LNG牵引车燃料消耗量比对试验研究

李泽伟

摘要：本文首先分析了目前较为常见的天然气汽车燃料消耗量测量方法及其优缺点，在此基础上构建流量测试系统对某满载状态下的LNG半挂牵引车天然气燃料消耗量进行了比对试验。道路试验和台架试验结果对比表明，此测试系统操作简便、误差较小，具有较好的实用性。

Abstract： This paper first analyzes the current common methods for measuring the fuel consumption of natural gas vehicles and their advantages and disadvantages. On this basis， a flow test system was constructed and a comparison test of natural gas fuel consumption of a LNG semi-trailer tractor under a full load condition was carried out. The comparison of road test and bench test results shows that this test system is easy to operate， has small errors， and has good practicability.

关键词：天然气汽车;燃料消耗量;流量测量;比对试验

Key words： natural gas vehicle;fuel consumption;flow measurement;comparison test

0  引言

随着石油等传统能源的日益短缺，能源危机逐步显现。各国都在积极开发可替代燃料，天然气以其燃烧高效、储备丰富等优势受到各大汽车厂商的青睐，天然气汽车成为汽车产业发展的重要方向之一。据统计，截止2017年年底，我国天然气汽车保有量为608万辆，同比增长9%，连续四年位居全球第一。其中，压缩天然气（CNG）汽车保有量为573万辆，同比增长7.8%;液化天然气（LNG）汽车保有量为35万辆，同比增长34.6%。LNG重卡保有量为25.5万辆，增幅高达50%[1]。

我国天然气汽车行业发展迅速，但是天然气汽车燃料消耗量的测量却缺乏统一有效的方法。对天然气汽车的燃料消耗量测量方法进行研究，有助于后续相关标准完善、促进我国天然气汽车技术水平的提高。本文基于质量流量法，选取某LNG牵引车进行道路试验与台架试验，并对试验数据进行对比分析。

1  燃料消耗量测量方法及测量装置

1.1 测量方法

目前对天然气汽车燃料消耗量的测量方法主要包括称重法、气瓶传感器测量法、流量测量法和碳平衡法等[2]。

称重法即将气瓶置于称重设备上，通过计算使用前后气瓶总重量的差值得到天然气的消耗量。该方法多用于实验室研究，不能对实车道路试验进行实时测量，适用范围较窄。

气瓶传感器测量法是通过测量气瓶内气体温度与气瓶内外压差，将所测得的数据等参数导入单片机模块计算得到试验前后气瓶内的储气量，储气量的差值即为天然气消耗量。

流量测量法即在天然气汽车燃料供给管路上安装气体流量计，配合计算机的控制和数据处理装置，测量出在一定里程或时间段内的燃料消耗量。根据气体流量计测量原理的不同，流量测量法又可分为容积法、速度法、差压法、质量法等。

碳平衡法基本原理是物质守恒定律。由于燃烧前后燃料与排气的碳质量总和相等，因此通过测量汽车尾气中CO、CO2、HC的含量，再利用碳平衡公式即可得到天然气消耗量。该方法无需拆卸燃料供给管路，是目前国际上常用的实验室内汽车燃料消耗量测量方法。

综合考虑各测量方法的优劣，并结合实际情况，本文选取流量测量法中的质量法进行测量，其基本原理是利用质量流量计直接测量流过管路的气体质量，尽量避免了温度、压力等外界因素的影响，从而计算出天然气汽车的燃料消耗量。

1.2 测量装置

质量流量计类型采用目前应用最广泛的科里奥利质量流量计（Coriolis Mass Flowmeter，CMF）。CMF能够高准度的直接测量管道内流体的质量流量，具有稳定度高、可靠性好、量程比大等优点。CMF一般由传感器和变送器两部分组成，流量传感器是一种基于科里奥利力效应的相位敏感型谐振式传感器，变送器是以微处理为核心的电子系统。图1给出了美国艾默生公司生产的CMF025示例图。

CMF的测量原理是牛顿第二定律F=ma[3]。当流量管中有气体流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。当没有气体流过时，流量管不产生扭曲，流量管两侧检测线圈组检测到的信号是同相位的;当有气体流过时，在力矩作用下流量管将产生扭曲，两检测线圈组之间将存在相位差。变送器计算左右检测信号之间的相位滞后时间，该流量标定系数乘以该滞后时间即可确定质量流量。CMF025的测量原理如图2所示。

2  牵引车燃料消耗量试验标准

2.1 传统燃料消耗量标准

传统燃料主要包括汽油和柴油。目前牵引车传统燃料消耗量限值和试验方法的标准有多种，根据主管部门的不同而进行区分。按照工信部汽车新产品公告的规定，牵引车燃料消耗量限值标准为《重型商用车辆燃料消耗量限值》（GB 30510-2014），试验方法依据为《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》（GB/T 27840-2011），试验工况是由市区、公路和高速三部分组成的C-WTVC循環，主要通过底盘测功机进行试验。C-WTVC循环如图3所示[4]。

按照交通运输部道路运输车辆达标车型的规定，牵引车燃料消耗量限值及试验方法主要依据为《营运货车燃料消耗量限值及测量方法》（JT/T 719-2016），试验工况由等速、加速、怠速三部分组成[5]。

2.2 天然气燃料消耗量标准

国家相继出台了相关标准对天然气汽车的生产及使用进行规范，《天然气汽车定型试验规程》（GB/T 23335-2009）是天然气汽车生产准入管理的重要依据，受测量技术条件限制，天然气汽车新产品公告中并没有对燃料经济性进行要求。《压缩天然气汽车燃料消耗量试验方法》（GB/T 29125-2012）改进了天然气汽车的燃料消耗量测量方法。

3  燃料消耗量试验样车及设备

3.1 试验样车

试验样车选取某4×2型LNG半挂牵引车进行天然气燃料消耗量试验，样车尺寸和质量参数均符合《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》（GB 1589-2016）规定，各项系统工作正常、车况良好，其基本参数见表1。

3.2 试验设备

①天然气发动机气耗仪。该气耗仪由美国艾默生公司CMF 025质量流量计、显示及变送仪表、连接信号电缆组成，采用RS485/USB或RS485/RS232连接到相应计算机进行通讯，通过该气耗仪能测量试验时间、气体质量流量、质量总量等参数。

②Racelogic VBOX 3i。Racelogic VBOX 3i是基于GPS卫星定位原理的数据集成采集器，采样频率可以达到100Hz，能测量时间、实时车速、行驶距离等参数。

③底盘测功机。底盘测功机主要由滚筒装置、加载装置、测量装置、飞轮机构、控制与指示装置等组成。试验时滚筒相当于连续移动的路面，供汽车驱动轮模拟道路行驶，加载装置用于模拟道路行驶时的滚动阻力、空气阻力、爬坡阻力等，按规定试验循环进行操作，从而再现道路行驶中的各种工况。

④PC端。通过安装有Prolink II软件的PC，连接天然气发动机气耗仪对气耗数据实时采集并进行后处理。

3.3 测试系统搭建

设备安装过程中，为防止设备被击穿，应注意串联管路的气体压力不能超出质量流量计的耐压阈值。样车储气瓶中的天然气经过稳压器后的出口压力基本稳定在0.6MPa左右，CMF 025質量流量计的耐压阈值为10MPa，因此将CMF 025质量流量计安装在稳压器后的低压管路上。气耗仪的密封宜采用线密封，通过具有外螺纹的管路接头端部45°锥面与串联管路端部同锥度内锥面挤压形成锥面密封线，安装完成后应通过气体检漏仪进行检测，确保密封效果良好。同时，应确保管路远离排气口等高温区域;质量流量计应固定牢靠，防止振动对数据产生干扰。

4  实车试验

4.1 试验依据

GB/T 27840-2011中提出的C-WTVC循环工况主要通过底盘测功机法实现，在道路试验中该标准操作难度较大，运行精确度要求较高。因此，试验参照JT/T 719-2016开展。

4.2 道路试验

道路试验在某平坦、干燥的专业试验场地进行，其纵向坡度在0.1%以内。采用等速、加速和怠速三种工况开展试验，车辆处于满载状态。

①等速工况。变速器置于最高档或次高档（最高档无法满足试验车速时采用次高档），样车分别以40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、72km/h的车速保持车辆平稳行驶至少100m后，等速通过500m的试验路段，记录通过该路段的时间与燃料消耗量，每个试验车速在测试路段往返测量各两次。每次试验的平均车速与规定试验车速之差应小于等于1km/h，试验时瞬时车速与规定试验车速之差应小于等于2km/h。

②加速工况。变速器置于最高档或次高档（选取速比为1的档位，若无该档位，选取速比最接近于1的档位），将50km/h的起始速度全油门加速到70km/h的终速度作为测量区间，加速前，车速应控制在48～50km/h内保持匀速行驶至少5s，快速将加速踏板踩到底，同时开始测量，车速达到70km/h测量结束，记录加速燃料消耗量、加速时间和距离、起始和终止速度等，在测试路段上往返测量各两次。试验过程中起始速度和终速度与规定速度之差应分别在-2～0km/h和0～2km/h范围之内。

③怠速工况。在等速和加速工况试验结束后立即进行怠速工况，测量时车辆应静止，离合器处于接合位置，变速器处于空挡位置，加速踏板完全松开，发动机转速保持车辆制造厂规定的怠速转速，转速允许偏差为±50r/min。每次测量时间为300s，测量3次，记录燃料消耗量。

4.3 台架试验

4.3.1 行驶阻力测定

在开展台架试验之前，应根据GB/T 27840-2011通过滑行试验测定行驶阻力。行驶阻力的测量，需要道路平直、干燥且纵向坡度在±0.1%以内，天气无雨、无雾，相对湿度小于95%，大气温度0～40℃，在高出路面1.6m处的平均风速不大于3m/s且阵风不大于5m/s。行驶阻力可以通过公式（1）表示：

4.3.2 试验工况

在底盘测功机上输入公式（1）中计算出的a、b、c系数，设定行驶阻力。等速、加速和怠速三种试验工况设置与道路试验相同。

4.4 试验数据处理与分析

本次试验处理数据的基本思路是：首先计算出各工况中每次试验的气耗量，再根据《商用车辆燃料消耗量试验方法》（GB/T 12545.2）进行重复性检验，以各工况中每次试验测量结果的算术平均值作为该工况气耗量的测定值，最终对比分析道路试验与台架试验数据。道路试验数据见表2～表4。

从表5可以看出，在等速、加速和怠速工况中，台架试验的天然气燃料消耗量相对于道路试验来说，误差均在10%以内，表明该测试系统准确度较高、实用性较好。

5  结论

本文基于科里奥利质量流量计搭建了天然气汽车燃料消耗量测试系统，并对某LNG牵引车燃料消耗量进行道路试验和台架试验比对测量，试验结果表明，该测试系统简便实用、测量误差较小，基本能满足天然气汽车的测试需求。由于我国不同地区天然气组分差异较大，后续研究中应构建相关公式将测量结果校正到标准状况下的燃料消耗量，有利于相关标准中天然气汽车燃料消耗量阈值的确定。

参考文献：

[1]王升.中国天然气汽车保有量连续4年全球第一[EB/OL]. http：//paper.people.com.cn/zgnyb/html/2018-09/10/content_1880612.htm，2018-09-10.

[2]骆玲.营运天然气汽车燃料消耗量测量方法研究[D].长安大学，2014.

[3]齐晓霞.质量流量计的原理及应用[J].仪器仪表用户，2016，23（04）：44-46，53.

[4]GB/T 27840-2011，重型商用车辆燃料消耗量测量方法[S]. 北京：中国标准出版社，2012.

[5]JT/T 719-2016，营运货车燃料消耗量限值及测量方法[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.