曹坤

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

基于碳平衡原理測量氣體方法研究

曹坤

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

目前利用碳平衡原理從直接測得的汽車尾氣濃度中計算燃料消耗量的方法相對成熟，計算結果比較可靠，因而得到廣泛應用。基于此原理提出一種CO2氣體分析儀的校對方法，并分析利用碳平衡原理計算CO2氣體理論值與實測值的誤差，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 氣體測量

1 前言

隨著人們對環(huán)保意識的不斷提高，國家對汽車排放尾氣的限值也越來越嚴苛，中國第六階段排放法規(guī)二次征求意見稿提出了對汽車尾氣CO2的測量要求。試驗臺架測試氣體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氣體分析儀的校對方法。

2 碳平衡法測量原理

利用碳平衡原理從直接測得的汽車尾氣中計算燃料消耗量的方法相對成熟，計算結果具有較好的一致性、穩(wěn)定性和準確性[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]。用碳平衡法計算C原子氣體濃度，需基于如下假設：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)量等于試驗時所消耗的燃料中碳質(zhì)量；試驗過程發(fā)動機狀態(tài)良好，即曲軸箱竄氣量較少，可忽略不計，排氣系統(tǒng)無泄漏，發(fā)動機排氣煙度較低；試驗過程中測量設備狀態(tài)良好，計算公式中涉及的輸入變量測量準確；記錄工況狀態(tài)數(shù)據(jù)時，發(fā)動機運行穩(wěn)定，且排放測試延時時間合理。

3 尾氣測量原理簡述

汽車發(fā)動機尾氣中，與C原子相關的排放成分有CO2、CO、HC等。本研究中氣體測量設備采用HoribaMEXA-7000DEGR分析儀。

CO2/CO氣體的測量采用目前公認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、斬波器和主檢測器。紅外吸收池分為樣氣池和參考池，右側為對比氣體池，左側為樣氣池。將2個吸收池的光源調(diào)整到完全一致，通過旋轉的轉輪來切換通過吸收池的光源，吸收池內(nèi)被吸收的光強差異導致主檢測器內(nèi)氣體膨脹程度發(fā)生變化。利用可動膜電容產(chǎn)生信號變化量，可以求出當前氣體的濃度。測量CO2與CO的差異：CO對波長為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的測量采用氫火焰離子分析儀FID，見圖2。氫火焰離子分析儀對有機化合物具有很高的靈敏性，但對CO2、H2O等含氫量少或不含氫的無機化合物靈敏度較低，甚至不響應。所以測量HC時，尾氣氣體中的其它成分如CO2，H2O，NOx對其準確性干擾較低。

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

將樣氣和碳氫燃料混合注入加熱爐噴口，在約2 000℃的高溫下，樣氣中的HC會被離子化，產(chǎn)生的離子被電極采集經(jīng)放大器生成電離電流。電離電流的強弱和碳原子個數(shù)成正比。

*表示離子化的狀態(tài)。

4 碳平衡的計算公式

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)動機排氣總量，kg/h

GAIRW——發(fā)動機進氣質(zhì)量流量，kg/h

5 氣體干濕基的轉換

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

式中：

基于梯形機構自身結構特點存在的不足，需從本質(zhì)上消除轉向時車輪側滑現(xiàn)象的產(chǎn)生，才可提高架車的可操作性。故針對設備自身結構特點，對轉向機構進行改進，其結構示意如圖6所示。圖中的回轉支承用來替換原梯形機構以實現(xiàn)整車轉向，與原機構相比其本質(zhì)區(qū)別在于兩前輪并非與架體固連，在架車轉向過程中，前后車輪的軸線均交于一點即轉向中心處，滿足無側滑理論轉向條件。

conc(濕)——干基測量值

conc(干)——濕基測量值

Kw——干濕基轉化系數(shù)

6 計算碳平衡示例

以1臺2.8升4缸國Ⅴ增壓中冷柴油機為例，進行碳平衡計算。發(fā)動機技術參數(shù)見表1。同時在臺架上對此發(fā)動機進行ESC循環(huán)13點工況試驗，測量發(fā)動機排放。試驗設備、試驗條件、試驗用燃油分別見表2、表3和表4。

根據(jù)碳平衡計算公式，計算CO2濃度值。表5是碳平衡計算公式參數(shù)，計算CO2濃度值時代入這些參數(shù)。由公式（1）和公式（2）計算得到的CO2氣體值、由實測發(fā)動機排放而得到CO2氣體值（干基）、通過公式（6）干濕基轉化得到CO2氣體值（濕基）。CO2氣體實測值（干基）、CO2氣體實測值（濕基）、CO2氣體計算值、以及實測值與計算值偏差見表6。

表1 發(fā)動機技術參數(shù)

表2 現(xiàn)試驗設備型號

7 試驗數(shù)據(jù)分析

在選取的ESC循環(huán)13點工況中，除怠速工況點外，其余各工況點的理論計算值與實際值基本接近，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算方法檢查CO2氣體分析儀的辦法是可行有效的。

表3 試驗條件

表4 柴油成分

發(fā)動機在怠速工況點理論值與實測值碳平衡偏差大的原因分析如下：在怠速工況下，測試的燃油消耗量小，為0.564 kg/h，基數(shù)較小，代入公式計算時，誤差會放大。同時測量燃油消耗的儀器，在小量程時測量精度偏低，以及油耗儀計量器至發(fā)動機這一段燃油管路布置方式都會影響發(fā)動機怠速工況下的碳平衡偏差。

表5 碳平衡計算公式參數(shù)

表6 CO2氣體實測值（干基和濕基）、CO2氣體計算值及兩者偏差

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

圖3 CO2濃度計算值與實測值對比

8 碳平衡法計算中的關鍵因素

影響碳平衡法計算結果的正確性的關鍵因素如下：

（1）燃油品質(zhì)因煉制工藝不同而會產(chǎn)生差異，計算時要考慮公式中燃料各項成分指標與實際試驗時采用的燃油之間的差異性，必要時對試驗燃油品質(zhì)進行測試。

（2）保證發(fā)動機排氣系統(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)動機外，在燃燒惡化時會轉化為本研究中未考慮在內(nèi)的固態(tài)顆粒物，試驗時應確保發(fā)動機燃燒正常。

（4）測量設備如燃油消耗測量儀、空氣流量計、氣體分析儀、溫濕度傳感器、大氣壓力計等的準確性均可能影響計算的結果。

[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]龔家偉，孫晉文.碳平衡法測量汽油車燃料消耗量的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2000,31(1)：10-11.

[3]中國環(huán)境科學研究院環(huán)境標準研究所、濟南汽車檢測中心.GB 17691-2005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[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，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，大學本科，主要研究方向為柴油機排放污染物。