基于碳平衡法的甲醇汽车燃料消耗量计算模型

董超 张国振 张远军 韩伟

摘要：根据碳平衡法原理，建立甲醇燃料消耗量计算模型，文中给出两种计算模型，（一）在无法确定甲醇汽车排气气态碳氢污染物碳当量的情况下，给出推荐的碳当量;（二）根据美国EPA排放标准中甲醇汽车碳氢化合物的计算方法，推导出甲醇汽车燃料消耗量的计算模型。

关键词：甲醇汽车;燃料消耗量;碳平衡法;计算模型

中图分类号：U473 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2020）04-0092-06

董超

毕业于哈尔滨工业大学，热能与动力工程专业，大学本科学历，现任国家汽车质量监督检验中心（寰阳）主管工程师，主要从事整车排放试验研究及汽车产品审查工作。

引言

甲醇燃料作为车用替代燃料之一，有着生产成本低，辛烷值高，热效率高等优点，目前我国甲醇汽车的保有量也在不断增加，也符合国家对车用燃料多元化和能源安全的战略需求。2012年工信部发布42号文件《关于开展甲醇汽车试点工作的通知》，指导部分地区试点甲醇燃料汽车进入市场，并对甲醛排放进行限制，2019年工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部、公安部、生态环境部、交通运输部、国家卫生健康委员会、国家市场监督管理总局联合发布61号文件《关于部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》中也对甲醇汽车的市场化应用给出了更多的指导意见，然目前我国执行的关于燃料消耗量试验方法标准GB/T19233-2008《轻型汽车燃料消耗量试验方法》中并未对甲醇燃料汽车的燃料消耗量的计算进行相关说明，美国国家环境保护局对于1977年以后生产的甲醇汽车的排放和油耗均有相关标准要求。我国甲醇燃料充足，价格较为低廉，目前各汽车主机厂（如吉利、陕西通家、中国重汽等）也都在发展研发甲醇汽车，且部分企业的甲醇汽车技术也较为成熟，我国甲醇汽车发展正处于上升通道，随着国家对于甲醇汽车政策支持的力度不断加大，我国甲醇汽车产业也会赢来更大的发展机遇。

甲醇汽车燃料消耗量计算模型的研究有助于解决工况法油耗试验中甲醇汽车燃料消耗量的计算问题，可用于甲醇汽车的应用开发及研发试验等相关工作及研究中，同时也有利于甲醇汽车行业在国内的推广应用。

1设备与试验方案

1.1仪器设备參数

试验所使用的主要仪器设备有排放分析系统、气体取样系统、底盘测功机和油耗仪，所有仪器设备均为国际主流检测设备，其测量精度均为国际汽车排放主流检测设备中最高的，均经过国家计量部门计量检定过，且均在检定有效期内，具体参数见表1：

1.2试验准备

甲醇汽车冷启动不够稳定，目前主流甲醇汽车采用双油轨喷射+双油箱模式，即冷启动使用汽油模式，当温度达到一定要求后使用甲醇燃料喷射模式，为使甲醇汽车采用纯甲醇模式，本文采用在热车模式下进行NEDC工况油耗及等速油耗的测试，试验环境满足GBl8352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》中规定的要求。为验证计算模型的准确性，在试验前将油耗仪串联到汽车发动机油轨前，试验开始时，同时使用容积法和碳平衡法进行燃料消耗量计算比对，具体实施如图1所示：

目前对于汽车燃料消耗量的测试方法中，应用较为广泛的主要是碳平衡法和容积法两种测量原理的测量设备，这两种方法对于汽车燃料消耗量的测量有着测量精度高，应用方便广泛等优点，本文主要针对这两种行业内较为认同的方法进行比较分析。试验为验证文中的甲醇燃料消耗量计算模型，试验前对试验中使用的THC分析仪、CO分析仪、CO2分析仪进行了标定校准，保证试验分析使用的标准气浓度为同一量程的的气体。试验前样车采用80km/h的速度跑合20分钟进行热车，试验开始时汽车的机油温度和冷却液温度均在85℃至92℃之间，试验间温度均控制在25±2℃，为消除驾驶员的驾驶习惯对车辆燃料消耗量的影响，所有试验均为同一驾驶员进行操作，车辆的轮胎压力在试验前均为230kpa。本文采用了三种模式下进行的燃料消耗量的比对，分别是90km/h的等速燃料消耗量、120km/h的等速燃料消耗量和NEDCI况燃料消耗量。

1.3试验样车参数

然该标准中并未对甲醇燃料排气污染物中的气态碳氢化合物进行相关推荐，甲醇燃料汽车在尾气排放中会产生气态含氧碳氢化合物（主要为甲醛和未燃烧完毕的气态甲醇），因此我们在计算燃料消耗量时需用甲醇汽车尾气排放中气态碳氢化合物的氢碳比和氧碳比来对燃料消耗量结果进行修正计算。

在无法获得汽车排气污染物中气态总碳氢化合物的碳当量的情况下，我们进行以下两种方案对甲醇汽车的燃料消耗量进行相关计算。

方案一

由于汽车燃料消耗量中的最大贡献者为二氧化碳，碳氢化合物在该样车总的含碳气态排放污染物所占的比重低于0.2%，两种不同系数的计算结果差异也小于0.2%，由此在无法确认气态碳氢污染物的分子比例的情况下，气态碳氢化合物的碳当量可以取两者的平均值（即A=0.7741）进行计算燃料消耗量，故：

目前没有标准可以参考甲醇汽车排气污染物中气态碳氢化合物中的氢碳比和氧碳比，未来如果有研究能得出推荐的甲醇汽车排气污染物中气态碳氢化合物中的氢碳比和氧碳比，可采用公式

4来计算甲醇汽车的燃料消耗量较为严谨。

方案二

参考美国EPA汽车排放标准中总碳氢化合物的计算方式可得，气态总碳氢化合物主要包括FID分析仪测量出来的碳氢化合物、气态甲醇化合物和甲醛，由此推导出甲醇燃料消耗量的计算模型如下：

甲醇汽车尾气中的甲醛含量，FID分析仪读取的碳氢化合物浓度以及气态甲醇均可通过仪器设备分析出来，这种方案可以较为精确的计算出甲醇燃料消耗量。方案二需要对甲醇汽车尾气进行气态甲醇和甲醛的收集采样，并通过色谱仪进行甲醇和甲醛含量的定量分析，在甲醇汽车检测设备齐全的情况下推荐使用公式6进行甲醇汽车燃料消耗量的计算。

3试验分析

3.1计算结果比较

基于以上不同模式下，采用容积法和碳平衡法计算所得的试验试验数据如表4所示，其中各污染物气体质量均有分析仪分析后计算所得。本文仅对公式推导中方案一利用碳平衡法原理对甲醇汽车百公里燃料消耗量的计算进行了相关数据比较，具体试验数据见表4。经计算后，两种不同测量方法的各工况燃料消耗量见图2：

以容积法而得到油耗试验结果为基准，由图2中可以看出取气态碳氢化合物的碳当量A=0.7741时，用文中方案一甲醇汽车燃料消耗量计算模型计算所得的燃料消耗量在等速法中相对误差均小于2%。工况法综合燃料消耗量的结果显示，两种试验结果基本没有差别，因此本文中采用的甲醇燃料消耗量计算模型是可用的。

3.2误差分析

在同一工况下，计算所得的甲醇汽车燃料消耗量不同的原因主要有以下几点：

（1）不同测量设备之间存在测量误差，即使是同一种测量方法，不同的测量设备之间也会出现相对差值，但是只要在允许的测量误差范围之内，均符合标准的要求，目前国内测量设备之间的测量误差不应超过4%;

（2）碳平衡法在样气取样时会有相对滞后误差，因此碳平衡法的测量结果应相对有微小的采样误差，即少许偏低;

（3）甲醇汽车甲醇燃料消耗量碳平衡法计算模型中气态碳氢化合物的碳当量的估算误差以及排放的总碳氢密度的计算误差。

4结论

（1）应用碳平衡法原理对甲醇汽车的燃料消耗量进行数学推导，采用公式5的甲醇汽车燃料消耗量计算模型是可以应用于甲醇汽车燃料消耗量的研发和推广工作中的;

（2）在试验条件和设备允许的情况下，对检测样车的尾气进行甲醇和甲醛收集和分析，采用公式6可以较为精确的计算甲醇燃料消耗量，同时也有助于甲醇汽车燃料消耗量标准的制定工作。