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
试验时应在参数之间进行。
(1）对于压燃式带进气中冷的涡轮增压式发动机,应按下式进行计算：

——发动机进气绝对温度，K；
——发动机进气干气压，kPa；

——发动机进气湿气压，kPa；
——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.

例，当测得进气湿压力,℃，相对湿度时，可计算数值得,

2. 湿基排气质量流量的确定：
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：

-—湿基排气质量流量，kg/h；
——湿基进气空气质量流量，kg/h；
-—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
干排气质量流量的计算需要有干排气密度和干湿基修正系数值，其本身与值有关，从而就与的计算结果有关。因此，在下述方法中将应用迭代(或多步）计算法.利用和的初始值(例如1。34kg/m3和1）计算值，由此计算值，再由这些值计算和值。根据这些几乎已经很精确的和值，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。
① 步骤一：利用和的初始值(例如1。34kg/m3和1）计算值
先根据碳平衡法用下列公式计算干排气质量流量:

——原排气中干CO2浓度，％; 测得
——环境中干CO2浓度，％； 已知，0。04％
——原排气中干CO浓度，％； 测得
——原排气中湿HC浓度,ppm； 测得
——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.
② 步骤二:利用步骤一得到的干排气质量流量计算干进气空气质量流量

③ 步骤三：利用步骤二得到的干进气空气质量流量和测得的燃料质量流量计算和

，

④ 步骤四:利用步骤三计算得到的和值再迭代入步骤一，步骤二进行计算得到，然后再利用迭代后计算得到的代入下式中进行湿基排气质量流量的计算

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和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,

（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，（冷却器温度为4℃)，或、和

——湿基排气质量流量，kg/h； 计算量
——燃料质量流量，kg/h； 测得
与燃料组分有关，已知量

-—燃料含C量，％质量；
——燃料含H量，%质量;
——干基排气流量计算用燃料特定系数；
——碳系数；
-—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)。
① 干基排气流量计算用燃料特定系数的计算：

—-燃料质量流量，kg/h；
——干排气体积流量，m3/h;
——干进气空气体积流量，m3/h；
——干基排气流量计算用燃料特定系数；
——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].
的计算应从燃烧（）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:

——燃料含H量，%质量；
——水摩尔体积，22。414 L/mol；
——氢原子的原子质量,g，。
则,

则，

又知,

代入上式得,

与燃料组分有关，已知量
——燃料含H量，％质量；
-—燃料含N量，％质量;
—-燃料含O量，％质量;
② 的计算:

-—原排气中干CO2浓度，％； 测得
—-环境中干CO2浓度,%； 已知,后面计算组分排放质量流量时需要
——原排气中干CO浓度,%； 测得
--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
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
21.0％ vol
③ 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(℃），压力（kPa），相对湿度（％），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）（kPa）
饱和蒸气压的计算有多种方法:
(Ⅰ）饱和蒸气压仅与温度t有关，

-—0℃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：
t＞－15℃
水面：a=17.269，b=35。86
-40℃＜t＜-15℃
冰水混合:
t＜－40℃
冰面：a=21.8746，b=7.66
（Ⅱ）根据GB/T 8190.1 A。15的简化公式：

(Ⅲ）采用Antoine公式（适用于0℃~150℃）

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（℃）
A
B
C
60－150
7。96681
1668.210
228。000
0-60
8.10765
1750.286
235。000
经整理可得，

B. 该温度下的蒸气压（又称水汽压）e（kPa）

注：如果相对湿度测量值为45％则，上式中的RH应为45，即
C. 该温度下的进气绝对湿度（g/kg）

注：一般情况下，由于柴油机进气口的温度（℃)，压力（kPa），相对湿度（％），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：

——湿基排气质量流量，kg/h；
-—湿基进气空气质量流量，kg/h；
① 理想空燃比的计算：

——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：燃料组分为时，。对于不含C的燃料（如：氢)，不能用上式计算。
② 过量空气系数的计算：

——过量空气系数； 测得
--干CO2浓度，％； 测得
——干CO浓度,ppm； 测得
——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:
读数的±3%
读数的±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
（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；

-—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
—-各组分的干基浓度; 测得
——干/湿基修正系数； 计算得
干/湿基修正系数的计算，有以下几种情况：
① 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，干进气空气的质量流量。

-—燃料质量流量，kg/h； 测得
——干进气空气质量流量，kg/h; 测得
-—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
——燃料含H量，%质量； 仅与燃料组分有关
——进气绝对湿度，g（水)/kg（空气）。 计算得
-—冷却槽后的水蒸气分压; 与分析仪的冷凝温度设置有关
—-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。
故，

b) 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）：

-—进气空气中水分,由GBT 8190。1 A。39 计算得到，

-—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：

——干CO2浓度，%； 测得
——干CO浓度,ppm； 测得
——干H2浓度,%； 计算得
—-冷却槽后的水蒸气分压； 与分析仪的冷凝温度设置有关
——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。
② 对于稀释空气

D-—稀释系数；
、——进气空气和稀释空气的绝对湿度，单位为克每千克(g/kg）。
③ 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）

其中,

-—进气绝对湿度，g（水）/kg（空气）。
注：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的详细计算过程。
④ 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：

——空气滤清器入口处的大气湿度，g水/kg干空气；
-—空气滤清器入口处的大气温度,K；
——中冷空气温度，K;
-—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.
① 基于表列值的计算方法
应采用以下公式：

——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；
——排气组分密度与排气密度之比;
——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；
-—排气质量流量，单位为千克每小时（kg/h）； 上面步骤中求得
② 当用碳平衡法时：

其中，

——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？？

——燃料质量流量,kg/h； 测得
——燃料摩尔质量，g/mol； 由燃料组分计算得
——排气中湿CO2浓度，％; 测得
—-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
——排气中湿CO浓度，ppm； 测得
——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：

式中：
——某一组分气体的排放质量流量.

：
——各工况下的实测功率;
——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；
——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。