碳平衡法排放計算流程.doc

1. 發(fā)動機試驗狀況：實驗室大氣系數(shù)fa試驗時應在參數(shù)0.96<fa<1.06之間進行。（1）對于壓燃式帶進氣中冷的渦輪增壓式發(fā)動機，fa應按下式進行計算：fa=99ps0.7Ta2981.5Ta發(fā)動機進氣絕對溫度，K；ps發(fā)動機進氣干氣壓，kPa；psph-ehpa發(fā)動機進氣濕氣壓，kPa；ea發(fā)動機進氣蒸氣壓，kPa，進氣蒸氣壓的計算見下面絕對濕度Ha的計算過程中。0.93fa1.07例，當測得進氣濕壓力pin=100.6kPa，tin31.4，相對濕度RHin54%時，可計算fa數(shù)值得，fa=99100.6-2.481610.7273.15+31.42981.51.022. 濕基排氣質(zhì)量流量qmew的確定：所有與體積有關(guān)的量綱均按標準狀況（0，101.325kPa）確定，CO2，O2，H2O，N2組分所用濃度單位為體積百分數(shù)，其他用ppm。（1） 直接測量法本法需要對排氣流量直接進行測量。排氣流量可用諸如下列設(shè)備直接測量：壓差計，如流量噴嘴（見ISO 5167）；超聲波流量計；渦街流量計。排氣流量的測量允許偏差為讀數(shù)的2.5%或發(fā)動機最大排氣流量的1.5%，以較大值為準。（2） 空氣和燃料測量法本法需要對空氣流量和燃料流量進行測量。排氣流量計算公式如下：qmew=qmaw+qmfqmew濕基排氣質(zhì)量流量，kg/h；qmaw濕基進氣空氣質(zhì)量流量，kg/h；qmf 燃料質(zhì)量流量，kg/h；空氣消耗量的允許偏差為讀數(shù)的2%或發(fā)動機最大排氣流量的1%，以較大值為準。燃料流量的允許偏差為發(fā)動機最大燃料消耗量的2%。（3） 碳平衡：迭代計算法干排氣質(zhì)量流量qmed的計算需要有干排氣密度ed和干濕基修正系數(shù)kwr值，其本身與qmad值有關(guān)，從而就與qmed的計算結(jié)果有關(guān)。因此，在下述方法中將應用迭代（或多步）計算法。利用ed和kwr的初始值（例如1.34kg/m3和1）計算qmed值，由此計算qmad值，再由這些值計算ed和kwr值。根據(jù)這些幾乎已經(jīng)很精確的ed和kwr值，再利用相同公式進行下面迭代計算時，所有數(shù)據(jù)值就已足夠精確，因此在大多數(shù)情況下就不必再進行第三次迭代計算。 步驟一：利用ed和kwr的初始值（例如1.34kg/m3和1）計算qmed值先根據(jù)碳平衡法用下列公式計算干排氣質(zhì)量流量qmed：qmedqmfBETed104ArCCCO2d-CCO2 ,a104VmCO2+CCOdVmCO11-prpd+CHCwVmHC+CCwArC1kwrCCO2d 原排氣中干CO2濃度，%； 測得CCO2a環(huán)境中干CO2濃度，%； 已知，0.04%CCOd 原排氣中干CO濃度，%； 測得CHC 原排氣中濕HC濃度，ppm； 測得CCw碳煙濃度，mg/m3，計算時，可以用波許煙度值SN計算得到碳煙濃度，在此計算時忽略了碳煙的濃度，即令CCw0。 步驟二：利用步驟一得到的干排氣質(zhì)量流量qmed計算干進氣空氣質(zhì)量流量qmadqmadqmed-qmf1-ALF0.08936 步驟三：利用步驟二得到的干進氣空氣質(zhì)量流量qmad和測得的燃料質(zhì)量流量qmf計算ed和kwredqmad+qmf1-ALF0.08936qmad1.293+ffdqmfkwr1-1.2442Ha+111.187ALFqmfqmad-773.4prpb773.4+1.2442Ha+qmfqmadffd1000其中，ffd-0.055593ALF+0.008002DEL+0.0070046EPS 步驟四：利用步驟三計算得到的ed和kwr值再迭代入步驟一，步驟二進行計算得到qmad，然后再利用迭代后計算得到的qmad代入下式中進行濕基排氣質(zhì)量流量qmew的計算qmew=qmad1+Ha1000+qmf將步驟一，步驟二，步驟四合并成一個公式，并進行一些簡化忽略未燃燒的碳煙和假設(shè)冷卻器溫度固定為4，即1/(1-pr/pb)=1.008，可以利用步驟三計算得到的ed和kwr值直接代入下面更容易使用的濕排氣質(zhì)量流量計算公式中計算qmew，qmewqmfBETedCCO2d-CCO2 ,a0.540+CCOd+CHCwkwr10000.00471+ALF0.08936-11+Ha1000+1（4） 碳平衡：一步計算法本法需要對燃料消耗、燃料組分和排氣組分濃度進行測量。注：在本方法的推導中，假設(shè)的前提是：當pb=1013mBar，pr=7.5mBar（冷卻器溫度為4），或1/1-prpb=1.008、kwr=0.93和CCw0qmew=qmfBETBET1.41.4BETfc+ALF0.08936-111.293+ffdfcfc+ALF0.08936 -11+Ha1000+1qmew濕基排氣質(zhì)量流量，kg/h； 計算量qmf 燃料質(zhì)量流量，kg/h； 測得與燃料組分有關(guān)，已知量BET燃料含C量，%質(zhì)量；ALF燃料含H量，%質(zhì)量；ffd 干基排氣流量計算用燃料特定系數(shù)；fc 碳系數(shù)；Ha 進氣絕對濕度，又稱含濕量，即每千克干空氣含水量g，單位為g（水）/kg（干空氣）。 干基排氣流量計算用燃料特定系數(shù)ffd的計算：ffd=qved-qvadqmfqmf 燃料質(zhì)量流量，kg/h；qved 干排氣體積流量，m3/h；qvad 干進氣空氣體積流量，m3/h；ffd 干基排氣流量計算用燃料特定系數(shù)；ffw 濕基排氣流量計算用燃料特定系數(shù)，m3，每kg燃料從燃燒空氣到濕排氣的體積變化。對于燃料組分為CHSNO的燃燒，一般燃燒后，由于會產(chǎn)生更多不同的氣體，所以體積會增大；對于像H2類的燃料，由于燃燒后，會產(chǎn)生水，體積有可能會減小。qved的計算應從燃燒（qmfffw）所產(chǎn)生的總體積變化中除去燃燒產(chǎn)生的水蒸氣，產(chǎn)生的水蒸氣的體積計算如下：ALFqmfVmH2O1002ArHALF燃料含H量，%質(zhì)量；VmH2O水摩爾體積，22.414 L/mol；ArH 氫原子的原子質(zhì)量，g，ArH1.00794 g。則，qvedqvad+qmfffw-ALFqmfVmH2O1002ArH則，ffd=ffwALFVmH2O200ArHffwALF22.4142001.00794ffwALF0.11118又知，ffw0.055594ALF+0.0080021DEL+0.0070046EPS代入上式得，ffd=-0.055593ALF+0.0080021DEL+0.0070046EPS與燃料組分有關(guān)，已知量ALF燃料含H量，%質(zhì)量；DEL燃料含N量，%質(zhì)量；EPS燃料含O量，%質(zhì)量； fc的計算：fc=CCO2d-CCO2ad0.5441+CCOd18522+CHC17355CCO2d 原排氣中干CO2濃度，%； 測得CCO2ad環(huán)境中干CO2濃度，%； 已知，后面計算組分排放質(zhì)量流量時需要CCO2awCCOd 原排氣中干CO濃度，%； 測得CHC 原排氣中濕HC濃度，ppm； 測得對于燃燒的理想化學計算，假設(shè)干進氣空氣的組分如下：A） 惰性氣體濃度inert=76.8% mass 79.0% vol惰性氣體中的CO2其質(zhì)量濃度為0.061%，體積濃度為0.04%B） 氧氣濃度OX=23.2% mass 21.0% vol Ha進氣絕對濕度（又稱含濕量）的計算：一般在測量過程中，不會對進氣絕對溫度進行測量，而往往會測量進氣口的溫度tin（），壓力pin（kPa），相對濕度RHin（%），由此三個已知量來推導進氣絕對濕度。此外，Ha 在GBT8190.1 Pag32關(guān)于NOx的干濕基修正內(nèi)容中標為空氣濾清器入口處的大氣濕度，即表明了Ha基本可以等價為大氣的濕度，并不是經(jīng)增壓冷卻后進入穩(wěn)壓箱中的空氣的濕度。推導過程如下：A. 該溫度下的飽和蒸氣壓（又稱飽和水汽壓）es（kPa）飽和蒸氣壓的計算有多種方法：（）飽和蒸氣壓僅與溫度t有關(guān)，es=0.1es0expat273.15+t-bes00時的水氣壓，值為6.1078；t 水蒸氣的溫度，。乘以0.1的原因是單位轉(zhuǎn)換的需要，因為0.1后面計算得到的結(jié)果單位為hpa（百帕）。水面和冰面飽和水汽壓不同，a、b系數(shù)取值不同：t15水面：a=17.269，b=35.86-40t-15冰水混合：es=0.00280+2tes水-(30+2t)es冰t40冰面：a=21.8746，b=7.66（）根據(jù)GB/T 8190.1 A.15的簡化公式：es=4.856884+0.2660089t+0.01688919t2-7.47712310-5t3+8.1052510-6t4-3.11522110-8t51013.2760文檔中所列公式為GB/T 8190.1 A.15，標準中約定的計算單位為kPa，但按該單位得到的飽和蒸氣濕度比實際大10倍，個人猜想標準中單位應該是hPa（百帕），而不是kPa。（）采用Antoine公式（適用于0150）lgP=A-B/(t+C)P物質(zhì)的蒸氣壓，毫米汞柱，1mm汞柱=133.3Pa；t溫度，；A、B、C系數(shù)，查表可得。溫度t范圍（）ABC601507.966811668.210228.0000-608.107651750.286235.000經(jīng)整理可得，es=133.3100010A-B/(t+C)B. 該溫度下的蒸氣壓（又稱水汽壓）e（kPa）eRHes100%注：如果相對濕度測量值為45%則，上式中的RH應為45，即e45es100%0.45esC. 該溫度下的進氣絕對濕度Ha（g/kg）Ha=622ep-e注：一般情況下，由于柴油機進氣口的溫度ta（），壓力pa（kPa），相對濕度RHa（%），與環(huán)境溫度、壓力、相對濕度非常接近，所以上述三個量也可以用環(huán)境溫度、壓力、相對濕度來代替，但在有條件的情況下，測量點應盡量在進氣口處進行測量。對于有渦輪增壓并有中冷的柴油機的進氣絕對濕度，由于經(jīng)過中冷器冷卻后，空氣一般都會成為飽和蒸氣，所以此時的進氣絕對濕度應為飽和絕對濕度，只通過測量穩(wěn)壓箱溫度、與穩(wěn)壓箱壓力， 不必利用相對濕度即可計算。（5） 氧平衡法與碳平衡法相同，氧平衡法需要對燃料消耗、燃料組分和排氣組分濃度進行測量。與理論排氣質(zhì)量流量相比，氧平衡法的偏差要稍大一些（可達1%，而碳平衡法小于0.2%）。因此應優(yōu)先采用碳平衡法。（6） 空氣流量和空燃比測量法利用空氣流量和空燃比來計算排氣質(zhì)量，瞬時排氣質(zhì)量流量的計算如下：qmew=qmaw1+1AFstqmew濕基排氣質(zhì)量流量，kg/h；qmaw濕基進氣空氣質(zhì)量流量，kg/h； 理想空燃比AFst的計算：AFst138.0+4-2+12.001+1.00794+15.9994+14.0067+32.065AFst理想空燃比，kg/kg；（H/C）摩爾比；與燃料組分有關(guān)，已知量（C/C）摩爾比；（S/C）摩爾比；（N/C）摩爾比；（O/C）摩爾比；注：燃料組分為CHSNO時，1。對于不含C的燃料（如：氫），不能用上式計算。 過量空氣系數(shù)的計算：=100-CCO10-42-CHC10-4+41-2CCO10-43.5CCO21+CCO10-43.5CCO2-2-2CCO2+CCO10-44.764+4-2+CCO2+CCO10-4+CHC10-4 過量空氣系數(shù)； 測得CCO2 干CO2濃度，%； 測得CCO 干CO濃度，ppm； 測得CHC HC濃度，ppm； 測得注：傳感器應直接安裝在排氣溫度足夠高的位置，以防產(chǎn)生凝結(jié)水。內(nèi)裝電子元器件的傳感器，其準確度應符合下列要求：<2 讀數(shù)的3%2<5 讀數(shù)的5%5 讀數(shù)的10%3. 確定濕基排氣質(zhì)量流量中各組分的濕基質(zhì)量流量qmgas（1） 干/濕基修正如果測得的各排氣組分未按濕基測量，當需要將其干基濃度轉(zhuǎn)換成濕基濃度時；如果測得（或計算得）的是干進氣空氣的進氣質(zhì)量流量，當需要進行干/基修正時；Cgasw=kwCgasdCgasw濕基排氣中各組分的濕基濃度，下標“gas”是指各種氣體組分； 計算得Cgasd各組分的干基濃度； 測得kw干/濕基修正系數(shù)； 計算得干/濕基修正系數(shù)kw的計算，有以下幾種情況： 對于原排氣a) 當燃料完全燃燒時本方法需要測得燃料質(zhì)量流量qmf，干進氣空氣的質(zhì)量流量qmad。kwr1=1-1.2442Ha+111.19ALFqmfqmad773.4+1.2442Ha+qmfqmadffw10001-prpbqmf 燃料質(zhì)量流量，kg/h； 測得qmad干進氣空氣質(zhì)量流量，kg/h； 測得ffw 濕基排氣流量計算用燃料特定系數(shù)； 計算得，僅與燃料組分有關(guān)ALF燃料含H量，%質(zhì)量； 僅與燃料組分有關(guān)Ha 進氣絕對濕度，g（水）/kg（空氣）。 計算得pr冷卻槽后的水蒸氣分壓； 與分析儀的冷凝溫度設(shè)置有關(guān)prpb水蒸氣的摩爾分量（冷卻器后水蒸氣的體積分量）； 與冷凝溫度設(shè)置有關(guān)因為對于CO、CO2、O2濃度的測量，CO和CO2的測量是利用不分光紅外線分析儀測得，如果有水蒸氣的存在，水蒸氣也會吸收部分紅外線，從而會對濃度的測量產(chǎn)生正干擾誤差，即測得的CO和CO2濃度比實際濃度大。而對于O2的測量由于是利用順磁法測得的，如果有水蒸氣的存在，同樣水蒸氣會產(chǎn)生類似于O2的性質(zhì)，而產(chǎn)生正干擾誤差。因而，當對CO、CO2、O2濃度進行測量時，需要將樣氣中的水蒸氣去除，具體方法即將樣氣進行冷凝（一般冷凝單元的冷凝溫度在4，如CAI的SCU單元），當冷凝溫度固定在4時，可求得11-prpb1.008。故，kwr1=1-1.2442Ha+111.19ALFqmfqmad773.4+1.2442Ha+qmfqmadffw10001.008ffw0.055594ALF+0.0080021DEL+0.0070046EPSb) 當燃料不完全燃燒時（當采用碳平衡法時常用）這種計算方法尤其適用于濃燃料空氣混合氣（當存在相當數(shù)量未燃燒的組分（CO，H2）時）的情況，而且也適用于不直接測量空氣流量的排放測量。應使用下列公式求出（推導見附錄A.24-A.41）：kwr2=11+0.005CCO2d+CCOd-0.01CH2d+kw2-prpbkw2進氣空氣中水分，由GBT 8190.1 A.39 計算得到，kw21.608Ha1000+1.608HaHa空氣濾清器入口處的大氣濕度，g水/kg干空氣。（Ha 在GBT8190.1 Pag32關(guān)于NOx的干濕基修正內(nèi)容中標為空氣濾清器入口處的大氣濕度，即表明了Ha基本可以等價為大氣的濕度，并不是經(jīng)增壓冷卻后進入穩(wěn)壓箱中的空氣的濕度。）根據(jù)SAE J 1088用下列公式由水氣平衡原理推算出氫的濃度：CH2d=0.5CCOd104CCO2d+CCOd104CCOd104+3CCO2dCCO2d 干CO2濃度，%； 測得CCOd 干CO濃度，ppm； 測得CH2d 干H2濃度，%； 計算得pr冷卻槽后的水蒸氣分壓； 與分析儀的冷凝溫度設(shè)置有關(guān)prpb水蒸氣的摩爾分量（冷卻器后水蒸氣的體積分量）； 與冷凝溫度設(shè)置有關(guān)當冷凝溫度固定在4時，可求得11-prpb1.008。 對于稀釋空氣kw2=1.608Hd1-1D+Ha1D1000+1.608Hd1-1D+Ha1DD稀釋系數(shù)；Ha、Hd進氣空氣和稀釋空氣的絕對濕度，單位為克每千克（g/kg）。 對于進氣空氣（當需要通過干進氣空氣轉(zhuǎn)換為濕基進氣空氣時常用）kwa=1-kw2其中，kw2=1.608Ha1000+1.608HaHa 進氣絕對濕度，g（水）/kg（空氣）。注：Ha可用通用公式由相對濕度、露點、蒸氣壓或干/濕球的測量值求得，具體計算可看上述部分中關(guān)于Ha的詳細計算過程。 NOx的濕度和溫度修正（不同于CO、CO2、O2，對于NOx需單獨進行干/濕基修正）因NOx排放與大氣狀況有關(guān)，應采用下列公式中給出的系數(shù)對NOx濃度進行大氣溫度和濕度修正，當濕度在0g/kg和25g/kg之間時這些系數(shù)才有效。a) 對于增壓中冷壓燃式發(fā)動機，可用下列公式：khd=11-0.012Ha-10.71-0.00275Ta-298+0.00285(TSC-TSCRef)Ha空氣濾清器入口處的大氣濕度，g水/kg干空氣；Ta空氣濾清器入口處的大氣溫度，K；TSC中冷空氣溫度，K；TSCRef制造商規(guī)定的中冷空氣基準溫度，K。（2） 濕基排氣中各組分濕基質(zhì)量流量qmgas的計算應根據(jù)污染物的原濃度、表7中的u值和按照上面求得的排氣質(zhì)量流量計算每工況的排放質(zhì)量流量。如果按干基測量濃度，則應先對濃度值進行干-濕基修正然后再作進一點計算。如果試驗所用燃料不是表中規(guī)定的燃料，則在燃用多種燃料運行或有異時必須采用精確公式。 基于表列值的計算方法應采用以下公式：qmgas=gascgasqmewqmgas某一組分的氣體排放質(zhì)量流量，下標gas代表組分的名稱，g/h；gas 排氣組分密度與排氣密度之比；Cgas 原排氣中各組分濃度，為濕基濃度，如未按濕基進行測量，則應將所測濃度轉(zhuǎn)換成濕基濃度，單位為ppm；qmew 排氣質(zhì)量流量，單位為千克每小時（kg/h）; 上面步驟中求得 當用碳平衡法時：qmgas=MrgasCgasqmfMrfCCO2w-CCO2aw+CCOw+CHCw10410其中，MrfArH+ArC+ArS+ArN+ArOMrgas 某一氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol； 查表得 （對于NOx跟HC如何計算其摩爾質(zhì)量？）尚不確定？HC難道是氫原子跟碳原子摩爾質(zhì)量之和？對于NOx，由于不知道NO跟NO2各自占的體積分數(shù)，如何計算NOx的摩爾質(zhì)量？qmf 燃料質(zhì)量流量，kg/h； 測得Mrf 燃料摩爾質(zhì)量，g/mol； 由燃料組分計算得CCO2w 排氣中濕CO2濃度，%； 測得CCO2aw 進氣中濕CO2濃度，%； 進氣干空氣中的濃度為已知量，干進氣空氣中CO2體積濃度為0.04%，濕CO2濃度由計算得，由進氣空氣干/濕基轉(zhuǎn)換CCOw 排氣中濕CO濃度，ppm； 測得CHCw 排氣中濕CH濃度，ppm。 測得4. 比排放計算按下列計算所有各組分的排放：gasx=i=1nqmgasiWfii=1nPiWfi式中：qmgasi某一組分氣體的排放質(zhì)量流量。P=Pm+Paux式中：Pm各工況下的實測功率；Paux各工況下安裝在發(fā)動機上的輔助裝置所消耗的功率； n 工況數(shù)；Wfi加權(quán)系數(shù)，計算所用的工況數(shù)和加權(quán)系數(shù)按GB/T 8190.4的規(guī)定確定。