CN109883495B - 一种基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法 - Google Patents

一种基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法 Download PDF

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CN109883495B CN201910099129.5A CN201910099129A CN109883495B CN 109883495 B CN109883495 B CN 109883495B CN 201910099129 A CN201910099129 A CN 201910099129A CN 109883495 B CN109883495 B CN 109883495B
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Abstract

一种基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法，属于发动机燃油消耗率检测技术领域。其特征在于：包括如下步骤：步骤1，得到新鲜进气或油气混合气的流量和排气中各含碳气体组分的体积分数；步骤2，得到单位时间发动机进气的总物质的量；步骤3，建立燃料的燃烧模型；步骤4，得到单位时间发动机排气的总物质的量；步骤5，得到排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率；步骤6，得到碳烟排放对应的燃油消耗率；步骤7，含碳气体组分与碳烟排放对应的燃油消耗率相加得到发动机燃油消耗率。本基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法，在计算时充分考虑燃料组分、废气成分和碳烟排放的影响，大大降低了计算过程中所出现的误差，保证了计算结果的准确性。

Description

一种基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法
技术领域
一种基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法，属于发动机燃油消耗率检测技术领域。
背景技术
经济性是评价发动机性能的主要指标之一，通常以燃油消耗率表示。保证发动机运行状态不变前提下，迅速、精确地获得发动机的燃油消耗率，对改进提升能量转化效率的技术措施、节约石油资源具有重要意义。然而，对于汽油等低馏程燃料，利用汽油机缸内直喷系统或柴油机高压共轨系统实现高压喷射时，由于温度升高，燃料易在管路中挥发、形成气泡，使常规的容积式、质量式和基于科里奥利原理的油耗仪在测量中产生较大的波动和误差。
近年来，以“预混合、低温燃烧”为基本特征的新型燃烧方式得到了蓬勃发展，成为内燃机满足未来排放法规和热效率目标的关键技术途径，而废气再循环(EGR)作为实现低温燃烧的必要技术手段，通过将上一循环的废气在此循环中重新吸入气缸以降低氮氧化物排放。由于废气中含有较多的二氧化碳、一氧化碳和未燃的碳氢化合物，因此现有技术中的一些燃油消耗率的计算方法仍存在较大误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在计算时充分考虑燃料组分、废气成分和碳烟排放的影响，大大降低了计算过程中所出现的误差，保证了计算结果准确性的基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，得到新鲜进气或油气混合气的流量和排气中各含碳气体组分的体积分数；
步骤2，得到单位时间发动机进气的总物质的量；
步骤3，建立燃料的燃烧模型；
步骤4，得到单位时间发动机排气的总物质的量；
步骤5，得到排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率；
步骤6，得到碳烟排放对应的燃油消耗率；
步骤7，将步骤5中得到的排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率以及步骤6中得到的碳烟排放对应的燃油消耗率相加得到发动机燃油消耗率。
优选的，步骤3中所述的燃料的燃烧模型为：
aCmHnOk+bO2＝cCO+dCO2+eHC+fH2+gH2O
其中，CmHnOk表示燃料分子式，C、H、O分别表示碳元素、氢元素和氧元素，m表示燃料中碳元素的分子式系数；n表示燃料中氢元素的分子式系数；k表示燃料中氧元素的分子式系数；a、b、c、d、e、f、g表示反应方程式系数。
优选的，步骤2中所述的单位时间发动机进气的总物质的量
Figure GDA0002506877360000021
为：
Figure GDA0002506877360000022
式中，
Figure GDA0002506877360000023
表示发动机进气流量，单位为L/h；REGR(％)表示EGR率；
EGR率REGR表示为：
Figure GDA0002506877360000024
式中：
Figure GDA0002506877360000025
表示引入的废气流量，L/h；
Figure GDA0002506877360000026
表示发动机进气流量，L/h。
优选的，所述的进气包括吸入的新鲜空气或油气混合气以及上一循环的废气。
优选的，步骤4中所述的单位时间发动机排气的总物质的量
Figure GDA0002506877360000027
为：
Figure GDA0002506877360000028
式中，a、d表示燃烧模型的反应方程式系数，
Figure GDA0002506877360000029
表示单位时间发动机进气的总物质的量，REGR表示EGR率，
Figure GDA00025068773600000210
表示CO2湿基的体积分数，
Figure GDA00025068773600000211
表示单位时间排气中含碳气体组分对应的燃料的物质的量，mol/h。
优选的，所述的单位时间排气中含碳气体组分对应的燃料的物质的量
Figure GDA00025068773600000212
为：
Figure GDA00025068773600000213
式中：
Figure GDA00025068773600000214
表示发动机进气流量，
Figure GDA00025068773600000215
表示CO2湿基的体积分数，
Figure GDA00025068773600000216
表示CO湿基的体积分数，
Figure GDA00025068773600000217
表示HC的体积分数，a、c、d、e表示反应方程式系数。
优选的，步骤5中所述的排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率
Figure GDA00025068773600000218
为：
Figure GDA00025068773600000219
式中：Mf为燃料的摩尔质量：Mf＝12×m+n+16×k，m表示燃料中碳元素的分子式系数；n表示燃料中氢元素的分子式系数；k表示燃料中氧元素的分子式系数，
Figure GDA0002506877360000031
表示单位时间排气中含碳气体组分对应的燃料的物质的量，mol/h。
优选的，步骤6中所述的碳烟排放对应的燃油消耗率
Figure GDA0002506877360000032
为：
Figure GDA0002506877360000033
式中，
Figure GDA0002506877360000034
表示单位时间碳烟中碳元素的质量，ωHC表示燃料中碳的质量分数，ρf表示燃料密度。
优选的，所述单位时间碳烟中碳元素的排放质量
Figure GDA0002506877360000035
为：
Figure GDA0002506877360000036
式中，
Figure GDA0002506877360000037
为单位时间发动机的碳烟排放质量。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
在通过本基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法进行计算的过程中，在发动机应用多种燃料和EGR技术时充分考虑燃料组分、废气成分和碳烟排放的影响，大大降低了计算过程中所出现的误差，保证了计算结果的准确性。
附图说明
图1为基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法流程图。
具体实施方式
图1是本发明的最佳实施例，下面结合附图1对本发明做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法，包括如下步骤：
步骤1，得到新鲜进气或油气混合气的流量和排气中各含碳气体组分的体积分数；
利用进气流量计和排气分析仪对发动机进、排气的相关参数进行测量，可得到新鲜进气或油气混合气的流量和排气中各含碳气体组分的体积分数。
步骤2，得到单位时间发动机进气的总物质的量；
采用EGR技术时，进气包括吸入的新鲜空气或油气混合气以及上一循环的废气。废气中的CO、CO2和未燃HC会改变进气成分，进而影响燃烧过程。为了简化计算过程，本发明不考虑废气中的CO、CO2、HC在本循环中的燃烧反应。本发明中的EGR率由排放分析仪测得，其定义为：
Figure GDA0002506877360000038
式中：
Figure GDA0002506877360000041
表示引入的废气流量，L/h；
Figure GDA0002506877360000042
表示吸入的新鲜空气或混合气流量，L/h。
利用进气流量计测得新鲜进气或油气混合气的流量Vfresh(L/h)，发动机的总进气流量
Figure GDA0002506877360000043
为：
Figure GDA0002506877360000044
对发动机进气的相关参数进行计算，结合EGR率得到单位时间发动机进气的总物质的量
Figure GDA0002506877360000045
为：
Figure GDA0002506877360000046
式中，
Figure GDA0002506877360000047
表示发动机进气流量，单位为L/h；REGR(％)表示EGR率。
步骤3，建立燃料的燃烧模型；
重新吸入的废气和此循环的排气中，CO2、CO、HC的体积分数分别相同，即：
Figure GDA0002506877360000048
Figure GDA0002506877360000049
Figure GDA00025068773600000410
排气中H2O的体积分数
Figure GDA00025068773600000411
可根据CO、CO2的体积分数进行计算：
Figure GDA00025068773600000412
式中：K为常数，取值范围为3.5～3.8，当取3.8时，本发明计算结果的误差较小。
利用排气分析仪测量排气中的各含碳气体组分的体积分数时，HC的含量能够直接测得，而CO和CO2的测量结果为干基，计算时需要将CO和CO2的干基转化为湿基，、CO湿基体积分数
Figure GDA00025068773600000413
和CO2湿基的体积分数
Figure GDA00025068773600000414
分别为：
Figure GDA00025068773600000415
Figure GDA00025068773600000416
式中：
Figure GDA00025068773600000417
表示CO干基的体积分数，ppm；
Figure GDA00025068773600000418
表示CO2干基的体积分数，％；
测得排气中各含碳气体组分的体积分数后，需将体积分数转化为质量分数，CO、CO2和HC(认为未燃碳氢中氢碳比为1.86)中碳的质量分数分别为：
Figure GDA00025068773600000419
Figure GDA00025068773600000420
Figure GDA0002506877360000051
在本基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法中，考虑发动机应用多种燃料的情况，将燃料分子式表示为CmHnOk。应用常规的汽、柴油燃料时，碳、氢、氧元素的分子式系数通过油品分析确定；应用天然气、醇类等成分确定的燃料及其与汽、柴油的混合燃料时，分子式系数m、n和k通过以下公式计算：
Figure GDA0002506877360000052
Figure GDA0002506877360000053
Figure GDA0002506877360000054
式中：m表示混合燃料中碳的分子式系数；n表示混合燃料中氢的分子式系数；k表示混合燃料中氧的分子式系数；i表示第i种燃料；j表示混合燃料中的燃料种类；mi表示第i种燃料中碳元素的分子式系数；ni表示第i种燃料中氢元素的分子式系数；ki表示第i种燃料中氧元素的分子式系数；ωi表示第i种燃料的质量分数。
燃料与空气中的氧气发生燃烧反应后主要生成CO、CO2、HC、H2和H2O，最终得到燃料的燃烧模型：aCmHnOk+bO2＝cCO+dCO2+eHC+fH2+gH2O。
其中，C、H、O分别表示碳元素、氢元素和氧元素，m表示燃料中碳元素的分子式系数；n表示燃料中氢元素的分子式系数；k表示燃料中氧元素的分子式系数；a、b、c、d、e、f、g表示反应方程式系数。
在上述的燃烧模型中，将燃料分子式统一表示为CmHnOk，其分子式系数可通过油品分析或计算确定。另外，可通过元素守恒确定m、n、k及a、b、c、d、e、f、g之间的定量关系。
步骤4，得到单位时间发动机排气的总物质的量；
根据元素守恒，即反应产物中的CO与参与反应的燃料的比值等于产物中的CO与燃料中碳元素分子式系数的积与产物中所有含碳的分子，即CO和CO2的和之比，上述的燃烧模型可表示为以下比值关系：
Figure GDA0002506877360000055
Figure GDA0002506877360000061
Figure GDA0002506877360000062
式中：a、c、d、e表示燃烧模型的反应方程式系数，
Figure GDA0002506877360000063
表示CO湿基的体积分数(ppm)，
Figure GDA0002506877360000064
表示CO2湿基的体积分数(％)，
Figure GDA0002506877360000065
表示HC的体积分数(ppm)，m表示混合燃料中碳的分子式系数。
进一步得到燃料的摩尔质量Mf为：Mf＝12×m+n+16×k。
根据燃料燃烧前后碳元素的物质的量守恒，即进气中碳元素的物质的量和燃料燃烧产生的碳元素的物质的量之和与排气中碳元素的总物质的量相等，可得：
Figure GDA0002506877360000066
式中：
Figure GDA0002506877360000067
表示单位时间含碳气体组分对应的燃料的物质的量，mol/h；
Figure GDA0002506877360000068
表示单位时间进气中碳元素的物质的量，mol/h；
Figure GDA0002506877360000069
表示单位时间排气中碳元素的物质的量，mol/h，a、c、d、e表示燃烧模型的反应方程式系数。
根据燃料燃烧前后CO2的物质的量守恒，即进气中CO2的物质的量和燃烧过程产生CO2的物质的量之和与排气分析仪测得排气中CO2的物质的量相等，可求得CO2湿基的体积分数(％)为：
Figure GDA00025068773600000610
式中：a、d表示燃烧模型的反应方程式系数，
Figure GDA00025068773600000611
表示单位时间发动机进气的总物质的量，REGR(％)表示EGR率。
故单位时间发动机排气的总物质的量
Figure GDA00025068773600000612
为：
Figure GDA00025068773600000613
式中，a、d表示燃烧模型的反应方程式系数，
Figure GDA00025068773600000614
表示单位时间发动机进气的总物质的量，REGR(％)表示EGR率，
Figure GDA00025068773600000615
表示CO2湿基的体积分数，
Figure GDA00025068773600000616
表示单位时间排气中含碳气体组分对应的燃料的物质的量，mol/h。
步骤5，排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率；
单位时间进气中碳的总物质的量
Figure GDA00025068773600000617
为：
Figure GDA00025068773600000618
式中，
Figure GDA0002506877360000071
和
Figure GDA0002506877360000072
分别表示重新吸入的废气中CO2、CO、HC的体积分数，
Figure GDA0002506877360000073
表示单位时间发动机进气的总物质的量。
单位时间排气中碳的总物质的量
Figure GDA0002506877360000074
为：
Figure GDA0002506877360000075
式中，
Figure GDA0002506877360000076
表示单位时间发动机排气的总物质的量。
根据步骤4，可求得单位时间含碳气体组分对应的燃料的物质的量
Figure GDA0002506877360000077
为：
Figure GDA0002506877360000078
因此，排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率
Figure GDA0002506877360000079
为：
Figure GDA00025068773600000710
在实行步骤2～5的同时，执行步骤6：得到单位时间碳烟的排放质量以及对应的消耗燃油消耗率；
在本实施例中，单位时间碳烟排放质量以及对应的单位时间的消耗燃油质量通过如下方式获得：
利用不透光式烟度计测量烟度时，可根据测得的排气的不透光度(N)求得碳烟的滤纸式烟度(FSN)。
N＝0.12×(FSN)3+0.62×(FSN)2+3.96×FSN
由上式结合一元三次方程求解的卡丹公式法可解出FSN，再根据FSN与碳烟质量间的关系求得发动机单位时间的碳烟排放质量
Figure GDA00025068773600000711
碳烟中碳元素的质量比约为30％，因此单位时间碳烟中碳元素的排放质量
Figure GDA00025068773600000712
为：
Figure GDA00025068773600000713
因此，排气中碳烟对应的燃油消耗率
Figure GDA00025068773600000714
为：
Figure GDA00025068773600000715
式中：ρf表示燃料密度，kg/L，ωHC表示燃料中碳的质量分数。
步骤7，求得发动机实际燃油消耗率；
结合排气中含碳气体组分对应的燃油消耗率，最终得到发动机的燃油消耗率
Figure GDA0002506877360000081
为：
Figure GDA0002506877360000082
式中：
Figure GDA0002506877360000083
表示排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率，
Figure GDA0002506877360000084
表示排气中碳烟对应的燃油消耗率。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例的步骤6中由于碳烟质量以及消耗燃油质量的获得方式不同，在本实施例中，利用滤纸式烟度计测量烟度时，可直接测得碳烟的FSN，从而根据下式求得发动机单位时间的碳烟排放质量
Figure GDA0002506877360000085
为：
Figure GDA0002506877360000086
式中：PB表示大气压强，kPa；T表示环境温度，℃；
Figure GDA0002506877360000087
表示发动机的燃油消耗率，kg/h；
Figure GDA0002506877360000088
表示发动机的总进气流量，kg/h。
上式中涉及到未知量
Figure GDA0002506877360000089
因而使用迭代方法计算。先假设燃油消耗率为
Figure GDA00025068773600000810
计算出此工况下单位时间碳烟排放的质量，最终得到实际的燃油消耗率
Figure GDA00025068773600000811
若燃油消耗率的计算值与假设值偏差较大，则重新假设数值进行计算，直至误差≤1％，则认为设定值为最终计算结果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，得到新鲜进气或油气混合气的流量和排气中各含碳气体组分的体积分数；
步骤2，得到单位时间发动机进气的总物质的量；
步骤3，建立燃料的燃烧模型；
步骤4，得到单位时间发动机排气的总物质的量；
步骤5，得到排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率；
步骤6，得到碳烟排放对应的燃油消耗率；
步骤7，将步骤5中得到的排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率以及步骤6中得到的碳烟排放对应的燃油消耗率相加得到发动机燃油消耗率；
步骤3中所述的燃料的燃烧模型为：
aCmHnOk+bO2＝cCO+dCO2+eHC+fH2+gH2O
其中，CmHnOk表示燃料分子式，C、H、O分别表示碳元素、氢元素和氧元素，m表示燃料中碳元素的分子式系数；n表示燃料中氢元素的分子式系数；k表示燃料中氧元素的分子式系数；a、b、c、d、e、f、g表示反应方程式系数；
步骤2中所述的单位时间发动机进气的总物质的量
Figure FDA0002519061810000011
为：
Figure FDA0002519061810000012
式中，
Figure FDA0002519061810000013
表示发动机进气流量，单位为L/h；REGR表示EGR率，单位为％；
EGR率REGR表示为：
Figure FDA0002519061810000014
式中：
Figure FDA0002519061810000015
表示引入的废气流量，L/h；
Figure FDA0002519061810000016
表示发动机进气流量，L/h；
步骤4中所述的单位时间发动机排气的总物质的量
Figure FDA0002519061810000017
为：
Figure FDA0002519061810000018
式中，a、d表示燃烧模型的反应方程式系数，
Figure FDA0002519061810000019
表示单位时间发动机进气的总物质的量，REGR表示EGR率，
Figure FDA00025190618100000110
表示CO2湿基的体积分数，％，
Figure FDA00025190618100000111
表示单位时间排气中含碳气体组分对应的燃料的物质的量，mol/h；
步骤5中所述的排气中含碳气体组分对应的燃料消耗率
Figure FDA00025190618100000112
为：
Figure FDA00025190618100000113
Figure FDA0002519061810000021
式中：Mf为燃料的摩尔质量：Mf＝12×m+n+16×k，m表示燃料中碳元素的分子式系数；n表示燃料中氢元素的分子式系数；k表示燃料中氧元素的分子式系数，
Figure FDA0002519061810000022
表示CO湿基的体积分数，
Figure FDA0002519061810000023
表示HC的体积分数；
步骤6中所述的碳烟排放对应的燃油消耗率
Figure FDA0002519061810000024
为：
Figure FDA0002519061810000025
式中，
Figure FDA0002519061810000026
表示单位时间碳烟中碳元素的质量，ωHC表示燃料中碳的质量分数，ρf表示燃料密度。
2.根据权利要求1所 述的基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法，其特征在于：所述的进气包括吸入的新鲜空气或油气混合气以及上一循环的废气。
3.根据权利要求1所述的基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法，其特征在于：所述的单位时间排气中含碳气体组分对应的燃料的物质的量
Figure FDA0002519061810000027
为：
Figure FDA0002519061810000028
式中：
Figure FDA0002519061810000029
表示发动机进气流量，
Figure FDA00025190618100000210
表示CO湿基的体积分数，
Figure FDA00025190618100000211
表示HC的体积分数，a、c、d、e表示反应方程式系数。
4.根据权利要求1所 述的基于碳平衡原理的发动机燃油消耗率计算方法，其特征在于：所述单位时间碳烟中碳元素的排放质量
Figure FDA00025190618100000212
为：
Figure FDA00025190618100000213
式中，
Figure FDA00025190618100000214
为单位时间发动机的碳烟排放质量。
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