基于碳平衡法的汽車燃料消耗量檢測試驗研究

交通運輸部公路科學(xué)研究院（100088） 杜林森，仝曉平，劉元鵬

基于碳平衡法的汽車燃料消耗量檢測試驗研究

交通運輸部公路科學(xué)研究院（100088） 杜林森，仝曉平，劉元鵬

長期以來，汽車綜合性能檢驗機構(gòu)對道路運輸車輛的經(jīng)濟性檢測是將油耗測量設(shè)備直接串入汽車發(fā)動機的燃油供給系統(tǒng)，在底盤測功機加載，模擬車輛道路上等速行駛狀況，測量得出車輛的等速百公里油耗，但在實際操作中存在以下問題：

（1）汽油的揮發(fā)性造成易燃和污染，檢測過程存在安全隱患；

（2）油耗測量設(shè)備串入汽車油路中會影響發(fā)動機的燃油供給，接頭處容易產(chǎn)生滲漏，影響了測試精度，同時給汽車燃油管路造成一定損傷；

（3）油耗測量設(shè)備安裝連接不便，不同車型的油路油管的孔徑和長度不同，需使用與之匹配的管接頭，有回油管路的或管路不暴露在車輛外的更增加了安裝的難度；

（4）燃油經(jīng)濟性采用線上流水檢測方式，安裝、連接油耗測量設(shè)備需要較長的時間，影響其他線上項目的正常檢測和工藝節(jié)拍。

基于上述原因，汽車綜合性能檢驗機構(gòu)對于在用道路運輸車輛燃油經(jīng)濟性的檢測評價至今未能有效開展。因此，研究不解體檢測汽車油耗量的方法成為推行燃油經(jīng)濟性檢測的技術(shù)關(guān)鍵。

1 碳平衡法基本原理

碳平衡法汽車燃料消耗量檢測是基于汽車運行過程中，燃料燃燒后，排氣中碳質(zhì)量與燃料在燃燒前的碳質(zhì)量總和相等的質(zhì)量守衡定律，實現(xiàn)對燃料消耗量的測量。汽油是以CH化合物為主要成分的混合物，燃燒生成CO、CO2、HC、H2O等物質(zhì)，其燃燒產(chǎn)物中的碳元素均來自汽油，只要測出單位時間內(nèi)汽車尾氣中的CO、CO2、HC中的碳量，再與單位體積燃油中的碳量相比較，即可得到燃油消耗量。目前，世界各國在具體算法上雖然不盡相同，但都是基本算法的不同約定簡化形式，是考慮了燃油組分變化等各種影響因素后的修正方法和修正系數(shù)的差異。

1.1 燃料消耗量數(shù)學(xué)模型（中國）

我國《輕型車輛燃料消耗量試驗方法》（GB/T 19233-2008）給出的計算燃料消耗量的模型：

汽油車輛：FC=0.115 4÷D×（0.866×HC+0.429×CO+ 0.273×CO2）。

柴油車輛：FC=0.115 5÷D×（0.866×HC+0.429×CO+ 0.273×CO2）。

式中：

FC——燃料消耗量，單位為L/100 km；

HC——測得的碳?xì)渑欧帕?，單位為g/km；

CO——測得的一氧化碳排放量，單位為g/km；

CO2——測得的二氧化碳排放量，單位為g/km；

D —— 288 K（15 ℃）下燃料密度，單位為kg/L。

1.2 燃料消耗量數(shù)學(xué)模型（日本）

日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會制訂的計算燃料消耗量：

汽油車輛：FE= 649÷（0.273×CO2+ 0.429×CO + 0.866×HC）。

柴油車輛: FE= 735÷（0.273×CO2+ 0.429×CO + 0.866×HC）。

式中：FE —— 燃料消耗量，單位為km/L。

上述公式中，汽、柴油在15 ℃時的密度分別取0.749 kg/L、0.849 kg/L，燃油中的碳質(zhì)量比和排氣中的碳?xì)浠衔锏奶假|(zhì)量比CWFF和CWFHCex均為0.866。1997年，日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會考慮到汽、柴油組分變化的實際情況，對上述模型進行了修正。

1.3 燃料消耗量數(shù)學(xué)模型（美國）

美國油耗法規(guī)規(guī)定的計算燃料消耗量模型：

汽油車輛：MPG =（5 174×104×CWFF×SG）÷[（0.273×CO2+ 0.429×CO+CWFHCex×HC）×（0.6×SG×NHV+5 471）] 。

柴油車輛：MPG = 2 778÷（0.273×CO2+ 0.429×CO + 0.866×HC）。

式中：

MPG —— 燃料消耗量，單位為mile/gal；

SG —— 燃料的密度，單位為kg/ L；

NHV —— 燃料凈熱值，單位為Btu/lb，普通汽油典型值約為42.7 MJ/kg≈18 360 Btu/lb。

上述公式中，汽、柴油的密度分別取0.739 kg/L、0.848 kg/L，燃油中的碳質(zhì)量比和排氣中的碳?xì)浠衔锏奶假|(zhì)量比CWFF和CWFHCex均為0.866。1988年，美國油耗法規(guī)補充了甲醇汽車和天然氣汽車油耗的計算模型。

1.4 燃料消耗量數(shù)學(xué)模型（歐盟）

汽油車輛：FC=0.115 4÷SG×（0.866×HC+0.429×CO+ 0.273×CO2）。

柴油車輛：FC=0.115 5÷SG×（0.866×HC+0.429×CO+ 0.273×CO2）。

由此不難看出，我國《輕型車輛燃料消耗量試驗方法》（GB/T 19233—2008）給出的計算燃料消耗量模型與歐盟制定的計算模型一致。與美、日不同，我國和歐盟油耗法規(guī)計算的是百公里油耗。

碳平衡法燃料消耗量檢測具有以下特點：

（1）不需拆解受檢車輛的供油系統(tǒng)，可縮短檢測時間，并減小對車輛的損傷，適應(yīng)汽車不解體檢測的發(fā)展方向；

（2）只需將取樣探頭插入排氣管，操作簡便、快捷，取樣系統(tǒng)與機動車排氣管間不需要密封聯(lián)接；

（3）當(dāng)排氣與空氣的稀釋比例足夠時（一般稀釋排氣中CO2濃度要低于3%），可確保稀釋排氣在測試管路和儀器中不出現(xiàn)水冷凝現(xiàn)象；

（4）排氣脈動引起的稀釋排氣氣壓波動和排氣成分濃度波動大大降低；

（5）稀釋后的排氣溫度比較低，一般可保證在100 ℃以下，可實現(xiàn)稀釋排氣流量及其含碳成分濃度較為精確的測量；

（6）進入含碳?xì)怏w濃度測量裝置的稀釋氣樣無須特殊處理（如直接采樣須冷凝去水和過濾等）。

2 碳平衡油耗檢測系統(tǒng)

汽車碳平衡油耗儀的基本功能是測取排氣的體積和濃度，其核心構(gòu)成是排氣濃度測量系統(tǒng)和排氣體積測量系統(tǒng)。需要測取的參數(shù)有CO、CO2、HC的體積含量、燃油密度、排氣總量以及溫度、壓力，分別采用含碳?xì)怏w濃度測量裝置（汽車排氣分析儀）、密度計、流量計和溫度、壓力傳感器進行取樣測量。實現(xiàn)燃料消耗量臺架檢測還需要底盤測功系統(tǒng)，通過滾筒對汽車驅(qū)動輪進行加載，以模擬實際運行工況的行駛阻力，這些阻力包括輪胎與地面的滾動阻力、空氣阻力及車輛傳動系阻力等。主控計算機控制恒定加載力，測定車速，對CO、CO2、HC的體積含量、人工測量的燃油密度、排氣總量及溫度、壓力參數(shù)進行采集和處理，并計算燃油消耗量。碳平衡法燃料消耗量檢測儀主要由含碳?xì)怏w濃度測量裝置、稀釋排氣流量測量裝置、排氣稀釋收集裝置和測控系統(tǒng)等構(gòu)成（圖1）。

2.1 含碳?xì)怏w濃度測量裝置

含碳?xì)怏w濃度測量裝置（以下簡稱濃度測量裝置）采用非分光紅外線吸收原理（NDIR）測量稀釋排氣的CO2、CO、HC濃度。CO2是燃料燃燒的主要生成物，提高濃度測量裝置測量精度是保證碳平衡法燃料消耗量檢測儀準(zhǔn)確度的重要途徑。

濃度測量裝置的主要組成部件包括取樣管、顆粒物過濾器、氣體（CO2、CO、HC）濃度傳感器、吹掃裝置、校準(zhǔn)端口等。

2.2 稀釋排氣流量測量裝置

稀釋排氣流量測量裝置（以下簡稱流量測量裝置）的主要組成部件包括流量傳感器、稀釋排氣壓力傳感器、稀釋排氣溫度傳感器等。

2.3 排氣稀釋收集裝置

排氣稀釋收集裝置主要組成部件包括集氣錐管、排氣稀釋管、風(fēng)機和稀釋排氣流量控制器。

2.4 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)可實時記錄、存儲、處理同步測得的每秒稀釋排氣中CO2、CO、HC氣體濃度、稀釋排氣流量數(shù)據(jù)和每秒的燃料消耗量，并可進行燃料密度和氫碳比值的設(shè)定，顯示、輸出受檢汽車燃料消耗量（單位為m L），測控系統(tǒng)還可實時顯示碳平衡檢測儀的檢測時間（單位為s）、濃度測量裝置預(yù)熱、調(diào)零、抽空氣、抽樣氣等工作狀態(tài)、系統(tǒng)中各接口的通訊是否正常以及碳平衡檢測儀的工作狀態(tài)。

3 碳平衡油耗檢測試驗分析

為驗證碳平衡法油耗檢測的準(zhǔn)確性，我們采用FCM-V型油耗儀（柴油）和FCM-VG油耗儀（汽油）與某型號的碳平衡油耗儀進行試驗比對，每車試驗3次。

試驗用車基本信息見表1，具體比對試驗結(jié)果見表2～表4。

綜合多次比對試驗結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）比對結(jié)果的平均示值誤差小于±2%，重復(fù)性誤差小于4%；

（2）測量準(zhǔn)確度主要取決于排氣分析系統(tǒng)濃度測量裝置的精度；

表1 試驗用車基本信息

表2 1號車測試數(shù)據(jù)及結(jié)果

（3）排氣中碳?xì)浠衔锏臍涮急葘ψ罱K結(jié)果幾乎沒有影響，汽油中氫碳比在典型值10%內(nèi)變化時，對計算結(jié)果的影響在試驗誤差范圍內(nèi)，可忽略不計。

4 碳平衡燃料消耗量檢測關(guān)鍵技術(shù)

4.1 碳平衡法數(shù)學(xué)模型的修正

采用碳平衡法檢測計算燃料消耗量時，基于如下假設(shè)：

（1）廢氣中的碳僅包含在CO、CO2和HC中；

（2）廢氣中的CO、CO2和HC僅來自燃料中；

（3）廢氣中的碳量等于試驗時所消耗汽油中的碳量；

（4）車輛技術(shù)狀況良好，即曲軸箱竄氣微量，排氣系統(tǒng)無泄漏。

碳平衡法計算燃油消耗量基于上述假設(shè)，但實際燃油在燃燒中存在碳微粒，排氣系統(tǒng)有可能存在泄漏和曲軸箱竄氣現(xiàn)象，排氣中也有原本存在于空氣中CO2等，加上環(huán)境溫度、濕度及大氣壓力變化等可能存在的影響因素，因而碳平衡法存在基本方法誤差，同時考慮到測試儀器誤差等，使得用碳平衡法模型計算得到的油耗與實測油耗存在一定偏差。要彌補這些偏差，必須對碳平衡法模型進行修正。為此，對試驗車輛用油耗儀測量其實際油耗，同時用碳平衡法計算油耗，兩者相比較后的數(shù)據(jù)表明，實際油耗與計算油耗呈明顯的線性關(guān)系。故對其進行一元線性回歸，即可建立碳平衡法的修正模型。

4.2 燃油體積含碳量的確定

由前述的碳平衡法數(shù)學(xué)模型可見，檢測燃油體積含碳量是用碳平衡法測油耗的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對從大量加油站隨機抽取的燃油樣本的檢驗，確定了其體積含碳量與密度的關(guān)系，得到一元回歸模型。如此，只要測得燃油密度，就可以計算出體積含碳量。

4.3 干燥尾氣體積的計算

汽油燃燒產(chǎn)生HC、CO、CO2，同時也生成大量的水蒸氣。因此，汽車排放是各種氣體與水蒸氣的混合氣，而在碳平衡模型中需要標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干燥尾氣體積。根據(jù)燃燒理論確定混合氣中水蒸氣的分壓，再根據(jù)混合氣分壓定理和氣體狀態(tài)方程，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即:

Q = Qn × 273.16 ×（P - P1）÷1.013 25 ×105 T 。

式中:

Q —— 尾氣換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干氣體體積，單位為 L；

Qn —— 氣體在溫度T時的體積，單位為 L；

P —— 大氣壓強，單位為Pa；

P1—— 尾氣在溫度T時的水蒸氣分壓，單位為Pa；

T —— 尾氣的溫度，單位為K。

4.4 低量程含碳?xì)怏w濃度測量裝置

為防止汽車尾氣在采樣過程中出現(xiàn)冷凝，提高油耗檢測系統(tǒng)對汽車尾氣濃度的測量精度，在汽車尾氣取樣的同時需要吸入一定外來空氣，對汽車排氣進行稀釋。但稀釋空氣太多會影響汽車尾氣的測量精度，吸入太少又會產(chǎn)生冷凝，掌握適當(dāng)?shù)南♂尡仁株P(guān)鍵。相關(guān)研究推導(dǎo)出了稀釋排氣流量出現(xiàn)冷凝的條件，得出CO2濃度控制在3%以下稀釋氣體就不會產(chǎn)生冷凝的結(jié)論，這一結(jié)論在碳平衡法檢測汽車油耗的實際運用中取得了較好的效果。

5 結(jié)論

（1）汽車油耗測量利用碳平衡法計算比較準(zhǔn)確，經(jīng)濟可行。

（2）碳平衡法的原理就是利用汽油中碳的質(zhì)量與汽車尾氣中含碳組分的碳質(zhì)量總和相等來計算出汽車油耗量。

（3）燃料消耗量檢測在實際情況下需要對碳平衡法燃料消耗量數(shù)學(xué)模型進行修正。

（4）當(dāng)排氣與空氣的稀釋比例足夠時（一般稀釋排氣中CO2濃度要低于3%），可確保稀釋排氣在測試管路和儀器中不出現(xiàn)水冷凝現(xiàn)象。

2016-06-05）