柴油机排放测试试验中燃油成分的分析

柴油机排放测试试验中燃油成分的分析

随着人们环保意识的增强，不同国家的排放法律法规和排放限制越来越严格。各种载运工具及工程机械用柴油机排气中的一氧化碳(CO)、未燃碳氢(HC)、氮氧化物(NOx)、微粒(PM)等不完全燃烧产物受到越来越严厉的控制。IMO第67届环保会对船用柴油机NOx排放标准作了新规定,将排放标准分为TIERII和TIERIII,并在两个阶段(2011年1月1日和2016年1月1日)实施。新标准规定的NOx测量和计算方法与MARPOL公约73/78附则VI“大气排放标准”相比更简洁。为分析NOx测试和计算过程的误差来源,本文采用最基本的化学反应平衡法对测算过程可能出现的误差进行分析。柴油机排气流量的确定是提高排气组分流量和比排放计算精度的关键和必要环节。为适应柴油机排放测试试验时燃油成分复杂多变的情况,更准确地评价柴油机的排放水平,对燃烧空气中水蒸气(H2O)组分影响的不足进行了忽略。目前,有关国标中排气流量计算方法准确性、适用条件及测值误差影响等的讨论还没有文献发表。一、计算当前挖掘机的关闭和组件流量实践中,在测得柴油机燃油流量、燃油成分、环境条件、排气组分浓度等之后,利用改进C平衡法或改进C-O平衡法计算排气流量和组分流量。1.cod/100k2为计算柴油机排气流量,将柴油机汽缸内燃油与空气复杂的燃烧过程视为在燃油(CHmOnSpNq)和标准干空气(各组分摩尔比例为O2:N2:Ar:CO2=0.2315:0.7551:0.0129:0.0005)之间进行。假设空气中的CO2和H2O不参加燃烧反应,并考虑完全燃烧,则其单步不可逆反应式可以表示为根据式(1),CO2干浓度(CO2D/100)与m、n、p、q、lv等的关系如式(2)所示:每千克燃油(CHmOnSpNq)对应的理论空气量(标准干空气)STOIAR为其中:MWO2、MWN2、MWAr、MWCO2分别为O2、N2、Ar、CO2的摩尔质量,kg/kmol。过量空气系数lv(EAFCDO)为(1)根据质量守恒原理(C平衡)计算湿排气质量流量(GEXHW),为其中:GFUEL为燃料(CHmOnSpNq)的质量流量,kg/h,Ha为每千克干空气对应的水蒸气克数。2.kwr计算及计算工况仅将vexhpa根据C-O平衡法计算湿排气质量流量,需要排气组分湿浓度,即需要对排气中CO2、CO、O2、NOx等组分浓度作干湿转换,即Kwr计算步骤如下:其中,VEXHD、VEXHW分别为干排气和湿排气体积流量,m3/h。二、影响湿排气的因素本节以DMD-MANB&W5S50MC船用柴油机台架试验E3模式的排放测试数据为基础,对C-O平衡法湿排气总流量偏差影响因素进行分析。1.阻燃牌产品品质分析柴油机额定功率为7150kW,额定转速为127r/min,所用燃油牌号ITSCOQ24774,质量分数分别为:C为86.01%,H为13.71%,O为0.31%,N为0.16%,S为0.05%,其他成分为0。其他相关测试数据如表1所示。2.理论空气量计算考虑燃油的N、O成分,并附加空气所携带H2O,根据C平衡法计算每千克燃油对应的理论空气量STOIAR1x为13.235kg。各工况过量空气系数EAFCDO1x、湿排气质量流量GEXHW1x的计算值如表2所示。3.各因素的影响根据本文的C-O平衡法,考虑空气中Ar和CO2等的影响,使计算趋于准确。此外,排气组分浓度、燃油成分等的测量误差也会导致湿排气总流量的计算出现偏差。(1)模式各工况湿排气主要组分流量考虑完全燃烧假设,根据改进的C-O平衡法,计算MANB&W5S50MC柴油机E3模式各工况湿排气主要组分流量,如表3所示。根据表3计算得出,对应各工况的湿排气中,Ar所占比例约为1.73%,与H2O和CO2在同一量级。虽然空气中的Ar不参与燃烧反应,但因其对排气质量流量、排气密度、Kwr等的计算都会产生影响,因此不能忽略其存在。(2)空气流量及其中co流量考虑完全燃烧假设,根据改进的C-O平衡法,计算MANB&W5S50MC柴油机E3模式各工况湿空气流量(GAIRW2x)及其中的CO2流量,如表4所示。根据表4计算得出,对应每个工况湿排气CO2中,由空气中带入CO2所占比例约为1.30%左右,占湿排气质量流量的比例约为0.07%,对于估计湿排气中CO2流量和湿排气总质量流量影响不大。因此,计算时,可以忽略空气中CO2的影响。(3)按o平衡计算的gexhw3x值假定CO2和O2的浓度实测误差在-10%～+10%范围变化,按C平衡和O平衡计算MANB&W5S50MC柴油机工况1对应排气质量流量GEXHW随CO2D和O2D测值误差的变化规律如图1和图2所示。根据图1,按C平衡计算的GEXHW2x值随CO2D值增加而减小,而按O平衡计算的GEXHW3x值随CO2D值增加而增大。两曲线交点为C-O平衡法的计算结果。当CO2D浓度实测值比实际值偏小时,GEXHW2x值偏大,而GEXHW3x值偏小,反之,当CO2D浓度实测值比实际值偏大时,GEXHW2x值偏小,而GEXHW3x值偏大。确保GEXHW2x值和GEXHW3x值控制在准确值±5%范围则要求CO2D测值必须在±5%范围内。根据图2,O2D浓度测值的误差对GEXHW2x值影响不大,但是对GEXHW3x值影响较大。确保GEXHW2x值和GEXHW3x值控制在准确值±5%范围则要求O2D值不得超过准确值的±2%。尤其当O2D浓度实测值偏大时,将使GEXHW3x值迅速增大。因此,实测过程中避免系统漏泄,进行正确校准工作,是极其重要的。(4)湿排气质量流量值的变化按C平衡和O平衡计算的湿排气质量流量GEXHW随C、H测值偏差的变化规律如图3所示。根据图3可以看出,燃油中C测值减少的同时H成分测值增加,对于按C平衡法和O平衡法计算的湿排气质量流量值影响程度不同。GEXHW2x变化的幅度小于GEXHW3x。在BET和ALF偏离准确值±5%、GEXHW2x未超出准确值的±5%的情况下,GEXHW3x未超出准确值±5%范围所要求的BET和ALF偏离准确值±3%。因此,对燃油成分的测量精度应控制在±3%以内。三、湿排气流量偏差估计(1)O2干浓度测值误差对湿排气流量影响大于CO2,应避免排气测试系统漏泄和未校准对排气浓度测试结果的影响。(2)燃油主要成分C、H含量的测值误差对湿排气流量影响也较明显,对于本次试验情况,BET和ALF偏离准确值3%将导致湿排气流量偏差5%。其中:lv为理论过量空气系数;m、n、p、q为燃油中H、O、S、N对C的摩尔比,根据燃油中C、H、O、S、N的质量分数BET、ALF、EPS、GAM、DEL,以及C、H、O、S、N的摩尔质量(AWC、AWH、AWO、AWS、AWN),通过燃油特