車用發(fā)動(dòng)機(jī)碳平衡影響因素的分析與研究

葉平雄 胡克容 楊聰 王鳳濱

摘 要：基于發(fā)動(dòng)機(jī)碳平衡測(cè)量方法，提出了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒做功之前與做功后排氣的碳質(zhì)量流量的數(shù)學(xué)模型;分析了影響碳平衡偏差的主要因素;在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行某柴油機(jī)的排放試驗(yàn)，得到不同工況下的碳流量偏差值;通過改變單一參數(shù)，分析數(shù)學(xué)模型中碳流量偏差隨不同影響參數(shù)的變化情況。研究結(jié)果表明，進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗以及排氣中CO2濃度值對(duì)碳平衡偏差的影響比較大，并可根據(jù)碳平衡偏差的不同測(cè)量結(jié)果值，采取相應(yīng)的核查手段和有效措施以減小試驗(yàn)誤差，有助于提高臺(tái)架試驗(yàn)的精準(zhǔn)度。

關(guān)鍵字：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);碳流量;碳平衡;碳流量偏差;影響因素

Abstract： Based on the analysis of the measurement method of engine carbon balance， putting forward the mathematical model of carbon mass flow before and after combustion of diesel engine; Analyzing the main factors that affect the deviation of carbon balance; the emission test of a diesel engine is carried out on the engine bench， and the deviation value of carbon flow under different working conditions is obtained. By changing a single parameter， the variation of carbon flow deviation with different parameters in the mathematical model is analyzed. The results show that the mass flow of intake air， fuel consumption of engine and CO2 concentration in exhaust have great influence on carbon balance deviation， and correspon -ding verification means and effective measures can be taken to reduce the test error according to the measurement results of carbon balance deviation.

前言

為防治汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣對(duì)大氣的污染，加快全球生態(tài)文明建設(shè)，國家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放提出了更高的要求[1]。碳平衡作為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，能夠衡量發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行的狀態(tài)以及試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

碳平衡是指根據(jù)質(zhì)量守恒原理，參與化學(xué)反應(yīng)前反應(yīng)物中的碳，與化學(xué)反應(yīng)后生成物中的碳是不變的。對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣和燃油中所含的碳元素與發(fā)動(dòng)機(jī)排放的尾氣中所含的碳元素理論上應(yīng)該是相等的[2-6]。但由于測(cè)量誤差以及環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致進(jìn)出發(fā)動(dòng)機(jī)的碳平衡計(jì)算不可避免的出現(xiàn)誤差。在最新GB17691-2018國六標(biāo)準(zhǔn)中要求所有碳流量偏差檢查都應(yīng)該在±3%以內(nèi) [7]。通過測(cè)量計(jì)算進(jìn)出發(fā)動(dòng)機(jī)的碳平衡偏差可以用來檢測(cè)整個(gè)排放測(cè)試系統(tǒng)的泄露和流量測(cè)量精度。

通過計(jì)算、分析進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的碳流量與原始排氣中碳流量的偏差，給出了排放測(cè)試中影響碳平衡的因素，并分析各項(xiàng)因素對(duì)碳平衡計(jì)算的影響趨勢(shì)，總結(jié)出在排放測(cè)試中分析和改善碳平衡偏差的方法，能提高整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的可靠性，對(duì)排放試驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)所用測(cè)功機(jī)為為AVL ASM 3000電力測(cè)功機(jī)，最大功率為560kw，最大轉(zhuǎn)速為4500rpm，最大扭矩為3000NM，配有全流稀釋排放分析系統(tǒng)和FTIR非常規(guī)氣體采樣分析系統(tǒng)，整個(gè)臺(tái)架系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

2 碳平衡測(cè)量方法的數(shù)學(xué)模型

2.1 碳平衡原理

碳平衡法是由燃油消耗量的計(jì)算值和測(cè)量值之間的偏差百分比來衡量發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)質(zhì)上是質(zhì)量守恒原理在碳原子上的利用，即在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒前空氣和燃油含有的碳原子總質(zhì)量等于燃燒后發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中碳原子質(zhì)量[8]。其數(shù)學(xué)表達(dá)如式1所示。

式中，Cb表示碳流量偏差，A表示進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的碳質(zhì)量流量，B表示發(fā)動(dòng)機(jī)排出的碳質(zhì)量流量。

發(fā)動(dòng)機(jī)端中絕大部分的碳來自于燃油，因此排氣中碳流量主要取決于燃油流量和空氣流量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供已知的碳流源，若從排氣管檢測(cè)該碳流源，則可以評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的泄露和流量測(cè)量精度，其優(yōu)點(diǎn)在于各部件可以在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的溫度和流量下進(jìn)行檢查。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和空氣中碳流量數(shù)學(xué)模型

根據(jù)前文分析可知，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的碳質(zhì)量流量A（g/h）等于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油Afuel（g/h）和空氣Aair（g/h）的碳物質(zhì)的總和。本文使用AVL735S連續(xù)質(zhì)量流量計(jì)、ABB熱式質(zhì)量流量計(jì)分別測(cè)量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗qmf（kg/h）和空氣質(zhì)量流量qmaw（kg/h）。

這里采用碳?xì)溲跄柋葹镃H1.86O0.006的燃料進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油碳質(zhì)量流量計(jì)算如下：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度T（℃），可通過查表插值法得到飽和蒸氣壓Pa（kpa）;根據(jù)進(jìn)氣相對(duì)濕度Ra（%）和試驗(yàn)環(huán)境壓力Pb（kpa），可知進(jìn)氣絕對(duì)濕度Ha（g/kg）為：

則進(jìn)氣空氣干濕基校準(zhǔn)系數(shù)? ，取干空氣的摩爾質(zhì)量為28.965g/mol，取空氣中CO2的含量為0.03%，設(shè)干空氣質(zhì)量流量為qmad（kg/h），則進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣碳質(zhì)量流量如下：

2.3 排氣中碳流量數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)排出的碳質(zhì)量流量B（g/h）可通過氣體分析儀測(cè)量原始排氣中CO2、CO、HC的濃度CCO2（ppm）、CCO（ppm）、CHC（ppm）計(jì)算得出。取發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中CO2、CO、HC的U值分別為0.001517，0.000966，0.000479;其中，CO2和CO的測(cè)量濃度為干基測(cè)量，需要將濃度修正為濕基測(cè)量下的濃度[9]，校正系數(shù)Kwa為：

3 發(fā)動(dòng)機(jī)碳流量試驗(yàn)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為國內(nèi)某臺(tái)增壓中冷柴油機(jī)，排放設(shè)備均經(jīng)過核查，狀態(tài)正常。由1.2和1.3可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度T、進(jìn)氣相對(duì)濕度Ra、試驗(yàn)環(huán)境壓力Pb、空氣質(zhì)量流量qmaw、發(fā)動(dòng)機(jī)油耗qmf、原始排氣中CCO2、CCO、CHC的測(cè)量濃度均是影響碳平衡偏差的因素。發(fā)動(dòng)機(jī)在配置不變的情況下，按照GB 17691-2018的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行排放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由上表可知，由于工況環(huán)境和測(cè)量誤差的影響，在不同轉(zhuǎn)速下，碳流量偏差均不同，其中在1000r/min工況下，Cb為1.76%，發(fā)動(dòng)機(jī)碳流量偏差值最大，且小于GB 17691-2018標(biāo)準(zhǔn)中要求的限制3%，表明該發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的良好，碳流量偏差滿足國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 碳平衡影響因素分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試中，影響碳平衡偏差的因素會(huì)由于設(shè)備原因或管路連接的原因?qū)е聰?shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)，根據(jù)表1可知主要有5大因素，具體如表2所列。

現(xiàn)以表1中1000r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用碳平衡的數(shù)學(xué)模型，對(duì)影響碳平衡偏差Cb的具體因素進(jìn)行分析，通過每次只改變其中一種變量的方法，可以得到每種變量的變化率與碳平衡偏差變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將分析結(jié)果繪成關(guān)系圖，分別如圖2、3、4、5、6所示。

經(jīng)分析、計(jì)算可知：

當(dāng)進(jìn)氣溫度T每增加（或減少）1℃，碳平衡偏差Cb就增加（或減少）約0.12%;

當(dāng)進(jìn)氣濕度Ra每增加（或減少）1%，碳平衡偏差Cb就增加（或減少）約0.03%;

當(dāng)進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量qmaw每增加（或減少）1kg/h，碳平衡偏差Cb就減少（或增加）約0.23%;

當(dāng)CCO2濃度值每增加（或減少）約1%，碳平衡偏差Cb就減少（或增加）約0.89%;

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗qmf每增加（或減少）約0.1kg/h，碳平衡偏差Cb就增加（或減少）約0.48%。

綜上可以看出：進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量qmaw、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗qmf、排氣中CCO2濃度值對(duì)碳平衡偏差Cb的影響比較大，其中發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗qmf的變化與碳平衡偏差成正向影響關(guān)系，而進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量qmaw、排氣中CCO2濃度值與碳平衡偏差成反向影響關(guān)系。

進(jìn)一步分析碳平衡偏差與測(cè)量參數(shù)、管路泄露的關(guān)系，可指導(dǎo)實(shí)際試驗(yàn)的誤差檢查和修正：碳平衡偏差超出±3%限值時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查以上5個(gè)測(cè)量值是否準(zhǔn)確，在確認(rèn)測(cè)量設(shè)備無問題后，再檢查管路連接處是否存在泄漏;當(dāng)偏差Cb>3%時(shí)，應(yīng)檢查連接油耗儀至發(fā)動(dòng)機(jī)之間的進(jìn)油管路和回油管路是否存在泄漏，同時(shí)也應(yīng)檢查進(jìn)氣流量計(jì)至發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器入口段是否存在泄漏;當(dāng)偏差Cb<-3%時(shí)，應(yīng)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器出口至進(jìn)氣歧管之間，包括增壓中冷器進(jìn)口和出口管段、中冷器本體以及發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣蓋板等是否存在氣體泄漏。

5 結(jié)束語

在分析碳平衡原理的基礎(chǔ)上，提出了柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)計(jì)算碳流量的數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)分析影響碳平衡的主要因素，并通過控制單一變量法探究不同參數(shù)對(duì)碳平衡偏差的影響，提出減小碳平衡偏差的有效方法，研究結(jié)論如下：

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試中，碳平衡偏差會(huì)由于設(shè)備原因或管路連接的原因?qū)е聰?shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度、進(jìn)空氣質(zhì)量流量、進(jìn)氣相對(duì)濕度、發(fā)動(dòng)機(jī)油耗以及氣體排氣成分濃度。

（2）進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗、排放氣體中CO2濃度值對(duì)碳平衡偏差的影響比較大，其中發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗qmf的變化與碳平衡偏差成正向影響關(guān)系，而進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量qmaw、排氣中CO2濃度值與碳平衡偏差成反向影響關(guān)系。

（3）通過碳平衡偏差值的變化率大小和正負(fù)，可指導(dǎo)檢查相應(yīng)的設(shè)備以減小碳平衡偏差，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

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