陶　健,龐奪峰,王文君,姜　鑫

(山西省交通科學(xué)研究院,山西　太原　030000)

汽車排氣中水蒸氣對碳平衡法油耗檢測結(jié)果的影響

陶健,龐奪峰,王文君,姜鑫

(山西省交通科學(xué)研究院,山西太原030000)

摘要：為消除排氣中水蒸氣對碳平衡法油耗檢測結(jié)果的影響，提高碳平衡油耗儀在不同檢測條件下的檢測精度，研究了碳平衡法檢測原理，分析了水蒸氣對檢測過程的影響機理, 進(jìn)行了干濕氣體體積換算的相關(guān)研究，建立了基于稀釋氣體溫度、壓強和相對濕度的濕度修正模型。針對不同的環(huán)境溫度和燃料類型，試驗了修正前后碳平衡法對油耗的檢測結(jié)果，并分別與質(zhì)量式油耗檢測結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明: 該修正模型對油耗檢測精度影響較為顯著，修正后與質(zhì)量式油耗檢測結(jié)果更為接近。

關(guān)鍵詞：汽車工程；油耗檢測；碳平衡法；濕度修正；水蒸氣

0引言

隨著我國汽車保有量的逐年增加，燃料短缺問題日益突出，交通行業(yè)節(jié)能減排事業(yè)受到社會各界關(guān)注。為了加快運輸節(jié)能工作的進(jìn)程，推動高油耗在用車輛淘汰工作的落實，亟需開發(fā)適用于汽車綜合性能檢測站的油耗檢測設(shè)備，需要其具備檢測時間短、操作簡便、價格便宜的特點。碳平衡法油耗檢測技術(shù)因滿足不解體快速檢測油耗的要求而備受行業(yè)學(xué)者的重視。隨著含碳?xì)怏w濃度測量精度和氣體流量測量精度的不斷提高以及采樣方式的優(yōu)化，碳平衡法油耗檢測的穩(wěn)定性和檢測精度不斷提高，碳平衡油耗儀與質(zhì)量式油耗儀的檢測結(jié)果對比偏差在4%以內(nèi)[1-2]。通過對油耗儀測量過程中汽車稀釋氣體相對濕度的研究發(fā)現(xiàn)，因排氣的相對濕度值較大，加之不同油品、試驗工況及試驗環(huán)境都會影響排氣中水蒸氣的含量，因此定量研究稀釋氣體中水蒸氣對碳平衡法油耗檢測結(jié)果的影響，對進(jìn)一步提高油耗檢測精度有重要的現(xiàn)實意義。我國在汽車污染物排放檢測過程中也充分考慮了水蒸氣對檢測結(jié)果的影響[3-4]。本文通過分析水蒸氣導(dǎo)致油耗檢測結(jié)果誤差的原因，研究消除該影響的機理，通過直接測取排氣中的水蒸氣相關(guān)參數(shù)，建立稀釋排氣濕度修正模型，并對加裝排氣相對濕度傳感器的碳平衡油耗儀進(jìn)行試驗，分別對比其修正前后與質(zhì)量式油耗儀檢測結(jié)果的偏差，驗證濕度修正對提高檢測精度的效果。

1碳平衡法油耗檢測原理

碳質(zhì)量平衡法是根據(jù)燃油在發(fā)動機中燃燒后排氣中碳質(zhì)量總和與燃油燃燒前的碳質(zhì)量總和相等的質(zhì)量守衡定律測算汽車燃料消耗量的方法[5]。因此只要測出在油耗測量過程中受檢車輛排氣中含碳?xì)怏wCO、CO2、HC中的碳質(zhì)量，再與單位體積燃料的含碳量相比，即可測得燃料的消耗量。測量排氣中3種含碳?xì)怏w的質(zhì)量，需要進(jìn)一步測量各氣體占受檢氣體的濃度和受檢氣體的體積。

美國、歐盟、日本等國都制定了碳平衡法計算燃油消耗量的標(biāo)準(zhǔn)，由于各國燃油密度、碳?xì)浔炔煌?，以及計量單位不同，計算公式的形式也略有不同。另外，美?998年修訂的油耗法規(guī)對于汽油車，將排放中HC的含碳質(zhì)量和燃油凈熱值引入計算公式中。

碳平衡法油耗基本算式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，F(xiàn)C為汽車每秒燃料消耗量；mFC為燃料的含碳量；dFC為燃料在20 ℃時的密度；mHC為尾氣中HC的含碳量；Qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的稀釋排氣流量；CCO2為對環(huán)境空氣中CO2校正后每秒稀釋排氣中的CO2濃度；MCO2，MCO，MHC分別為尾氣中每秒CO2，CO，HC的質(zhì)量；CCO，CHC分別為每秒稀釋排氣中CO，HC的濃度；dCO2，dCO，dHC為分別標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2，CO，HC的氣體密度。

將式(2)～(4)代入式(1)，得：

(5)

由式(5)可見，用碳平衡法得到的油耗結(jié)果與排氣流量、燃料密度、燃料含碳量及各含碳?xì)怏w的濃度有關(guān)[6-8]。計算各含碳?xì)怏w質(zhì)量時，需將氣體流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量。在與油耗儀對比試驗中，碳平衡計算選用的密度和含碳量盡量要與實際保持一致，這樣可以有效降低誤差，有利于修正模型的建立。

2水蒸氣對油耗檢測的影響和修正

2.1排氣中水蒸氣的來源

通過前期在不同季節(jié)對不同車型排氣中的水蒸氣進(jìn)行試驗研究，結(jié)果表明，汽車排氣的相對濕度都較大，同時還受排氣溫度和天氣條件的影響。對于碳平衡法油耗儀，排氣中水蒸氣量還受排氣取樣采集方式的影響。

目前國內(nèi)碳平衡油耗檢測裝置的排氣取樣采集方式有開式和閉式兩種[9]。閉式采樣方式是將排氣流量取樣管與汽車排氣管密閉連接，在封閉狀態(tài)下，不經(jīng)空氣稀釋，流量計測量排氣管的排氣流量。為了防止排氣流的脈動和水蒸氣冷凝，設(shè)置了穩(wěn)壓箱裝置[10]。閉式采樣過程中，水蒸氣主要來源于進(jìn)氣空氣中的水蒸氣和燃料中氫元素燃燒生成的水蒸氣。開式采集方式是將汽車排氣管排氣與環(huán)境空氣一同收進(jìn)集氣管，用環(huán)境空氣將排氣稀釋后，再用流量計測取稀釋排氣流的容積[8]。開式采樣過程中，水蒸氣主要來源于空氣中的水蒸氣和燃料中氫元素燃燒生成的水蒸氣以及稀釋氣中的水蒸氣。

2.2排氣中水蒸氣對檢測的影響

碳平衡油耗儀在測量排氣中主要含碳?xì)怏wCO2和CO濃度時，采用檢測精度較高的非分光紅外線法(NDIR)。該方法的工作原理是基于待測氣體對特定波長的紅外線輻射能的吸收程度與其濃度成比例關(guān)系[11]。由于水蒸氣對紅外線的吸收波長范圍與CO和CO2波長范圍有重疊，因此如果混合氣體中存在水蒸氣時，會干擾含碳?xì)怏w濃度的測量結(jié)果。

基于以上原因，分析儀在測量含碳?xì)怏w濃度時需要將稀釋排氣中的水蒸氣提前濾除，因此測量的含碳?xì)怏w濃度為干基氣體的濃度。而油耗儀的流量計測量的排氣氣體體積則為含有水蒸氣的混合氣體積，即濕基氣體體積，所以導(dǎo)致含碳?xì)怏w的質(zhì)量計算結(jié)果有誤。根據(jù)誤差產(chǎn)生的機理，可以通過稀釋排氣體積換算為干稀釋排氣體積來消除誤差。

2.3排氣中水蒸氣的修正研究

早在《柴油機排放試驗方法》(GB6456—86，已廢止)中就考慮了水蒸氣對含碳?xì)怏w質(zhì)量計算的影響，給出了干/濕基轉(zhuǎn)換系數(shù)公式。該公式以理論燃燒方程為基礎(chǔ)，計算燃料中氫元素燃燒生成的水量，并通過參與燃燒的氧氣計算空氣進(jìn)氣量和空氣中的水量，最后計算水蒸氣占排氣的體積比，該方法計算的水量與排氣中實際水蒸氣量差別較大。

在現(xiàn)行的《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》(GB17691—2005)中，對直接采樣和稀釋采樣的轉(zhuǎn)化系數(shù)分別進(jìn)行了研究。其中在稀釋采樣的轉(zhuǎn)化式中，主要依據(jù)實際燃燒過程生成的含碳物質(zhì)量和燃料的氫碳原子比來計算燃燒生成的水，并利用分壓定理計算進(jìn)氣空氣中水蒸氣占總氣體的體積比。該標(biāo)準(zhǔn)中的方法一方面忽略了燃燒生成的HC成分，另一方面忽略了稀釋空氣和進(jìn)氣中含碳?xì)怏w對計算結(jié)果的影響。同時，稀釋采樣的修正方法說明分壓定理適用于稀釋后的汽車排氣，即可認(rèn)為汽車稀釋排氣為理想氣體。

《三輪汽車和低速貨車用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法》(GB19756—2005)中給出的干、濕基轉(zhuǎn)換系數(shù)公式，將燃燒生成的水和進(jìn)氣空氣中的水進(jìn)行統(tǒng)一計算。式中只引入空燃比變量，其他參數(shù)取定值，簡化計算公式，同時降低了精度。

由于發(fā)動機進(jìn)氣混合氣中的水蒸氣部分會被空氣濾清器過濾，因此通過空氣濕度計算進(jìn)氣的這部分水蒸氣存在誤差。另外，通過燃料碳元素與氫元素個數(shù)比和測量排氣中含碳?xì)怏w濃度來計算燃燒生成的水量，一方面由于忽略HC氣體對計算結(jié)果的影響，另一方面含碳?xì)怏w中還有稀釋氣體中的含碳?xì)怏w，導(dǎo)致計算的燃燒生成水量有誤，加之生成的水會形成冷凝水從排氣管流出，不會全部以水蒸氣排出，所以，通過水蒸氣來源計算水蒸氣量容易導(dǎo)致排氣水蒸氣含量有誤。

引起油耗計算誤差的原因是稀釋氣體的含碳?xì)怏w濃度和體積分別是由干基與濕基狀態(tài)測得，需要將稀釋排氣的體積轉(zhuǎn)化為干氣體體積，消除稀釋排氣中實際水蒸氣對油耗計算的影響。因稀釋氣體可近似為理想氣體，滿足分壓定理，故在此提出，根據(jù)分壓定理和分體積定理，測得稀釋氣體的壓強、溫度和濕度，即可計算水蒸氣占稀釋氣體的分壓，進(jìn)而計算干氣體與濕氣體的體積比，獲得稀釋混合氣體與干氣體體積的換算關(guān)系。

3修正模型的建立及試驗驗證

3.1修正模型的建立

由分壓定理和分體積定理聯(lián)立方程可知：

(6)

式中，PB為氣體B產(chǎn)生的分壓強；P為氣體總壓強；VB為氣體B占的體積；V為氣體總體積。

由式(6)可知，每種氣體占總氣體的壓強占比與其體積占比相等。因此可通過計算稀釋排氣流中水蒸氣的分壓即可計算干氣體的體積占比，進(jìn)而求得實時的干氣體體積。

氣體相對濕度的公式如下：

(7)

式中，RH為相對濕度；e為水蒸氣氣壓；E為該溫度下飽和水蒸氣的氣壓。

由式(7)可知，水蒸氣分壓與氣體的相對濕度和氣體溫度下飽和水蒸氣氣壓相關(guān)，即水蒸氣分壓與氣體的相對濕度和溫度相關(guān)。

由式(6)和式(7)可知干稀釋排氣體積與濕排氣氣體存在以下關(guān)系：

(8)

式中，VD為稀釋排氣中的干氣體體積；VW為稀釋排氣的體積；P為稀釋排氣的壓力；PD為干稀釋排氣的壓力；RH為稀釋排氣的相對濕度；Ei為稀釋排氣在測量溫度T條件下的飽和蒸氣壓。

由于碳平衡油耗檢測中使用的氣體流量為標(biāo)況條件，故將尾氣中干氣體體積轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積：

(9)

式中，VTD為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干稀釋排氣的體積；T為稀釋排氣溫度；Tn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，其值取273 K；Pn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓，其值取101.33 kPa。

由式(8)和式(9)可得：

(10)

在油耗計算公式(5)中，Qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體流量，即為每秒的排氣體積，為了消除氣體濃度和流量分別在干基條件和濕基條件下測量導(dǎo)致的計算誤差，將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體流量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干氣體流量，修正后每秒的油耗計算公式如下：

(11)

式中Q為稀釋排氣實際流量。

3.2試驗結(jié)果分析

為了驗證修正模型對測量精度的提高效果，搭建了開式采樣方式的碳平衡法油耗測量平臺[12-15]。用于對比的質(zhì)量式油耗儀選用ET2500型，底盤測功機及控制系統(tǒng)選用HYCG-030型，并在排氣取樣處加裝濕度檢測裝置。 濕度檢測裝置工作原理如圖1所示。

圖1　濕度測量裝置工作原理框圖Fig.1　Block diagram of working principle of humidity measurement device

首先選用帕薩特車型進(jìn)行油耗對比試驗?？紤]氣溫對濕度的影響，分別在2014年2月和6月各進(jìn)行了3組試驗，測取濕度修正前后油耗檢測結(jié)果，并分別將修正前后碳平衡法檢測結(jié)果與質(zhì)量式油耗儀檢測結(jié)果進(jìn)行對比，試驗結(jié)果及對比偏差如表1所示。其次選擇長安之星和三菱菱紳車型進(jìn)行試驗。由于不同燃料燃燒生成水量不同，因此對93號汽油、甲醇汽油M15和M85分別進(jìn)行油耗試驗，研究了該修正模型對不同燃料的適用性，試驗車速度均為60 km/h,試驗現(xiàn)場如圖2所示，試驗結(jié)果如表2所示。

由表1的試驗結(jié)果可知，因受氣溫影響，2月份試驗的稀釋排氣平均溫度和相對濕度分別為17.3 ℃和70.7%。6月份的稀釋排氣平均溫度和相對濕度分別為42.3 ℃和59.7%。2月份比6月份的稀釋排氣溫度明顯較低，而相對濕度較高?？梢姯h(huán)境溫度對稀釋排氣的溫度和相對濕度有一定影響。

表1　修正前后油耗對比結(jié)果[單位：L·(100 km)-1]

注：對比值為質(zhì)量式油耗儀檢測結(jié)果，下同。

圖2　試驗現(xiàn)場Fig.2　Testing site

燃料車型修正前修正后對比值修正前偏差/%修正后偏差/%93#M15M8593#M15M85長安之星三菱菱紳5.815.725.633.201.606.105.995.913.221.357.157.016.883.921.897.257.167.033.131.857.747.647.493.342.009.569.429.322.581.07

2月份修正前，3組油耗試驗結(jié)果平均偏差為3.52%，而經(jīng)修正后，平均偏差為2.14%，修正后偏差比修正前偏差低1.38%。6月份修正前，3組油耗試驗結(jié)果平均偏差為3.11%，而經(jīng)修正后，平均偏差為1.37%，修正后偏差比修正前偏差低1.74%?？梢?，不同的環(huán)境溫度對油耗檢測結(jié)果的影響程度不同，對于不同的環(huán)境溫度影響，修正模型能顯著提高碳平衡法油耗檢測儀的檢測精度。

進(jìn)一步，選取2月份和6月份排氣相對濕度均為64%，排氣溫度分別為16 ℃和40 ℃的1組試驗結(jié)果進(jìn)行比較，修正前的偏差分別為3.07%和3.53%，經(jīng)修正后偏差分別為1.99%和1.68%，修正量分別為1.08%和1.84%?？梢姖穸认嗤瑮l件下，環(huán)境溫度越高導(dǎo)致排氣溫度也越高，對檢測結(jié)果的影響越大，修正模型對修正前偏差較大的結(jié)果修正量也大。

分析以上試驗結(jié)果可知，該修正模型對于不同環(huán)境溫度下產(chǎn)生的各種排氣溫度和相對濕度條件，都能顯著提高碳平衡法油耗檢測儀的檢測精度。

由表2的試驗結(jié)果可知，兩輛試驗車分別使用93#汽油、甲醇汽油M15和M85后，碳平衡油耗儀修正前后的油耗與質(zhì)量式油耗儀油耗對比，其檢測結(jié)果不同，其中93#油耗最低，M85油耗最高，這是因為甲醇含量越高，燃料含氧量越大，熱值越低。

長安之星車型使用93#汽油、甲醇汽油M15和M85修正前的偏差分別為3.20%，3.22%，3.92%，修正后偏差分別為1.60%，1.35%，1.89%，修正后比修正前偏差分別降低了1.60%，1.87%，2.03%。三菱菱紳車型對于93#汽油、甲醇汽油M15和M85修正前偏差分別為3.13%，3.34%，2.58%，修正后偏差分別為1.85%，2.00%，1.07%，修正后比修正前偏差分別降低了1.28%，1.34%，1.51%。兩種車的試驗結(jié)果一致表明，甲醇含量越大，導(dǎo)致油耗偏差越大，主要原因為甲醇燃料含量增加后，燃料元素組分比例不同，燃燒生成的水分也不同。經(jīng)修正模型修正后，甲醇含量越大，修正量也越大。

因此，不同燃料類型對碳平衡法油耗檢測結(jié)果有顯著影響，且該濕度修正模型對于不同燃料類型，均能顯著提高碳平衡法油耗檢測儀的檢測精度。

4結(jié)論

(1)汽車稀釋排氣流量與碳平衡法測得的油耗結(jié)果成正比，且汽車排氣相對濕度較大，碳平衡法油耗檢測過程的稀釋排氣流量需進(jìn)行干、濕基轉(zhuǎn)化。經(jīng)分析，現(xiàn)有的氣體干、濕基濃度轉(zhuǎn)化公式用于修正碳平衡法油耗檢測結(jié)果誤差較大。

(2)設(shè)計了直接采集稀釋排氣溫度、壓強和相對濕度的參數(shù)采集系統(tǒng)，建立了稀釋排氣干、濕基轉(zhuǎn)化修正模型，實現(xiàn)了排氣濕度對油耗的修正。

(3)對不同環(huán)境溫度和燃料類型進(jìn)行的油耗試驗結(jié)果表明，通過濕度修正模型對油耗檢測結(jié)果修正后，碳平衡油耗儀的檢測結(jié)果與質(zhì)量式油耗儀的檢測結(jié)果偏差均明顯低于修正前。該修正模型對不同環(huán)境溫度和燃料類型有效，可顯著提高碳平衡油耗儀的測量精度。

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Influence of Water Vapor in Vehicle Exhaust on Fuel Consumption with Carbon Balance Method

TAO Jian, PANG Duo-feng, WANG Wen-jun, JIANG Xin

(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan Shanxi 030000, China)

Abstract：In order to eliminate the influences of water vapor in vehicle exhaust on fuel consumption detection with carbon balance method，and to improve the detection accuracy of fuel consumption meter based on carbon balance method under different test conditions, the detection principle of carbon balance method is studied, the influence mechanism of water vapor on the detection process is analyzed, and the related research on dry/wet gas volume conversion is conducted. A humidity correction model based on temperature，pressure and relative humidity of diluent gas is built. Under the conditions of different environment temperatures and vehicle fuel types，the results of fuel consumption before and after the correction of carbon balance test method are tested, and then compared with the results of quality fuel consumption test respectively．It shows that detection accuracy of fuel consumption is significantly influenced by the humidity correction model，and the result from the correction model is more consistent with that from quality fuel consumption test.

Key words：automotive engineering；fuel consumption test；carbon balance method；humidity correction model；vapor

收稿日期：2015-02-05

基金項目：山西省交通廳科技項目(2012-1-11)

作者簡介：陶健(1984-)男，山西朔州人，碩士.(taojian0606@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.023

中圖分類號：U461.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)06-0140-06