基于碳平衡法的甲醇汽車燃料消耗量計算模型

董超 張國振 張遠軍 韓偉

摘要：根據(jù)碳平衡法原理，建立甲醇燃料消耗量計算模型，文中給出兩種計算模型，（一）在無法確定甲醇汽車排氣氣態(tài)碳氫污染物碳當(dāng)量的情況下，給出推薦的碳當(dāng)量;（二）根據(jù)美國EPA排放標(biāo)準中甲醇汽車碳氫化合物的計算方法，推導(dǎo)出甲醇汽車燃料消耗量的計算模型。

關(guān)鍵詞：甲醇汽車;燃料消耗量;碳平衡法;計算模型

中圖分類號：U473 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0092-06

董超

畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，熱能與動力工程專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)任國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（寰陽）主管工程師，主要從事整車排放試驗研究及汽車產(chǎn)品審查工作。

引言

甲醇燃料作為車用替代燃料之一，有著生產(chǎn)成本低，辛烷值高，熱效率高等優(yōu)點，目前我國甲醇汽車的保有量也在不斷增加，也符合國家對車用燃料多元化和能源安全的戰(zhàn)略需求。2012年工信部發(fā)布42號文件《關(guān)于開展甲醇汽車試點工作的通知》，指導(dǎo)部分地區(qū)試點甲醇燃料汽車進入市場，并對甲醛排放進行限制，2019年工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部、公安部、生態(tài)環(huán)境部、交通運輸部、國家衛(wèi)生健康委員會、國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布61號文件《關(guān)于部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見》中也對甲醇汽車的市場化應(yīng)用給出了更多的指導(dǎo)意見，然目前我國執(zhí)行的關(guān)于燃料消耗量試驗方法標(biāo)準GB/T19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》中并未對甲醇燃料汽車的燃料消耗量的計算進行相關(guān)說明，美國國家環(huán)境保護局對于1977年以后生產(chǎn)的甲醇汽車的排放和油耗均有相關(guān)標(biāo)準要求。我國甲醇燃料充足，價格較為低廉，目前各汽車主機廠（如吉利、陜西通家、中國重汽等）也都在發(fā)展研發(fā)甲醇汽車，且部分企業(yè)的甲醇汽車技術(shù)也較為成熟，我國甲醇汽車發(fā)展正處于上升通道，隨著國家對于甲醇汽車政策支持的力度不斷加大，我國甲醇汽車產(chǎn)業(yè)也會贏來更大的發(fā)展機遇。

甲醇汽車燃料消耗量計算模型的研究有助于解決工況法油耗試驗中甲醇汽車燃料消耗量的計算問題，可用于甲醇汽車的應(yīng)用開發(fā)及研發(fā)試驗等相關(guān)工作及研究中，同時也有利于甲醇汽車行業(yè)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。

1設(shè)備與試驗方案

1.1儀器設(shè)備參數(shù)

試驗所使用的主要儀器設(shè)備有排放分析系統(tǒng)、氣體取樣系統(tǒng)、底盤測功機和油耗儀，所有儀器設(shè)備均為國際主流檢測設(shè)備，其測量精度均為國際汽車排放主流檢測設(shè)備中最高的，均經(jīng)過國家計量部門計量檢定過，且均在檢定有效期內(nèi)，具體參數(shù)見表1：

1.2試驗準備

甲醇汽車冷啟動不夠穩(wěn)定，目前主流甲醇汽車采用雙油軌噴射+雙油箱模式，即冷啟動使用汽油模式，當(dāng)溫度達到一定要求后使用甲醇燃料噴射模式，為使甲醇汽車采用純甲醇模式，本文采用在熱車模式下進行NEDC工況油耗及等速油耗的測試，試驗環(huán)境滿足GBl8352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》中規(guī)定的要求。為驗證計算模型的準確性，在試驗前將油耗儀串聯(lián)到汽車發(fā)動機油軌前，試驗開始時，同時使用容積法和碳平衡法進行燃料消耗量計算比對，具體實施如圖1所示：

目前對于汽車燃料消耗量的測試方法中，應(yīng)用較為廣泛的主要是碳平衡法和容積法兩種測量原理的測量設(shè)備，這兩種方法對于汽車燃料消耗量的測量有著測量精度高，應(yīng)用方便廣泛等優(yōu)點，本文主要針對這兩種行業(yè)內(nèi)較為認同的方法進行比較分析。試驗為驗證文中的甲醇燃料消耗量計算模型，試驗前對試驗中使用的THC分析儀、CO分析儀、CO2分析儀進行了標(biāo)定校準，保證試驗分析使用的標(biāo)準氣濃度為同一量程的的氣體。試驗前樣車采用80km/h的速度跑合20分鐘進行熱車，試驗開始時汽車的機油溫度和冷卻液溫度均在85℃至92℃之間，試驗間溫度均控制在25±2℃，為消除駕駛員的駕駛習(xí)慣對車輛燃料消耗量的影響，所有試驗均為同一駕駛員進行操作，車輛的輪胎壓力在試驗前均為230kpa。本文采用了三種模式下進行的燃料消耗量的比對，分別是90km/h的等速燃料消耗量、120km/h的等速燃料消耗量和NEDCI況燃料消耗量。

1.3試驗樣車參數(shù)

然該標(biāo)準中并未對甲醇燃料排氣污染物中的氣態(tài)碳氫化合物進行相關(guān)推薦，甲醇燃料汽車在尾氣排放中會產(chǎn)生氣態(tài)含氧碳氫化合物（主要為甲醛和未燃燒完畢的氣態(tài)甲醇），因此我們在計算燃料消耗量時需用甲醇汽車尾氣排放中氣態(tài)碳氫化合物的氫碳比和氧碳比來對燃料消耗量結(jié)果進行修正計算。

在無法獲得汽車排氣污染物中氣態(tài)總碳氫化合物的碳當(dāng)量的情況下，我們進行以下兩種方案對甲醇汽車的燃料消耗量進行相關(guān)計算。

方案一

由于汽車燃料消耗量中的最大貢獻者為二氧化碳，碳氫化合物在該樣車總的含碳氣態(tài)排放污染物所占的比重低于0.2%，兩種不同系數(shù)的計算結(jié)果差異也小于0.2%，由此在無法確認氣態(tài)碳氫污染物的分子比例的情況下，氣態(tài)碳氫化合物的碳當(dāng)量可以取兩者的平均值（即A=0.7741）進行計算燃料消耗量，故：

目前沒有標(biāo)準可以參考甲醇汽車排氣污染物中氣態(tài)碳氫化合物中的氫碳比和氧碳比，未來如果有研究能得出推薦的甲醇汽車排氣污染物中氣態(tài)碳氫化合物中的氫碳比和氧碳比，可采用公式

4來計算甲醇汽車的燃料消耗量較為嚴謹。

方案二

參考美國EPA汽車排放標(biāo)準中總碳氫化合物的計算方式可得，氣態(tài)總碳氫化合物主要包括FID分析儀測量出來的碳氫化合物、氣態(tài)甲醇化合物和甲醛，由此推導(dǎo)出甲醇燃料消耗量的計算模型如下：

甲醇汽車尾氣中的甲醛含量，F(xiàn)ID分析儀讀取的碳氫化合物濃度以及氣態(tài)甲醇均可通過儀器設(shè)備分析出來，這種方案可以較為精確的計算出甲醇燃料消耗量。方案二需要對甲醇汽車尾氣進行氣態(tài)甲醇和甲醛的收集采樣，并通過色譜儀進行甲醇和甲醛含量的定量分析，在甲醇汽車檢測設(shè)備齊全的情況下推薦使用公式6進行甲醇汽車燃料消耗量的計算。

3試驗分析

3.1計算結(jié)果比較

基于以上不同模式下，采用容積法和碳平衡法計算所得的試驗試驗數(shù)據(jù)如表4所示，其中各污染物氣體質(zhì)量均有分析儀分析后計算所得。本文僅對公式推導(dǎo)中方案一利用碳平衡法原理對甲醇汽車百公里燃料消耗量的計算進行了相關(guān)數(shù)據(jù)比較，具體試驗數(shù)據(jù)見表4。經(jīng)計算后，兩種不同測量方法的各工況燃料消耗量見圖2：

以容積法而得到油耗試驗結(jié)果為基準，由圖2中可以看出取氣態(tài)碳氫化合物的碳當(dāng)量A=0.7741時，用文中方案一甲醇汽車燃料消耗量計算模型計算所得的燃料消耗量在等速法中相對誤差均小于2%。工況法綜合燃料消耗量的結(jié)果顯示，兩種試驗結(jié)果基本沒有差別，因此本文中采用的甲醇燃料消耗量計算模型是可用的。

3.2誤差分析

在同一工況下，計算所得的甲醇汽車燃料消耗量不同的原因主要有以下幾點：

（1）不同測量設(shè)備之間存在測量誤差，即使是同一種測量方法，不同的測量設(shè)備之間也會出現(xiàn)相對差值，但是只要在允許的測量誤差范圍之內(nèi)，均符合標(biāo)準的要求，目前國內(nèi)測量設(shè)備之間的測量誤差不應(yīng)超過4%;

（2）碳平衡法在樣氣取樣時會有相對滯后誤差，因此碳平衡法的測量結(jié)果應(yīng)相對有微小的采樣誤差，即少許偏低;

（3）甲醇汽車甲醇燃料消耗量碳平衡法計算模型中氣態(tài)碳氫化合物的碳當(dāng)量的估算誤差以及排放的總碳氫密度的計算誤差。

4結(jié)論

（1）應(yīng)用碳平衡法原理對甲醇汽車的燃料消耗量進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，采用公式5的甲醇汽車燃料消耗量計算模型是可以應(yīng)用于甲醇汽車燃料消耗量的研發(fā)和推廣工作中的;

（2）在試驗條件和設(shè)備允許的情況下，對檢測樣車的尾氣進行甲醇和甲醛收集和分析，采用公式6可以較為精確的計算甲醇燃料消耗量，同時也有助于甲醇汽車燃料消耗量標(biāo)準的制定工作。