基于碳平衡法的油耗檢測方法簡析

李繼才 陳乾 崔云翔 黃俊傑 龍玉全

【摘 要】近年來，汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶的生活，但石油資源日益緊張，油價不斷上漲，汽車油耗成為大部分車主選購汽車時重點(diǎn)考慮的因素。如何精確、便捷地測量出汽車的油耗，在汽車研發(fā)、質(zhì)量監(jiān)控、生產(chǎn)和銷售方面都具有重要的意義。文章在對幾種汽車油耗檢測方法進(jìn)行介紹和對比分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了碳平衡法。

【關(guān)鍵詞】油耗檢測；碳平衡法；排放

【中圖分類號】U467.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）06-0055-02

0 引言

對汽車燃油消耗量的檢測，能夠通過測量汽車在一定路程上消耗燃料的容積、質(zhì)量或者測量壓力、流量、流速等參數(shù)獲得，這類方法稱為直接檢測法。采用直接檢測法測量時，需要拆解發(fā)動機(jī)的油路，布置相應(yīng)的測試儀。此方法測量精度比較高，但過程麻煩且容易對車輛造成損傷，不宜在檢測線上推廣。近年來，被廣泛使用的方法是間接檢測法，如超聲波法、碳平衡法等，無需拆解油路，可實(shí)現(xiàn)快速、便捷地檢測。

1 汽車油耗檢測方法類型

澳大利亞國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定汽車燃油消耗量的測量可以通過在模擬城市和高速公路行駛條件下，測量汽車消耗燃料的體積、質(zhì)量得到，這種方法我們稱為直接檢測法，或者通過測量排放的尾氣中碳元素的含量即碳平衡法，也稱為間接檢測法。體積法可以直接通過觀測容器內(nèi)燃油消耗的量得到汽車百公里的耗油量，但此種方法不適合采用天然氣作為燃料的汽車；質(zhì)量法是通過測量供給汽車的燃油質(zhì)量的計算汽車油耗，將汽車行駛前后的燃油質(zhì)量分別稱量出來，或者通過流量計等對供給汽車的燃油連續(xù)測量，得到消耗總值。

這兩種方法的測量精度比較高，但需要拆解汽車油路，不能滿足快速測量的要求并且也容易損害發(fā)動機(jī)。

廢氣分析方法是通過基于碳元素質(zhì)量守恒原理的方法，從汽車尾氣中測得碳元素的含量，反推出汽車消耗的燃油量。這種測量方法由于汽車發(fā)動機(jī)積炭、汽柴油質(zhì)量及一些儀器未能檢測的含碳化合物等影響，誤差要比前兩種方法大，但優(yōu)勢也非常明顯，即無需拆解發(fā)動機(jī)，可以做到快速測量，適合車輛的上線檢測。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，還出現(xiàn)了超聲波檢查法和油耗智能檢測方法等。下面通過表1對幾種油耗檢測方法進(jìn)行比較。

2 碳平衡法的汽車油耗測試原理

碳平衡法是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后碳元素總質(zhì)量保持不變原理，汽柴油燃燒生成的物質(zhì)中碳元素的質(zhì)量應(yīng)該與燃燒前汽柴油中碳元素的含量相等，如果已知燃料中H/C的質(zhì)量比，通過采集一定容量的廢氣，就可以通過測定其中的碳含量確定燃料的消耗量。碳平衡法汽車油耗測試系統(tǒng)主要由底盤測功機(jī)、油耗儀、排放分析儀、取樣系統(tǒng)、流量傳感器、熱油密度計等組成（如圖1所示）。將取樣的儀器接到汽車排氣管，汽車尾氣經(jīng)過稀釋達(dá)到特定的濃度后再輸入到系統(tǒng)中。風(fēng)機(jī)可以將尾氣抽入檢測系統(tǒng)中，對風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，精準(zhǔn)地控制尾氣的稀釋度，這樣系統(tǒng)就可以有更廣的適應(yīng)面。

測試系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分就是含碳?xì)怏w濃度測量裝置，也稱為排放分析儀，該儀器可以準(zhǔn)確地分析出尾氣中HC、CO、CO2的比重，這是碳平衡法最重要的數(shù)據(jù)，分析儀得到的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)的寄存器中。在此之前，還需要用燃油密度計測出當(dāng)前壓力、溫度下的燃油密度，這也是相當(dāng)重要的一個參數(shù)。將氣樣稀釋后采用安裝在流量傳感器前方的絕對壓力傳感器和絕對溫度傳感器，實(shí)時測量氣樣的壓力和溫度，將數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)中以調(diào)節(jié)變頻器進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使得排放體積維持在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。將測得的燃油密度輸入系統(tǒng)，單片機(jī)再將寄存器中的各含碳?xì)怏w的含量讀出來，根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的程序，實(shí)現(xiàn)測試過程的自動化。

采用碳平衡法進(jìn)行油耗檢測，要做如下幾點(diǎn)假設(shè)。

（1）由于一些碳?xì)溲趸餁怏w成分分析儀是檢測不出來的，所以我們只能認(rèn)為所有的碳元素都包含在HC、CO、CO2中。

（2）采樣氣體中的HC、CO、CO2僅由燃料燃燒生成，無外界輸入干擾。

（3）收集尾氣時，不考慮汽化損失和發(fā)動機(jī)積碳等因素。

此外，內(nèi)燃機(jī)廢氣中含碳成分主要有HC、CO、CO2、碳煙。一般情況下，汽油機(jī)產(chǎn)生的碳煙量少，而柴油機(jī)產(chǎn)生的碳煙量大概是汽油車的5倍。但汽油機(jī)產(chǎn)生的CO量又遠(yuǎn)大于柴油機(jī)。目前，對HC、CO、CO2等氣體可以做到比較精準(zhǔn)的測量。但對碳煙這種微粒子，容易產(chǎn)生沉積黏附，這會影響測量準(zhǔn)確度，所以碳平衡法目前多用于汽油機(jī)的測量。如果對柴油機(jī)使用該法，需要對基本模型進(jìn)行修正，才會得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 碳平衡法的汽車油耗測試特點(diǎn)及誤差因素

3.1 碳平衡法特點(diǎn)

（1）相對于直接檢測法，碳平衡法成本低、占地面積小、操作方便。測試的誤差基本上在±3.6%以內(nèi)，符合工業(yè)要求。

（2）由于燃油密度可測，單位體積燃油的含碳量又可根據(jù)不同標(biāo)號的燃料參數(shù)查得，這樣得到的燃油含碳量精度是比較高的。

（3）測試系統(tǒng)只需簡單地接到汽車的排氣管，并且能通過變頻調(diào)速精確地控制尾氣的稀釋程度，系統(tǒng)的適應(yīng)面很廣。

（4）碳平衡法最大的便捷之處是測試時無需拆解發(fā)動機(jī)部分，大大降低造成發(fā)動機(jī)故障的概率。

3.3 誤差因素

（1）測試系統(tǒng)本身會帶來一些誤差，主要包括廢氣采樣裝置和稀釋裝置的密閉性能、燃油質(zhì)量的穩(wěn)定性（比如C、H的含量是否與相應(yīng)標(biāo)號的燃油參數(shù)一致）及各類檢測傳感器的精確度。

（2）碳平衡法測量系統(tǒng)的總體誤差可以控制在10%以內(nèi)。在各種誤差因素中，溫度的影響最大，占4.6%。因?yàn)闇囟葘θ加图皻怏w的密度都有影響，所以測試環(huán)境的溫度非常關(guān)鍵，可以考慮在恒溫室進(jìn)行。燃油中的含碳量約占1.5%，不同廠商提供的燃油質(zhì)量不盡相同，元素成分也必定存在誤差；由于電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，測量系統(tǒng)本身帶來的誤差相對比較小。

（3）碳元素的采集也會造成一定的誤差，例如發(fā)動機(jī)工作過程中產(chǎn)生俗稱的“積炭”，會使某些碳元素吸附在發(fā)動機(jī)中無法測量，此外燃燒過程中還有可能產(chǎn)生少量儀器無法檢測的碳?xì)溲趸?，也會影響測量的結(jié)果。

4 結(jié)語

本文重點(diǎn)分析了碳平衡汽車油耗檢測方法的測量原理及測量系統(tǒng)組成，碳平衡法運(yùn)用了較為簡單的流量測量系統(tǒng)，可獲得相對滿意的測量精度及穩(wěn)定性，并且可滿足對車輛不解體、快速檢測的要求，是目前世界各國普遍采用的測量方法之一。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]方茂東，鄭賀悅.基于碳平衡法的汽車油耗測量方法[J].汽車工程，2003（3）：295-297.

[2]劉軍，李衍德.碳平衡法燃油消耗量測試儀的開發(fā)[J].車用發(fā)動機(jī)，2007（1）：30-34.

[3]劉軍，高建立，穆桂脂，等.基于碳平衡法的汽車燃油消耗量快速測量系統(tǒng)開發(fā)[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2008（12）：73-76.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]