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摘要：大型船用柴油机试验台架上实现环境温湿度控制非常困难，在某大型船用柴油机排放试验过程中，发现进气相对湿度变化对排放参数NOX的比排放量影响非常大。为此选取四个不同湿度的排放试验循环结果做比较分析，表明NOX的湿度校正系数对结果进行了过度校正，导致校正后的NOX比排放量随进气相对湿度增大而增大。
Abstract： It is very difficult to control ambient temperature and humidity on the test bench of large marine diesel engine. During the emission test of a large marine diesel engine， it is found that the change of relative humidity of intake air has a great influence on the specific emission of the emission parameter NOX. The results of four different humidity emission test cycles were compared and analyzed and found that the humidity correction coefficient of NOX overcorrected the results， resulting in the modified NOX specific emission increased with the increase of the relative humidity of the intake air.
关键词：进气湿度;船用柴油机;NOX比排放量;NOX湿度校正系数
Key words： intake air humidity;marine diesel engine;NOX specific emission;humidity correction coefficientof NOX
中图分类号：U464.172 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0054-04
0 引言
随着环境问题的日益突出和排放法规的日益严格，排放指标在柴油机研发和升级过程中愈发重视。《GB 15097-2016 船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》的发布，标志着船用柴油机排放要求进入新的阶段。在对某大型船用柴油机进行排放升级试验过程中，发现在相近的环境温度和大气压力下，环境湿度不同，柴油机本身的性能参数影响不大，但最终的柴油机NOX比排放量却差异很大，极易对排放测试结果造成误判。
针对此问题，本文从NOX理论计算公式和柴油机实际排放试验数据入手，剖析造成此现象的原因，并提出合理的改进建议。
1 排放结果计算公式
根据国标的测量和计算方法，NOX的最终比排放量计算主要与环境因素（温度、湿度、大气压力）、湿基排气质量流量以及排放设备测量的NOX湿基浓度有关。
1.1 试验环境条件
进气的绝对温度Ta用K表示，干空气压PS用kPa表示，根据下列公式计算试验环境大气因子fa：
对于带或不带进气中冷的涡轮增压船机：
（1）
当大气因子满足0.93≤fa≤1.07时，认为试验是有效的。
由上公式可看出，大气因子仅与进气绝对温度和干空气压力有关。
1.2 NOX排放结果计算
1.2.1 比排放量
NOX气体最终的测量结果为比排放量，公式如下：
每个工况点的比排放量（g/kWh）=（2）
Gasmass其中为该工况点的质量流量，Pn为加权功率。
1.2.2 质量流量
单个工况点的质量流量公式如下：
（3）
对NOX来说，u为常数0.001587，conc為NOX校正浓度（设备表显浓度与湿度校正系数KH的乘积），GEXHW为湿基排气质量流量（湿基进气质量流量GAIRW和燃油消耗量GFUEL之和）。
1.2.3 NOX湿度校正
NOX排放与环境大气条件有关，NOX浓度应根据下式给出的系数KH进行环境温度和湿度校正，NOX湿度校正系数公式如下：
（4）
式中：
（5）
（6）
（7）
其中，GFUEL为燃油消耗量，GAIRD为干基进气质量流量，Ha为进气绝对湿度，Ra为进气相对湿度，pB为现场环境大气压力，pa为进气饱和蒸汽压，与进气绝对温度Ta有关，公式为：
（8）
1.2.4 干基进气质量流量
干基进气质量流量GAIRD与进气绝对湿度Ha有关，公式为：
（9）
其中湿基进气质量流量GAIRW可读取现场进气流量计或用碳平衡法计算。 2 排放试验
柴油机磨合调试完成后，按GB 15097-2016要求进行四次不同湿度环境的E3循环排放试验（四次循环试验代号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），环境温度在28-31℃间，计算时取平均值30℃（303K）;大气压力为100.1-100.4kPa，计算时取平均值100.3kPa;各循环中四个工况点的平均进气相对湿度分别为82.1%、59.7%、43.6%、34.3%，试验在某次大雨过后三天内完成，以确保柴油机和排放设备状态尽可能接近。
2.1 不同湿度下的NOX比排放量
不同湿度环境下测出的NOX比排放量见图1。
由图1可知，NOX的最终比排放量随着进气相对湿度下降而减小。
2.2 不同湿度下的柴油机参数
四个循环中不同工况点柴油机的爆压、排温和油耗率对比分别见图2、图3、图4。
由图2-图4可知，不同湿度下柴油机爆压差异在3bar以内，各缸平均排温在5℃以内，油耗率在3g/kWh以内，柴油机的各项参数基本相同。
2.3 NOX湿基浓度和湿基进气量
排放设备读取的NOX湿基浓度和湿基进气量对比分别见图5、图6。
由图5、图6可知，进气湿度大，空气中水分增加，气体密度小，因而进气量偏小，NOX浓度大。
3 排放试验结果分析
根据以上公式和排放试验结果，取加权因数较大的75%负荷工况进行单点分析。
进气的绝对温度Ta为303K，干空气压Ps为100.3kPa。
3.1 试验环境校核
按公式（1）计算大气因子=1.016，满足0.93-1.07范围，因此试验环境条件满足要求。
3.2 排放参数计算
根据公式（2）-公式（9），计算75%工况点各参数见表1。
由表1可知，进气湿度差异导致NOX湿度校正系数KH有较大差异，最高湿度Ⅰ循环比最低湿度Ⅳ循环大了31.7%，而根据图5，NOX表显浓度在最高湿度下仅比最低湿度低了4.5%，最终的NOX质量流量Gasmass计算后高了36.7%，导致最终的单工况点比排放量高了1.91g/kWh。
3.3 NOX湿度校正前后的影响
为验证NOX湿度校正系数KH在计算中的作用，取四个循环75%工况点的KH为1，即忽略进气湿度对结果的影响，NOX表显浓度和校正浓度相等，计算质量流量，得到的结果见表2。
由表2可知，当湿度参数不参与计算时，四个循环得到的单点比排放量几乎相等。湿度校正前后NOX的质量流量Gasmass的变化曲线见图7。
由于四个循环柴油机参数差异不大，排放结果理应变化不大，湿度高造成进气量减少，同时NOX表显浓度上升，两者的乘积变化如图7质量流量校正前曲线，变化很小。进行湿度校正后，质量流量结果有了很大差异，按公式（4），75%工况点下进气相对湿度Ra和NOX湿度校正系数KH关系见图8。
由图8可知，NOX湿度校正系数和进气相对湿度为正相关关系，这就导致图7中校正后的质量流量和进气相对湿度有了正相关的关系，湿度越大，湿度校正系数越大，导致最终的比排放量增大，湿度校正系数对最终的结果造成了过度校正。
3.4 后续试验的湿度校正
由3.1和3.2的试验结果分析，对该型号柴油机，进气相对湿度对燃烧的影响很小，因而在湿度校正前得出的比排放量几乎和湿度没有关系，因此，在后续的排放对比试验中，如环境温度和大气压差别不大的情况下，使用未校正的比排放量对比更具有意义。
在排放试验，尽可能在该地区平均相对湿度下进行，如无法避免在过湿或过干的天气进行排放试验时，对排放结果应进行计算处理，以免造成误判。
4 結论
按上述试验结果和分析，对该型号柴油机有如下结论：①进气湿度对柴油机性能影响不大，但对最终的NOX比排放量影响非常大;②进气湿度对NOX比排放量影响大的主要原因是，在计算过程中使用了一个和进气湿度正相关的湿度校正系数对最终比排放量结果进行了校正，而在湿度系数校正前，进气相对湿度大小对NOX比排放量几乎没有影响;③建议在日常柴油机排放摸底试验中暂不进行湿度校正或按日常平均湿度进行校正，排放认证试验时尽量避免在湿度过高的试验环境下进行。
参考文献：
[1]钱叶剑.气体燃料对内燃机燃烧过程及排放影响的机理研究[M].合肥：合肥工业大学，2009（4）.
[2]王铁，冯星，郭鹏，冯丹华，曹杰，王娜.甲醇和EGR降低柴油机NOX和碳烟排放的试验研究[C]. 中国内燃机学会，2011：252-261.
[3]倪培永，王忠，毛功平，魏胜利.湿度对柴油机NOX和碳烟排放的影响及机理分析[C]. 中国内燃机学会，2015：196-199.
[4]倪培永，王向丽.大气湿度对柴油机缸内工质热物性参数的影响[J]. 舰船科学技术，2015（12）.
[5]刘少华，申立中，毕玉华，雷基林.BED多组分燃料对高原地区柴油机PM和NOX排放的影响[C]. 中国内燃机学会，2014：527-532.
[6]祝能，陈悦，吕林.燃烧系统参数对柴油机碳烟排放性能的影响[C].中国内燃机学会， 中国汽车工程学会， 湖北省内燃机学会，2013：81-85.
[7]于刚，赵昌普，尚芳，白曼，杨俊伟.高进气压力耦合EGR对米勒循环柴油机燃烧和NOX排放的影响[C]. 中国内燃机学会燃烧节能净化分会，2014：860-868.
[8]裴毅强，苏万华，林铁坚.一种基于稀扩散燃烧概念的BUMP燃烧室及其对柴油机碳烟和NOX排放的实验研究[C].中国内燃机学会，2002：26-33.
Abstract： It is very difficult to control ambient temperature and humidity on the test bench of large marine diesel engine. During the emission test of a large marine diesel engine， it is found that the change of relative humidity of intake air has a great influence on the specific emission of the emission parameter NOX. The results of four different humidity emission test cycles were compared and analyzed and found that the humidity correction coefficient of NOX overcorrected the results， resulting in the modified NOX specific emission increased with the increase of the relative humidity of the intake air.
关键词：进气湿度;船用柴油机;NOX比排放量;NOX湿度校正系数
Key words： intake air humidity;marine diesel engine;NOX specific emission;humidity correction coefficientof NOX
中图分类号：U464.172 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0054-04
0 引言
随着环境问题的日益突出和排放法规的日益严格，排放指标在柴油机研发和升级过程中愈发重视。《GB 15097-2016 船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》的发布，标志着船用柴油机排放要求进入新的阶段。在对某大型船用柴油机进行排放升级试验过程中，发现在相近的环境温度和大气压力下，环境湿度不同，柴油机本身的性能参数影响不大，但最终的柴油机NOX比排放量却差异很大，极易对排放测试结果造成误判。
针对此问题，本文从NOX理论计算公式和柴油机实际排放试验数据入手，剖析造成此现象的原因，并提出合理的改进建议。
1 排放结果计算公式
根据国标的测量和计算方法，NOX的最终比排放量计算主要与环境因素（温度、湿度、大气压力）、湿基排气质量流量以及排放设备测量的NOX湿基浓度有关。
1.1 试验环境条件
进气的绝对温度Ta用K表示，干空气压PS用kPa表示，根据下列公式计算试验环境大气因子fa：
对于带或不带进气中冷的涡轮增压船机：
（1）
当大气因子满足0.93≤fa≤1.07时，认为试验是有效的。
由上公式可看出，大气因子仅与进气绝对温度和干空气压力有关。
1.2 NOX排放结果计算
1.2.1 比排放量
NOX气体最终的测量结果为比排放量，公式如下：
每个工况点的比排放量（g/kWh）=（2）
Gasmass其中为该工况点的质量流量，Pn为加权功率。
1.2.2 质量流量
单个工况点的质量流量公式如下：
（3）
对NOX来说，u为常数0.001587，conc為NOX校正浓度（设备表显浓度与湿度校正系数KH的乘积），GEXHW为湿基排气质量流量（湿基进气质量流量GAIRW和燃油消耗量GFUEL之和）。
1.2.3 NOX湿度校正
NOX排放与环境大气条件有关，NOX浓度应根据下式给出的系数KH进行环境温度和湿度校正，NOX湿度校正系数公式如下：
（4）
式中：
（5）
（6）
（7）
其中，GFUEL为燃油消耗量，GAIRD为干基进气质量流量，Ha为进气绝对湿度，Ra为进气相对湿度，pB为现场环境大气压力，pa为进气饱和蒸汽压，与进气绝对温度Ta有关，公式为：
（8）
1.2.4 干基进气质量流量
干基进气质量流量GAIRD与进气绝对湿度Ha有关，公式为：
（9）
其中湿基进气质量流量GAIRW可读取现场进气流量计或用碳平衡法计算。 2 排放试验
柴油机磨合调试完成后，按GB 15097-2016要求进行四次不同湿度环境的E3循环排放试验（四次循环试验代号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），环境温度在28-31℃间，计算时取平均值30℃（303K）;大气压力为100.1-100.4kPa，计算时取平均值100.3kPa;各循环中四个工况点的平均进气相对湿度分别为82.1%、59.7%、43.6%、34.3%，试验在某次大雨过后三天内完成，以确保柴油机和排放设备状态尽可能接近。
2.1 不同湿度下的NOX比排放量
不同湿度环境下测出的NOX比排放量见图1。
由图1可知，NOX的最终比排放量随着进气相对湿度下降而减小。
2.2 不同湿度下的柴油机参数
四个循环中不同工况点柴油机的爆压、排温和油耗率对比分别见图2、图3、图4。
由图2-图4可知，不同湿度下柴油机爆压差异在3bar以内，各缸平均排温在5℃以内，油耗率在3g/kWh以内，柴油机的各项参数基本相同。
2.3 NOX湿基浓度和湿基进气量
排放设备读取的NOX湿基浓度和湿基进气量对比分别见图5、图6。
由图5、图6可知，进气湿度大，空气中水分增加，气体密度小，因而进气量偏小，NOX浓度大。
3 排放试验结果分析
根据以上公式和排放试验结果，取加权因数较大的75%负荷工况进行单点分析。
进气的绝对温度Ta为303K，干空气压Ps为100.3kPa。
3.1 试验环境校核
按公式（1）计算大气因子=1.016，满足0.93-1.07范围，因此试验环境条件满足要求。
3.2 排放参数计算
根据公式（2）-公式（9），计算75%工况点各参数见表1。
由表1可知，进气湿度差异导致NOX湿度校正系数KH有较大差异，最高湿度Ⅰ循环比最低湿度Ⅳ循环大了31.7%，而根据图5，NOX表显浓度在最高湿度下仅比最低湿度低了4.5%，最终的NOX质量流量Gasmass计算后高了36.7%，导致最终的单工况点比排放量高了1.91g/kWh。
3.3 NOX湿度校正前后的影响
为验证NOX湿度校正系数KH在计算中的作用，取四个循环75%工况点的KH为1，即忽略进气湿度对结果的影响，NOX表显浓度和校正浓度相等，计算质量流量，得到的结果见表2。
由表2可知，当湿度参数不参与计算时，四个循环得到的单点比排放量几乎相等。湿度校正前后NOX的质量流量Gasmass的变化曲线见图7。
由于四个循环柴油机参数差异不大，排放结果理应变化不大，湿度高造成进气量减少，同时NOX表显浓度上升，两者的乘积变化如图7质量流量校正前曲线，变化很小。进行湿度校正后，质量流量结果有了很大差异，按公式（4），75%工况点下进气相对湿度Ra和NOX湿度校正系数KH关系见图8。
由图8可知，NOX湿度校正系数和进气相对湿度为正相关关系，这就导致图7中校正后的质量流量和进气相对湿度有了正相关的关系，湿度越大，湿度校正系数越大，导致最终的比排放量增大，湿度校正系数对最终的结果造成了过度校正。
3.4 后续试验的湿度校正
由3.1和3.2的试验结果分析，对该型号柴油机，进气相对湿度对燃烧的影响很小，因而在湿度校正前得出的比排放量几乎和湿度没有关系，因此，在后续的排放对比试验中，如环境温度和大气压差别不大的情况下，使用未校正的比排放量对比更具有意义。
在排放试验，尽可能在该地区平均相对湿度下进行，如无法避免在过湿或过干的天气进行排放试验时，对排放结果应进行计算处理，以免造成误判。
4 結论
按上述试验结果和分析，对该型号柴油机有如下结论：①进气湿度对柴油机性能影响不大，但对最终的NOX比排放量影响非常大;②进气湿度对NOX比排放量影响大的主要原因是，在计算过程中使用了一个和进气湿度正相关的湿度校正系数对最终比排放量结果进行了校正，而在湿度系数校正前，进气相对湿度大小对NOX比排放量几乎没有影响;③建议在日常柴油机排放摸底试验中暂不进行湿度校正或按日常平均湿度进行校正，排放认证试验时尽量避免在湿度过高的试验环境下进行。
参考文献：
[1]钱叶剑.气体燃料对内燃机燃烧过程及排放影响的机理研究[M].合肥：合肥工业大学，2009（4）.
[2]王铁，冯星，郭鹏，冯丹华，曹杰，王娜.甲醇和EGR降低柴油机NOX和碳烟排放的试验研究[C]. 中国内燃机学会，2011：252-261.
[3]倪培永，王忠，毛功平，魏胜利.湿度对柴油机NOX和碳烟排放的影响及机理分析[C]. 中国内燃机学会，2015：196-199.
[4]倪培永，王向丽.大气湿度对柴油机缸内工质热物性参数的影响[J]. 舰船科学技术，2015（12）.
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[6]祝能，陈悦，吕林.燃烧系统参数对柴油机碳烟排放性能的影响[C].中国内燃机学会， 中国汽车工程学会， 湖北省内燃机学会，2013：81-85.
[7]于刚，赵昌普，尚芳，白曼，杨俊伟.高进气压力耦合EGR对米勒循环柴油机燃烧和NOX排放的影响[C]. 中国内燃机学会燃烧节能净化分会，2014：860-868.
[8]裴毅强，苏万华，林铁坚.一种基于稀扩散燃烧概念的BUMP燃烧室及其对柴油机碳烟和NOX排放的实验研究[C].中国内燃机学会，2002：26-33.