CN103353321B - 一种利用碳平衡法测量油耗的方法 - Google Patents

一种利用碳平衡法测量油耗的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用碳平衡法测量油耗的方法，该方法的稀释系数计算包括以下步骤：首先建立燃料燃烧的模型，所述的模型考虑到空气中各气体组成，建立完整的燃烧数学模型，根据物质守恒定律，得出燃烧各生成物的浓度；其次考虑燃料中的C全部转化为CO2、燃料中的C全部转化为CO、燃料中的C全部未燃烧（HC）三种极端情况下化学计量系数的计算；最后当生成物除了CO2，还有不完全燃烧生成的CO、HC生成时，修正模型，并得出稀释系数的修正值。本方法更能消除稀释空气中污染物的影响，保证排放数据的真实性。

Description

一种利用碳平衡法测量油耗的方法
技术领域
本发明涉及机动车燃油经济性的检测，具体涉及一种利用碳平衡法测量油耗的方法。
背景技术、
20世纪70年代起，国外开始采用碳平衡法对轻型汽车的燃油经济性进行测量。碳平衡法能够实现不解体的燃油经济性（简称“油耗”）检测，且检测操作简便、快速，尤其在提倡节能、环保、低碳的今天，得到了大力的推广。
碳平衡法是根据碳质量守衡定律测算汽车油耗的方法，即燃油在发动机中燃烧后，排气中的碳质量总和等于燃油燃烧前的碳质量总和。燃油是以HC化合物为主要成分的混合物，其燃烧生成CO2、CO、HC等，只要测出单位时间内机动车尾气中的CO2、CO、HC中的碳质量，再与单位体积燃油中的碳质量相比较，即可得到燃油消耗量。
为了以去除稀释空气对稀释排气的干扰，需引入稀释系数对稀释排气中的CO2、CO、HC进行校正，GB/T18566-2011《道路运输车辆燃料消耗量检测评价方法》采用了以下方法计算稀释系数：
式中：
13.4——化学计量系数，GB/T18566-2011采用的是汽油（或柴油）完全燃烧时的CO2理论排气浓度；
——每秒稀释排气中CO2气体浓度，单位为体积分数（%）；
——每秒稀释排气中CO气体浓度，单位为体积分数（%）；
——每秒稀释排气中HC气体浓度，单位为体积分数（1×10-6）。
但是该方法忽略了稀释空气中污染物的影响，利用其计算稀释系数时，在发动机过量空气系数大于1的工况，过量的那部分空气在发动机的排气管中成为稀释空气对燃烧产物进行了稀释，从而造成其计算结果大于实际值。
稀释系数的正确与否，将直接影响油耗检测的精确度，因此需要对碳平衡稀释系数的计算方法进行修正。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种可有效保证测量的精度，去除稀释空气对测量结果影响的利用碳平衡法测量油耗的方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的利用碳平衡法测量油耗的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将碳平衡油耗仪采样管靠近并对准机动车排气管口，抽取机动车全部排气及参与稀释的空气；
（2）碳平衡油耗仪的气体浓度测量装置、温度测量装置、压力测量装置及流量测量装置分别测得经稀释后的机动车排气的浓度（CO2、CO、HC等）、温度、压力、流量；
（3）将碳平衡油耗仪测得的稀释排气的流量数据结合温度数据、压力数据，换算为标准状态下的稀释排气流量（Qn）；
（4）将碳平衡油耗仪测得的机动车稀释排气的浓度数据（CO2、CO、HC等）进行背景校正，得到以下校正公式：
式中：
——稀释排气中CO2校正浓度，%；
——稀释排气中CO2浓度，%；
——稀释空气中CO2浓度，%；
——稀释排气中CO校正浓度，10-6；
——稀释排气中CO浓度，10-6；
——稀释空气中CO浓度，10-6；
——稀释排气中HC校正浓度，10-6；
——稀释排气中HC浓度，10-6；
——稀释空气中HC浓度，10-6；
DF——稀释系数；
其中稀释系数的取得包括以下步骤和过程：
（4-1）建立燃料燃烧的模型，所述的模型考虑到空气中所含各气体的组成及含量，建立完整的燃烧数学模型，根据物质守恒定律，得出燃烧各生成物的浓度；
（4-2）计算燃料中的C全部转化为CO2、燃料中的C全部转化为CO、燃料中的C全部未燃烧（HC）三种极端情况下的化学计量系数；
（4-3）当生成物除了CO2，还有不完全燃烧生成的CO、HC生成时，修正模型，并通过以下公式计算得到稀释系数的修正值：
式中：
为燃料中的C全部转化为CO2时，汽车排气中CO2浓度，%；
为燃料中的C全部转化为CO时，汽车排气中CO浓度，10-6；
为燃料中的C全部未燃烧时，汽车排气中HC浓度，10-6。
（5）计算机动车每秒排放的CO2、CO、HC气体质量：
式中：
——分别为机动车每秒排放的CO2、CO、HC气体质量，g/s；
——分别为标准状态下CO2、CO、HC气体密度，g/L；
（6）计算机动车每秒的燃油消耗量：
柴油车：
汽油车：
（7）将机动车每秒的燃油消耗量（FCS）进行累加得到机动车在0～t时间内的燃油消耗量（∑FCS）。
本发明的优点是：通过对稀释空气进行净化处理，减低背景污染物的浓度影响，并采用合适的稀释系数计算方法以减小计算误差，从而达到减低稀释空气中污染物对排放结果影响，保证油耗检测的准确性。
本发明的另一优点是对被测车辆没有损害，且检测时间较短，便于应用在机动车综合检测线上。本发明除了可以检测机动车的油耗以外,还可以检测机动车在行驶中所排放尾气的成分和浓度,进而进一步检测汽车的性能,这是传统油耗检测装置所不具备的。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为碳平衡油耗仪示意图。
具体实施方式
本发明所述的利用碳平衡法测量油耗的方法，包括以下步骤：
（1）将碳平衡油耗仪采样管靠近并对准机动车排气管口，抽取机动车全部排气及参与稀释的空气；
（2）碳平衡油耗仪的气体浓度测量装置、温度测量装置、压力测量装置及流量测量装置分别测得经稀释后的机动车排气的浓度（CO2、CO、HC等）、温度、压力、流量；
（3）将碳平衡油耗仪测得的稀释排气的流量数据结合温度数据、压力数据，换算为标准状态下的稀释排气流量（Qn）；
（4）将碳平衡油耗仪测得的机动车稀释排气的浓度数据（CO2、CO、HC等）进行背景校正，得到以下校正公式：
式中：
——稀释排气中CO2校正浓度，%；
——稀释排气中CO2浓度，%；
——稀释空气中CO2浓度，%；
——稀释排气中CO校正浓度，10-6；
——稀释排气中CO浓度，10-6；
——稀释空气中CO浓度，10-6；
——稀释排气中HC校正浓度，10-6；
——稀释排气中HC浓度，10-6；
——稀释空气中HC浓度，10-6；
DF——稀释系数；
其中稀释系数的取得包括以下步骤和过程：
（4-1）建立燃料燃烧的模型，所述的模型考虑到空气中所含各气体的组成及含量，建立完整的燃烧数学模型，根据物质守恒定律，得出燃烧各生成物的浓度；
（4-2）计算燃料中的C全部转化为CO2、燃料中的C全部转化为CO、燃料中的C全部未燃烧（HC）三种极端情况下的化学计量系数；
（4-3）当生成物除了CO2，还有不完全燃烧生成的CO、HC生成时，修正模型，并通过以下公式计算得到稀释系数的修正值：
式中：
为燃料中的C全部转化为CO2时，汽车排气中CO2浓度，%；
为燃料中的C全部转化为CO时，汽车排气中CO浓度，10-6；
为燃料中的C全部未燃烧时，汽车排气中HC浓度，10-6。
（5）计算机动车每秒排放的CO2、CO、HC气体质量：
式中：
——分别为机动车每秒排放的CO2、CO、HC气体质量，g/s；
——分别为标准状态下CO2、CO、HC气体密度，g/L；
（6）计算机动车每秒的燃油消耗量：
柴油车：
汽油车：
（7）将机动车每秒的燃油消耗量（FCS）进行累加得到机动车在0～t时间内的燃油消耗量（∑FCS）。
为了更一步了解本发明的特征，以下对有关稀释系数的计算作详细说明。由于不同压力、温度下气体的浓度、流量有所不同，下面讨论内容均换算为标准状态下的浓度、体积。
如图1所示，机动车的全部排气与稀释空气混合成的稀释排气进入碳平衡油耗仪中，故有平衡式：
式中
=稀释空气流量，L/s；
=机动车排气流量，L/s；
=稀释排气流量，L/s；
假定各种气体污染物在油耗仪中不发生化学反应，根据质量守恒定律，应满足：
式中
=稀释空气中CO浓度，ppm；
=机动车排气中CO浓度，ppm；
=稀释排气中CO浓度，ppm；
=稀释空气中CO2浓度，%；
=机动车排气中CO2浓度，%；
=稀释排气中CO2浓度，%；
=稀释空气中HC浓度，ppm；
=机动车排气中HC浓度，ppm；
=稀释排气中HC浓度，ppm；
定义为稀释排气流量与机动车排气流量之比，则
同理有：
式中
=稀释排气中CO校正浓度，ppm；
=稀释排气中CO2校正浓度，%；
=稀释排气中HC校正浓度，ppm；
由于碳平衡油耗仪只测量稀释排气流量以及排气浓度，使得DR无法获得，为了得到排气浓度校正结果，从而进一步计算机动车油耗，故引入DF来近似代替DR。
首先建立燃料燃烧的模型，进行如下假设：
燃料的化学组成为：CHα；
1mol燃料CHα燃烧生成CO2的物质的量：xmol；
1mol燃料CHα燃烧生成CO的物质的量：ymol；
1mol燃料CHα燃烧残留的CHα的物质的量：（1–x-y）mol；
1mol燃料CHα燃烧生成NO的物质的量：zmol；
1mol燃料CHα燃烧生成NO2的物质的量：lmol；
1mol燃料CHα燃烧空气中未反应的O2的物质的量：kmol。
则燃烧方程式为：
令
则上式简化为：
考虑到空气中各气体组成：
即
则1mol燃料在空气中燃烧，反应生成物和未反应物总的物质的量为：
将U、V和W代入P得：
则空气中燃料CHα燃烧各生成物的浓度为：
（1）x=1、y=0、z=0、l=0、k=0（燃料中的C全部转化为CO2），则化学计量系数为：
（2）x=0、y=1、z=0、l=0、k=0（燃料中的C全部转化为CO），则化学计量系数为：
（3）x=0、y=0、z=0、l=0、k=0（燃料中的C全部未燃烧），则化学计量系数为：
GB/T18566-2011《道路运输车辆燃料消耗量检测评价方法》假设机动车在当量燃烧条件下计算得到稀释系数：
但是，式中分子以汽油（或柴油）完全燃烧时的CO2理论排气浓度计算，而分母中却以CO2、CO、HC三种气体计算，因此，需将CO和HC换算到生成CO2时的含量。
令
并修正为：
经修正的LMod与国标GB/T18566-2011稀释系数分子项（为燃料中的C全部转化为CO2时，汽车排气中CO2浓度，%）相对应，更能反映稀释系数变化。那么，稀释后当量燃烧浓度应为。
故修正后的稀释系数DF应为：
实例验证：
假设流量风机流量固定VF=100L/s，xmol燃料燃烧全部生成CO2（废气中CGCO2=13.4698%的稀释系数为DFs=6，此时废气流量为VGs=VF/DFs=16.67L/s。一台以汽油为燃料的机动车，某个时刻其排放的气体的浓度分别为：CGCO2=13.12%；CGHC=2762ppm；CGCO=4143ppm，那么此时真实的稀释系数值DFReal为6.15，原方法的稀释系数值DF为5.92，通过本修正方法的稀释系数值DFmod为6.08。可见本修正方法计算的稀释系数更接近于实际值，为下步油耗计算奠定基础。
因此，通过本计算方法消除稀释空气中污染物的影响，更能保证排放数据的真实性。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (1)

1.一种利用碳平衡法测量油耗的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将碳平衡油耗仪采样管靠近并对准机动车排气管口，抽取机动车全部排气及参与稀释的空气；
（2）碳平衡油耗仪的气体浓度测量装置、温度测量装置、压力测量装置及流量测量装置分别测得经稀释后的机动车排气的CO2、CO、HC浓度、温度、压力、流量；
（3）将碳平衡油耗仪测得的稀释排气的流量数据结合温度数据、压力数据，换算为标准状态下的稀释排气流量Qn；
（4）将碳平衡油耗仪测得的机动车稀释排气的CO2、CO、HC浓度数据进行背景校正，得到以下校正公式：
式中：
——稀释排气中CO2校正浓度，%；
——稀释排气中CO2浓度，%；
——稀释空气中CO2浓度，%；
——稀释排气中CO校正浓度，10-6；
——稀释排气中CO浓度，10-6；
——稀释空气中CO浓度，10-6；
——稀释排气中HC校正浓度，10-6；
——稀释排气中HC浓度，10-6；
——稀释空气中HC浓度，10-6；
DF——稀释系数；
其中稀释系数的取得包括以下步骤和过程：
（4-1）建立燃料燃烧的模型，所述的模型考虑到空气中所含各气体的组成及含量，建立完整的燃烧数学模型，根据物质守恒定律，得出燃烧各生成物的浓度；
（4-2）计算燃料中的C全部转化为CO2、燃料中的C全部转化为CO、燃料中的C全部未燃烧HC三种极端情况下的化学计量系数；
（4-3）当生成物除了CO2，还有不完全燃烧生成的CO、HC生成时，修正模型，并通过以下公式计算得到稀释系数的修正值：
式中：
为燃料中的C全部转化为CO2时，汽车排气中CO2浓度，%；
为燃料中的C全部转化为CO时，汽车排气中CO浓度，10-6；
为燃料中的C全部未燃烧时，汽车排气中HC浓度，10-6；
（5）计算机动车每秒排放的CO2、CO、HC气体质量：
式中：
——分别为机动车每秒排放的CO2、CO、HC气体质量，g/s；
——分别为标准状态下CO2、CO、HC气体密度，g/L；
（6）计算机动车每秒的燃油消耗量：
柴油车：
汽油车：
（7）将机动车每秒的燃油消耗量FCS进行累加得到机动车在0～t时间内的燃油消耗量∑FCS。
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