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汽車氣候室氫排放系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(lián)邦材料測試與研究實(shí)驗(yàn)室,發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室,CH-8600,2006年9月,瑞士
EMPA,瑞士聯(lián)邦材料測試與研究實(shí)驗(yàn)室,空氣污染/環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵詞: 燃料電池 氣體燃料 氫 系統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)的整體排放量(包括運(yùn)行損耗)仍低于一定的安全范圍后才可使用。本文提出一個(gè)成本效益即通過監(jiān)測系統(tǒng)排放的氣態(tài)氫或其他燃料動力汽車在一個(gè)裝有空調(diào)的底盤測功機(jī)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(shè)備是一個(gè)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(zhì)量平衡的模型。實(shí)驗(yàn)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?yàn)樗麄兿啾绕蛙嚭筒裼蛙嚤憩F(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn) [1] 。在一些國家,液化石油氣的價(jià)格顯著低于于液體燃料,因?yàn)樗跓捰凸に囍惺钱?dāng)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(gè)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(nèi)燃機(jī)內(nèi),其可能在未來汽車技術(shù)發(fā)展中起到重要的推進(jìn)性作用。氫動力汽車的發(fā)展也受限于空氣質(zhì)量因素,和其他溫室氣體的排放及化石燃料供應(yīng)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?yàn)橹圃焐毯土⒎ㄕ吣軌虮O(jiān)控這些氣態(tài)燃料系統(tǒng)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(yùn)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(jī)中模擬。 但是,這需要耗費(fèi)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(nèi)氣體濃度的增加量獲得。這種測試汽油車蒸發(fā)碳?xì)浠衔锏呐欧帕康姆椒ū仨氃赱6,7]密閉的測量室中進(jìn)行(嚴(yán)格密封)或采用所謂的點(diǎn)光源的測量法。然而棚式方法適用于測試停駐的汽車,運(yùn)行損耗會產(chǎn)生一些嚴(yán)重的的密封性問題,因此在底盤測功機(jī)內(nèi)需要密封棚。由于氫的特殊性,很難使殼體的嚴(yán)格密封以進(jìn)行蒸發(fā)排放的碳?xì)浠衔锏臏y量。在備選點(diǎn)源上油箱所有潛在的泄漏點(diǎn)需要配備漏斗或通風(fēng)口保證適當(dāng)?shù)目諝饬魍?,?qiáng)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(kuò)展延伸以適應(yīng)各種車輛的需要,并且一個(gè)測試系統(tǒng)并不能確保測量的總蒸發(fā)排放量的準(zhǔn)確性。
另外,本文提出的這種測量運(yùn)行損耗和應(yīng)用質(zhì)量平衡法與氣候試驗(yàn)的通風(fēng)設(shè)備測量汽車氣體燃料的系統(tǒng)排放的方法。它顯示了什么樣的傳感器設(shè)備是必要的,源排放量是如何計(jì)算的。該方法是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的,敏感性分析也提出了進(jìn)行一定質(zhì)量的測量時(shí)限制條件必須得到滿足。
2. 方法論
2.1 質(zhì)量平衡
這種方法的基本思路是質(zhì)量守恒。如圖1所示氣候室內(nèi)的底盤測功機(jī),導(dǎo)出質(zhì)量平衡方程(1)。流入和流出室內(nèi)的氣態(tài)物質(zhì)(稱之為G)的質(zhì)量的變化時(shí)不同的。假設(shè)氣體和其他物質(zhì)之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。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(nèi)G氣體變化的質(zhì)量,表示流入室內(nèi)的G氣體的總質(zhì)量,表示流出室內(nèi)的G氣體的總質(zhì)量,表示從通風(fēng)設(shè)備中流入室內(nèi)的G氣體質(zhì)量,流入汽車內(nèi)G氣體的質(zhì)量。所有變量均為時(shí)間函數(shù)。
大規(guī)模的燃?xì)釭將流入氣候室。因此,通風(fēng)空氣的質(zhì)量和進(jìn)入空氣中的氣體G的濃度需要被測量。進(jìn)入室內(nèi)另一部分氣體是從汽車?yán)镎舭l(fā)出來的,這是有利的。
不同情況下流入氣候室的G氣體:
預(yù)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(shù)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(shí),會導(dǎo)致危險(xiǎn)物冰的形成,另外擾亂室內(nèi)濕度的控制(圖1)。
如果車輛正在運(yùn)行,并且由一個(gè)消耗空氣的系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(發(fā)動機(jī)或燃料電池系統(tǒng)),相應(yīng)的空氣供給可以從腔室外部 或腔室內(nèi)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(gè)流出的氣體G的質(zhì)量平衡的情況。
測量所有的流出位置處的G氣體的質(zhì)量和濃度顯然是不可能的,但是這個(gè)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(fēng)扇。連同的通風(fēng)的空調(diào)室,這可能會導(dǎo)致高的湍流,腔內(nèi)氣體G的濃度可以被認(rèn)為是均勻的。換句話說,混合時(shí)間常數(shù)在腔必須明顯低于空氣匯率常數(shù)。必須保證氣候室內(nèi)無通風(fēng)不良的死區(qū)。在大多數(shù)情況下,底盤測功器是安裝在氣候室,室內(nèi)的測功器作為破壞電動機(jī)的加強(qiáng)室,是包含在室內(nèi)的。因此,它必須可使艙內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備打開并增加額外的通風(fēng)設(shè)備。
如果室內(nèi)的G氣體確實(shí)是均勻分布的,則這個(gè)濃度測量也適用所有的室外測試。只要壓力能保持室內(nèi)外通風(fēng)穩(wěn)定,流出室內(nèi)的氣體總質(zhì)量等于流入室內(nèi)的氣體總質(zhì)量。因此,這是足以測量流入室內(nèi)空氣質(zhì)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(dāng)然,流入室內(nèi)的G氣體不能直接測量。假設(shè)為理想氣體,則可能是通過如下確定。任何氣體質(zhì)量是密度和體積的乘積。
(2)
所包含的G氣體的質(zhì)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(nèi)進(jìn)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(jìn)行足夠的空氣體積和G氣體濃度的測量,以確定其質(zhì)量流量。 對于室內(nèi)認(rèn)為
(4)
ch代表氣候室。假設(shè)流出腔室的空氣的流量等于流入腔室內(nèi)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(tǒng)的排放量作為單位時(shí)間的流出質(zhì)量以及知道腔體體積、密度和測量進(jìn)入腔室的空氣的體積流量以及腔內(nèi)氣體G的流量、濃度。可計(jì)算出G氣體的質(zhì)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(rèn)為是相等的。
2.2 測量設(shè)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(nèi)的。該RGA3是超微量氣體檢測系統(tǒng),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(gè)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(yù)處理SOFNOCAT脫除和反應(yīng)的雜質(zhì)(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(gè)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?xì)浠衔铩kS后和的分離分析柱(分子篩5A,60/80 mesh;1/8"×30")混和進(jìn)入檢測器,包含氧化汞。氧化汞之間(固體)和和合汞蒸汽進(jìn)行反應(yīng),進(jìn)行定量的方式是通過一個(gè)紫外光度計(jì)進(jìn)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(shù)量成正比。
在連續(xù)觀測濃度的實(shí)驗(yàn)室內(nèi),每2分鐘進(jìn)行一次測試。在每個(gè)測試周期的開始和結(jié)束的周圍空氣中的濃度(濃度的流入)需進(jìn)行30分鐘的測試。 通常情況下,濃度是非常均勻的,在短時(shí)間內(nèi)的一個(gè)測試周期,并在576±94ppb的范圍內(nèi)[9]。
通過稀釋單位(MKAL稀釋,測量技術(shù)有限公司,哈普施泰特,德國),對兩個(gè)高濃度的參考?xì)怏w(50和100.2ppm梅塞爾瑞士,瑞士)進(jìn)行動態(tài)稀釋至零空氣敏感的范圍內(nèi)。稀釋單元間接引用瑞士聯(lián)邦氣流標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)量。不同的兩個(gè)高濃度的混合物重合標(biāo)準(zhǔn)與對方表現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)議NOAA/GDM規(guī)模[10]。的檢測限為±10ppb和衡量標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間分配率的情況下測量,即在幾秒鐘內(nèi)。設(shè)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(shí)間k步結(jié)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(fēng)氣流通常超過一個(gè)時(shí)間間隔的變化非常少。如果使用上面的開頭或結(jié)尾的采樣值的時(shí)間間隔。然而,腔室的濃度有一個(gè)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(zhì)量平衡守恒
(8)
所以
(9)
在數(shù)學(xué)上更復(fù)雜,但也更準(zhǔn)確的是通過求解離散差分方程(5)的分析新增一個(gè)時(shí)間步長,需要一定的假設(shè)。
這里是自由輸入信號(即 ,,)的任意時(shí)間的函數(shù)。 因此,如果必要的話,它可能會測量在高時(shí)間分辨率的通風(fēng)氣流,并利用這段時(shí)間進(jìn)行計(jì)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(shí)遭受一個(gè)巨大的非均勻氣源。 當(dāng)然是時(shí)間的函數(shù)及車輛如何發(fā)出的氣體G是未知的。如果流出的總質(zhì)量給出,最極端的情況下,如果所有被釋放后,立即計(jì)算時(shí)間間隔的開始或末端(峰值函數(shù),圖2 )?!捌骄钡那闆r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(shè)來解決。
在早期峰值的情況下,該解決方案的方程(5)中時(shí)間
(10)
因此,某一時(shí)期排放的G氣體質(zhì)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(dāng)不同,其輸出保持相似,只要采樣間隔T是比較小的通風(fēng)時(shí)間常數(shù) 。 所以,如果兩個(gè)小的采樣間隔和通風(fēng),則在此方法中的質(zhì)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(yīng)用到相同的測試數(shù)據(jù)中,向大家介紹了,準(zhǔn)確度取決于該系統(tǒng)的不同的參數(shù)。
3. 案例分析
在這里所描述的試驗(yàn)案例均在氣候細(xì)胞底盤測功機(jī)進(jìn)行了電子探針。所有的數(shù)字值都本測試設(shè)備得出。
3.1 腔室容積的測定
采用幾何手段估計(jì)腔室體積是相當(dāng)困難的,因?yàn)檐嚦蹋L(fēng),單位熱交換等都很難形容。因此,測試一個(gè)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(nèi)部循環(huán),通過稀釋估計(jì)腔室體積。每256的標(biāo)準(zhǔn)偏差為8。
3.2 體積流量的識別和驗(yàn)證
在通風(fēng)的體積流量是不可能直接測量,但隨著時(shí)間的推移其仍是恒定的,可以通過以下的試驗(yàn)確定。
如上,可計(jì)量一定體積的氣體如氦注入到單元格(同時(shí)通風(fēng))。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(gè)與停駐的汽車。 測量結(jié)果如圖3所示。減去隱藏的濃度和建設(shè)的濃度,濃度直線在2000s處達(dá)檢測上限。
這條直線的斜率是空氣交換率,即。它的倒數(shù)是上面討論的空氣交換的時(shí)間常數(shù),如果一個(gè)腔室容積或通風(fēng)體積流量是已知的,則其他可以計(jì)算出。在此,用給定的腔室容積的體積流0.5605,其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005。體積流量受環(huán)境壓力的影響,因此,應(yīng)該進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)以確保準(zhǔn)確。
此外,如果通風(fēng)的體積流量通過測量是已知的,類似的測試可用于驗(yàn)證整體模型。 一個(gè)已知量的氦(或氫氣)就在那一刻被釋放并允許在設(shè)備中稀釋,測量值可通過微積分(式(11),(13)或(15))計(jì)算出釋放量。這需要反復(fù)檢驗(yàn)。
3.3 蒸發(fā)試驗(yàn)和精度分析
在氫燃料汽車中進(jìn)行氫系統(tǒng)排放測試。測試顯示的測試包括停車時(shí)間從1到2523s,然后加速至3842s,另一個(gè)停車階段是7100s(圖4)。
房地產(chǎn)氫亦進(jìn)行了系統(tǒng)的發(fā)射試驗(yàn) 氫汽車。 這里顯示的測試包括一個(gè)停車 相從1到2523的小號,然后坐測試3842 s,其中 另一個(gè)停車階段進(jìn)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(gè)時(shí)間間隔中汽車的廢氣排放量。他們是用不同的方法和假設(shè)來計(jì)算出來的,即(9),(11),(13)和(15)。
在給定的用一單缸容積為256m,通風(fēng)體積流量為0.5605m/s(給定空氣交換時(shí)間常數(shù)為463s或7.72min)和采樣速率為2min的條件下,精確結(jié)果如下:在粗略計(jì)算公式(9)和精確計(jì)算公式(15)均假設(shè)汽車的廢氣排放在超過一個(gè)采樣時(shí)間間隔后是恒定的情況下兩公式的計(jì)算結(jié)果的差異小于0.5%。用計(jì)算最壞的情況下的方程式(11)和(13)計(jì)算出的值,假定短發(fā)射峰出現(xiàn)在抽樣間隔的開始和末尾,則產(chǎn)生14%和-12%的誤差。然而,從整體的質(zhì)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(dá)到峰值,并且這個(gè)峰值恰巧與取樣同步。這樣,當(dāng)尾氣排放開始或停止時(shí)真正的局部準(zhǔn)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(gè)精度更高的結(jié)果。
從圖4和圖5,可以很容易的看出,該車輛在運(yùn)行時(shí)顯示出相當(dāng)小的系統(tǒng)排放量,即每21min的車程的排放量為0.0046g(3842s)。相反當(dāng)系統(tǒng)停止后卻上升顯著。在發(fā)動機(jī)停止后20min(1200s)內(nèi)最大的氣流量可達(dá)到4.32mg/min并且之后有所下降。很明顯某些系統(tǒng)氫氣部分泄露后直到它們用盡了系統(tǒng)才停止。
注意,所有的變量,如風(fēng)流量和環(huán)境濃度被認(rèn)為是在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)誤差傳播方法來分析【12】。它表明室濃度對測量中的隨機(jī)誤差在一步步的結(jié)果中有相當(dāng)大的影響,產(chǎn)生兩個(gè)不同的測量值。然而這些誤差是當(dāng)積分發(fā)射時(shí)補(bǔ)償所產(chǎn)生的。
濃度值的系統(tǒng)性誤差,即室溫值和外界環(huán)境下的值之間的偏差將導(dǎo)致一個(gè)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?;蛘哌@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(nèi)的濃度進(jìn)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(shù)據(jù)點(diǎn)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(gè)2min的多原始采樣??梢钥闯觯诒?中通過增加采樣時(shí)間使理論范圍內(nèi)的不確定性增加。當(dāng)采樣時(shí)間達(dá)到與空氣交換時(shí)間常量近似值7.72min,即6或8min時(shí),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(shí),式(9)簡化方法的誤差也上升時(shí),采樣時(shí)間增加。這一發(fā)現(xiàn)正好與Shannon信息定理的假設(shè)即采樣頻率應(yīng)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(nóng)定理,作為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)(空氣交換率)是7.72min,這導(dǎo)致上述-12%到14%的準(zhǔn)確的。
同樣,由于在實(shí)踐中車輛的排放測量抽樣是不會發(fā)生在一個(gè)具有多個(gè)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(gè)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(jié)論
本文介紹了一個(gè)來衡量汽車氣體燃料排放系統(tǒng)的方法。該方法是基于試驗(yàn)存儲單元中的濃度測量和動態(tài)質(zhì)量平衡計(jì)算。每小時(shí)排放量低至2克也易于檢測。。
此方法是適用時(shí)需滿足如下列條件:
·測試單元內(nèi)部通風(fēng)是良好,室內(nèi)濃度可以被認(rèn)為是均勻分布的。
·空氣交換率至少低于兩倍的采樣率。準(zhǔn)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(diào)安裝有超壓系統(tǒng),那后者是很易實(shí)現(xiàn)的,在空調(diào)中所有流入的氣體都會通過A/C管。
這種方法已被驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明,它適用于實(shí)踐并能給出可靠的結(jié)果和整體質(zhì)量界限。
許多廢氣排放實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)房有底盤測功機(jī),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(shù)目的增加,這成為了一種衡量氣態(tài)燃料汽車系統(tǒng)的排放量和運(yùn)行損失的成本合理的方法。
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