进气相对湿度的关系图可粗略观察到两者呈现一种负相关的线性趋势。利用质量分析软件Minitab，对两者相关性进行定量分析。

表2 分析结果主要参量

以A转速为例进行分析，得到各主要参量如表2所示。其中Pearson相关系数为-0.973,接近于-1，说明2个变量负相关程度高；P值为0<0.05，说明两者关联程度是显著的；决定系数R-Sq为94.7%,接近于1，说明回归方程是显著的。以进气相对湿度为自变量，NOx比排放为因变量画出图线，如图7所示，得到线性拟合方程：y=2.029-0.018 33x；正态概率如图8所示，图线能较好的拟合成直线，说明数据符合正态分布特点。

图7 转速A下的线性拟合曲线 图8 正态概率分布

利用残差图对线性回归进行充分验证，如图9所示。由图可见在上、下对称带中，各残差散点围绕0线随机、均匀地分布。说明A转速下的拟合模型不存在拟合不佳的情况。图10为残差频数直方图，残差也基本围绕中值呈左右对称。

按照同样的方法分析，对B和C转速下NOx比排放与进气相对湿度的关系做线性拟合和验证。结果表明，两者线性拟合度都很好，相关系数均在95%以上。得到B、C转速下的线性拟合方程分别为y=1.961-0.0158 8x以及y=2.123-0.013 11x，两种转速下的线性拟合曲线如图11、12所示。

图9 残差散点分布 图10 残差频数直方图

图11 转速B下的线性拟合曲线 图12 转速C下的线性拟合曲线

3.3 NOx对进气湿度敏感性分析

对于线性函数关系，响应量对输入量的敏感程度取决于直线斜率。而A、B、C转速下线性拟合斜率分别为KA=-0.018 33，KB=-0.015 88，KC=-0.013 11。因为|KA|>|KB|>|KC|，可以推论，在相同负荷下，随着转速的增加，发动机NOx比排放量对进气湿度变化的敏感程度越低，反之则越高[17]。同时可推知，在同一工况下，发动机对相同进气湿度变化量的敏感程度基本相同[18]。

3.4 NOx代表性排放结果问题分析

4 结论

1)进气湿度影响NOx排放的原因主要是高比热容及对氧的稀释作用。试验数据表明，随着进气湿度的逐步增加，发动机的NOx排放量也单向下降。

2)利用Minitab软件对进气相对湿度和NOx比排放量进行线性回归分析，发现两者之间呈现显著的负相关线性特性。

3)利用线性斜率来分析NOx对进气湿度敏感性问题，发现在同一工况下，NOx排放对相同湿度变化量敏感性相同；而在不同转速下，相同进气湿度变化量对低转速工况排放更敏感。

4)用实测NOx比排放结果取均值带入拟合方程，推出生成代表性NOx结果的预测点进气相对湿度均在50%左右，这对于认证或开发标定试验中NOx的测量和边界控制有一定参考意义。为获得具有代表性的结果，建议进气相对湿度范围控制在(50±5)%左右。