碳平衡法测燃油经济性
关键词：碳平衡法；汽油机；燃油消耗量；测量
Fuel consumption measured by carbon balance method Abstract：Measuring the fuel consumption of the vehicles is very important, but the existing methods are inconvenient to be used in the undisassemble measurement. By measuring the total flow and the composition (CO,CO2,HC) of the vehicle emission and based on carbon balance method，the fuel consumption could be calculated。
Key words:Carbon balance method; Gasoline engine; Fuel consumption; Measurement
引言：
汽车燃油经济性，是指以最小燃料消耗量完成单位运输工作量的能力.汽车燃油经济性用汽车燃料消耗量评价。汽车燃油消耗量除了与燃料供给系统的技术状有直接关系外，还与曲柄连杆机构、配气机构、点火系、润滑系、冷却系、传动系、行驶系、转向系和制动系等有关，是一个综合性评价参数.
一、碳平衡法测燃油经济性的原理
汽车燃油是C（碳)、H(氢）化合物的混合物，经燃烧后便生成不同量的CO、CO2、HC、H2O（包括气态和液态)及NOx等物质。尾气中CO,CO2,HC中C元素的总量应当对应着所消耗汽油中的C的含量。
碳平衡法检测油耗的基本原理是质量守恒定律。燃油在发动机中燃烧，不论燃烧状况如何，燃油在发动机中燃烧所产生的尾气中碳元素的质量总和与燃烧前燃油中碳元素的质量总和相等。因此，只要测出发动机尾气中的碳含量，再与单位体积汽油中的碳量相比，就能知道汽车的燃油消耗量。
二、碳平衡法油耗检测主要设备
碳平衡法油耗检测设备主要由4个部分组成：
（1）汽车尾气取样系统（包括取样管、变频器和抽风机）
（2）流量计
（3)尾气分析仪
（4)计算机（用于流量计算与控制、数据采集处理、检测流程控制及碳平衡计算模型的立)
三、碳平衡法测量的基本要求
（1)系统要密封良好，不漏气.
(2）系统的材料不能影响排气中含碳化合物的浓度。
四、测量过程
（1）在检测时，首先将碳平衡油耗检测设备预热30min.
(2)将达到规定状态的被检测车辆放在底盘测功机上，按要求对底盘测功机加载至满载行驶工
况，并将车速稳定在50km/h（高级客车为60km/h)。
（3）将碳平衡油耗设备的取样管插入汽车排气管，接通抽风机取样汽车尾气(计算机根据汽车发动机的排量自动调节流量大小和稀释比，汽车尾气与外界空气同时被吸入流量计。）（4）气分析仪进行尾气取样，并测出稀释气体中CO、HC和CO2的浓度.
（5）计算机根据尾气分析仪的测量值、流量计的流量、稀释比和被检测车辆在底盘测功机上满载行驶的距离计算出百千米燃油消耗量。
五、具体计算举例
碳平衡法是通过对尾气CO，CO2和HC体积排放测量的分析，得到排气中单位里程内的C 元素含量，再与所用汽油中C 元素含量相比而间接得出燃油消耗量B 的方法.
（1）油耗公式
不管按照何种运转循环进行油耗测试，假定汽车运行了N km，汽车平均B为FE km／L，燃油密度为SG kg／L，燃油中C 质量含量为CWF F，所消耗汽油中的C 质量为：
CM = 1 000×SG×CWF F×N／FE 。
按照汽车排放测试标准，可测量出汽车按照运转循环运行Lkm 后，其排气中CO2,CO，HC的排放量( g／km）。另外，CO2和CO中C的质量含量为0. 273，0。429，HC中C的计算公式为：
CWF HCex = 12／( 12＋x ），
欧盟公式中为0。866，所以，排气中C质量之和为：
（0。273×CO2＋0. 429×CO＋CWF HCex×HC）N 。
根据上述公式得到油耗公式为：
FE =1000×SG×CWF F／（0。273×CO2＋0。429×CO＋CWF HCex×HC）
（2）每百公里油耗量
由（1)得到100 km 油耗量公式为
FC =（0.273×CO2＋0. 429×CO＋CWF HCex×HC）／（SG×CWF F×10）。
我国现在排放测试循环和测试方法等同采用欧盟的测试规范，所以碳平衡方程式也采用欧盟的计算方法，汽车的百公里耗油量为:
FC =（0。866×M HC＋0. 4286×M CO＋0. 2727×M CO2）×0。1154／SG,
上式中，M HC为HC的质量；M CO为CO的质量；M CO2为CO2的质量；SG为实测燃油的密度。其中，HC，CO，CO2的浓度可以通过气体分析仪直接测量。
（3）HC，CO,CO2质量排放量
通过下列公式可以计算得出HC，CO,CO2质量排放量:
M HC = ( 1 000×V mix×ρHC×C HC×10— 6)／L,
M CO = ( 1 000×V mix×ρCO×C CO×10- 6）／L，
M CO2 = ( 1 000×V mix×ρCO2×C CO2×10— 6 )／L ，
上式中，V mix为稀释排气的容积，可以由系统直接测量；
ρHC，ρCO，ρCO2为污染物的密度，在标准温度和压力下是常量；C HC，C CO，C CO2为稀释排气中污染物的浓度;L 为车辆试验循环所行驶的实际里程，可以通过底盘测功机直接测量积分得到。
（4)气态污染物排放量的测量
气态污染物排放量用下式进行计算:
M i =V mix×Q i×C i×10— 6／d （1）
式中：Mi—污染物i 的排放量，g / km；
V mix—校正至标准状态( 273。2 K和101。33 kPa）的稀释排气容积,L；
Q i—标准状态( 273. 2 K 和101。33 kPa)下污染物i 的密度，g／L；
C i—稀释排气中污染物i 的浓度，并按稀释空气中污染物i 的质量含量进行校正,10- 6，如C i 用体积百分数表示，系数10- 6则由10—2替代；
d—试验循环期间的行驶距离，km。
（5）稀释排气容积的校正
将稀释排气容积校正至标准状态；用下式校正稀释排气容积：
V mix = V×K 1×p p／T p(2）
汽车油耗式中: K 1 = 2. 696 1；
V—稀释排气容积, 可以由系统测得, L；
p p—容积泵进口处的绝对压力，kPa；
T p-试验期间进入容积泵的稀释排气的平均温度，K。
（6）污染物的浓度修正
取样袋中污染物的校正浓度：
C i = C e — C d （1－1／DF) ( 3）
式中，
C i为校正后稀释排气中污染物i 的质量浓度,10—6或体积分数%；
C e 为稀释排气中污染物i 的测定质量浓度，10—6或体积分数%
C d 为稀释空气中污染物i 测定质量浓度，10—6或体积分数％
DF 为稀释系数。
（7)稀释系数的计算公式
DF =13. 4／[C CO2 + (C HC + C CO）×10— 4］（4）
C CO2取样袋内稀释排气中CO2的质量浓度，%;
C HC取样袋内稀释排气中HC 的质量浓度，10—6;
C CO取样袋内稀释排气中CO 的质量浓度,10—6。
试验用93号汽油，实测密度0. 753 kg/ L，m C／（m C + m H ) = 0。866，试验里程由底盘测功机直接测量得到。
六、计算过程的假设
（1）燃油燃烧的生成物全部从排气管排出。
(2）燃油燃烧生成物中的碳只包含在CO2、CO和HC中，忽略其他生成物中的碳（如含氧碳氢化合物）和固体碳粒.
（3）排气中的CO2、CO、HC全部来自燃油燃烧，没有其他资源.
（4）试验车辆技术状况良好，即曲轴箱窜气微量，排气系统无泄漏。
七、油耗计等传统测量油耗设备的存在的问题
（1）安全问题，尤其是汽油挥发造成的污染和安全隐患。
（2）将油耗测量设备串入到汽车发动机的燃油供给系统中，会影响发动机的燃油供给，对汽车燃油供给管道造成一定损伤。同时也影响测量结果，在怠速工况尤其明显。（3）在接入到油耗测量设备时，在接头处容易产生渗漏，影响测量精度。
（4）油耗测量设备安装十分不便。安装前必须弄清楚不同车型的供油管路的内径和长度，到与之匹配的管路接头，有些具有回油管路或管路不暴露在外的车辆，安装起来更加麻烦.
八、碳平衡法测量燃油消耗的优点
（1）碳平衡法是不解体检测技术，是根据汽车尾气的含碳量来进行油耗的，不需要拆卸汽车的燃油供给系统，因此具有操作简便，检测时间短等优势，克服了传统检测方法的缺点。
（2)可以和汽车排放检测相结合。
（3）可以满足油耗测量精度要求.
（4)特别适合在实验室底盘测功机上对行使工况比较复杂的汽车进行油耗测量。
九、碳平衡法测量油耗的难点
（1）车况衰退质疑碳平衡法的基本假设。汽车发动机气缸活塞环配合副、活塞环与环槽配合副不可避免的磨损，导致曲轴箱窜气，润滑油的烧损，将质疑“排气排放物的含碳量等于实验所消耗油的全部含碳量”的基本算式，动摇碳平衡法测燃油消耗量的基本前提。车况衰退就会降低“碳平衡法”测燃油消耗量的准确度，造成误判。
检测在用车的燃油经济性，就是要判明汽车的技术状况.因此需要深入的实验分析，寻求车况与碳平衡法测燃油消耗量的关系，建立相应的模型。
（2)汽车排气温度高、湿度大、脉动性强及流量变化幅度大。且排气容积的多少与排气的状态(温度、压力）密切相关，测量排气容积的同时，必须测量排气的温度和压力，还要防止排气中的水蒸气和高沸点化合物凝结，因此排气容积不是简单的用气体流量计就可准确测定。(3）碳平衡法测量的准确度主要取决于气体分析仪的测量精度，包括采样装置和稀释装置的密闭性能、燃油特性、排气流量测量的准确度.采样装置和稀释装置的性能良好，能够保证碳平衡法的测量精度。
十、碳平衡法模型的修正
由于采用碳平衡法计算燃油消耗量是基于假设，但实际燃烧中存在碳微粒，排气系统有可能存在泄漏，曲轴箱也存在窜气现象，尾气中也有原本存在于空气中的CO2 等，因而碳平衡法存在基本方法误差。同时考虑到测试仪器误差等，使得用碳平衡法模型计算得到的油耗与实测油耗存在一定偏差。要弥补这些偏差，必须对碳平衡法模型进行修正.
十一、结论
依据碳平衡法原理，可以实现对汽车燃油消耗量在不解体的情况下进行快速检测，避免了其它不利的检测方法对车辆造成的伤害，故适合于车辆燃油消耗量的检测。
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