基于碳平衡法的汽车燃料消耗量检测试验研究

交通运输部公路科学研究院（100088） 杜林森，仝晓平，刘元鹏

基于碳平衡法的汽车燃料消耗量检测试验研究

交通运输部公路科学研究院（100088） 杜林森，仝晓平，刘元鹏

长期以来，汽车综合性能检验机构对道路运输车辆的经济性检测是将油耗测量设备直接串入汽车发动机的燃油供给系统，在底盘测功机加载，模拟车辆道路上等速行驶状况，测量得出车辆的等速百公里油耗，但在实际操作中存在以下问题：

（1）汽油的挥发性造成易燃和污染，检测过程存在安全隐患；

（2）油耗测量设备串入汽车油路中会影响发动机的燃油供给，接头处容易产生渗漏，影响了测试精度，同时给汽车燃油管路造成一定损伤；

（3）油耗测量设备安装连接不便，不同车型的油路油管的孔径和长度不同，需使用与之匹配的管接头，有回油管路的或管路不暴露在车辆外的更增加了安装的难度；

（4）燃油经济性采用线上流水检测方式，安装、连接油耗测量设备需要较长的时间，影响其他线上项目的正常检测和工艺节拍。

基于上述原因，汽车综合性能检验机构对于在用道路运输车辆燃油经济性的检测评价至今未能有效开展。因此，研究不解体检测汽车油耗量的方法成为推行燃油经济性检测的技术关键。

1 碳平衡法基本原理

碳平衡法汽车燃料消耗量检测是基于汽车运行过程中，燃料燃烧后，排气中碳质量与燃料在燃烧前的碳质量总和相等的质量守衡定律，实现对燃料消耗量的测量。汽油是以CH化合物为主要成分的混合物，燃烧生成CO、CO2、HC、H2O等物质，其燃烧产物中的碳元素均来自汽油，只要测出单位时间内汽车尾气中的CO、CO2、HC中的碳量，再与单位体积燃油中的碳量相比较，即可得到燃油消耗量。目前，世界各国在具体算法上虽然不尽相同，但都是基本算法的不同约定简化形式，是考虑了燃油组分变化等各种影响因素后的修正方法和修正系数的差异。

1.1 燃料消耗量数学模型（中国）

我国《轻型车辆燃料消耗量试验方法》（GB/T 19233-2008）给出的计算燃料消耗量的模型：

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

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

式中：

FC——燃料消耗量，单位为L/100 km；

HC——测得的碳氢排放量，单位为g/km；

CO——测得的一氧化碳排放量，单位为g/km；

CO2——测得的二氧化碳排放量，单位为g/km；

D —— 288 K（15 ℃）下燃料密度，单位为kg/L。

1.2 燃料消耗量数学模型（日本）

日本标准协会制订的计算燃料消耗量：

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

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

式中：FE —— 燃料消耗量，单位为km/L。

上述公式中，汽、柴油在15 ℃时的密度分别取0.749 kg/L、0.849 kg/L，燃油中的碳质量比和排气中的碳氢化合物的碳质量比CWFF和CWFHCex均为0.866。1997年，日本标准协会考虑到汽、柴油组分变化的实际情况，对上述模型进行了修正。

1.3 燃料消耗量数学模型（美国）

美国油耗法规规定的计算燃料消耗量模型：

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

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

式中：

MPG —— 燃料消耗量，单位为mile/gal；

SG —— 燃料的密度，单位为kg/ L；

NHV —— 燃料净热值，单位为Btu/lb，普通汽油典型值约为42.7 MJ/kg≈18 360 Btu/lb。

上述公式中，汽、柴油的密度分别取0.739 kg/L、0.848 kg/L，燃油中的碳质量比和排气中的碳氢化合物的碳质量比CWFF和CWFHCex均为0.866。1988年，美国油耗法规补充了甲醇汽车和天然气汽车油耗的计算模型。

1.4 燃料消耗量数学模型（欧盟）

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

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

由此不难看出，我国《轻型车辆燃料消耗量试验方法》（GB/T 19233—2008）给出的计算燃料消耗量模型与欧盟制定的计算模型一致。与美、日不同，我国和欧盟油耗法规计算的是百公里油耗。

碳平衡法燃料消耗量检测具有以下特点：

（1）不需拆解受检车辆的供油系统，可缩短检测时间，并减小对车辆的损伤，适应汽车不解体检测的发展方向；

（2）只需将取样探头插入排气管，操作简便、快捷，取样系统与机动车排气管间不需要密封联接；

（3）当排气与空气的稀释比例足够时（一般稀释排气中CO2浓度要低于3%），可确保稀释排气在测试管路和仪器中不出现水冷凝现象；

（4）排气脉动引起的稀释排气气压波动和排气成分浓度波动大大降低；

（5）稀释后的排气温度比较低，一般可保证在100 ℃以下，可实现稀释排气流量及其含碳成分浓度较为精确的测量；

（6）进入含碳气体浓度测量装置的稀释气样无须特殊处理（如直接采样须冷凝去水和过滤等）。

2 碳平衡油耗检测系统

汽车碳平衡油耗仪的基本功能是测取排气的体积和浓度，其核心构成是排气浓度测量系统和排气体积测量系统。需要测取的参数有CO、CO2、HC的体积含量、燃油密度、排气总量以及温度、压力，分别采用含碳气体浓度测量装置（汽车排气分析仪）、密度计、流量计和温度、压力传感器进行取样测量。实现燃料消耗量台架检测还需要底盘测功系统，通过滚筒对汽车驱动轮进行加载，以模拟实际运行工况的行驶阻力，这些阻力包括轮胎与地面的滚动阻力、空气阻力及车辆传动系阻力等。主控计算机控制恒定加载力，测定车速，对CO、CO2、HC的体积含量、人工测量的燃油密度、排气总量及温度、压力参数进行采集和处理，并计算燃油消耗量。碳平衡法燃料消耗量检测仪主要由含碳气体浓度测量装置、稀释排气流量测量装置、排气稀释收集装置和测控系统等构成（图1）。

2.1 含碳气体浓度测量装置

含碳气体浓度测量装置（以下简称浓度测量装置）采用非分光红外线吸收原理（NDIR）测量稀释排气的CO2、CO、HC浓度。CO2是燃料燃烧的主要生成物，提高浓度测量装置测量精度是保证碳平衡法燃料消耗量检测仪准确度的重要途径。

浓度测量装置的主要组成部件包括取样管、颗粒物过滤器、气体（CO2、CO、HC）浓度传感器、吹扫装置、校准端口等。

2.2 稀释排气流量测量装置

稀释排气流量测量装置（以下简称流量测量装置）的主要组成部件包括流量传感器、稀释排气压力传感器、稀释排气温度传感器等。

2.3 排气稀释收集装置

排气稀释收集装置主要组成部件包括集气锥管、排气稀释管、风机和稀释排气流量控制器。

2.4 测控系统

测控系统可实时记录、存储、处理同步测得的每秒稀释排气中CO2、CO、HC气体浓度、稀释排气流量数据和每秒的燃料消耗量，并可进行燃料密度和氢碳比值的设定，显示、输出受检汽车燃料消耗量（单位为m L），测控系统还可实时显示碳平衡检测仪的检测时间（单位为s）、浓度测量装置预热、调零、抽空气、抽样气等工作状态、系统中各接口的通讯是否正常以及碳平衡检测仪的工作状态。

3 碳平衡油耗检测试验分析

为验证碳平衡法油耗检测的准确性，我们采用FCM-V型油耗仪（柴油）和FCM-VG油耗仪（汽油）与某型号的碳平衡油耗仪进行试验比对，每车试验3次。

试验用车基本信息见表1，具体比对试验结果见表2～表4。

综合多次比对试验结果，可得出以下结论：

（1）比对结果的平均示值误差小于±2%，重复性误差小于4%；

（2）测量准确度主要取决于排气分析系统浓度测量装置的精度；

表1 试验用车基本信息

表2 1号车测试数据及结果

（3）排气中碳氢化合物的氢碳比对最终结果几乎没有影响，汽油中氢碳比在典型值10%内变化时，对计算结果的影响在试验误差范围内，可忽略不计。

4 碳平衡燃料消耗量检测关键技术

4.1 碳平衡法数学模型的修正

采用碳平衡法检测计算燃料消耗量时，基于如下假设：

（1）废气中的碳仅包含在CO、CO2和HC中；

（2）废气中的CO、CO2和HC仅来自燃料中；

（3）废气中的碳量等于试验时所消耗汽油中的碳量；

（4）车辆技术状况良好，即曲轴箱窜气微量，排气系统无泄漏。

碳平衡法计算燃油消耗量基于上述假设，但实际燃油在燃烧中存在碳微粒，排气系统有可能存在泄漏和曲轴箱窜气现象，排气中也有原本存在于空气中CO2等，加上环境温度、湿度及大气压力变化等可能存在的影响因素，因而碳平衡法存在基本方法误差，同时考虑到测试仪器误差等，使得用碳平衡法模型计算得到的油耗与实测油耗存在一定偏差。要弥补这些偏差，必须对碳平衡法模型进行修正。为此，对试验车辆用油耗仪测量其实际油耗，同时用碳平衡法计算油耗，两者相比较后的数据表明，实际油耗与计算油耗呈明显的线性关系。故对其进行一元线性回归，即可建立碳平衡法的修正模型。

4.2 燃油体积含碳量的确定

由前述的碳平衡法数学模型可见，检测燃油体积含碳量是用碳平衡法测油耗的一个关键环节。通过对从大量加油站随机抽取的燃油样本的检验，确定了其体积含碳量与密度的关系，得到一元回归模型。如此，只要测得燃油密度，就可以计算出体积含碳量。

4.3 干燥尾气体积的计算

汽油燃烧产生HC、CO、CO2，同时也生成大量的水蒸气。因此，汽车排放是各种气体与水蒸气的混合气，而在碳平衡模型中需要标准状态下的干燥尾气体积。根据燃烧理论确定混合气中水蒸气的分压，再根据混合气分压定理和气体状态方程，转换为标准状态，即:

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

式中:

Q —— 尾气换算成标准状态下的干气体体积，单位为 L；

Qn —— 气体在温度T时的体积，单位为 L；

P —— 大气压强，单位为Pa；

P1—— 尾气在温度T时的水蒸气分压，单位为Pa；

T —— 尾气的温度，单位为K。

4.4 低量程含碳气体浓度测量装置

为防止汽车尾气在采样过程中出现冷凝，提高油耗检测系统对汽车尾气浓度的测量精度，在汽车尾气取样的同时需要吸入一定外来空气，对汽车排气进行稀释。但稀释空气太多会影响汽车尾气的测量精度，吸入太少又会产生冷凝，掌握适当的稀释比十分关键。相关研究推导出了稀释排气流量出现冷凝的条件，得出CO2浓度控制在3%以下稀释气体就不会产生冷凝的结论，这一结论在碳平衡法检测汽车油耗的实际运用中取得了较好的效果。

5 结论

（1）汽车油耗测量利用碳平衡法计算比较准确，经济可行。

（2）碳平衡法的原理就是利用汽油中碳的质量与汽车尾气中含碳组分的碳质量总和相等来计算出汽车油耗量。

（3）燃料消耗量检测在实际情况下需要对碳平衡法燃料消耗量数学模型进行修正。

（4）当排气与空气的稀释比例足够时（一般稀释排气中CO2浓度要低于3%），可确保稀释排气在测试管路和仪器中不出现水冷凝现象。

2016-06-05）