碳平衡法排放计算流程.doc

1. 发动机试验状况：实验室大气系数fa试验时应在参数0.96fa1.06之间进行。（1）对于压燃式带进气中冷的涡轮增压式发动机，fa应按下式进行计算：fa=99ps0.7Ta2981.5Ta发动机进气绝对温度，K；ps发动机进气干气压，kPa；psph-ehpa发动机进气湿气压，kPa；ea发动机进气蒸气压，kPa，进气蒸气压的计算见下面绝对湿度Ha的计算过程中。0.93fa1.07例，当测得进气湿压力pin=100.6kPa，tin31.4，相对湿度RHin54%时，可计算fa数值得，fa=99100.6-2.481610.7273.15+31.42981.51.022. 湿基排气质量流量qmew的确定：所有与体积有关的量纲均按标准状况（0，101.325kPa）确定，CO2，O2，H2O，N2组分所用浓度单位为体积百分数，其他用ppm。（1） 直接测量法本法需要对排气流量直接进行测量。排气流量可用诸如下列设备直接测量：压差计，如流量喷嘴（见ISO 5167）；超声波流量计；涡街流量计。排气流量的测量允许偏差为读数的2.5%或发动机最大排气流量的1.5%，以较大值为准。（2） 空气和燃料测量法本法需要对空气流量和燃料流量进行测量。排气流量计算公式如下：qmew=qmaw+qmfqmew湿基排气质量流量，kg/h；qmaw湿基进气空气质量流量，kg/h；qmf 燃料质量流量，kg/h；空气消耗量的允许偏差为读数的2%或发动机最大排气流量的1%，以较大值为准。燃料流量的允许偏差为发动机最大燃料消耗量的2%。（3） 碳平衡：迭代计算法干排气质量流量qmed的计算需要有干排气密度ed和干湿基修正系数kwr值，其本身与qmad值有关，从而就与qmed的计算结果有关。因此，在下述方法中将应用迭代（或多步）计算法。利用ed和kwr的初始值（例如1.34kg/m3和1）计算qmed值，由此计算qmad值，再由这些值计算ed和kwr值。根据这些几乎已经很精确的ed和kwr值，再利用相同公式进行下面迭代计算时，所有数据值就已足够精确，因此在大多数情况下就不必再进行第三次迭代计算。 步骤一：利用ed和kwr的初始值（例如1.34kg/m3和1）计算qmed值先根据碳平衡法用下列公式计算干排气质量流量qmed：qmedqmfBETed104ArCCCO2d-CCO2 ,a104VmCO2+CCOdVmCO11-prpd+CHCwVmHC+CCwArC1kwrCCO2d 原排气中干CO2浓度，%； 测得CCO2a环境中干CO2浓度，%； 已知，0.04%CCOd 原排气中干CO浓度，%； 测得CHC 原排气中湿HC浓度，ppm； 测得CCw碳烟浓度，mg/m3，计算时，可以用波许烟度值SN计算得到碳烟浓度，在此计算时忽略了碳烟的浓度，即令CCw0。 步骤二：利用步骤一得到的干排气质量流量qmed计算干进气空气质量流量qmadqmadqmed-qmf1-ALF0.08936 步骤三：利用步骤二得到的干进气空气质量流量qmad和测得的燃料质量流量qmf计算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 步骤四：利用步骤三计算得到的ed和kwr值再迭代入步骤一，步骤二进行计算得到qmad，然后再利用迭代后计算得到的qmad代入下式中进行湿基排气质量流量qmew的计算qmew=qmad1+Ha1000+qmf将步骤一，步骤二，步骤四合并成一个公式，并进行一些简化忽略未燃烧的碳烟和假设冷却器温度固定为4，即1/(1-pr/pb)=1.008，可以利用步骤三计算得到的ed和kwr值直接代入下面更容易使用的湿排气质量流量计算公式中计算qmew，qmewqmfBETedCCO2d-CCO2 ,a0.540+CCOd+CHCwkwr10000.00471+ALF0.08936-11+Ha1000+1（4） 碳平衡：一步计算法本法需要对燃料消耗、燃料组分和排气组分浓度进行测量。注：在本方法的推导中，假设的前提是：当pb=1013mBar，pr=7.5mBar（冷却器温度为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湿基排气质量流量，kg/h； 计算量qmf 燃料质量流量，kg/h； 测得与燃料组分有关，已知量BET燃料含C量，%质量；ALF燃料含H量，%质量；ffd 干基排气流量计算用燃料特定系数；fc 碳系数；Ha 进气绝对湿度，又称含湿量，即每千克干空气含水量g，单位为g（水）/kg（干空气）。 干基排气流量计算用燃料特定系数ffd的计算：ffd=qved-qvadqmfqmf 燃料质量流量，kg/h；qved 干排气体积流量，m3/h；qvad 干进气空气体积流量，m3/h；ffd 干基排气流量计算用燃料特定系数；ffw 湿基排气流量计算用燃料特定系数，m3，每kg燃料从燃烧空气到湿排气的体积变化。对于燃料组分为CHSNO的燃烧，一般燃烧后，由于会产生更多不同的气体，所以体积会增大；对于像H2类的燃料，由于燃烧后，会产生水，体积有可能会减小。qved的计算应从燃烧（qmfffw）所产生的总体积变化中除去燃烧产生的水蒸气，产生的水蒸气的体积计算如下：ALFqmfVmH2O1002ArHALF燃料含H量，%质量；VmH2O水摩尔体积，22.414 L/mol；ArH 氢原子的原子质量，g，ArH1.00794 g。则，qvedqvad+qmfffw-ALFqmfVmH2O1002ArH则，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与燃料组分有关，已知量ALF燃料含H量，%质量；DEL燃料含N量，%质量；EPS燃料含O量，%质量； fc的计算：fc=CCO2d-CCO2ad0.5441+CCOd18522+CHC17355CCO2d 原排气中干CO2浓度，%； 测得CCO2ad环境中干CO2浓度，%； 已知，后面计算组分排放质量流量时需要CCO2awCCOd 原排气中干CO浓度，%； 测得CHC 原排气中湿HC浓度，ppm； 测得对于燃烧的理想化学计算，假设干进气空气的组分如下：A） 惰性气体浓度inert=76.8% mass 79.0% vol惰性气体中的CO2其质量浓度为0.061%，体积浓度为0.04%B） 氧气浓度OX=23.2% mass 21.0% vol Ha进气绝对湿度（又称含湿量）的计算：一般在测量过程中，不会对进气绝对温度进行测量，而往往会测量进气口的温度tin（），压力pin（kPa），相对湿度RHin（%），由此三个已知量来推导进气绝对湿度。此外，Ha 在GBT8190.1 Pag32关于NOx的干湿基修正内容中标为空气滤清器入口处的大气湿度，即表明了Ha基本可以等价为大气的湿度，并不是经增压冷却后进入稳压箱中的空气的湿度。推导过程如下：A. 该温度下的饱和蒸气压（又称饱和水汽压）es（kPa）饱和蒸气压的计算有多种方法：（）饱和蒸气压仅与温度t有关，es=0.1es0expat273.15+t-bes00时的水气压，值为6.1078；t 水蒸气的温度，。乘以0.1的原因是单位转换的需要，因为0.1后面计算得到的结果单位为hpa（百帕）。水面和冰面饱和水汽压不同，a、b系数取值不同：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（）根据GB/T 8190.1 A.15的简化公式：es=4.856884+0.2660089t+0.01688919t2-7.47712310-5t3+8.1052510-6t4-3.11522110-8t51013.2760文档中所列公式为GB/T 8190.1 A.15，标准中约定的计算单位为kPa，但按该单位得到的饱和蒸气湿度比实际大10倍，个人猜想标准中单位应该是hPa（百帕），而不是kPa。（）采用Antoine公式（适用于0150）lgP=A-B/(t+C)P物质的蒸气压，毫米汞柱，1mm汞柱=133.3Pa；t温度，；A、B、C系数，查表可得。温度t范围（）ABC601507.966811668.210228.0000-608.107651750.286235.000经整理可得，es=133.3100010A-B/(t+C)B. 该温度下的蒸气压（又称水汽压）e（kPa）eRHes100%注：如果相对湿度测量值为45%则，上式中的RH应为45，即e45es100%0.45esC. 该温度下的进气绝对湿度Ha（g/kg）Ha=622ep-e注：一般情况下，由于柴油机进气口的温度ta（），压力pa（kPa），相对湿度RHa（%），与环境温度、压力、相对湿度非常接近，所以上述三个量也可以用环境温度、压力、相对湿度来代替，但在有条件的情况下，测量点应尽量在进气口处进行测量。对于有涡轮增压并有中冷的柴油机的进气绝对湿度，由于经过中冷器冷却后，空气一般都会成为饱和蒸气，所以此时的进气绝对湿度应为饱和绝对湿度，只通过测量稳压箱温度、与稳压箱压力， 不必利用相对湿度即可计算。（5） 氧平衡法与碳平衡法相同，氧平衡法需要对燃料消耗、燃料组分和排气组分浓度进行测量。与理论排气质量流量相比，氧平衡法的偏差要稍大一些（可达1%，而碳平衡法小于0.2%）。因此应优先采用碳平衡法。（6） 空气流量和空燃比测量法利用空气流量和空燃比来计算排气质量，瞬时排气质量流量的计算如下：qmew=qmaw1+1AFstqmew湿基排气质量流量，kg/h；qmaw湿基进气空气质量流量，kg/h； 理想空燃比AFst的计算：AFst138.0+4-2+12.001+1.00794+15.9994+14.0067+32.065AFst理想空燃比，kg/kg；（H/C）摩尔比；与燃料组分有关，已知量（C/C）摩尔比；（S/C）摩尔比；（N/C）摩尔比；（O/C）摩尔比；注：燃料组分为CHSNO时，1。对于不含C的燃料（如：氢），不能用上式计算。 过量空气系数的计算：=100-CCO10-42-CHC10-4+41-2CCO10-43.5CCO21+CCO10-43.5CCO2-2-2CCO2+CCO10-44.764+4-2+CCO2+CCO10-4+CHC10-4 过量空气系数； 测得CCO2 干CO2浓度，%； 测得CCO 干CO浓度，ppm； 测得CHC HC浓度，ppm； 测得注：传感器应直接安装在排气温度足够高的位置，以防产生凝结水。内装电子元器件的传感器，其准确度应符合下列要求：2 读数的3%25 读数的5%5 读数的10%3. 确定湿基排气质量流量中各组分的湿基质量流量qmgas（1） 干/湿基修正如果测得的各排气组分未按湿基测量，当需要将其干基浓度转换成湿基浓度时；如果测得（或计算得）的是干进气空气的进气质量流量，当需要进行干/基修正时；Cgasw=kwCgasdCgasw湿基排气中各组分的湿基浓度，下标“gas”是指各种气体组分； 计算得Cgasd各组分的干基浓度； 测得kw干/湿基修正系数； 计算得干/湿基修正系数kw的计算，有以下几种情况： 对于原排气a) 当燃料完全燃烧时本方法需要测得燃料质量流量qmf，干进气空气的质量流量qmad。kwr1=1-1.2442Ha+111.19ALFqmfqmad773.4+1.2442Ha+qmfqmadffw10001-prpbqmf 燃料质量流量，kg/h； 测得qmad干进气空气质量流量，kg/h； 测得ffw 湿基排气流量计算用燃料特定系数； 计算得，仅与燃料组分有关ALF燃料含H量，%质量； 仅与燃料组分有关Ha 进气绝对湿度，g（水）/kg（空气）。 计算得pr冷却槽后的水蒸气分压； 与分析仪的冷凝温度设置有关prpb水蒸气的摩尔分量（冷却器后水蒸气的体积分量）； 与冷凝温度设置有关因为对于CO、CO2、O2浓度的测量，CO和CO2的测量是利用不分光红外线分析仪测得，如果有水蒸气的存在，水蒸气也会吸收部分红外线，从而会对浓度的测量产生正干扰误差，即测得的CO和CO2浓度比实际浓度大。而对于O2的测量由于是利用顺磁法测得的，如果有水蒸气的存在，同样水蒸气会产生类似于O2的性质，而产生正干扰误差。因而，当对CO、CO2、O2浓度进行测量时，需要将样气中的水蒸气去除，具体方法即将样气进行冷凝（一般冷凝单元的冷凝温度在4，如CAI的SCU单元），当冷凝温度固定在4时，可求得11-prpb1.008。故，kwr1=1-1.2442Ha+111.19ALFqmfqmad773.4+1.2442Ha+qmfqmadffw10001.008ffw0.055594ALF+0.0080021DEL+0.0070046EPSb) 当燃料不完全燃烧时（当采用碳平衡法时常用）这种计算方法尤其适用于浓燃料空气混合气（当存在相当数量未燃烧的组分（CO，H2）时）的情况，而且也适用于不直接测量空气流量的排放测量。应使用下列公式求出（推导见附录A.24-A.41）：kwr2=11+0.005CCO2d+CCOd-0.01CH2d+kw2-prpbkw2进气空气中水分，由GBT 8190.1 A.39 计算得到，kw21.608Ha1000+1.608HaHa空气滤清器入口处的大气湿度，g水/kg干空气。（Ha 在GBT8190.1 Pag32关于NOx的干湿基修正内容中标为空气滤清器入口处的大气湿度，即表明了Ha基本可以等价为大气的湿度，并不是经增压冷却后进入稳压箱中的空气的湿度。）根据SAE J 1088用下列公式由水气平衡原理推算出氢的浓度：CH2d=0.5CCOd104CCO2d+CCOd104CCOd104+3CCO2dCCO2d 干CO2浓度，%； 测得CCOd 干CO浓度，ppm； 测得CH2d 干H2浓度，%； 计算得pr冷却槽后的水蒸气分压； 与分析仪的冷凝温度设置有关prpb水蒸气的摩尔分量（冷却器后水蒸气的体积分量）； 与冷凝温度设置有关当冷凝温度固定在4时，可求得11-prpb1.008。 对于稀释空气kw2=1.608Hd1-1D+Ha1D1000+1.608Hd1-1D+Ha1DD稀释系数；Ha、Hd进气空气和稀释空气的绝对湿度，单位为克每千克（g/kg）。 对于进气空气（当需要通过干进气空气转换为湿基进气空气时常用）kwa=1-kw2其中，kw2=1.608Ha1000+1.608HaHa 进气绝对湿度，g（水）/kg（空气）。注：Ha可用通用公式由相对湿度、露点、蒸气压或干/湿球的测量值求得，具体计算可看上述部分中关于Ha的详细计算过程。 NOx的湿度和温度修正（不同于CO、CO2、O2，对于NOx需单独进行干/湿基修正）因NOx排放与大气状况有关，应采用下列公式中给出的系数对NOx浓度进行大气温度和湿度修正，当湿度在0g/kg和25g/kg之间时这些系数才有效。a) 对于增压中冷压燃式发动机，可用下列公式：khd=11-0.012Ha-10.71-0.00275Ta-298+0.00285(TSC-TSCRef)Ha空气滤清器入口处的大气湿度，g水/kg干空气；Ta空气滤清器入口处的大气温度，K；TSC中冷空气温度，K；TSCRef制造商规定的中冷空气基准温度，K。（2） 湿基排气中各组分湿基质量流量qmgas的计算应根据污染物的原浓度、表7中的u值和按照上面求得的排气质量流量计算每工况的排放质量流量。如果按干基测量浓度，则应先对浓度值进行干-湿基修正然后再作进一点计算。如果试验所用燃料不是表中规定的燃料，则在燃用多种燃料运行或有异时必须采用精确公式。 基于表列值的计算方法应采用以下公式：qmgas=gascgasqmewqmgas某一组分的气体排放质量流量，下标gas代表组分的名称，g/h；gas 排气组分密度与排气密度之比；Cgas 原排气中各组分浓度，为湿基浓度，如未按湿基进行测量，则应将所测浓度转换成湿基浓度，单位为ppm；qmew 排气质量流量，单位为千克每小时（kg/h）; 上面步骤中求得 当用碳平衡法时：qmgas=MrgasCgasqmfMrfCCO2w-CCO2aw+CCOw+CHCw10410其中，MrfArH+ArC+ArS+ArN+ArOMrgas 某一气体的摩尔质量，g/mol； 查表得 （对于NOx跟HC如何计算其摩尔质量？）尚不确定？HC难道是氢原子跟碳原子摩尔质量之和？对于NOx，由于不知道NO跟NO2各自占的体积分数，如何计算NOx的摩尔质量？qmf 燃料质量流量，kg/h； 测得Mrf 燃料摩尔质量，g/mol； 由燃料组分计算得CCO2w 排气中湿CO2浓度，%； 测得CCO2aw 进气中湿CO2浓度，%； 进气干空气中的浓度为已知量，干进气空气中CO2体积浓度为0.04%，湿CO2浓度由计算得，由进气空气干/湿基转换CCOw 排气中湿CO浓度，ppm； 测得CHCw 排气中湿CH浓度，ppm。 测得4. 比排放计算按下列计算所有各组分的排放：gasx=i=1nqmgasiWfii=1nPiWfi式中：qmgasi某一组分气体的排放质量流量。P=Pm+Paux式中：Pm各工况下的实测功率；Paux各工况下安装在发动机上的辅助装置所消耗的功率； n 工况数；Wfi加权系数，计算所用的工况数和加权系数按GB/T 8190.4的规定确定。