柴油機排放測試試驗中燃油成分的分析

柴油機排放測試試驗中燃油成分的分析

隨著人們環(huán)保意識的增強，不同國家的排放法律法規(guī)和排放限制越來越嚴格。各種載運工具及工程機械用柴油機排氣中的一氧化碳(CO)、未燃碳氫(HC)、氮氧化物(NOx)、微粒(PM)等不完全燃燒產(chǎn)物受到越來越嚴厲的控制。IMO第67屆環(huán)保會對船用柴油機NOx排放標(biāo)準(zhǔn)作了新規(guī)定,將排放標(biāo)準(zhǔn)分為TIERII和TIERIII,并在兩個階段(2011年1月1日和2016年1月1日)實施。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的NOx測量和計算方法與MARPOL公約73/78附則VI“大氣排放標(biāo)準(zhǔn)”相比更簡潔。為分析NOx測試和計算過程的誤差來源,本文采用最基本的化學(xué)反應(yīng)平衡法對測算過程可能出現(xiàn)的誤差進行分析。柴油機排氣流量的確定是提高排氣組分流量和比排放計算精度的關(guān)鍵和必要環(huán)節(jié)。為適應(yīng)柴油機排放測試試驗時燃油成分復(fù)雜多變的情況,更準(zhǔn)確地評價柴油機的排放水平,對燃燒空氣中水蒸氣(H2O)組分影響的不足進行了忽略。目前,有關(guān)國標(biāo)中排氣流量計算方法準(zhǔn)確性、適用條件及測值誤差影響等的討論還沒有文獻發(fā)表。一、計算當(dāng)前挖掘機的關(guān)閉和組件流量實踐中,在測得柴油機燃油流量、燃油成分、環(huán)境條件、排氣組分濃度等之后,利用改進C平衡法或改進C-O平衡法計算排氣流量和組分流量。1.cod/100k2為計算柴油機排氣流量,將柴油機汽缸內(nèi)燃油與空氣復(fù)雜的燃燒過程視為在燃油(CHmOnSpNq)和標(biāo)準(zhǔn)干空氣(各組分摩爾比例為O2:N2:Ar:CO2=0.2315:0.7551:0.0129:0.0005)之間進行。假設(shè)空氣中的CO2和H2O不參加燃燒反應(yīng),并考慮完全燃燒,則其單步不可逆反應(yīng)式可以表示為根據(jù)式(1),CO2干濃度(CO2D/100)與m、n、p、q、lv等的關(guān)系如式(2)所示:每千克燃油(CHmOnSpNq)對應(yīng)的理論空氣量(標(biāo)準(zhǔn)干空氣)STOIAR為其中:MWO2、MWN2、MWAr、MWCO2分別為O2、N2、Ar、CO2的摩爾質(zhì)量,kg/kmol。過量空氣系數(shù)lv(EAFCDO)為(1)根據(jù)質(zhì)量守恒原理(C平衡)計算濕排氣質(zhì)量流量(GEXHW),為其中:GFUEL為燃料(CHmOnSpNq)的質(zhì)量流量,kg/h,Ha為每千克干空氣對應(yīng)的水蒸氣克數(shù)。2.kwr計算及計算工況僅將vexhpa根據(jù)C-O平衡法計算濕排氣質(zhì)量流量,需要排氣組分濕濃度,即需要對排氣中CO2、CO、O2、NOx等組分濃度作干濕轉(zhuǎn)換,即Kwr計算步驟如下:其中,VEXHD、VEXHW分別為干排氣和濕排氣體積流量,m3/h。二、影響濕排氣的因素本節(jié)以DMD-MANB&W5S50MC船用柴油機臺架試驗E3模式的排放測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對C-O平衡法濕排氣總流量偏差影響因素進行分析。1.阻燃牌產(chǎn)品品質(zhì)分析柴油機額定功率為7150kW,額定轉(zhuǎn)速為127r/min,所用燃油牌號ITSCOQ24774,質(zhì)量分數(shù)分別為:C為86.01%,H為13.71%,O為0.31%,N為0.16%,S為0.05%,其他成分為0。其他相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表1所示。2.理論空氣量計算考慮燃油的N、O成分,并附加空氣所攜帶H2O,根據(jù)C平衡法計算每千克燃油對應(yīng)的理論空氣量STOIAR1x為13.235kg。各工況過量空氣系數(shù)EAFCDO1x、濕排氣質(zhì)量流量GEXHW1x的計算值如表2所示。3.各因素的影響根據(jù)本文的C-O平衡法,考慮空氣中Ar和CO2等的影響,使計算趨于準(zhǔn)確。此外,排氣組分濃度、燃油成分等的測量誤差也會導(dǎo)致濕排氣總流量的計算出現(xiàn)偏差。(1)模式各工況濕排氣主要組分流量考慮完全燃燒假設(shè),根據(jù)改進的C-O平衡法,計算MANB&W5S50MC柴油機E3模式各工況濕排氣主要組分流量,如表3所示。根據(jù)表3計算得出,對應(yīng)各工況的濕排氣中,Ar所占比例約為1.73%,與H2O和CO2在同一量級。雖然空氣中的Ar不參與燃燒反應(yīng),但因其對排氣質(zhì)量流量、排氣密度、Kwr等的計算都會產(chǎn)生影響,因此不能忽略其存在。(2)空氣流量及其中co流量考慮完全燃燒假設(shè),根據(jù)改進的C-O平衡法,計算MANB&W5S50MC柴油機E3模式各工況濕空氣流量(GAIRW2x)及其中的CO2流量,如表4所示。根據(jù)表4計算得出,對應(yīng)每個工況濕排氣CO2中,由空氣中帶入CO2所占比例約為1.30%左右,占濕排氣質(zhì)量流量的比例約為0.07%,對于估計濕排氣中CO2流量和濕排氣總質(zhì)量流量影響不大。因此,計算時,可以忽略空氣中CO2的影響。(3)按o平衡計算的gexhw3x值假定CO2和O2的濃度實測誤差在-10%～+10%范圍變化,按C平衡和O平衡計算MANB&W5S50MC柴油機工況1對應(yīng)排氣質(zhì)量流量GEXHW隨CO2D和O2D測值誤差的變化規(guī)律如圖1和圖2所示。根據(jù)圖1,按C平衡計算的GEXHW2x值隨CO2D值增加而減小,而按O平衡計算的GEXHW3x值隨CO2D值增加而增大。兩曲線交點為C-O平衡法的計算結(jié)果。當(dāng)CO2D濃度實測值比實際值偏小時,GEXHW2x值偏大,而GEXHW3x值偏小,反之,當(dāng)CO2D濃度實測值比實際值偏大時,GEXHW2x值偏小,而GEXHW3x值偏大。確保GEXHW2x值和GEXHW3x值控制在準(zhǔn)確值±5%范圍則要求CO2D測值必須在±5%范圍內(nèi)。根據(jù)圖2,O2D濃度測值的誤差對GEXHW2x值影響不大,但是對GEXHW3x值影響較大。確保GEXHW2x值和GEXHW3x值控制在準(zhǔn)確值±5%范圍則要求O2D值不得超過準(zhǔn)確值的±2%。尤其當(dāng)O2D濃度實測值偏大時,將使GEXHW3x值迅速增大。因此,實測過程中避免系統(tǒng)漏泄,進行正確校準(zhǔn)工作,是極其重要的。(4)濕排氣質(zhì)量流量值的變化按C平衡和O平衡計算的濕排氣質(zhì)量流量GEXHW隨C、H測值偏差的變化規(guī)律如圖3所示。根據(jù)圖3可以看出,燃油中C測值減少的同時H成分測值增加,對于按C平衡法和O平衡法計算的濕排氣質(zhì)量流量值影響程度不同。GEXHW2x變化的幅度小于GEXHW3x。在BET和ALF偏離準(zhǔn)確值±5%、GEXHW2x未超出準(zhǔn)確值的±5%的情況下,GEXHW3x未超出準(zhǔn)確值±5%范圍所要求的BET和ALF偏離準(zhǔn)確值±3%。因此,對燃油成分的測量精度應(yīng)控制在±3%以內(nèi)。三、濕排氣流量偏差估計(1)O2干濃度測值誤差對濕排氣流量影響大于CO2,應(yīng)避免排氣測試系統(tǒng)漏泄和未校準(zhǔn)對排氣濃度測試結(jié)果的影響。(2)燃油主要成分C、H含量的測值誤差對濕排氣流量影響也較明顯,對于本次試驗情況,BET和ALF偏離準(zhǔn)確值3%將導(dǎo)致濕排氣流量偏差5%。其中:lv為理論過量空氣系數(shù);m、n、p、q為燃油中H、O、S、N對C的摩爾比,根據(jù)燃油中C、H、O、S、N的質(zhì)量分數(shù)BET、ALF、EPS、GAM、DEL,以及C、H、O、S、N的摩爾質(zhì)量(AWC、AWH、AWO、AWS、AWN),通過燃油特