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——測得的碳氫排放量，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)學模型（日本）

日本標準協(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)量比和排氣中的碳氫化合物的碳質(zhì)量比CWFF和CWFHCex均為0.866。1997年，日本標準協(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)量比和排氣中的碳氫化合物的碳質(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）進入含碳氣體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，分別采用含碳氣體濃度測量裝置（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氣體濃度測量裝置、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 含碳氣體濃度測量裝置

含碳氣體濃度測量裝置（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）排氣中碳氫化合物的氫碳比對最終結(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準狀態(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)換為標準狀態(tài)，即:

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

式中:

Q —— 尾氣換算成標準狀態(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 低量程含碳氣體濃度測量裝置

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?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)學模型進行修正。

（4）當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）