基于碳平衡法的甲醇汽車燃料消耗量計(jì)算模型

董超 張國(guó)振 張遠(yuǎn)軍 韓偉

摘要：根據(jù)碳平衡法原理，建立甲醇燃料消耗量計(jì)算模型，文中給出兩種計(jì)算模型，（一）在無(wú)法確定甲醇汽車排氣氣態(tài)碳?xì)湮廴疚锾籍?dāng)量的情況下，給出推薦的碳當(dāng)量;（二）根據(jù)美國(guó)EPA排放標(biāo)準(zhǔn)中甲醇汽車碳?xì)浠衔锏挠?jì)算方法，推導(dǎo)出甲醇汽車燃料消耗量的計(jì)算模型。

關(guān)鍵詞：甲醇汽車;燃料消耗量;碳平衡法;計(jì)算模型

中圖分類號(hào)：U473 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2020）04-0092-06

董超

畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)任國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（寰陽(yáng)）主管工程師，主要從事整車排放試驗(yàn)研究及汽車產(chǎn)品審查工作。

引言

甲醇燃料作為車用替代燃料之一，有著生產(chǎn)成本低，辛烷值高，熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前我國(guó)甲醇汽車的保有量也在不斷增加，也符合國(guó)家對(duì)車用燃料多元化和能源安全的戰(zhàn)略需求。2012年工信部發(fā)布42號(hào)文件《關(guān)于開(kāi)展甲醇汽車試點(diǎn)工作的通知》，指導(dǎo)部分地區(qū)試點(diǎn)甲醇燃料汽車進(jìn)入市場(chǎng)，并對(duì)甲醛排放進(jìn)行限制，2019年工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、公安部、生態(tài)環(huán)境部、交通運(yùn)輸部、國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布61號(hào)文件《關(guān)于部分地區(qū)開(kāi)展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》中也對(duì)甲醇汽車的市場(chǎng)化應(yīng)用給出了更多的指導(dǎo)意見(jiàn)，然目前我國(guó)執(zhí)行的關(guān)于燃料消耗量試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》中并未對(duì)甲醇燃料汽車的燃料消耗量的計(jì)算進(jìn)行相關(guān)說(shuō)明，美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局對(duì)于1977年以后生產(chǎn)的甲醇汽車的排放和油耗均有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。我國(guó)甲醇燃料充足，價(jià)格較為低廉，目前各汽車主機(jī)廠（如吉利、陜西通家、中國(guó)重汽等）也都在發(fā)展研發(fā)甲醇汽車，且部分企業(yè)的甲醇汽車技術(shù)也較為成熟，我國(guó)甲醇汽車發(fā)展正處于上升通道，隨著國(guó)家對(duì)于甲醇汽車政策支持的力度不斷加大，我國(guó)甲醇汽車產(chǎn)業(yè)也會(huì)贏來(lái)更大的發(fā)展機(jī)遇。

甲醇汽車燃料消耗量計(jì)算模型的研究有助于解決工況法油耗試驗(yàn)中甲醇汽車燃料消耗量的計(jì)算問(wèn)題，可用于甲醇汽車的應(yīng)用開(kāi)發(fā)及研發(fā)試驗(yàn)等相關(guān)工作及研究中，同時(shí)也有利于甲醇汽車行業(yè)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用。

1設(shè)備與試驗(yàn)方案

1.1儀器設(shè)備參數(shù)

試驗(yàn)所使用的主要儀器設(shè)備有排放分析系統(tǒng)、氣體取樣系統(tǒng)、底盤測(cè)功機(jī)和油耗儀，所有儀器設(shè)備均為國(guó)際主流檢測(cè)設(shè)備，其測(cè)量精度均為國(guó)際汽車排放主流檢測(cè)設(shè)備中最高的，均經(jīng)過(guò)國(guó)家計(jì)量部門計(jì)量檢定過(guò)，且均在檢定有效期內(nèi)，具體參數(shù)見(jiàn)表1：

1.2試驗(yàn)準(zhǔn)備

甲醇汽車?yán)鋯?dòng)不夠穩(wěn)定，目前主流甲醇汽車采用雙油軌噴射+雙油箱模式，即冷啟動(dòng)使用汽油模式，當(dāng)溫度達(dá)到一定要求后使用甲醇燃料噴射模式，為使甲醇汽車采用純甲醇模式，本文采用在熱車模式下進(jìn)行NEDC工況油耗及等速油耗的測(cè)試，試驗(yàn)環(huán)境滿足GBl8352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法》中規(guī)定的要求。為驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)前將油耗儀串聯(lián)到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油軌前，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，同時(shí)使用容積法和碳平衡法進(jìn)行燃料消耗量計(jì)算比對(duì)，具體實(shí)施如圖1所示：

目前對(duì)于汽車燃料消耗量的測(cè)試方法中，應(yīng)用較為廣泛的主要是碳平衡法和容積法兩種測(cè)量原理的測(cè)量設(shè)備，這兩種方法對(duì)于汽車燃料消耗量的測(cè)量有著測(cè)量精度高，應(yīng)用方便廣泛等優(yōu)點(diǎn)，本文主要針對(duì)這兩種行業(yè)內(nèi)較為認(rèn)同的方法進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)為驗(yàn)證文中的甲醇燃料消耗量計(jì)算模型，試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)中使用的THC分析儀、CO分析儀、CO2分析儀進(jìn)行了標(biāo)定校準(zhǔn)，保證試驗(yàn)分析使用的標(biāo)準(zhǔn)氣濃度為同一量程的的氣體。試驗(yàn)前樣車采用80km/h的速度跑合20分鐘進(jìn)行熱車，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)汽車的機(jī)油溫度和冷卻液溫度均在85℃至92℃之間，試驗(yàn)間溫度均控制在25±2℃，為消除駕駛員的駕駛習(xí)慣對(duì)車輛燃料消耗量的影響，所有試驗(yàn)均為同一駕駛員進(jìn)行操作，車輛的輪胎壓力在試驗(yàn)前均為230kpa。本文采用了三種模式下進(jìn)行的燃料消耗量的比對(duì)，分別是90km/h的等速燃料消耗量、120km/h的等速燃料消耗量和NEDCI況燃料消耗量。

1.3試驗(yàn)樣車參數(shù)

然該標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)甲醇燃料排氣污染物中的氣態(tài)碳?xì)浠衔镞M(jìn)行相關(guān)推薦，甲醇燃料汽車在尾氣排放中會(huì)產(chǎn)生氣態(tài)含氧碳?xì)浠衔铮ㄖ饕獮榧兹┖臀慈紵戤叺臍鈶B(tài)甲醇），因此我們?cè)谟?jì)算燃料消耗量時(shí)需用甲醇汽車尾氣排放中氣態(tài)碳?xì)浠衔锏臍涮急群脱跆急葋?lái)對(duì)燃料消耗量結(jié)果進(jìn)行修正計(jì)算。

在無(wú)法獲得汽車排氣污染物中氣態(tài)總碳?xì)浠衔锏奶籍?dāng)量的情況下，我們進(jìn)行以下兩種方案對(duì)甲醇汽車的燃料消耗量進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

方案一

由于汽車燃料消耗量中的最大貢獻(xiàn)者為二氧化碳，碳?xì)浠衔镌谠摌榆嚳偟暮細(xì)鈶B(tài)排放污染物所占的比重低于0.2%，兩種不同系數(shù)的計(jì)算結(jié)果差異也小于0.2%，由此在無(wú)法確認(rèn)氣態(tài)碳?xì)湮廴疚锏姆肿颖壤那闆r下，氣態(tài)碳?xì)浠衔锏奶籍?dāng)量可以取兩者的平均值（即A=0.7741）進(jìn)行計(jì)算燃料消耗量，故：

目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可以參考甲醇汽車排氣污染物中氣態(tài)碳?xì)浠衔镏械臍涮急群脱跆急龋磥?lái)如果有研究能得出推薦的甲醇汽車排氣污染物中氣態(tài)碳?xì)浠衔镏械臍涮急群脱跆急?，可采用公?/p>

4來(lái)計(jì)算甲醇汽車的燃料消耗量較為嚴(yán)謹(jǐn)。

方案二

參考美國(guó)EPA汽車排放標(biāo)準(zhǔn)中總碳?xì)浠衔锏挠?jì)算方式可得，氣態(tài)總碳?xì)浠衔镏饕‵ID分析儀測(cè)量出來(lái)的碳?xì)浠衔铩鈶B(tài)甲醇化合物和甲醛，由此推導(dǎo)出甲醇燃料消耗量的計(jì)算模型如下：

甲醇汽車尾氣中的甲醛含量，F(xiàn)ID分析儀讀取的碳?xì)浠衔餄舛纫约皻鈶B(tài)甲醇均可通過(guò)儀器設(shè)備分析出來(lái)，這種方案可以較為精確的計(jì)算出甲醇燃料消耗量。方案二需要對(duì)甲醇汽車尾氣進(jìn)行氣態(tài)甲醇和甲醛的收集采樣，并通過(guò)色譜儀進(jìn)行甲醇和甲醛含量的定量分析，在甲醇汽車檢測(cè)設(shè)備齊全的情況下推薦使用公式6進(jìn)行甲醇汽車燃料消耗量的計(jì)算。

3試驗(yàn)分析

3.1計(jì)算結(jié)果比較

基于以上不同模式下，采用容積法和碳平衡法計(jì)算所得的試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，其中各污染物氣體質(zhì)量均有分析儀分析后計(jì)算所得。本文僅對(duì)公式推導(dǎo)中方案一利用碳平衡法原理對(duì)甲醇汽車百公里燃料消耗量的計(jì)算進(jìn)行了相關(guān)數(shù)據(jù)比較，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。經(jīng)計(jì)算后，兩種不同測(cè)量方法的各工況燃料消耗量見(jiàn)圖2：

以容積法而得到油耗試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，由圖2中可以看出取氣態(tài)碳?xì)浠衔锏奶籍?dāng)量A=0.7741時(shí)，用文中方案一甲醇汽車燃料消耗量計(jì)算模型計(jì)算所得的燃料消耗量在等速法中相對(duì)誤差均小于2%。工況法綜合燃料消耗量的結(jié)果顯示，兩種試驗(yàn)結(jié)果基本沒(méi)有差別，因此本文中采用的甲醇燃料消耗量計(jì)算模型是可用的。

3.2誤差分析

在同一工況下，計(jì)算所得的甲醇汽車燃料消耗量不同的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）不同測(cè)量設(shè)備之間存在測(cè)量誤差，即使是同一種測(cè)量方法，不同的測(cè)量設(shè)備之間也會(huì)出現(xiàn)相對(duì)差值，但是只要在允許的測(cè)量誤差范圍之內(nèi)，均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，目前國(guó)內(nèi)測(cè)量設(shè)備之間的測(cè)量誤差不應(yīng)超過(guò)4%;

（2）碳平衡法在樣氣取樣時(shí)會(huì)有相對(duì)滯后誤差，因此碳平衡法的測(cè)量結(jié)果應(yīng)相對(duì)有微小的采樣誤差，即少許偏低;

（3）甲醇汽車甲醇燃料消耗量碳平衡法計(jì)算模型中氣態(tài)碳?xì)浠衔锏奶籍?dāng)量的估算誤差以及排放的總碳?xì)涿芏鹊挠?jì)算誤差。

4結(jié)論

（1）應(yīng)用碳平衡法原理對(duì)甲醇汽車的燃料消耗量進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，采用公式5的甲醇汽車燃料消耗量計(jì)算模型是可以應(yīng)用于甲醇汽車燃料消耗量的研發(fā)和推廣工作中的;

（2）在試驗(yàn)條件和設(shè)備允許的情況下，對(duì)檢測(cè)樣車的尾氣進(jìn)行甲醇和甲醛收集和分析，采用公式6可以較為精確的計(jì)算甲醇燃料消耗量，同時(shí)也有助于甲醇汽車燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。