基于碳平衡法的油耗检测方法简析

【摘 要】近年来，汽车产业蓬勃发展，汽车已经走进千家万户的生活，但石油资源日益紧张，油价不断上涨，汽车油耗成为大部分车主选购汽车时重点考虑的因素。如何精确、便捷地测量出汽车的油耗，在汽车研发、质量监控、生产和销售方面都具有重要的意义。文章在对几种汽车油耗检测方法进行介绍和对比分析的基础上，重点介绍了碳平衡法。

【关键词】油耗检测；碳平衡法；排放

【中图分类号】U467.4 【文獻标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）06-0055-02

0 引言

对汽车燃油消耗量的检测，能够通过测量汽车在一定路程上消耗燃料的容积、质量或者测量压力、流量、流速等参数获得，这类方法称为直接检测法。采用直接检测法测量时，需要拆解发动机的油路，布置相应的测试仪。此方法测量精度比较高，但过程麻烦且容易对车辆造成损伤，不宜在检测线上推广。近年来，被广泛使用的方法是间接检测法，如超声波法、碳平衡法等，无需拆解油路，可实现快速、便捷地检测。

1 汽车油耗检测方法类型

澳大利亚国家标准规定汽车燃油消耗量的测量可以通过在模拟城市和高速公路行驶条件下，测量汽车消耗燃料的体积、质量得到，这种方法我们称为直接检测法，或者通过测量排放的尾气中碳元素的含量即碳平衡法，也称为间接检测法。体积法可以直接通过观测容器内燃油消耗的量得到汽车百公里的耗油量，但此种方法不适合采用天然气作为燃料的汽车；质量法是通过测量供给汽车的燃油质量的计算汽车油耗，将汽车行驶前后的燃油质量分别称量出来，或者通过流量计等对供给汽车的燃油连续测量，得到消耗总值。

这两种方法的测量精度比较高，但需要拆解汽车油路，不能满足快速测量的要求并且也容易损害发动机。

废气分析方法是通过基于碳元素质量守恒原理的方法，从汽车尾气中测得碳元素的含量，反推出汽车消耗的燃油量。这种测量方法由于汽车发动机积炭、汽柴油质量及一些仪器未能检测的含碳化合物等影响，误差要比前两种方法大，但优势也非常明显，即无需拆解发动机，可以做到快速测量，适合车辆的上线检测。随着技术的不断进步，还出现了超声波检查法和油耗智能检测方法等。下面通过表1对几种油耗检测方法进行比较。

2 碳平衡法的汽车油耗测试原理

碳平衡法是根据化学反应前后碳元素总质量保持不变原理，汽柴油燃烧生成的物质中碳元素的质量应该与燃烧前汽柴油中碳元素的含量相等，如果已知燃料中H/C的质量比，通过采集一定容量的废气，就可以通过测定其中的碳含量确定燃料的消耗量。碳平衡法汽车油耗测试系统主要由底盘测功机、油耗仪、排放分析仪、取样系统、流量传感器、热油密度计等组成（如图1所示）。将取样的仪器接到汽车排气管，汽车尾气经过稀释达到特定的浓度后再输入到系统中。风机可以将尾气抽入检测系统中，对风机采用变频调速，精准地控制尾气的稀释度，这样系统就可以有更广的适应面。

测试系统中最为关键的部分就是含碳气体浓度测量装置，也称为排放分析仪，该仪器可以准确地分析出尾气中HC、CO、CO2的比重，这是碳平衡法最重要的数据，分析仪得到的数据通过A/D转换输入单片机的寄存器中。在此之前，还需要用燃油密度计测出当前压力、温度下的燃油密度，这也是相当重要的一个参数。将气样稀释后采用安装在流量传感器前方的绝对压力传感器和绝对温度传感器，实时测量气样的压力和温度，将数据反馈到控制系统中以调节变频器进而改变风机转速，使得排放体积维持在标准状态。将测得的燃油密度输入系统，单片机再将寄存器中的各含碳气体的含量读出来，根据预先设计好的程序，实现测试过程的自动化。

采用碳平衡法进行油耗检测，要做如下几点假设。

（1）由于一些碳氢氧化物气体成分分析仪是检测不出来的，所以我们只能认为所有的碳元素都包含在HC、CO、CO2中。

（2）采样气体中的HC、CO、CO2仅由燃料燃烧生成，无外界输入干扰。

（3）收集尾气时，不考虑汽化损失和发动机积碳等因素。

此外，内燃机废气中含碳成分主要有HC、CO、CO2、碳烟。一般情况下，汽油机产生的碳烟量少，而柴油机产生的碳烟量大概是汽油车的5倍。但汽油机产生的CO量又远大于柴油机。目前，对HC、CO、CO2等气体可以做到比较精准的测量。但对碳烟这种微粒子，容易产生沉积黏附，这会影响测量准确度，所以碳平衡法目前多用于汽油机的测量。如果对柴油机使用该法，需要对基本模型进行修正，才会得到准确的结果。

3 碳平衡法的汽车油耗测试特点及误差因素

3.1 碳平衡法特点

（1）相对于直接检测法，碳平衡法成本低、占地面积小、操作方便。测试的误差基本上在±3.6%以内，符合工业要求。

（2）由于燃油密度可测，单位体积燃油的含碳量又可根据不同标号的燃料参数查得，这样得到的燃油含碳量精度是比较高的。

（3）测试系统只需简单地接到汽车的排气管，并且能通过变频调速精确地控制尾气的稀释程度，系统的适应面很广。

（4）碳平衡法最大的便捷之处是测试时无需拆解发动机部分，大大降低造成发动机故障的概率。

3.3 误差因素

（1）测试系统本身会带来一些误差，主要包括废气采样装置和稀释装置的密闭性能、燃油质量的稳定性（比如C、H的含量是否与相应标号的燃油参数一致）及各类检测传感器的精确度。

（2）碳平衡法测量系统的总体误差可以控制在10%以内。在各种误差因素中，温度的影响最大，占4.6%。因为温度对燃油及气体的密度都有影响，所以测试环境的温度非常关键，可以考虑在恒温室进行。燃油中的含碳量约占1.5%，不同厂商提供的燃油质量不尽相同，元素成分也必定存在误差；由于电子技术和传感器技术的不断发展，测量系统本身带来的误差相对比较小。

（3）碳元素的采集也会造成一定的误差，例如发动机工作过程中产生俗称的“积炭”，会使某些碳元素吸附在发动机中无法测量，此外燃烧过程中还有可能产生少量仪器无法检测的碳氢氧化物，也会影响测量的结果。

4 结语

本文重点分析了碳平衡汽车油耗检测方法的测量原理及测量系统组成，碳平衡法运用了较为简单的流量测量系统，可获得相对满意的测量精度及稳定性，并且可满足对车辆不解体、快速检测的要求，是目前世界各国普遍采用的测量方法之一。

参 考 文 献

[1]方茂东，郑贺悦.基于碳平衡法的汽车油耗测量方法[J].汽车工程，2003（3）：295-297.

[2]刘军，李衍德.碳平衡法燃油消耗量测试仪的开发[J].车用发动机，2007（1）：30-34.

[3]刘军，高建立，穆桂脂，等.基于碳平衡法的汽车燃油消耗量快速测量系统开发[J].内燃机工程，2008（12）：73-76.

[责任编辑：钟声贤]

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