GM(1,1)模型预测船舶柴油机NOx排放研究

一、引言

船用柴油机排气中的氮氧化物是指各种NOx的总称[1], 在柴油机中, 燃料和空气形成可燃混合气, 重油燃烧后从排气总管排出的有害气体有SOx、碳氢化合物、CO2、CO和NOx, 其中含氮的氧化物中约有90%是NO…[2], 研究柴油机氮氧化物排放主要针对是NO的排放量, 而对人类健康造成直接危害的成分是NO2。NO化学性质不活泼, 但是在空气中易被氧化成NO2。NO2毒性较强, 在20℃时为棕红色刺鼻气体, 会引起呼吸气管疾病和肺功能损伤。如咽部不适、咳嗽等, 时常出现胸闷、呼吸急促, 严重时经过几天潜伏期后出现肺部水肿而死亡[3]。

由于船用柴油机一般燃用性价比高的重油, 重油成份复杂, 其产生的有毒、有害排放物较多。因此, 为了限制船用柴油机有毒气体的排放, 国际海事组织制定了更加严格的国际防污染公约, 如何降低柴油机NOx的排放, 进气温度的高低与柴油机NOx的排放关系更是业界研究的热点[4,5], 实际进入柴油机的气体温度一方面由船舶机舱环境温度决定, 另一方面也取决于增压器和柴油机之间的空气中间冷却器的冷却能力[6,7]。

对于柴油机而言, NOx排放与环境温度具有高度的非线性特点, 目前没有明确的非线性模型可以遵循, 随着人工智能技术的不断进步, 使得研究内燃机排放的方法也不断更新, 如模糊数学方法、神经网络方法、灰色分析方法等等, 根据所测得的实验数据的特点, 本文研究环境温度与NO比排放的关系用的是灰色理论预测法。

二、实验简介

为了研究环境温度与NOx排放的关系, 本文以高速6缸、4冲程、直喷增压柴油机为例, 测试不同的进气温度条件下, 该柴油机的NOx比排放。

为了研究环境温度变化, 即柴油机的进气温度的变化对柴油机NOx排放的影响, 分别取柴油机工作在100%、75%、50%负荷下, 环境温度从0℃到35℃, 8个温度条件下测试了柴油机的NOx比排放。

三、灰色GM (1, 1) 预测模型

根据进气温度每隔5℃取样测NO比排放, 可尝试采用灰色GM (1, 1) 模型进行预测, 首先采用灰色理论中GM (1, 1) 模型预测计算75%负荷下的NO比排放[8][9][10]:

原始序列:

第1步…对X (0) 作1-AGO累加生成, 得

第2步…对X (1) 作相邻均值生成, 令

于是

第四步…还原求出x (0) 预测值

因此, …灰色GM (1, 1) 模型建立的75%负荷工况, 环境温度影响下的NO比排放预测模型的平均相对误差为

对建立的环境温度影响下的GM (1, 1) 预测NOx排放模型进行检验, 根据GM (1, 1) 预测模型计算求得环境温度影响下的100%负荷、75%负荷、50%负荷工况下的环境温度与NO比排放与实际测得的NO比排放, 绘图如图2所示。

四、结论

本文采用的GM (1, 1) 进行NO比排放预测, 具有数据量有限的情况下, 仍可对NO比排放具备有效预测的优点, 根据预测值分析了NO比排放与环境温度的关系, 为了降低NOx的生成率, 采取降低进气温度, 从而降低压缩终点时的温度, 也限制了燃烧温度的升高。因此采用热性能好的中间空气冷器, 可以增大冷却器的冷却能力, 实现减少NOx气体排放。经过分析, 在中、高负荷下, 柴油机NOx排放值随实际进入柴油机气体的温度的升高而增加, 因此为了降低柴油机NOx的排放, 可采取下列措施:

(1) 在保证船舶安全和柴油机经济性的前提下, 适当降低柴油机的功率, 功率降低将会使实际进入柴油机的空气量变小, 空气中间冷却器承担的热负荷会变小, 经过空气中间冷却器进入柴油机的空气温度在一个合适的范围内, 柴油机NOx排放值将减少。

(2) 高温淡水和低温淡水同时冷却空气冷却器。在压气机之后的气体温度一般在水的沸点以上, 该气体可首先经过高温淡水冷却, 再由低温淡水冷却, 因此增强了空气中间冷却器的冷却效果, 所以用高温淡水和低温淡水同时冷却空气冷却器是可以有效降低进机气体温度, 从而降低NOx的排放。

摘要：为了研究环境温度与船用柴油机NOx排放特性的关系, 本文通过均匀试验设计, 对少量具有代表性易于测试的工况进行NOx排放测试, 然后利用灰色GM (1, 1) 模型在数据量少的前提下仍然具有预测精度高的能力, 依据选取的工况样本数据建立基于灰色GM (1, 1) 的环境温度影响下的柴油机NOx排放预测模型, 最后根据本实验的NOx排放数据验证了建立的GM (1, 1) 模型能够对环境温度影响下柴油机NOx排放进行有效预测。

关键词：氮氧化物排放,GM (1, 1) 模型预测

参考文献

[1] Sharma T K, Rao G A P, Murthy KM, et al.Effective reduction of NOx emissions of a HCCI (Homogeneous charge compression ignition) engine by enhanced rate of heat transfer under varying conditions of operation[J].Energy, 2015, 93 (60) :2102-2115.

[2] HENRIKSSON, Torbjörn.MARINEVESSEL MACHINERY AND A METHODOF CONTROLLING EXHAUST GASEMISSIONS IN A MARINE VESSEL:WO, WO 2008065238 A1[P].2008.

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