碳平衡法對于單燃料天然氣汽車燃氣消耗量檢測的適用性分析

林國慶 朱建濤 馬深圳 趙冉 呂慶軍

摘 要：給出了碳平衡法用于燃料消耗量檢測的使用條件。對單燃料天然氣汽車碳平衡法氣耗量檢測進行了適用性分析。分析結果表明，單燃料天然氣汽車的排放特性符合碳平衡法檢測的條件要求，碳平衡法可以用于檢測單燃料天然氣汽車燃氣消耗量。

關鍵詞：天然氣汽車;碳平衡法;氣耗量檢測

中圖分類號：U469.7? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-136-02

Abstract： The application condition ofthe carbon balance method for fuel consumption detection is given. The applicability ofthecarbon balance method for gas consumption detection of single fuel natural gas vehicles is analyzed. The analysis results show that the emission characteristics of single-fuel natural gas vehicles meet the requirements of the carbon balance method. So， the carbon balance method is suitable for the detection of gas consumption of single-fuel natural gas vehicles.

Keywords： natural gas vehicle; carbon balance method; gas consumption detection

引言

天然氣作為車輛燃料，因為其排放物高效清潔、價格較低以及配套設施完善，使天然氣汽車使用量不斷增加。2017年年底，我國天然氣汽車保有量為608萬輛，同比增加50.4萬輛，增幅為9%，覆蓋客車、貨車、出租車等各種車型。

天然氣汽車迅猛發展，但也伴隨著一些問題顯現出來。一是燃氣泄漏及自燃等安全隱患在目前正在使用的天然氣汽車中普遍存在，且生產企業的技術水平不等，由此使得燃料消耗量水平相差較大。再者我國雖然目前尚未要求對使用純天然氣的營運車輛進行燃氣消耗量的檢測，但在使用中由于車輛技術狀況下降、駕駛員操作及管理車輛不規范以及維修保養不到位等問題，使得天然氣汽車燃氣消耗較正常值會大大增加，節能效率降低，同時有毒物質排放也會大大增加，增加了大氣污染。因此對純天然氣營運車輛進行燃氣消耗量檢測是必要的。GB18565-2016《道路運輸車輛綜合性能要求和檢測方法》中明確指出，使用碳平衡法作為道路運輸車輛燃料消耗量檢測的主要手段。以下對碳平衡法對單燃料天然氣汽車燃氣消耗量檢測的適用性展開分析。

1 碳平衡燃料消耗量檢測的理論依據

碳平衡法進行燃料消耗量檢測理論依據是“物質守恒定律”，即燃料經過發動機燃燒的產物中含碳元素含量等于未燃燒前碳元素含量。而燃料的主要成分為碳氫化合物。具體步驟是通過檢測儀器精確測量出排放氣體成份中的相關參數進行計算，進而得出碳元素含量。由于測得燃燒后的碳元素含量均來源于燃料本身，將得到的含碳量與燃燒前燃料中的含碳量相比較，根據碳含量不改變的原理就可以計算得出燃料的消耗量[1]。

2 碳平衡法的使用條件

基于碳平衡法進行燃料消耗量檢測，需要滿足以下條件：

（1）含碳氣體占排放物的主要部分，其主要成份為CO、CO2、HC等。

（2）測得的排放氣體中的CO、CO2、HC均來源于所檢測車輛燃料的燃燒，無其他來源。

（3）排放氣體中CO、CO2、HC的碳元素含量與所消耗燃料的碳元素含量相等。

（4）檢測的車輛狀況良好，燃燒和排放系統不存在氣體泄漏。

3 單燃料天然氣汽車碳平衡法的適用性分析

3.1 天然氣物理化學特性分析

天然氣的主要成份為甲烷（CN4），還包括乙烷、丙烷、丁烷以及CO2、N2、N2S等少量成份，它的具體成份組成隨產地，季節的不同而不同。天然氣按照氣源分類可以分為氣田氣、油田氣以及煤層氣，其中除煤層氣外，甲烷含量一般在70%-98%，平均為88%左右[2，3]。

天然氣的辛烷值相對汽柴油為高，抗爆性更好，燃燒過程中可采用較高的壓縮比，進而得到更高的熱效率。與汽柴油相比，天然氣的密度更小，更易揮發，著火溫度高且燃燒極限偏高使其泄漏時不易形成可燃混合氣。在天然氣的分子結構中沒有長碳鏈，且雜質少，燃燒后的排放物中碳煙含量極低，因此天然氣燃燒滿足碳平衡使用的前提條件。

3.2 單燃料天然氣汽車排放特性分析

天然氣在氣缸內燃燒時，主要進行的化學反應有氧化反

應、還原反應、水蒸氣重整反應以及水煤氣轉換反應[4]。公式如下：

氧化：

還原：

水蒸氣重整：

水煤氣轉換：

從天然氣燃料燃燒方程式可以分析得出：天然氣燃燒后的排放物主要包括碳化合物、氮、氫和水，含碳氣體占主要部分。這些特性完全符合碳平衡原理的使用條件，為碳平衡法測量燃氣消耗量提供了基本保障[5]。

4 結論

通過分析研究表明，天然氣理化特性和單燃料天然氣汽車的排放氣體特性符合碳平衡法用于燃氣消耗量檢測使用條件，碳平衡法完全適用于單燃料天然氣汽車燃氣消耗量的檢測。

參考文獻

[1] 孟新育.營運車輛碳平衡法燃料消耗檢測技術及推廣應用[J].自動化技術與應用，2017，36（12）：137-140.

[2] 邵毅明，潘芝桂，鐘睿，等.車用CNG燃氣組分對發動機性能、排放影響的數值模擬[J].小型內燃機與摩托車，2011，40（03）：74-77.

[3] 陳小濟，魏建勤，李強.對中國車用天然氣成分及技術標準的分析研究[J].中國公路學報，2002（04）：112-116.

[4] 郭文軍，李靜波，鄒博文，等.天然氣汽車的國Ⅳ排放控制策略研究[J].汽車工程學報，2014，4（06）：407-410.

[5] Michal Vojtí?ek-Lom，VítBeránek，VojtěchKlír，etc. On-road and labo -ratory emissions of NO， NO2， NH3， N2O and CH4 from latemodel EU light utility vehicles： Comparison of diesel and CNG [J]. Scien -ce of the Total Environment， 2018（616-617）： 774-784.