车用发动机碳平衡影响因素的分析与研究

叶平雄 胡克容 杨聪 王凤滨

摘 要：基于发动机碳平衡测量方法，提出了柴油发动机在燃烧做功之前与做功后排气的碳质量流量的数学模型;分析了影响碳平衡偏差的主要因素;在发动机台架上进行某柴油机的排放试验，得到不同工况下的碳流量偏差值;通过改变单一参数，分析数学模型中碳流量偏差随不同影响参数的变化情况。研究结果表明，进气空气质量流量、发动机燃油消耗以及排气中CO2浓度值对碳平衡偏差的影响比较大，并可根据碳平衡偏差的不同测量结果值，采取相应的核查手段和有效措施以减小试验误差，有助于提高台架试验的精准度。

关键字：汽车发动机;碳流量;碳平衡;碳流量偏差;影响因素

Abstract： Based on the analysis of the measurement method of engine carbon balance， putting forward the mathematical model of carbon mass flow before and after combustion of diesel engine; Analyzing the main factors that affect the deviation of carbon balance; the emission test of a diesel engine is carried out on the engine bench， and the deviation value of carbon flow under different working conditions is obtained. By changing a single parameter， the variation of carbon flow deviation with different parameters in the mathematical model is analyzed. The results show that the mass flow of intake air， fuel consumption of engine and CO2 concentration in exhaust have great influence on carbon balance deviation， and correspon -ding verification means and effective measures can be taken to reduce the test error according to the measurement results of carbon balance deviation.

前言

為防治汽车发动机排气对大气的污染，加快全球生态文明建设，国家标准法规对发动机排放提出了更高的要求[1]。碳平衡作为发动机台架试验的一项重要指标，能够衡量发动机台架试验运行的状态以及试验结果的有效性。

碳平衡是指根据质量守恒原理，参与化学反应前反应物中的碳，与化学反应后生成物中的碳是不变的。对于柴油发动机来说，进入发动机的空气和燃油中所含的碳元素与发动机排放的尾气中所含的碳元素理论上应该是相等的[2-6]。但由于测量误差以及环境因素的影响，导致进出发动机的碳平衡计算不可避免的出现误差。在最新GB17691-2018国六标准中要求所有碳流量偏差检查都应该在±3%以内 [7]。通过测量计算进出发动机的碳平衡偏差可以用来检测整个排放测试系统的泄露和流量测量精度。

通过计算、分析进入发动机的碳流量与原始排气中碳流量的偏差，给出了排放测试中影响碳平衡的因素，并分析各项因素对碳平衡计算的影响趋势，总结出在排放测试中分析和改善碳平衡偏差的方法，能提高整个发动机台架试验的可靠性，对排放试验具有现实的指导意义和应用价值。

1 试验系统

试验所用测功机为为AVL ASM 3000电力测功机，最大功率为560kw，最大转速为4500rpm，最大扭矩为3000NM，配有全流稀释排放分析系统和FTIR非常规气体采样分析系统，整个台架系统的示意图如图1所示。

2 碳平衡测量方法的数学模型

2.1 碳平衡原理

碳平衡法是由燃油消耗量的计算值和测量值之间的偏差百分比来衡量发动机运行状态，实质上是质量守恒原理在碳原子上的利用，即在柴油发动机中，燃烧前空气和燃油含有的碳原子总质量等于燃烧后发动机排气中碳原子质量[8]。其数学表达如式1所示。

式中，Cb表示碳流量偏差，A表示进入发动机的碳质量流量，B表示发动机排出的碳质量流量。

发动机端中绝大部分的碳来自于燃油，因此排气中碳流量主要取决于燃油流量和空气流量。当发动机提供已知的碳流源，若从排气管检测该碳流源，则可以评估整个系统的泄露和流量测量精度，其优点在于各部件可以在发动机实际运行的温度和流量下进行检查。

2.2 发动机燃料和空气中碳流量数学模型

根据前文分析可知，进入发动机的碳质量流量A（g/h）等于进入发动机的燃油Afuel（g/h）和空气Aair（g/h）的碳物质的总和。本文使用AVL735S连续质量流量计、ABB热式质量流量计分别测量进入发动机的油耗qmf（kg/h）和空气质量流量qmaw（kg/h）。

这里采用碳氢氧摩尔比为CH1.86O0.006的燃料进行计算，进入发动机的燃油碳质量流量计算如下：根据发动机的进气温度T（℃），可通过查表插值法得到饱和蒸气压Pa（kpa）;根据进气相对湿度Ra（%）和试验环境压力Pb（kpa），可知进气绝对湿度Ha（g/kg）为：

则进气空气干湿基校准系数  ，取干空气的摩尔质量为28.965g/mol，取空气中CO2的含量为0.03%，设干空气质量流量为qmad（kg/h），则进入发动机的空气碳质量流量如下：

2.3 排气中碳流量数学模型

发动机排出的碳质量流量B（g/h）可通过气体分析仪测量原始排气中CO2、CO、HC的浓度CCO2（ppm）、CCO（ppm）、CHC（ppm）计算得出。取发动机排气中CO2、CO、HC的U值分别为0.001517，0.000966，0.000479;其中，CO2和CO的测量浓度为干基测量，需要将浓度修正为湿基测量下的浓度[9]，校正系数Kwa为：

3 发动机碳流量试验

试验发动机为国内某台增压中冷柴油机，排放设备均经过核查，状态正常。由1.2和1.3可知，发动机的进气温度T、进气相对湿度Ra、试验环境压力Pb、空气质量流量qmaw、发动机油耗qmf、原始排气中CCO2、CCO、CHC的测量浓度均是影响碳平衡偏差的因素。发动机在配置不变的情况下，按照GB 17691-2018的标准要求进行排放试验，试验结果见表1。

由上表可知，由于工况环境和测量误差的影响，在不同转速下，碳流量偏差均不同，其中在1000r/min工况下，Cb为1.76%，发动机碳流量偏差值最大，且小于GB 17691-2018标准中要求的限制3%，表明该发动机状态的良好，碳流量偏差满足国Ⅵ标准的要求。

4 碳平衡影响因素分析

在发动机排放测试中，影响碳平衡偏差的因素会由于设备原因或管路连接的原因导致数据测量不准，根据表1可知主要有5大因素，具体如表2所列。

现以表1中1000r/min的发动机数据为基础，利用碳平衡的数学模型，对影响碳平衡偏差Cb的具体因素进行分析，通过每次只改变其中一种变量的方法，可以得到每种变量的变化率与碳平衡偏差变化率的对应关系，将分析结果绘成关系图，分别如图2、3、4、5、6所示。

经分析、计算可知：

当进气温度T每增加（或减少）1℃，碳平衡偏差Cb就增加（或减少）约0.12%;

当进气湿度Ra每增加（或减少）1%，碳平衡偏差Cb就增加（或减少）约0.03%;

当进气空气质量流量qmaw每增加（或减少）1kg/h，碳平衡偏差Cb就减少（或增加）约0.23%;

当CCO2浓度值每增加（或减少）约1%，碳平衡偏差Cb就减少（或增加）约0.89%;

当发动机燃油消耗qmf每增加（或减少）约0.1kg/h，碳平衡偏差Cb就增加（或减少）约0.48%。

综上可以看出：进气空气质量流量qmaw、发动机燃油消耗qmf、排气中CCO2浓度值对碳平衡偏差Cb的影响比较大，其中发动机燃油消耗qmf的变化与碳平衡偏差成正向影响关系，而进气空气质量流量qmaw、排气中CCO2浓度值与碳平衡偏差成反向影响关系。

进一步分析碳平衡偏差与测量参数、管路泄露的关系，可指导实际试验的误差检查和修正：碳平衡偏差超出±3%限值时，应重点检查以上5个测量值是否准确，在确认测量设备无问题后，再检查管路连接处是否存在泄漏;当偏差Cb>3%时，应检查连接油耗仪至发动机之间的进油管路和回油管路是否存在泄漏，同时也应检查进气流量计至发动机增压器入口段是否存在泄漏;当偏差Cb<-3%时，应检查发动机增压器出口至进气歧管之间，包括增压中冷器进口和出口管段、中冷器本体以及发动机的进气盖板等是否存在气体泄漏。

5 结束语

在分析碳平衡原理的基础上，提出了柴油机台架试验计算碳流量的数学模型，通过实验室台架试验分析影响碳平衡的主要因素，并通过控制单一变量法探究不同参数对碳平衡偏差的影响，提出减小碳平衡偏差的有效方法，研究结论如下：

（1）在发动机排放测试中，碳平衡偏差会由于设备原因或管路连接的原因导致数据测量不准确，主要包括发动机的进气温度、进空气质量流量、进气相对湿度、发动机油耗以及气体排气成分浓度。

（2）进气空气质量流量、发动机燃油消耗、排放气体中CO2浓度值对碳平衡偏差的影响比较大，其中发动机燃油消耗qmf的变化与碳平衡偏差成正向影响关系，而进气空气质量流量qmaw、排气中CO2浓度值与碳平衡偏差成反向影响关系。

（3）通过碳平衡偏差值的变化率大小和正负，可指导检查相应的设备以减小碳平衡偏差，对发动机排放试验具有实际指导意义。

参考文献

[1] 喻赣湘.基于碳平衡法的排气直采式油耗测量系统研究[D].重庆交通大学，2013.

[2] 冀树德，贾桢，张伟，等.碳平衡法在柴油机排放测试中的应用[J].小型内燃机与車辆技术， 2011，40（3）：63-66.

[3] 李彦睿，彭育辉，黄育鹏.基于碳平衡法计算柴油机燃油消耗量的研究[J].车辆与动力技术， 2018，152（04）：8-12.

[4] 李春萍，闫文俊，张微，等.柴油发动机排放尾气及控制措施浅析[J].黑龙江科技信息，2016（13）：68-69.

[5] 刘振.柴油/天然气双燃料发动机的燃烧及排放特性研究[D].山东大学，2015.

[6] 孙丽玮，王生昌，王晓东，等.基于碳平衡法的柴油车燃油消耗计算模型[J].小型内燃机与车辆技术， 2010， 39（2）：67-69.

[7] 生态环保部.重型柴油车污染物排放限制及测量方法（中国第六阶段）：GB17691-2018[S].北京：中国环境出版社，2018.

[8] 耿磊，袁志玲，王军，等. SCR系统中尿素对碳平衡的影响研究[J].内燃机与动力装置，2017，34（6）：10-14.

[9] 邢居真.测试系统参数对车用发动机排放的影响研究[D].武汉理工大学，2009.