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采用碳平衡法对汽车燃料消耗量进行分析

作者：张西文魏朗雷淼全

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摘要：提出了采用碳平衡法对在用汽车燃料经济性进行分析的科学方法，建立了汽车尾气的化学成分与汽车燃料消耗量之间的数学模型，为开发新型燃料经济性检测装备提供了理论依据。
关键词：碳平衡法油耗量汽车排放

1 基本概念与应用领域

所谓碳平衡法是指汽车在室内进行燃料经济性检测时，依据汽车燃料在燃烧前与燃烧后的碳元素的平衡原理，借用测量燃烧后气体的碳含量来获取燃烧前燃料质量的一种方法。该方法的测量装置称之为碳平衡法油耗计，是在底盘测功机上对汽车燃料经济性进行检测的一种不解体的测试装备，可通过对汽车尾气的测量以获取汽车燃料消耗量。该测试方法的研究打破了常规采用容积法、重量法测量的传统观念，避免了容积法、重量法在测试过程中需拆卸燃油管路而引起的安全隐患。碳平衡法油耗计以其方便、快捷、高效的特点将为我国汽车整车综合性能检测站在燃料经济性能检测方面提供了手段。

2 碳平衡法油耗计机体结构

2.1 恒温控制单元

恒温控制单元的主要功能是通过缓冲箱来消除汽车尾气的脉动现象，同时为数据采集与控制系统的二次仪表提供所需的信号源。

众所周知，在气体分析过程中一般采用范德瓦斯方程——状态方程，可是在实际气体测量中，由于汽车尾气中的HC 的状态随着温度的变化而变化（在95℃，HC 为汽液共存点），在常温下用状态方程无法准确测量出HC 的含量。为了满足状态方程中的使用条件，本文提出在113±8℃下测量汽油机HC 的较为适宜测量方法。

汽车在进行等速油耗测量过程中，其排气管出口的温度一般在300℃左右（该温度与负荷、环境温度等因素有关），欲想将其控制在113±8℃，需加装冷却装置，冷却的方式为自然冷却法，它是通过在恒温控制单元前方加一根长约4m 的金属软管以及恒温控制单元的金属外壳来实现（热传递换算略）。由于测量环境温度以及排量对排气温度的影响较大，在测量过程中，若流量传感器处的气体温度低于设定温度时，则需起动由PID 控制的自动加温装置。我们将这一套装置定义为恒温控制单元。在恒温控制单元中，除了冷却软管、箱体、加热板等装置外，还装备了温度、压力和流量传感器。碳平衡法油耗计结构示意图如图1 所示。

图1 “碳平衡法”油耗计结构示意图

2.2 数据采集与控制系统

数据采集系统是由软件和硬件两部分组成的。硬件包括计算机、控制柜机体、五气分析仪、PID 控制电路、高速采集卡及信号预处理系统；软件的作用是测量汽车尾气的质量流量。它是通过与五气分析仪进行数据交换以获得汽车尾气中HC、CO2、CO 的成分，并且对尾气的流量、温度、压力进行测量，从而获得汽车尾气中碳元素的质量，再通过数学模型计算得出单位时间内汽车的耗油量，碳平衡法油耗计信号采集与控制系统框图如图2 所示。

图2 碳平衡法油耗计信号采集与控制系统框图

当汽车尾气通过恒温控制单元时，温度、压力和流量信号通过信号预处理系统将温度和压力转换为模拟信号，将流量信号转换为数字信号供计算机进行实时采集，同时，若测量温度低于设定温度时，计算机向PID 控制发出指令，来改变给加热板提供电压的相位角度，以达到自动调节温度之目的。

3 数学模型的建立

3.1 基本假设

(1) 废气中的碳成分只包含在HC、CO 和CO2 中，因此可以忽略其它碳化物（如：含氧碳氢化合物、固体碳粒等）。
(2) 废气中的HC、CO、CO2 除来自燃料外，没有其它来源。
(3) 废气中的含碳量等于试验时所消耗燃料的全部含碳量，即蒸发损失以及在曲轴箱机油中没有燃料积累或碳氢化合物。

3.2 石油中的元素组成

石油中元素组成是指各种化学元素的百分含量。组成石油的主要化学元素是碳、氢、硫、氮、氧，见表1。

表 1 石油的主要化学元素

3.3 汽油中烃类成分

汽油中烃类的主要成分为：CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H12。
平均成分为：C8H17，其中芳香烃C6H6、C7H8 含量为10%～15%。

参考各国的汽油主要成分以及美国碳平衡法油耗计的数据，汽油中的碳氢比例为：H/C=0.154。

3.4 实际气体的主要参数确立

根据范德瓦斯状态方程，针对理想气体与实际气体的偏差，考虑到实际气体分子本身的体积和分子之间存在内聚力，从而引进两个修正参数 a、b，则实际气体的状态方程为：

(P+a/V²)(V-b)=RT

式中 a/V2 为考虑气体分子之间内聚力的修正项，b 为考虑分子本身体积的修正项。对于每一种气体，数值a 和 b 均为常数。

表2 实际气体修正参数

3.5 数学模型的建立

根据五气分析仪所测量的CO、CO2 和HC 的含量以及流量，建立燃料消耗量的数学模型如下：

式中 g ——燃料消耗量（g）；
V ——0℃，700mmHg 干燥废气的体积(L)；
H/C ——在燃料中氢与碳的重量比；
CO、2 CO ——为百分比含量(%)。
HC ——火焰离子所测量的碳氢化合物在废气中的浓度(ppm)。

其中：

式中 B ——压力（mmHg）；
w P ——水在t℃时的饱和蒸汽压（mmHg）
m V ——t℃时的气体体积（L）
t ——气体的温度（℃）。

4 结论

采用碳平衡法测量油耗时，比一般体积法或重量法较为复杂。但考虑到目前测量燃料经济性在底盘测功机上的试验，即碳平衡法的主要优点是不需改变化油器的供油管路，可以用于有回路的燃料供给装置，如汽油或柴油燃料喷射装置，所以碳平衡法就成为更加有吸引力的方法。

对确定燃料经济性的碳平衡法和一般重量法已作了比较。由表3 可见，碳平衡法的平均测量数据或标准偏差与体积或重量法比较，并没有很大的差别。

实验证明，在HC 的测量过程中，若没采用火焰离子法而是采用的红外测量法，其测量误差将增大约1%。

表3 碳平衡法与体积、重量油耗测量法的比较

可以得出结论，碳平衡法能够给出与一般燃料直接称重测量法或体积测量法相近似的准确度。但是，废气分析法测出的燃料消耗数值始终有偏低的趋向。

参考文献
1 俞佐平. 传热学. 北京：人民教育出版社，1980
2 华自强. 工程热力学. 北京：人民教育出版社，1979
3 王毓民. 汽车燃料与润滑油. 北京：人民交通出版社，1983(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/1/2005)


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