【溫馨提示】 dwg后綴的文件為CAD圖，可編輯，無水印，高清圖，，壓縮包內文檔可直接點開預覽，需要原稿請自助充值下載，請見壓縮包內的文件及預覽，所見才能所得，請細心查看有疑問可以咨詢QQ：414951605或1304139763
汽車氣候室氫排放系統實驗裝置模型的測定
馬丁·威廉曼恩，克里斯丁·巴赫，菲利普·諾瓦克，安德烈·菲舍爾 ，馬提亞·希爾。
EMPA，瑞士聯邦材料測試與研究實驗室，發(fā)動機實驗室，CH-8600，2006年9月，瑞士
EMPA，瑞士聯邦材料測試與研究實驗室，空氣污染/環(huán)境技術實驗室，CH-8600，2006年9月，瑞士
文章信息
文章歷史：2007年3月21日 收到；2007年9月28日 收到修改稿（2007年9月28日）； 2007年11月26日 在線截止。
關鍵詞： 燃料電池 氣體燃料 氫 系統排放 測試單元 濃度測量
加我qq：1985639755 要英文原文
摘要
由于空氣質量,溫室氣體二氧化碳的排放和化石燃料短缺的問題,許多車用氣體燃料(天然氣、沼氣、氫氣等)正在研究和開發(fā)。汽車必須證明他們的排氣排放量和系統的整體排放量(包括運行損耗)仍低于一定的安全范圍后才可使用。本文提出一個成本效益即通過監(jiān)測系統排放的氣態(tài)氫或其他燃料動力汽車在一個裝有空調的底盤測功機測試單元,常用于低環(huán)境要求的汽油車廢氣排放測試。唯一額外需要的設備是一個能感知低濃度氣體(如氫氣)的傳感器。該方法是基于濃度測量和動態(tài)質量平衡的模型。實驗研究表明,非常低的排放量可以被記錄下來。此外,如空氣交換率的誤差范圍和靈敏度可被量化。
1。 引言
氣體燃料車輛越來越常見，這是因為他們相比汽油車和柴油車表現出許多優(yōu)點 [1] 。在一些國家,液化石油氣的價格顯著低于于液體燃料,因為它在煉油工藝中是當成“廢物”丟掉的。天然氣作為燃料所提供的和廢氣排放效益要高于汽油和柴油。此外，生物甲烷作為天然氣使用顯示了一個最高的磁場對 輪的效率和最佳的合作 效率和使生物能源之間的得到最好的平衡以及高效利用廢物 [1] 。 氫作為燃料用于燃料電池和內燃機內，其可能在未來汽車技術發(fā)展中起到重要的推進性作用。氫動力汽車的發(fā)展也受限于空氣質量因素，和其他溫室氣體的排放及化石燃料供應等問題 [2,3] 。
所有這些氣態(tài)燃料都有不同的燃料儲存方式，如高壓氣化，低溫液化，金屬氫化物或其他的，均在一定壓力下操作完成。開發(fā)商擁有極大的興趣，因為制造商和立法者能夠監(jiān)控這些氣態(tài)燃料系統的真是整體排放情況。這適用于以下兩種情況，已停的汽車要改變周圍環(huán)境和剛啟動運行或停止的汽車要改變廢氣排放 [4,5] 。
所有這些情況都可以在嵌入人工氣候室的底盤測功機中模擬。 但是，這需要耗費大的力量去確保氣候室的密封性，這樣蒸發(fā)排放量就可以通過直接檢測室內氣體濃度的增加量獲得。這種測試汽油車蒸發(fā)碳氫化合物的排放量的方法必須在[6,7]密閉的測量室中進行（嚴格密封）或采用所謂的點光源的測量法。然而棚式方法適用于測試停駐的汽車，運行損耗會產生一些嚴重的的密封性問題，因此在底盤測功機內需要密封棚。由于氫的特殊性，很難使殼體的嚴格密封以進行蒸發(fā)排放的碳氫化合物的測量。在備選點源上油箱所有潛在的泄漏點需要配備漏斗或通風口保證適當的空氣流通，強大的分析儀會收集所有的排放氣體，并能測量其濃度。 因此，這種方法需要被擴展延伸以適應各種車輛的需要，并且一個測試系統并不能確保測量的總蒸發(fā)排放量的準確性。
另外，本文提出的這種測量運行損耗和應用質量平衡法與氣候試驗的通風設備測量汽車氣體燃料的系統排放的方法。它顯示了什么樣的傳感器設備是必要的，源排放量是如何計算的。該方法是通過實驗驗證的，敏感性分析也提出了進行一定質量的測量時限制條件必須得到滿足。
2. 方法論
2.1 質量平衡
這種方法的基本思路是質量守恒。如圖1所示氣候室內的底盤測功機，導出質量平衡方程（1）。流入和流出室內的氣態(tài)物質（稱之為G）的質量的變化時不同的。假設氣體和其他物質之間沒有發(fā)生化學反應。這是氫氣，甲烷和丙烷在室溫下濃度低于1ppm的條件[8] 。
（1）
表示室內G氣體變化的質量，表示流入室內的G氣體的總質量，表示流出室內的G氣體的總質量，表示從通風設備中流入室內的G氣體質量，流入汽車內G氣體的質量。所有變量均為時間函數。
大規(guī)模的燃氣G將流入氣候室。因此,通風空氣的質量和進入空氣中的氣體G的濃度需要被測量。進入室內另一部分氣體是從汽車里蒸發(fā)出來的，這是有利的。
不同情況下流入氣候室的G氣體：
預期的空氣流通。
泄漏。室門以及渠道電纜和管道不密閉，所以有些漏氣。多數人工氣候室有微壓以確保所有開口空氣能流出，由于流入潮濕的空氣中，在低溫下操作時，會導致危險物冰的形成，另外擾亂室內濕度的控制（圖1）。
如果車輛正在運行，并且由一個消耗空氣的系統進行驅動（發(fā)動機或燃料電池系統），相應的空氣供給可以從腔室外部 或腔室內部被使用。由于氣體通常被排出室外并在室外測量，后者也是一個流出的氣體G的質量平衡的情況。
測量所有的流出位置處的G氣體的質量和濃度顯然是不可能的，但是這個問題可以通過以下的方法變向解決。
底盤測功器對廢氣排放測量的車輛配有風扇。連同的通風的空調室,這可能會導致高的湍流,腔內氣體G的濃度可以被認為是均勻的。換句話說,混合時間常數在腔必須明顯低于空氣匯率常數。必須保證氣候室內無通風不良的死區(qū)。在大多數情況下,底盤測功器是安裝在氣候室,室內的測功器作為破壞電動機的加強室,是包含在室內的。因此,它必須可使艙內的通風設備打開并增加額外的通風設備。
如果室內的G氣體確實是均勻分布的,則這個濃度測量也適用所有的室外測試。只要壓力能保持室內外通風穩(wěn)定,流出室內的氣體總質量等于流入室內的氣體總質量。因此，這是足以測量流入室內空氣質量的。
此外,由于濃度在氣候室是均勻的,它需要在同一位置被測量。
當然，流入室內的G氣體不能直接測量。假設為理想氣體，則可能是通過如下確定。任何氣體質量是密度和體積的乘積。
（2）
所包含的G氣體的質量為
（3）
其中是氣體G的濃度和密度。由于測量將在氣候室內進行并且不持續(xù)很久，則可以假定在此期間溫度和壓力保持穩(wěn)定，密度不變。因此，可進行足夠的空氣體積和G氣體濃度的測量，以確定其質量流量。 對于室內認為
（4）
ch代表氣候室。假設流出腔室的空氣的流量等于流入腔室內的氣體G的流量，并是分布是均勻的，由式（1）-（4）得
（5）
因此
（6）
因此，將系統的排放量作為單位時間的流出質量以及知道腔體體積、密度和測量進入腔室的空氣的體積流量以及腔內氣體G的流量、濃度?？捎嬎愠鯣氣體的質量。由于流入和流出的壓力和溫度都是一樣的，流量和密度都可以被認為是相等的。
2.2 測量設備
商業(yè)氣相色譜儀（還原氣體分析儀 （RGA3），微量分析公司，加利福尼亞州，美國）被用來測量氣候室內的。該RGA3是超微量氣體檢測系統，能夠監(jiān)測濃度低至十億分之一的還原性氣體，如。該儀器由一個微處理器控制的氣體色譜儀，利用還原性氣體的方法檢測。
5A分子篩合成空氣預處理SOFNOCAT脫除和反應的雜質（額）作為載氣。 等分的空氣樣本被分為超過1毫升的樣品，定量環(huán)為20毫升/分鐘的速率。分離感興趣的樣本組件，在一個等溫芯棒加熱的色譜柱烤箱中。色譜柱(1S,60/80 mesh；1/8"×30")主要用于去除二氧化碳、水和碳氫化合物。隨后和的分離分析柱(分子篩5A,60/80 mesh；1/8"×30")混和進入檢測器,包含氧化汞。氧化汞之間(固體)和和合汞蒸汽進行反應，進行定量的方式是通過一個紫外光度計進行的。列需保持在75oC；探測器是加熱到270oC?？罩械暮蜆颖局写_定汞的數量成正比。
在連續(xù)觀測濃度的實驗室內，每2分鐘進行一次測試。在每個測試周期的開始和結束的周圍空氣中的濃度（濃度的流入）需進行30分鐘的測試。 通常情況下，濃度是非常均勻的，在短時間內的一個測試周期，并在576±94ppb的范圍內[9]。
通過稀釋單位（MKAL稀釋，測量技術有限公司，哈普施泰特，德國），對兩個高濃度的參考氣體（50和100.2ppm梅塞爾瑞士,瑞士)進行動態(tài)稀釋至零空氣敏感的范圍內。稀釋單元間接引用瑞士聯邦氣流標準進行計量。不同的兩個高濃度的混合物重合標準與對方表現出優(yōu)異的協議NOAA/GDM規(guī)模[10]。的檢測限為±10ppb和衡量標準的不確定性為5％。
2.3 分析方法
正如上一節(jié)中所述的低濃度的氣體不能在高時間分配率的情況下測量，即在幾秒鐘內。設備描述表示允許2分鐘的采樣率。因此方程（6）需要被分解。
離散化最直接，最簡單的方法是由最后測量值取代腔室的濃度。對于時間k步結果為
(7)
其中T是采樣間隔[11]。由于這兩種環(huán)境濃度的氣體G和通風氣流通常超過一個時間間隔的變化非常少。如果使用上面的開頭或結尾的采樣值的時間間隔。然而，腔室的濃度有一個變化顯著，因此平均濃度是取采樣步驟中測量它的任一端的近似值的平均值。質量平衡守恒
(8)
所以
(9)
在數學上更復雜，但也更準確的是通過求解離散差分方程（5）的分析新增一個時間步長，需要一定的假設。
這里是自由輸入信號（即 ，，）的任意時間的函數。 因此，如果必要的話，它可能會測量在高時間分辨率的通風氣流，并利用這段時間進行計算，但通常這種流動是合理的。氣體G的環(huán)境濃度，通常是恒定的，如果不工作時遭受一個巨大的非均勻氣源。 當然是時間的函數及車輛如何發(fā)出的氣體G是未知的。如果流出的總質量給出，最極端的情況下，如果所有被釋放后，立即計算時間間隔的開始或末端（峰值函數，圖2 ）。“平均”的情況發(fā)生，如果車輛不斷冒出氣體G。在3.2節(jié)中，式（5）的方法通過以下三種假設來解決。
在早期峰值的情況下，該解決方案的方程（5）中時間
(10)
因此，某一時期排放的G氣體質量為
(11)
在后期峰值的情況下，得
(12)
(13)
通常情況下：
(14)
（15）
式（11），（13）和（15）看起來相當不同，其輸出保持相似，只要采樣間隔T是比較小的通風時間常數 。 所以，如果兩個小的采樣間隔和通風，則在此方法中的質量上升。下節(jié)給出了具體例子，在這里的不同方法（式（11），（13） 和（15））和不同的采樣間隔被應用到相同的測試數據中，向大家介紹了，準確度取決于該系統的不同的參數。
3. 案例分析
在這里所描述的試驗案例均在氣候細胞底盤測功機進行了電子探針。所有的數字值都本測試設備得出。
3.1 腔室容積的測定
采用幾何手段估計腔室體積是相當困難的，因為車程，通風，單位熱交換等都很難形容。因此，測試一個明確的體積的氦，其被釋放出來和它的濃度平衡后，外部封閉，內部循環(huán)，通過稀釋估計腔室體積。每256的標準偏差為8。
3.2 體積流量的識別和驗證
在通風的體積流量是不可能直接測量，但隨著時間的推移其仍是恒定的，可以通過以下的試驗確定。
如上，可計量一定體積的氣體如氦注入到單元格（同時通風）。之后，單元格中的混合物氦的濃度將跟隨方程（5）或解決方案（10），（12）或（14）中的一個與停駐的汽車。 測量結果如圖3所示。減去隱藏的濃度和建設的濃度，濃度直線在2000s處達檢測上限。
這條直線的斜率是空氣交換率，即。它的倒數是上面討論的空氣交換的時間常數，如果一個腔室容積或通風體積流量是已知的，則其他可以計算出。在此，用給定的腔室容積的體積流0.5605，其標準偏差為0.005。體積流量受環(huán)境壓力的影響，因此，應該進行蒸發(fā)實驗以確保準確。
此外，如果通風的體積流量通過測量是已知的，類似的測試可用于驗證整體模型。 一個已知量的氦（或氫氣）就在那一刻被釋放并允許在設備中稀釋，測量值可通過微積分（式（11），（13）或（15））計算出釋放量。這需要反復檢驗。
3.3 蒸發(fā)試驗和精度分析
在氫燃料汽車中進行氫系統排放測試。測試顯示的測試包括停車時間從1到2523s,然后加速至3842s,另一個停車階段是7100s(圖4)。
房地產氫亦進行了系統的發(fā)射試驗 氫汽車。 這里顯示的測試包括一個停車 相從1到2523的小號，然后坐測試3842 s，其中 另一個停車階段進行監(jiān)測到7100秒（ 圖4 ）。
圖4所示的是每間隔2分鐘所測量出的氫濃度。在右邊則顯示出每個時間間隔中汽車的廢氣排放量。他們是用不同的方法和假設來計算出來的，即（9），（11），（13）和（15）。
在給定的用一單缸容積為256m，通風體積流量為0.5605m/s（給定空氣交換時間常數為463s或7.72min）和采樣速率為2min的條件下，精確結果如下：在粗略計算公式（9）和精確計算公式（15）均假設汽車的廢氣排放在超過一個采樣時間間隔后是恒定的情況下兩公式的計算結果的差異小于0.5%。用計算最壞的情況下的方程式（11）和（13）計算出的值，假定短發(fā)射峰出現在抽樣間隔的開始和末尾，則產生14%和-12%的誤差。然而，從整體的質量特性發(fā)射曲線（圖4中，右）中可以看出，令人難以置信的是汽車尾氣排放達到峰值，并且這個峰值恰巧與取樣同步。這樣，當尾氣排放開始或停止時真正的局部準確度可能在-12%和14%間無常的變化。然而整體或綜合的排放將在所有可行的情況中顯示出一個精度更高的結果。
從圖4和圖5，可以很容易的看出，該車輛在運行時顯示出相當小的系統排放量，即每21min的車程的排放量為0.0046g（3842s）。相反當系統停止后卻上升顯著。在發(fā)動機停止后20min（1200s）內最大的氣流量可達到4.32mg/min并且之后有所下降。很明顯某些系統氫氣部分泄露后直到它們用盡了系統才停止。
注意，所有的變量，如風流量和環(huán)境濃度被認為是在每一個時間步內是恒定的。如果它們緩慢的變化并且它們的值是測量的，則這種方法也可以應用在相同的精確度上。
3.4 靈敏度分析
對于這種方法的靈敏度測量誤差可以由標準誤差傳播方法來分析【12】。它表明室濃度對測量中的隨機誤差在一步步的結果中有相當大的影響，產生兩個不同的測量值。然而這些誤差是當積分發(fā)射時補償所產生的。
濃度值的系統性誤差，即室溫值和外界環(huán)境下的值之間的偏差將導致一個優(yōu)先于積分信號的不正確的線性趨勢。這樣的趨勢可以很容易的被檢測到，如果被測試的車輛顯示在零排放階段，如在夜晚靜止存放后。或者這種偏置能過通過使用相同傳感器對外界的（流入）和燃燒室內的濃度進行測量去減少，這種方法是被推薦的。
此外，這種方法是對取樣率和換氣率的比值的采樣。
這種靈敏度在下面的例子中由于忽略媒介數據點而被突出。用這種方式，采樣率可以很容易的被模擬成為一個2min的多原始采樣。可以看出，在表1中通過增加采樣時間使理論范圍內的不確定性增加。當采樣時間達到與空氣交換時間常量近似值7.72min，即6或8min時，然后最大的不確定性上升到50%以上，從而單步的值變得有些不可靠了。同時，式（9）簡化方法的誤差也上升時，采樣時間增加。這一發(fā)現正好與Shannon信息定理的假設即采樣頻率應該比最高頻率的兩倍更高，因此，在這里，采樣瑩明顯快于空氣交換率的一半。因此，采樣速率2min滿足香農定理，作為系統時間常數（空氣交換率）是7.72min，這導致上述-12%到14%的準確的。
同樣，由于在實踐中車輛的排放測量抽樣是不會發(fā)生在一個具有多個峰的峰狀的方式，積分精度將大優(yōu)于最大的局部誤差提示。這樣在圖6中也可以看出，其中的累積氫氣排放曲線幾乎與四個不同的采樣率是相等的。最后的誤差相比于2min采樣，8min采樣誤差能低1%。
4. 結論
本文介紹了一個來衡量汽車氣體燃料排放系統的方法。該方法是基于試驗存儲單元中的濃度測量和動態(tài)質量平衡計算。每小時排放量低至2克也易于檢測。。
此方法是適用時需滿足如下列條件：
·測試單元內部通風是良好，室內濃度可以被認為是均勻分布的。
·空氣交換率至少低于兩倍的采樣率。準確性隨著采樣率的上升和空氣交換率下降而上升。
·必須測量空氣交換率和污染氣體的流入（環(huán)境）濃度。
如果測試單元的空調安裝有超壓系統，那后者是很易實現的，在空調中所有流入的氣體都會通過A/C管。
這種方法已被驗證實驗證明，它適用于實踐并能給出可靠的結果和整體質量界限。
許多廢氣排放實驗室的空調房有底盤測功機，隨著氣態(tài)燃料汽車如天然氣汽車和燃料電池汽車或其他動力的汽車的數目的增加，這成為了一種衡量氣態(tài)燃料汽車系統的排放量和運行損失的成本合理的方法。
參考文獻
[1] 歐洲石油化工協會，歐洲汽車研發(fā)委員會，聯合研究中心。 歐洲未來汽車燃料和動力系統的顯著分析， 2006年5月，第二版{http://ies.jrc.ec.europa.eu/WTW }。
[2] 羅姆J.汽車和燃料的未來. 能源政策 2006年，34（17）:2609-14。
[3] 葉 S，拉克林 DH，吉文C，蓋奇S.氫運輸經濟、能源使用、空氣排放的綜合評估。 虛擬目錄 電子與電氣工程師協會 2006年，94（10）:1838-51。
[4] Ananthackar V，達菲JJ. 車載燃料電池汽車、太陽能汽車的儲氫效率. 2005年；78（5）:687-94。
[5] 張 JS，費舍爾TS，德蘭光伏 PV，戈爾JP，瑪德沃 I.儲氫技術上的回熱傳導問題 . 熱轉移反式 美國機械工程師協會 2005，127（12）:1391-9。
[6] 布魯克斯DJ，巴爾杜斯SL，德鉻 HL ，高斯RA，舍比RD. 運行損耗測試程序的開發(fā)。 美國汽車工程師協會 技術文件輯1992； 9203（22）:209-55。
[7] 岡瑟 M，德瓦德 D，拉潘 M，詹森 T，森哥樂 W，巴爾杜斯S 等人. 車輛運行的蒸發(fā)損失排放點源和外殼測量技術. 美國汽車工程師協會特刊 1998年; 1335:131-43。
[8] 格林伍德NN，恩肖 A，化學元素。 原出版社，2001。 p.56。
[9] Steinbacher M，菲舍爾 A，福爾默 MK，布赫曼乙 B， 萊曼 S，Hueglin C.常年觀測氫分子（）的瑞士郊區(qū)站點. 大氣環(huán)境 2007年; 41:2111-24。
[10]諾維PC，郎PM, 馬薩瑞爾 KA，赫斯特DF，邁爾斯R，埃爾金斯 JW.對流層中的氫分子：全球分布和預算.地球物理學報1999;104:30427-44。
[11]NISE NS。 控制系統工程.紐約:威利; 2006。
[12]Gertsbakh Ⅱ,測量理論工程.德國：斯普林格出版社; 2003.p.87ff。