基于碳平衡原理測(cè)量氣體方法研究

曹坤

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

基于碳平衡原理測(cè)量氣體方法研究

曹坤

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

目前利用碳平衡原理從直接測(cè)得的汽車尾氣濃度中計(jì)算燃料消耗量的方法相對(duì)成熟，計(jì)算結(jié)果比較可靠，因而得到廣泛應(yīng)用?；诖嗽硖岢鲆环NCO2氣體分析儀的校對(duì)方法，并分析利用碳平衡原理計(jì)算CO2氣體理論值與實(shí)測(cè)值的誤差，誤差基本在2%內(nèi)，說明此方法有效可行。

碳平衡法 燃料消耗量 氣體測(cè)量

1 前言

隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的不斷提高，國家對(duì)汽車排放尾氣的限值也越來越嚴(yán)苛，中國第六階段排放法規(guī)二次征求意見稿提出了對(duì)汽車尾氣CO2的測(cè)量要求。試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試氣體CO2濃度一般采用NDIR（不分光）紅外線吸收型分析儀。通過質(zhì)量守恒定律，燃燒前燃料中碳質(zhì)量總和與燃燒后排氣組份中碳質(zhì)量總和相等，間接計(jì)算出排氣中CO2濃度值。本研究基于這原理，提出一種CO2氣體分析儀的校對(duì)方法。

2 碳平衡法測(cè)量原理

利用碳平衡原理從直接測(cè)得的汽車尾氣中計(jì)算燃料消耗量的方法相對(duì)成熟，計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[1]。車用燃料主要以HC化合物的形式存在；經(jīng)燃燒后排出的廢氣主要由CO2、CO、HC、H2O （氣態(tài)）、H2O、NOx、PM 等組成，因此可以采用質(zhì)量守恒定律。尾氣中CO、CO2、HC中的C元素的總量，與消耗的燃料中的C質(zhì)量相等[2]。用碳平衡法計(jì)算C原子氣體濃度，需基于如下假設(shè)：廢氣中的碳質(zhì)量僅在CO2、CO和HC之中；廢氣中的CO2、CO、HC僅來自于燃料中；廢氣中碳質(zhì)量等于試驗(yàn)時(shí)所消耗的燃料中碳質(zhì)量；試驗(yàn)過程發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)良好，即曲軸箱竄氣量較少，可忽略不計(jì)，排氣系統(tǒng)無泄漏，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣煙度較低；試驗(yàn)過程中測(cè)量設(shè)備狀態(tài)良好，計(jì)算公式中涉及的輸入變量測(cè)量準(zhǔn)確；記錄工況狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，且排放測(cè)試延時(shí)時(shí)間合理。

3 尾氣測(cè)量原理簡述

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中，與C原子相關(guān)的排放成分有CO2、CO、HC等。本研究中氣體測(cè)量設(shè)備采用HoribaMEXA-7000DEGR分析儀。

CO2/CO氣體的測(cè)量采用目前公認(rèn)的不分光紅外吸收型分析儀，如圖1所示。

不分光紅外吸收型分析儀包括光源、紅外吸收池、斬波器和主檢測(cè)器。紅外吸收池分為樣氣池和參考池，右側(cè)為對(duì)比氣體池，左側(cè)為樣氣池。將2個(gè)吸收池的光源調(diào)整到完全一致，通過旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪來切換通過吸收池的光源，吸收池內(nèi)被吸收的光強(qiáng)差異導(dǎo)致主檢測(cè)器內(nèi)氣體膨脹程度發(fā)生變化。利用可動(dòng)膜電容產(chǎn)生信號(hào)變化量，可以求出當(dāng)前氣體的濃度。測(cè)量CO2與CO的差異：CO對(duì)波長為4.5～5.0μm范圍的紅外線具有吸收能力，吸收峰為4.6μm；而CO2吸收波長為4.0～4.5μm范圍內(nèi)的紅外線，吸收峰為4.26μm。HC的測(cè)量采用氫火焰離子分析儀FID，見圖2。氫火焰離子分析儀對(duì)有機(jī)化合物具有很高的靈敏性，但對(duì)CO2、H2O等含氫量少或不含氫的無機(jī)化合物靈敏度較低，甚至不響應(yīng)。所以測(cè)量HC時(shí)，尾氣氣體中的其它成分如CO2，H2O，NOx對(duì)其準(zhǔn)確性干擾較低。

圖1 不分光紅外吸收型分析儀示意圖

圖2 氫火焰離子分析儀FID

將樣氣和碳?xì)淙剂匣旌献⑷爰訜釥t噴口，在約2 000℃的高溫下，樣氣中的HC會(huì)被離子化，產(chǎn)生的離子被電極采集經(jīng)放大器生成電離電流。電離電流的強(qiáng)弱和碳原子個(gè)數(shù)成正比。

*表示離子化的狀態(tài)。

4 碳平衡的計(jì)算公式

根據(jù)碳平衡原理，燃料中的C質(zhì)量流量與燃燒后轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的C質(zhì)量流量是相等的。燃料C質(zhì)量流量計(jì)算公式如下：

式中：

GC——C的質(zhì)量流量，g/h

GFUEL——燃料質(zhì)量流量，kg/h

K——C原子質(zhì)量占比

MC——C原子摩爾質(zhì)量，g/mol

氣態(tài)C質(zhì)量流量計(jì)算公式如下[2]：

式中：

GCO2——CO2質(zhì)量流量，g/h

KCO2——CO2氣體質(zhì)量因數(shù)

GCO——CO質(zhì)量流量，g/h

KCO——CO氣體質(zhì)量因數(shù)

GHC——HC質(zhì)量流量，g/h

CCO2W——濕基CO2氣體濃度,%

CCO——CO氣體濃度×10-6

CHC——HC氣體濃度×10-6

GEXHW——發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總量，kg/h

GAIRW——發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/h

5 氣體干濕基的轉(zhuǎn)換

在實(shí)際測(cè)量氣體CO2中，為提高分析儀的測(cè)量精度，減少水份對(duì)其干擾，按照國家法規(guī)，采用物理的方法對(duì)氣體進(jìn)行干燥處理。測(cè)量值是干基，故測(cè)得的濃度應(yīng)按下列公式換算成濕基[3]：

式中：

基于梯形機(jī)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在的不足，需從本質(zhì)上消除轉(zhuǎn)向時(shí)車輪側(cè)滑現(xiàn)象的產(chǎn)生，才可提高架車的可操作性。故針對(duì)設(shè)備自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。圖中的回轉(zhuǎn)支承用來替換原梯形機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向，與原機(jī)構(gòu)相比其本質(zhì)區(qū)別在于兩前輪并非與架體固連，在架車轉(zhuǎn)向過程中，前后車輪的軸線均交于一點(diǎn)即轉(zhuǎn)向中心處，滿足無側(cè)滑理論轉(zhuǎn)向條件。

conc(濕)——干基測(cè)量值

conc(干)——濕基測(cè)量值

Kw——干濕基轉(zhuǎn)化系數(shù)

6 計(jì)算碳平衡示例

以1臺(tái)2.8升4缸國Ⅴ增壓中冷柴油機(jī)為例，進(jìn)行碳平衡計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。同時(shí)在臺(tái)架上對(duì)此發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行ESC循環(huán)13點(diǎn)工況試驗(yàn)，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排放。試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)用燃油分別見表2、表3和表4。

根據(jù)碳平衡計(jì)算公式，計(jì)算CO2濃度值。表5是碳平衡計(jì)算公式參數(shù)，計(jì)算CO2濃度值時(shí)代入這些參數(shù)。由公式（1）和公式（2）計(jì)算得到的CO2氣體值、由實(shí)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排放而得到CO2氣體值（干基）、通過公式（6）干濕基轉(zhuǎn)化得到CO2氣體值（濕基）。CO2氣體實(shí)測(cè)值（干基）、CO2氣體實(shí)測(cè)值（濕基）、CO2氣體計(jì)算值、以及實(shí)測(cè)值與計(jì)算值偏差見表6。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)

7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在選取的ESC循環(huán)13點(diǎn)工況中，除怠速工況點(diǎn)外，其余各工況點(diǎn)的理論計(jì)算值與實(shí)際值基本接近，基本上在2%范圍，偏差在可接受的范圍區(qū)間，說明基于碳平衡的計(jì)算方法檢查CO2氣體分析儀的辦法是可行有效的。

表3 試驗(yàn)條件

表4 柴油成分

發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況點(diǎn)理論值與實(shí)測(cè)值碳平衡偏差大的原因分析如下：在怠速工況下，測(cè)試的燃油消耗量小，為0.564 kg/h，基數(shù)較小，代入公式計(jì)算時(shí)，誤差會(huì)放大。同時(shí)測(cè)量燃油消耗的儀器，在小量程時(shí)測(cè)量精度偏低，以及油耗儀計(jì)量器至發(fā)動(dòng)機(jī)這一段燃油管路布置方式都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下的碳平衡偏差。

表5 碳平衡計(jì)算公式參數(shù)

表6 CO2氣體實(shí)測(cè)值（干基和濕基）、CO2氣體計(jì)算值及兩者偏差

根據(jù)模型計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，按CO2值從小到大繪制曲線對(duì)比見圖3。

圖3 CO2濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

8 碳平衡法計(jì)算中的關(guān)鍵因素

影響碳平衡法計(jì)算結(jié)果的正確性的關(guān)鍵因素如下：

（1）燃油品質(zhì)因煉制工藝不同而會(huì)產(chǎn)生差異，計(jì)算時(shí)要考慮公式中燃料各項(xiàng)成分指標(biāo)與實(shí)際試驗(yàn)時(shí)采用的燃油之間的差異性，必要時(shí)對(duì)試驗(yàn)燃油品質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。

（2）保證發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)密封性良好無泄漏或盡可能減小漏氣，如曲軸箱竄氣、排氣管漏氣等。

（3）燃料中的C原子并非全部以氣體的形式排出發(fā)動(dòng)機(jī)外，在燃燒惡化時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為本研究中未考慮在內(nèi)的固態(tài)顆粒物，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒正常。

（4）測(cè)量設(shè)備如燃油消耗測(cè)量儀、空氣流量計(jì)、氣體分析儀、溫濕度傳感器、大氣壓力計(jì)等的準(zhǔn)確性均可能影響計(jì)算的結(jié)果。

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

[2]龔家偉，孫晉文.碳平衡法測(cè)量汽油車燃料消耗量的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000,31(1)：10-11.

[3]中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)研究所、濟(jì)南汽車檢測(cè)中心.GB 17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)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

來稿日期：2017-08-14

曹坤（1989-），男，大學(xué)本科，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)排放污染物。