基于碳平衡原理测量气体方法研究

曹坤

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

基于碳平衡原理测量气体方法研究

曹坤

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

目前利用碳平衡原理从直接测得的汽车尾气浓度中计算燃料消耗量的方法相对成熟，计算结果比较可靠，因而得到广泛应用。基于此原理提出一种CO2气体分析仪的校对方法，并分析利用碳平衡原理计算CO2气体理论值与实测值的误差，误差基本在2%内，说明此方法有效可行。

碳平衡法 燃料消耗量 气体测量

1 前言

随着人们对环保意识的不断提高，国家对汽车排放尾气的限值也越来越严苛，中国第六阶段排放法规二次征求意见稿提出了对汽车尾气CO2的测量要求。试验台架测试气体CO2浓度一般采用NDIR（不分光）红外线吸收型分析仪。通过质量守恒定律，燃烧前燃料中碳质量总和与燃烧后排气组份中碳质量总和相等，间接计算出排气中CO2浓度值。本研究基于这原理，提出一种CO2气体分析仪的校对方法。

2 碳平衡法测量原理

利用碳平衡原理从直接测得的汽车尾气中计算燃料消耗量的方法相对成熟，计算结果具有较好的一致性、稳定性和准确性[1]。车用燃料主要以HC化合物的形式存在；经燃烧后排出的废气主要由CO2、CO、HC、H2O （气态）、H2O、NOx、PM 等组成，因此可以采用质量守恒定律。尾气中CO、CO2、HC中的C元素的总量，与消耗的燃料中的C质量相等[2]。用碳平衡法计算C原子气体浓度，需基于如下假设：废气中的碳质量仅在CO2、CO和HC之中；废气中的CO2、CO、HC仅来自于燃料中；废气中碳质量等于试验时所消耗的燃料中碳质量；试验过程发动机状态良好，即曲轴箱窜气量较少，可忽略不计，排气系统无泄漏，发动机排气烟度较低；试验过程中测量设备状态良好，计算公式中涉及的输入变量测量准确；记录工况状态数据时，发动机运行稳定，且排放测试延时时间合理。

3 尾气测量原理简述

汽车发动机尾气中，与C原子相关的排放成分有CO2、CO、HC等。本研究中气体测量设备采用HoribaMEXA-7000DEGR分析仪。

CO2/CO气体的测量采用目前公认的不分光红外吸收型分析仪，如图1所示。

不分光红外吸收型分析仪包括光源、红外吸收池、斩波器和主检测器。红外吸收池分为样气池和参考池，右侧为对比气体池，左侧为样气池。将2个吸收池的光源调整到完全一致，通过旋转的转轮来切换通过吸收池的光源，吸收池内被吸收的光强差异导致主检测器内气体膨胀程度发生变化。利用可动膜电容产生信号变化量，可以求出当前气体的浓度。测量CO2与CO的差异：CO对波长为4.5～5.0μm范围的红外线具有吸收能力，吸收峰为4.6μm；而CO2吸收波长为4.0～4.5μm范围内的红外线，吸收峰为4.26μm。HC的测量采用氢火焰离子分析仪FID，见图2。氢火焰离子分析仪对有机化合物具有很高的灵敏性，但对CO2、H2O等含氢量少或不含氢的无机化合物灵敏度较低，甚至不响应。所以测量HC时，尾气气体中的其它成分如CO2，H2O，NOx对其准确性干扰较低。

图1 不分光红外吸收型分析仪示意图

图2 氢火焰离子分析仪FID

将样气和碳氢燃料混合注入加热炉喷口，在约2 000℃的高温下，样气中的HC会被离子化，产生的离子被电极采集经放大器生成电离电流。电离电流的强弱和碳原子个数成正比。

*表示离子化的状态。

4 碳平衡的计算公式

根据碳平衡原理，燃料中的C质量流量与燃烧后转化为气态的C质量流量是相等的。燃料C质量流量计算公式如下：

式中：

GC——C的质量流量，g/h

GFUEL——燃料质量流量，kg/h

K——C原子质量占比

MC——C原子摩尔质量，g/mol

气态C质量流量计算公式如下[2]：

式中：

GCO2——CO2质量流量，g/h

KCO2——CO2气体质量因数

GCO——CO质量流量，g/h

KCO——CO气体质量因数

GHC——HC质量流量，g/h

CCO2W——湿基CO2气体浓度,%

CCO——CO气体浓度×10-6

CHC——HC气体浓度×10-6

GEXHW——发动机排气总量，kg/h

GAIRW——发动机进气质量流量，kg/h

5 气体干湿基的转换

在实际测量气体CO2中，为提高分析仪的测量精度，减少水份对其干扰，按照国家法规，采用物理的方法对气体进行干燥处理。测量值是干基，故测得的浓度应按下列公式换算成湿基[3]：

式中：

基于梯形机构自身结构特点存在的不足，需从本质上消除转向时车轮侧滑现象的产生，才可提高架车的可操作性。故针对设备自身结构特点，对转向机构进行改进，其结构示意如图6所示。图中的回转支承用来替换原梯形机构以实现整车转向，与原机构相比其本质区别在于两前轮并非与架体固连，在架车转向过程中，前后车轮的轴线均交于一点即转向中心处，满足无侧滑理论转向条件。

conc(湿)——干基测量值

conc(干)——湿基测量值

Kw——干湿基转化系数

6 计算碳平衡示例

以1台2.8升4缸国Ⅴ增压中冷柴油机为例，进行碳平衡计算。发动机技术参数见表1。同时在台架上对此发动机进行ESC循环13点工况试验，测量发动机排放。试验设备、试验条件、试验用燃油分别见表2、表3和表4。

根据碳平衡计算公式，计算CO2浓度值。表5是碳平衡计算公式参数，计算CO2浓度值时代入这些参数。由公式（1）和公式（2）计算得到的CO2气体值、由实测发动机排放而得到CO2气体值（干基）、通过公式（6）干湿基转化得到CO2气体值（湿基）。CO2气体实测值（干基）、CO2气体实测值（湿基）、CO2气体计算值、以及实测值与计算值偏差见表6。

表1 发动机技术参数

表2 现试验设备型号

7 试验数据分析

在选取的ESC循环13点工况中，除怠速工况点外，其余各工况点的理论计算值与实际值基本接近，基本上在2%范围，偏差在可接受的范围区间，说明基于碳平衡的计算方法检查CO2气体分析仪的办法是可行有效的。

表3 试验条件

表4 柴油成分

发动机在怠速工况点理论值与实测值碳平衡偏差大的原因分析如下：在怠速工况下，测试的燃油消耗量小，为0.564 kg/h，基数较小，代入公式计算时，误差会放大。同时测量燃油消耗的仪器，在小量程时测量精度偏低，以及油耗仪计量器至发动机这一段燃油管路布置方式都会影响发动机怠速工况下的碳平衡偏差。

表5 碳平衡计算公式参数

表6 CO2气体实测值（干基和湿基）、CO2气体计算值及两者偏差

根据模型计算得出的数据，按CO2值从小到大绘制曲线对比见图3。

图3 CO2浓度计算值与实测值对比

8 碳平衡法计算中的关键因素

影响碳平衡法计算结果的正确性的关键因素如下：

（1）燃油品质因炼制工艺不同而会产生差异，计算时要考虑公式中燃料各项成分指标与实际试验时采用的燃油之间的差异性，必要时对试验燃油品质进行测试。

（2）保证发动机排气系统密封性良好无泄漏或尽可能减小漏气，如曲轴箱窜气、排气管漏气等。

（3）燃料中的C原子并非全部以气体的形式排出发动机外，在燃烧恶化时会转化为本研究中未考虑在内的固态颗粒物，试验时应确保发动机燃烧正常。

（4）测量设备如燃油消耗测量仪、空气流量计、气体分析仪、温湿度传感器、大气压力计等的准确性均可能影响计算的结果。

[1]方茂东，郑贺悦.基于碳平衡法的汽车油耗测量方法[J].汽车工程，2003（3）：295-297.

[2]龚家伟，孙晋文.碳平衡法测量汽油车燃料消耗量的研究[J].农业机械学报，2000,31(1)：10-11.

[3]中国环境科学研究院环境标准研究所、济南汽车检测中心.GB 17691-2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法[S].北京：中国环境科学出版社，2005.

Method forMeasuringGas Based on Carbon Balance Principle

Cao Kun
（ShanghaiDiesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China)

The currentmethod ofusing carbon balance principle for the calculation of fuelconsumption from direct-measured concentration ofexhaustofa vehicle is relativelymature,and the resultsare reliable.Themethod sees wide application.This paper presents a method calibrating CO2gas analyzer with the carbon balance principle,the deviation between calculated CO2gas and itsmeasured value being analyzed.The deviation ofalmostwithin 2%indicates that thiscalibratingmethod iseffective.

carbon balancemethod,fuelconsumption,gasmeasurement

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.009

来稿日期：2017-08-14

曹坤（1989-），男，大学本科，主要研究方向为柴油机排放污染物。