在用车辆不解体燃油经济性测试新方法的研究

关键词： 燃油 经济性 消耗量 汽车

燃油经济性既是体现汽车燃油消耗量多少的重要指标, 也是表征汽车技术状况好坏的重要参数, 污染物的排放实际也与燃油量直接相关。国内从20世纪70年代开始就一直在开发燃油经济性检测, 但是至今一直没有取得实质性的突破, 仍然只能采用油耗仪这种解体的方式测量燃油消耗的多少。该方法需要在车辆发动机供油系统中串接油耗仪, 拆装十分困难, 既不安全、也十分费时。同时对于大量出现的电喷车, 测量更加困难。尽管国内负责营运车辆综合性能检测站都配备了燃油经济性检测的成套设备, 营运车辆年审、年检时都免检燃油经济性。

1 国内外研究状况

目前不解体测量机动车燃油经济性是一种趋势, 其基本原理是基于尾气中碳平衡的原理, 通过测量机动车的尾气 (C O、HC、C2、NO) 排放的质量流量后得到。这种原理也是目前我国新车油耗测试的标准方法。该方法目前按国内基本需要进口, 一套完整的油耗测试系统需要200万~500万, 在国内时无法承受的。

为了降低分析系统的价格, 国内外也进行了大量的研究, 一些方法也已经得到应用。例如, 一种被称作IG195 (VMAS) 的检测方法几年前在美国出现。我国多个城市也进行了IG195在中国适应性问题的研究。该方法有关技术核心可以参考美国专利号:US6387706和US 6085582 (VEHICLE MASS EMISSION MEASUREMENT) 。国内也有企业在该专利基础上提出了基于CO2示踪的专利:CN200410051631.2 (一种机动车排放污染物总量的测量装置及其方法) 。以上方法实质原理都一样:该类系统包括一个收集废气和空气的稀释收集软管、风机、稀释尾气流量测量装置、一个测量原始尾气的符合BAR97标准的五组分气体的第一气体分析模块, 一个测量稀释气体的O2或者CO2浓度的第二气体分析模块, 通过两个分析模块中O2或者CO2浓度经计算得到稀释尾气的稀释比, 并计算得到原始尾气流量。从而得到尾气的质量流量。但是以上两种方法抽取稀释尾气的流量是固定的 (约为120L/s) 。对于不同排量的机动车, 稀释比变化很大, 当抽气流量在120L/s时, 2.4L排量的机动车在怠速时的稀释比为3%~4%左右, 0.8L排量的机动车其稀释比只有1%左右。作为示踪气体的O2或者CO2浓度变化很小, 极小的误差 (如O2误差为绝对百分比含量0.1%时, CO2误差为绝对百分比含量0.04%时) 可能造成计算出来的稀释比的误差大于50%。对于油耗测试, 一旦以上方法稀释比计算错误, 油耗测量的误差将很大。此外, 我国的吉林大学、北京理工大学等学者都进行了不解体油耗测量的研究, 这些研究方法普遍采用了以往具有的5组分气体分析仪, 用来测量稀释尾气中的C O2、C O、HC等含量, 由于5组分分析仪CO2、CO的量程为20%和10%, 稀释尾气中的CO2、CO最高浓度一般都低于4%和1%, 因此误差十分大。

2 本项目研究介绍

2.1 技术原理

本项目技术原理如图1所示:

(1) 底盘测功机; (2) 稀释采样管; (3) 流量测量装置; (4) 温度测量装置; (5) 压力测量装置; (6) 气体分析平台; (7) 计算机测控系统; (8) 风机; (9) 风机流量调节装置。

本方法包含以下步骤:

(1) 气体分析平台抽取经过HC过滤器和CO2过滤器过滤的空气 (或者浓度为20.9%的标准O2) 进行调零 (CO、HC、CO2、NO为0, O2为20.90%) 。

(2) 将稀释采样管的喇叭口远离被测机动车的排气管管口并直接抽取环境中的空气, 记录环境空气中的C O、HC、NO浓度 (Cd) 。

(3) 将稀释采样管的喇叭口正对被测机动车的排气管管口, 通过风机抽取机动车全部排气以及参与稀释的空气, 并将稀释的尾气输送到流量测量装置。

(4) 根据被测机动车的排量大小, 计算机测控系统通过风机流量调节装置控制风机的抽气流量。

(5) 流量测量装置、温度测量装置、压力测量装置测量稀释尾气的流量 (Q) 、温度 (T) 、压力 (P) 并将信号发送到计算机测控系统。

(6) 气体分析平台直接实时测量稀释尾气中的CO、HC、CO2、NO、O2等体积浓度 (Ce) 并将信号发送到计算机测控系统。

(7) 计算机测控系统根据需要控制底盘测功机进行加载, 同时底盘测功机将机动车实时速度 (Vi) 发送到计算机测控系统。

(8) 计算机测控系统根据气体分析平台以及流量测量装置、温度测量装置、压力测量装置发送过来的信号进行数据处理, 处理过程如下:

(8-1) 将流量测量装置、温度测量装置、压力测量装置测量得到的温度 (T) 、压力 (P) 、流量 (Q) 和标准状态下的温度 (T0) 、标准状态下的压力 (P0) 进行计算得到标准状态下的稀释尾气的流量 (QS) 。

式中:

QS为标准状态下的稀释尾气的流量, L/s;

(8-2) 将气体分析平台直接实时测量稀释尾气中的CO、HC、CO2、NO等体积浓度 (Ce) 和环境空气中的CO、HC、CO2、NO等体积浓度 (Cd) 进行稀释校正后得到校正浓度 (Ci) 。

式中:

Ci为校正后的CO、HC、CO2、NO等体积浓度;

Ce为校正前稀释尾气的CO、HC、CO2、NO等体积浓度;

Cd为环境空气中CO、HC、CO2、NO等体积浓度;

DF为稀释系数。

稀释系数的计算如下:

式中:

CCO2为校正前稀释尾气的CO2等体积浓度, 百分比浓度;

CHC为校正前稀释尾气的HC等体积浓度, 百万分比浓度, 正己烷当量;

CCO为校正前稀释尾气的CO等体积浓度, 百分比浓度。

(8-3) 校正浓度 (Ci) 分别与标准状态下的稀释尾气的流量 (QS) 、排气中CO、HC、CO2、NO等的克分子量 (FZL) 、理想气体的克分子体积 (K1) 分别得到CO、HC、CO2、NO单位时间的质量 (Mi) 。

对于HC、NO单位时间的质量 (Mi) 是通过如下公式计算得到:

式中:

Mi为HC或NO单位时间的质量, g/s;

Ci为校正后的HC或NO等百万分比体积浓度;

QS为标准状态下的稀释尾气的流量, L/s;

FZL为HC或NO的克分子量, 分别为86g/mol和30g/mol;

K1为理想气体的克分子体积, 22.4136L/mol。

对于CO、CO2的单位时间的质量 (Mi) 是通过如下公式计算得到:

式中:

Mi为CO或CO2单位时间的质量, g/s;

C为校正后的CO或CO2等百分比体积浓度Ci;

QS为标准状态下的稀释尾气的流量, L/s;

FZL为CO或CO2的克分子量, 分别为28g/mol和44g/mol;

K1为理想气体的克分子体积, 22.4136L/mol; (8-4) 根据 (8-3) 得到的单位时间的质量 (Mi) 进行累加得到机动车在0-t时间内的某种污染物的总的排放 (Mtotal) 。通过对实时速度的累加可以得到机动车在0-t时间内行驶的距离 (d) 。

式中:

Mtotal为0-t时间内的某种污染物的总的排放, g;

Mi为单位时间某种污染物的总的排放, g。

式中:

d为0-t时间内机动车行驶的距离, km;Vi为机动车实时速度, km/s。

(8-5) 根据 (8-4) 得到的某种污染物的总的排放 (Mtotal) 结合底盘测功机测得的实时速度 (V) 可以得到每千米污染物排放量 (M) 和每100千米燃料消耗量 (FC) 。

式中:

M为每千米污染物排放量, g/km;

Mtotal为0~t时间内的某种污染物的总的排放, g;

d为0~t时间内机动车行驶的距离, km。

对于装汽油机的机动车:

对于装柴油机的机动车:

式中:

FC为燃料消耗量, L/100km;

MHC为测得的每千米污染物HC排放量, g/km;

MCO为测得的每千米污染物CO排放量, g/km;

MCO2为测得的每千米污染物CO2排放量, g/km;

D为试验温度下试验燃料的密度, kg/L。

2.2 主要研究内容

(1) 高精度气体分析传感器模块的研究。

(2) 高精度稀释尾气流量、温度、压力测量系统研究。

(3) 燃油经济性测控集成系统 (测功机、气体分析、流量分析) 研制。

(4) 基于碳平衡方法与以往油耗仪方法相关性的试验研究。

2.3 主要考核指标

(1) 气体分析传感器模块:

CO2:0～4%, 精度2%FS;

CO:0～4%, 精度2%FS;

HC:0~1000PPM, 精度2%FS;

(2) 稀释尾气流量、温度、压力测量系统。

流量F:0~2000m3/H, 精度:相对2%;

温度T:0°~100°, 精度:1°;

压力:0~120Kpa, 精度:0.5Kpa。

(3) 油耗测量:

油耗测量量程:3~50L/100公里。

油耗测量精度:0.2L/100公里或者测量值5%。

3 结语

在经济效益和应用前景上, 开发一套不解体燃油经济性测试装置和方法满足我国对于不解体燃油经济性测是的迫切需要。本项目将填补国内空白。我国有各类营运车辆综合性能检测站1000个以上, 累计需要油耗仪超过2000套, 以每套35万元计算, 预计将形成超过7亿元以上的经济效益。

摘要：研究一种针对在用车辆不解体燃油经济性测试的方法, 其基本原理是在底盘测功机上模拟机动车在道路的运行, 采用尾气的碳平衡原理, 直接测量稀释尾气的气体浓度和流量, 进而得到车辆的百公里油耗。本项目的研究对监控我国的在用车辆燃油经济性, 建设节能型社会具有重要意义。

关键词：燃油经济性,检测

参考文献

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