CN105043780B - 一种多增压器柴油机的氮氧化物排放测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种多增压器柴油机的氮氧化物排放测量方法，包括连接于柴油机之后的数台废气涡轮增压器，每一台废气涡轮增压器之后连接一废气分支管，排放测量点布置在所述废气涡轮增压器之后的各废气分支管上，或者同时连接在部分废气分支管之后的废气汇流管上；柴油机排放的平均废气浓度由各废气分支管的氮氧化物浓度和废气质量流量求得，氮氧化物浓度由各排放测量点的测量结果得知，废气质量流量通过计算经过各废气涡轮增压器的废气质量流量得到。本发明缩短了排放测量点与废气汇流点的距离，避免了废气汇流管过长、直径过大导致的困难，达到了既充分利用现有废气管道，又满足MARPOL公约对柴油机氮氧化物排放测量的要求的目的，适用于大型柴油机，尤其是大缸径、多缸数、大功率柴油机。
Description
技术领域
本发明涉及大缸径、多缸数、大功率柴油机性能的测量方法，特别涉及一种多增压器柴油机的氮氧化物排放测量方法，属于柴油机技术领域。
背景技术
根据MARPOL公约附则VI规定，当车间台架试验测量柴油机氮氧化物排放值时，排放测量点处的废气成分必须能够代表整个柴油机的废气组成。对于大缸径、多缸数、大功率柴油机来说，为了提高柴油机的工作效率，每台柴油机均配备了数台废气涡轮增压器。目前对这类具有多台废气涡轮增压器的大型柴油机1废气测量的通用作法是，请参阅图1，将各台增压器2a、2b…之后的废气分支管3a、3b…汇合成一个废气汇流管5，柴油机的排放测量点6布置在废气汇流管5之后，增压器后的背压通过背压调节阀7进行调节。为了使废气能够得到充分混合以使测量数值能够更真实地反映柴油机的废气排放情况，MARPOL公约在2008年10月修订时，规定柴油机排放测量点6与废气汇流点的距离应大于排放测量点6处管径的10倍(注：最早要求为3倍管径，后来曾经改为5倍管径，2008年修订时要求为10倍管径)。
为了保证增压器的工作效率，确保柴油机具备有良好的性能状况，通常要求柴油机在S.MCR(持续运行最大功率)处增压器后背压控制在300mmH2O左右，最大不超过450mmH2O。换言之，随着柴油机功率的增加，柴油机单位时间排出的废气量将越来越多，为了保证柴油机增压器后的背压符合要求，则必须相应的增加柴油机废气汇流后的管道直径，这样排放测量点6处的管道直径也将随之变大，车间台架试验时所要求的废气汇流管5的长度也将进一步增长。
考虑到目前船舶大型化的趋势，船舶柴油机也朝着大缸径多缸数方面发展，如11S90ME-C9.2柴油机，按照上述MARPOL公约的要求计算，柴油机排放测量点6处的直径将超过3.5m，也就是说，各分支的废气汇流后到排放测量点6的距离将超过35m。像这样的大缸径、多缸数、大功率柴油机，如果按照目前的通用方法进行柴油机废气排放的测量，当前许多生产现场的排烟系统将不再满足MARPOL公约的要求，必须进行改造，然而35m以上的废气排烟管道系统将要横跨多个试车台位，因此涉及到的改造工作量巨大，同时还将影响生产的正常进行。此外，今后如需要生产更大缸径、更多缸数、更大功率柴油机，则还需要对排烟系统进行再次改造，才能适应新柴油机废气排放的测量。
总而言之，现有的柴油机废气排放测量方法已无法适应大型柴油机的发展，将给柴油机生产企业的日常生产和产品质量控制带来巨大的挑战。
当然，在对大缸径、多缸数、大功率柴油机进行氮氧化物排放测量时，除了上述的通用测量方法外，法规还允许其他一些备选方法：
1)如能够证明某一支管废气成分能够代表整个柴油机的废气组成，那么可以只在这个分支上进行排放测量即可。然而对于大缸径多缸柴油机来说，由于各缸发火角度等方面的差异，各缸的氮氧化物浓度差异相对比较大，因此在柴油机排气集管的有限容积里，废气根本不可能得到充分的混合，所以某单个废气分支管中的废气成分不可能代表整台柴油机的废气组成。因此对于大缸径、多缸数、大功率柴油机来说，该备选排放测量方法是根本行不通的。
2)在各个废气分支管上同时进行排放测量，再根据排放测量情况计算出整个柴油机的平均废气浓度。计算柴油机的平均废气浓度需要知道各分支的废气流量，但是对于大缸径、多缸数、大功率柴油机来说，柴油机本身体积大、废气流量大，再加上废气排烟管道的不规则性，很难通过仪器直接测量出柴油机各分支准确的废气质量，因此该方法也很难得以实施。
发明内容
本发明的目的在于解决具有多台废气涡轮增压器的大缸径、多缸数、大功率柴油机氮氧化物排放测量所面临的诸多困难与不便，提供一种多增压器柴油机的氮氧化物排放测量方法，能够完美地解决大缸径、多缸数、大功率柴油机在废气排放测量时，所面临的柴油机增压器后背压过高的问题，避免对试车排烟管道进行重大改造。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：
一种多增压器柴油机的氮氧化物排放测量方法，包括连接于所述柴油机之后的数台废气涡轮增压器，每一台废气涡轮增压器之后连接一废气分支管，其特征在于：排放测量点布置在所述废气涡轮增压器之后的各废气分支管上，或者同时连接在部分废气分支管之后的废气汇流管上。
进一步地，所述柴油机排放的平均废气浓度由所述各废气分支管的氮氧化物浓度和各废气分支管的废气质量流量求得，其中，各废气分支管的氮氧化物浓度由各所述排放测量点的测量结果得知；各废气分支管的废气质量流量通过计算经过各废气涡轮增压器的废气质量流量得到，该经过各废气涡轮增压器的废气质量流量的计算是指，将柴油机看作为一个喷嘴或者一个封闭管道，根据相关废气涡轮增压器的透平特性以及柴油机本身的性能数据进行计算。
进一步地，所述的经过废气涡轮增压器的废气质量流量为：
其中，
Gt为该废气涡轮增压器的废气质量流量，单位为kg/s，
Πt＝Pe1+Pa，其中，Πt为增压器透平废气压力比，Pe1为增压器透平进口压力，单位为kg/cm2，Pa为大气压力，单位为kg/cm2，
为增压器透平流量特性参数，
Te1为增压器透平进口温度，单位为℃。
或者，经过废气涡轮增压器的废气质量流量为：
其中，
Gt为该废气涡轮增压器的废气质量流量，单位为kg/s，
其中，Pe1+Pa＝Πt，Πt为增压器透平废气压力比，Pe1为增压器透平进口压力，单位为kg/cm2，Pa为大气压力，单位为kg/cm2，
为增压器透平流量特性参数，
Te1为增压器透平进口温度，单位为℃。
或者，所述的经过废气涡轮增压器的废气质量流量为：
其中，
Gt为该废气涡轮增压器的废气质量流量，单位为kg/s，
Pe1为增压器透平进口压力，单位为kg/cm2，
Ft为有效透平流通面积，Ft＝αt*Frest，其中，Frest为增压器透平当量面积，αt为流量系数，Frest与αt可以从增压器的透平特性曲线得到，
Te1为增压器透平进口温度，单位为℃，
Dt为增压器透平流量系数，
当Pe1+Pa≥1.8688时，Dt为常数0.4003882，
当Pe1+Pa＜1.8688时，
其中，Kt为气体绝热指数，Pa为大气压力，单位为kg/cm2。
本发明采用将排放测量点分散布置在各废气分支管上或者废气汇流管上的方式，同时解决了通过废气涡轮增压器的透平特性以及柴油机本身的性能数据计算经过各废气涡轮增压器的废气质量流量，进而由所述各废气分支管的氮氧化物浓度和各废气分支管的废气质量流量求得柴油机排放的平均废气浓度的方法，从而尽可能缩短排放测量点与废气汇流点的距离，避免了柴油机废气汇流管直径过大，废气汇流管道过长导致的布置废气排烟管道的困难，达到了既可以充分利用柴油机生产企业现有的废气排烟管道，又能满足MARPOL公约对柴油机氮氧化物排放测量的相关要求的目的。
附图说明
图1是传统的大缸径、多缸数、大功率柴油机氮氧化物排放的测量状态图。
图2是本发明实施例一的排放测量状态图。
图3是本发明实施例二的排放测量状态图。
图中，
1柴油机，2a第一废气涡轮增压器，2b第二废气涡轮增压器，2c第三废气涡轮增压器，3a第一废气分支管，3b第二废气分支管，3c第三废气分支管，5废气汇流管，5a第一废气汇流管，6排放测量点，6a第一排放测量点，6b第二排放测量点，7背压调节阀。
具体实施方式
本发明所述的多增压器柴油机的氮氧化物排放测量方法适用于大型柴油机，尤其适用于大缸径、多缸数、大功率的柴油机。所述测量方法包括连接于所述柴油机之后的数台废气涡轮增压器，每一台废气涡轮增压器之后连接一废气分支管，排放测量点布置在所述废气涡轮增压器之后的各废气分支管上，或者同时连接在部分废气分支管之后的废气汇流管上。
所述柴油机排放的平均废气浓度由所述各废气分支管的氮氧化物浓度和各废气分支管的废气质量流量求得，其中，各废气分支管的氮氧化物浓度由各所述排放测量点的测量结果得知；各废气分支管的废气质量流量通过计算经过各废气涡轮增压器的废气质量流量得到，该经过各废气涡轮增压器的废气质量流量的计算是指，将柴油机看作为一个喷嘴或者一个封闭管道，根据相关废气涡轮增压器的透平特性以及柴油机本身的性能数据进行计算。
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实例。凡依据本说明书的内容所做的等效变化及修改，都属于本发明专利申请的技术范围。
实施例一
如图2所示，柴油机1配备两台废气涡轮增压器，即第一废气涡轮增压器2a和第二废气涡轮增压器2b，两废气涡轮增压器之后分别连接第一废气分支管3a和第二废气分支管3b，第一排放测量点6a布置在第一废气分支管3a上，第二排放测量点6b布置在第二废气分支管3b上，以测量柴油机的氮氧化物排放。
实施例二
如图3所示，柴油机1配备三台废气涡轮增压器，即第一废气涡轮增压器2a、第二废气涡轮增压器2b和第三废气涡轮增压器2c；第一废气涡轮增压器2a之后连接第一废气分支管3a，第二废气涡轮增压器2b之后连接第二废气分支管3b，第三废气涡轮增压器2c之后连接第三废气分支管3c，部分废气分支管进行了汇合，其中，第一废气分支管3a与第二废气分支管3b汇合成第一废气汇流管5a；
第一排放测量点6a布置在第一废气汇流管5a上，第三废气分支管3c作为单独一路，第二排放测量点6b布置在第三废气分支管3c上，以测量柴油机的氮氧化物排放。
在第一排放测量点6a与第二排放测量点6b处进行柴油机废气排放的取样测量，根据测量结果可以知道第一废气汇流管5a以及第三废气分支管3c的氮氧化物排放浓度；这样，只要计算出第一废气汇流管5a的废气质量流量以及第三废气分支管3c的废气质量流量，就可以加权平均计算出柴油机排放的平均废气浓度。
第一废气汇流管5a的废气质量流量等于经过第一废气涡轮增压器2a与第二废气涡轮增压器2b的废气质量流量之和；第三废气分支管3c的废气质量流量等于经过第三废气涡轮增压器2c的废气质量流量。
在计算经过废气涡轮增压器的废气质量流量时，我们可以把废气涡轮增压器看作为一个喷嘴或者是一个封闭管道，这样我们可以根据相关的一些已知条件，如柴油机增压器透平特性以及柴油机本身的性能数据，计算出柴油机各废气分支管和废气汇流管的废气质量流量，这样就可以再加权平均计算出柴油机排放的平均废气浓度。
对于大缸径、多缸径、大功率柴油机来说，目前柴油机所配备的有3个厂家的废气涡轮增压器，即曼恩公司、ABB公司以及三菱公司。这些厂家会根据增压器台架试验情况提供相应的增压器透平曲线。
对于三菱公司的废气涡轮增压器来说，他们提供与Πt组成的增压器特性曲线，这样我们可以根据增压器透平特性以及此时柴油机的相关性能数据，计算出经过该增压器的废气质量流量。所述的经过废气涡轮增压器的废气质量流量为：
其中，
Gt为该废气涡轮增压器的废气质量流量，单位为kg/s，
Πt＝Pe1+Pa，其中，Πt为增压器透平废气压力比，Pe1为增压器透平进口压力，单位为kg/cm2，Pa为大气压力，单位为kg/cm2，
为增压器透平流量特性参数，
Te1为增压器透平进口温度，单位为℃。
对于曼恩公司的废气涡轮增压器来说，他们提供与Πt组成的增压器特性曲线，这样我们可以根据增压器透平特性以及此时柴油机的相关性能数据，计算出经过该增压器的废气质量流量，所述的经过废气涡轮增压器的废气质量流量为：
其中，
Gt为该废气涡轮增压器的废气质量流量，单位为kg/s，
Pe1+Pa＝Πt，其中，Πt为增压器透平废气压力比，Pe1为增压器透平进口压力，单位为kg/cm2，Pa为大气压力，单位为kg/cm2，
为增压器透平流量特性参数，
Te1为增压器透平进口温度，单位为℃。
对于ABB公司的废气涡轮增压器来说，他们将提供Ft与Πt组成的增压器特性曲线，这样我们可以根据增压器透平特性以及此时柴油机的相关性能数据，计算出经过该增压器的废气质量流量，所述的经过废气涡轮增压器的废气质量流量为：
其中，
Gt为该废气涡轮增压器的废气质量流量，单位为kg/s，
Pe1为增压器透平进口压力，单位为kg/cm2，
Ft为有效透平流通面积，Ft＝αt*Frest，其中，Frest为增压器透平当量面积，αt为流量系数，Frest与αt可以从增压器的透平特性曲线得到，
Te1为增压器透平进口温度，单位为℃，
Dt为增压器透平流量系数，
当Pe1+Pa≥1.8688时，Dt为常数0.4003882，
当Pe1+Pa＜1.8688时，
其中，Kt为气体绝热指数，Pa为大气压力，单位为kg/cm2。
根据上述公式，可以计算出分别经过第一废气涡轮增压器2a、第二废气涡轮增压器2b和第三废气涡轮增压器2c的废气质量流量Ga、Gb和Gc，而第一废气汇流管5a的废气质量流量为Ga+Gb，第三废气分支管3c的废气质量流量为Gc。
在柴油机氮氧化物排放测量时，将测量氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物以及氧气的浓度。以氮氧化物平均浓度计算为例，假设第一废气汇流管5a以及第三废气分支管3c的氮氧化物浓度分别为u5a与u3c，那么柴油机排放的平均氮氧化物浓度u为：
同样，根据类似的计算方法，可以计算出柴油机一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物以及氧气的平均浓度。
求得了柴油机各废气成分的平均浓度之后，可以像常规排放测量那样，计算出柴油机的氮氧化物废气浓度。
本发明要求的保护范围不仅限于上述实施例，也应包括其他不经过创造性劳动即能够获得的显而易见的等效变换和替代方案。
Claims (1)
1.一种多增压器柴油机的氮氧化物排放测量方法，包括连接于所述柴油机之后的数台废气涡轮增压器，每一台废气涡轮增压器之后连接一废气分支管，其特征在于：排放测量点布置在所述废气涡轮增压器之后的各废气分支管上，或者同时连接在部分废气分支管之后的废气汇流管上；
所述柴油机排放的平均废气浓度由所述各废气分支管的氮氧化物浓度和各废气分支管的废气质量流量求得，其中，各废气分支管的氮氧化物浓度由各所述排放测量点的测量结果得知；各废气分支管的废气质量流量通过计算经过各废气涡轮增压器的废气质量流量得到，该经过各废气涡轮增压器的废气质量流量的计算是指，将柴油机看作为一个喷嘴或者一个封闭管道，根据相关废气涡轮增压器的透平特性以及柴油机本身的性能数据进行计算；
当增压器的透平特性通过与Πt来进行表述时，所述的经过废气涡轮增压器的废气质量流量为：
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Πt＝Pe1+Pa，其中，Πt为增压器透平废气压力比，Pe1为增压器透平进口压力，单位为kg/cm2，Pa为大气压力，单位为kg/cm2，
为增压器透平流量特性参数，
Te1为增压器透平进口温度，单位为℃；
当增压器的透平特性通过与Πt来进行表述时，所述的经过废气涡轮增压器的废气质量流量为：
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Gt为该废气涡轮增压器的废气质量流量，单位为kg/s，
Pe1+Pa＝Πt，其中，Πt为增压器透平废气压力比，Pe1为增压器透平进口压力，单位为kg/cm2，Pa为大气压力，单位为kg/cm2，
为增压器透平流量特性参数，
Te1为增压器透平进口温度，单位为℃；
当增压器的透平特性通过Ft与Πt来进行表述时，所述的经过废气涡轮增压器的废气质量流量为：
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其中，
Gt为该废气涡轮增压器的废气质量流量，单位为kg/s，
Pe1为增压器透平进口压力，单位为kg/cm2，
Ft为有效透平流通面积，Ft＝αt*Frest，其中，Frest为增压器透平当量面积，αt为流量系数，Frest与αt可以从增压器的透平特性曲线得到，
Te1为增压器透平进口温度，单位为℃，
Dt为增压器透平流量系数，
当Pe1+Pa≥1.8688时，Dt为常数0.4003882，
当Pe1+Pa＜1.8688时，
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