發動機燃油消耗評估方法

張慶良

（邯鄲職業技術學院機電系，河北邯鄲056005）

發動機燃油消耗評估方法

張慶良

（邯鄲職業技術學院機電系，河北邯鄲056005）

簡介了燃油消耗測量方法中的容積法、質量法以及碳平衡法的測量原理，討論了使用上述不同測試方法時試驗系統的區別，陳述了各種方法對硬件的要求，比較了碳平衡法中定容取樣系統和開式排氣稀釋取樣系統的區別，分析了應用碳平衡法與傳統油耗測量方法試驗結果差異的原因。

油耗碳平衡法取樣

1 前言

燃油經濟性是發動機綜合性能的一項重要指標，一般使用燃油消耗率來評價。油耗率的測定方法有容積法和質量法，流量計法和流速計法。前2種方法可測得所消耗燃油的容積和質量，主要應用于測定發動機穩定工況的燃油消耗；后2種方法可測得在一定時間內通過的燃油容積或質量，主要用于測定發動機瞬態工況的油耗。此外還可按照GB/T 19233 -2008“輕型汽車燃料消耗量試驗方法”，在測量發動機排放的同時通過碳平衡法計算出發動機油耗。

2 燃油消耗測量原理

2.1 容積法

容積法由發動機消耗一定體積V燃油所需時間t計算而得，其公式為[1]：

式中，

GT——小時耗油量，kg/h；

ρ——燃油密度，kg/L；

ge——油耗率，g/(kW·h)；

P——發動機有效功率，kW。

電控燃油噴射發動機在穩定運行狀態時，燃油泵向燃油分配管和噴油器不間斷地供油，燃油泵最高輸出壓力可達0.45~0.6 MPa。電動燃油泵供油量比發動機最大油耗量大的原因為防止發動機供油不足；較大的燃油流量可以散發供油系統的熱量，以防止油路產生氣阻[2]。因此電控燃油噴射發動機噴油量與噴油壓力、系統油壓無關，并且不受發動機負荷、轉速、進氣歧管真空度影響，而只與噴油器的開啟時間有關。

基于電控燃油噴射發動機油耗量與電控噴油器開啟時間成正比，張翠云和黃鍵[3]設計出適用于電控燃油噴射發動機的瞬態油耗測量裝置。其設計思路為在油箱與噴油器間加裝包含有標定器儲油罐、油泵、電磁閥在內的測控裝置，如圖1所示。

圖1 測控裝置示意

發動機瞬態油耗測試過程分為2個階段：標定階段時，電磁閥V1導通，電磁閥V2，V3，V4位置如圖1所示，在發動機工作的同時向標定器儲油罐供油；檢測階段時，電磁閥V1截止，電磁閥V2，V3，V4的1端子和3端子導通，即在測量油耗時，發動機燃油消耗來自于標定器儲油罐。在標定器儲油罐的玻璃管A、B處裝有光電傳感器，因此在測得對應于A、B位置噴油器驅動脈沖后，可得瞬態油耗率：

2.2 質量法

質量法是通過測定發動機消耗一定量G燃油所需時間t而得到的，其計算式為[1]：

文獻[4]研究了將單片機應用于質量法上進行發動機瞬態油耗測量的系統。其原理為：油箱固定于壓力傳感器上，壓力傳感器電壓信號變化取決于發.動機工作時油箱內燃油質量的變化。瞬態油耗率的表達式為：

式中，

K'——測量常數，g/V；

dU——在dt時間內壓力傳感器輸出電壓信號變化，V。

受制于電路分辨率，固定于壓力傳感器上的油箱不能太大。但是油量過少會導致試驗時間太短，需要經常向油箱充油，充油過程中油箱內燃油質量變化不應計算于油耗率之中，所以該瞬態油耗測量系統采用數值差分法求取油箱充油階段內發動機的油耗率。

2.3 碳平衡法

碳平衡法的基本依據是質量守恒定律，碳平衡法的提出是基于以下假設[5~6]：

（1）燃油為碳氫化合物；

（2）燃油燃燒后的生成物全部由排氣管中排出；

（3）廢氣中的碳僅包含于CO、CO2和HC中，其他生成物，例如碳顆粒、部分溶于水的碳氫化合物不予考慮；

（4）廢氣中的碳來源于所消耗燃油中的碳，氣化損失、曲軸箱竄氣、燃油在曲軸箱機油中的沉淀物以及氣缸活塞表面沉積物不予考慮。

GB/T 19233-2008“輕型汽車燃料消耗量試驗方法”中采用的碳平衡法參照了歐洲經濟委員會的ECE R101-02法規而制訂。GB/T 19233-2008中規定應先按照GB 18352.2-2001“輕型汽車污染物排放限值及測量方法（II）”或者GB 18352.3-2005“輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）”中描述的模擬市區和市郊行駛工況的試驗循環測量CO、CO2和HC排放量，然后應用公式計算燃料消耗量。對于裝備汽油機的車輛，可按下式計算：

對于裝備柴油機的車輛，則可按下式計算：

式中，

FC——燃料消耗量，L/100 km；

HC、CO、CO2——分別為測得的碳氫化合物、一氧化碳、二氧化碳排放量，g/km；

ρ——288K下試驗燃料的密度，kg/L。

式（7）、（8）均假定HC中的碳含量為0.866，CO和CO2中的碳含量可由其化學式得出。其中的系數0.115 4和0.115 5是假定汽油和柴油的氫碳比為固定值，即分別為1.85、1.86時而得到。

就不同國家而言，碳平衡法公式表現形式不同，但實質相同。例如日本發動機油耗試驗中不僅考慮燃油中氫碳比，還考慮氧碳原子比，并且燃料消耗量單位是km/L；美國則使用MPG（Mile Per Gallon，每加侖行駛的英里數）計算燃料消耗，并且在公式中考慮燃料凈熱值NHV（Net Heating Value）[5]。

3 試驗系統硬件

3.1 油耗儀

傳統上發動機油耗測量使用油耗儀，油耗儀通過三通接頭和油管與發動機和油箱相連，如圖2所示。其中油耗儀可以是有刻度的玻璃球泡（應用容積法）或者是放置于天平上的量杯、量筒（應用質量法）。

圖2 傳統油耗測量方法

對于電控燃油噴射發動機而言，供油壓力和供油量大，且不受發動機工作情況的影響，回油壓力和回油量大，傳統的油耗儀無法正常工作。文獻[7]提出應用雙油耗儀對電控燃油噴射發動機的油耗測定，使用2套油耗儀分別測量進油量和回油量，其差值為油耗，如圖3所示。

圖3 雙油耗儀測試法

該法雖然原理正確，但其最大缺點在于雙油耗儀的系統誤差大于2套油耗儀的誤差之和，圖3中加裝控制面板的目的就是減少雙油耗儀的系統誤差。

文獻[8]提出在油耗儀與發動機的進油管上加裝穩油箱，將燃油泵內置于穩油箱內，并加裝空氣孔和隔板、浮子、針閥，如圖4所示。

在穩油箱內先預置燃油，燃油噴入發動機后，穩油箱的油面下降，浮子隨之下移，針閥打開，油耗儀中的燃油自動補充到穩油箱中，穩油箱的油面保持不變。為保證穩油箱左右室相通，隔板下部應留有間隙。

圖4 電噴發動機油耗測量示意

3.2 碳平衡法取樣系統

應用傳統方法對車輛進行燃油經濟性檢測時需要拆裝供油管路，將油耗儀或流量傳感器接入到發動機供油管路上，屬于解體檢測。對于電控燃油噴射發動機而言，將測量儀器串聯到供油管路上會導致發動機油路的壓力降增大，導致測量時發動機工作狀態與實際工作狀態不符，影響油耗測量精度。3.2.1定容取樣系統

應用定容取樣系統（CVS）進行測量時將汽車廢氣用環境空氣不斷稀釋，因此可以減少化學活性強的物質相互作用而引起成分變化。因為測量時廢氣處于稀釋狀態，相對接近于汽車排氣中的不斷擴散狀態，因此可以防止水蒸氣和高沸點碳氫化合物在取樣系統中凝結。使用定容取樣系統對廢氣進行檢測屬于非解體檢測，其核心為流量計和廢氣分析儀，如圖5所示。

定容取樣系統對硬件的基本要求是：

（1）系統密封良好；

（2）系統材料不得影響排氣中含碳化合物濃度；

（3）系統連接于汽車排氣管后，排氣管處靜壓強波動范圍為±1.25 kPa；

（4）測溫點、測壓點和測流量點3處的排氣溫度、壓力和流量應當相同。

定容取樣系統對系統物理參數的測量精度有相應要求。定容取樣系統設備龐大，結構復雜，價格昂貴。定容取樣系統要求取樣系統與汽車排氣管間采用封閉連接以保證汽車排出的全部廢氣進入穩壓箱，因此不適用于檢測線上的快速檢測。

3.2.2 開式排氣稀釋取樣系統

開式排氣稀釋取樣系統的取樣口無需與汽車排氣管封閉相連，只需將取樣口正對排氣管即可。其核心仍然是流量計和氣體分析儀，如圖6所示。開式排氣稀釋取樣系統檢測快速、簡便，適用于檢測線上對營運車輛油耗的流水檢測。

圖5 定容取樣系統示意

3.3 流量計和傳感器

圖6 開式排氣稀釋取樣系統示意

吳強[9]介紹了日本小野測器的流量傳感器MF-2200的工作原理。由于電控燃油噴射發動機回油量大的工作特點，MF-2200內增加回油的處理部分。發動機返回的燃油被導入熱交換器中按照油箱的溫度進行冷卻，之后被燃油泵泵出參與循環，MF-2200的工作原理如圖7所示。

MF-2200中使用的流量計為容積式流量計FP-2140。FP-2140包含流量/轉速變換部分和轉速/脈沖變換部分。流量/轉速變換部分通過液體流入、流出向心布置的4個活塞的往復運動帶動曲軸旋轉而將流量變換為曲軸轉速。轉速/脈沖變換部分將曲軸的旋轉運動變換為脈沖信號而顯示出流量。

文獻[10]研究了開式排氣稀釋取樣系統，并且闡述了錐形流量計的計算模型及其設計、仿真、標定的過程。

4 試驗誤差分析

圖7 MF-2200原理示意

燃料經濟性評估可以使用油耗儀法、流量計法、碳平衡法。試驗時，研究人員可選取不同工況，典型工況包括美國環境保護署（Environmental Protection Agency，EPA）通用汽油機排放認證試驗工況，美國行駛工況（US Driving Cycle，USDC），歐洲行駛工況（European Driving Cycle，EDC）和新歐洲行駛工況（New European Driving Cycle，NEDC），日本行駛工況（Japanese Driving Cycle，JDC），美國聯邦測試程序(Federal Test Procedure，FTP)為代表的瞬態工況FTP72，中國典型城市行駛工況（Chinese Driving Cycle，CDC）等。在設定工況下，將油耗儀串聯于油路中會對發動機供油系統產生影響，而碳平衡法則不存在此問題。

發動機磨損，曲軸箱竄氣，燒機油都會導致碳平衡法所做的假設受到影響，因而車況衰退會降低碳平衡法檢測燃油消耗量的準確程度。

燃油密度差異會導致燃油消耗量誤差增大。劉瑞昌[11]等人從長春地區隨機選取了10個加油站，從每個加油站抽取1份90號無鉛汽油樣本，所得碳氫比最大為6.148 89，最小為6.010 52；燃油密度最大為0.721 0 kg/L（對應碳氫比為6.148 89），最小為0.697 5 kg/L（對應碳氫比為6.010 52）。但是對檢測線上的快速檢測，燃油密度不可能從被檢車輛上抽取檢測，因此應用碳平衡法進行快速檢測誤差較大。

5 結束語

給出了燃油消耗的測定方法。在燃油消耗測量原理中比較了容積法、質量法和碳平衡法的區別。探討了油耗儀在發動機上，尤其是在電控燃油噴射發動機上的應用及其改進。分析了碳平衡法2種取樣系統的區別，討論了取樣系統的核心部件流量傳感器。

1董敬，莊志.汽車拖拉機發動機（第2版）[M].北京：機械工業出版社，1993：135-142.

2秦明華.汽車電器與電子技術（第1版）[M].北京：北京理工大學出版社，2003：183-195.

3張翠云，黃鍵.智能型快速油耗測試儀的設計[J].福建：福建農林大學學報（自然科學版），2006，35（5）：549-553.

4裘正軍，何勇.發動機瞬時油耗測量系統的設計[J].農業機械學報，2002，33（1）：124-125.

5方茂東，鄭賀悅.基于碳平衡法的汽車油耗測量方法[J].汽車工程，2003，25（3）：295-297.

6王云鵬，劉瑞昌，祖力等.基于汽油含碳量的碳平衡法模型[J].公路交通科技，2004，21（12）：127-129.

7韓同群.共軌柴油機在車燃油消耗測量方法[J].汽車技術，2006（8）：26-27.

8譚理剛，龍敦厚，李覺民.電子燃油噴射發動機油耗測量方法研究[J].內燃機，2006（3）：27-38.

9吳強.汽車燃油消耗量的測量[J].北京汽車，2004（6）：24-27.

10劉軍，姚健，高建立等.汽車燃油消耗量快速測量系統研究[J].汽車技術，2008（4）：47-50.

11劉瑞昌，王云鵬，祖力等.汽油含碳量與汽油密度的關系模型[J].公路交通科技，2004，21（3）：121-123.

表6 ETC扭矩回歸分析因素影響

表7 ETC轉速回歸分析因素影響

表8 ETC扭矩回歸分析因素影響

5 結論

從實例的時間偏移和扭矩可刪點兩個方面的回歸分析結果來看，轉速對時間偏移較敏感，而扭矩更依賴刪除點條件。

另外從算法上來看，我們采用LABVIEW算法和AVL PUMA算法發現也會對計算結果有輕微影響；而且對城市道路，鄉間道路和高速道路的分解來看，貢獻率也是有差異的，在這里不再討論。

Methods for Evaluating Engine Fuel Consumption

Zhang Qingliang
(Mechatronics Department,Handan Polytechnic College,Handan 056005,China)

Auto fuel economy is evaluated by measuring fuel consumption rate.Fuel consumption rate is measured in transient mode or steady mode.The principles of gravimetric,volumetric and carbon balance methods are introduced.The difference of three experiment systems is discussed.Relevant hardware requirements are illustrated.The difference of constant volume sampling system and open exhaust dilution sampling system applied in carbon balance method is showed.Reason of the difference in experimental results of carbon balance method and traditional fuel consumption quantity method is analyzed.

fuel consumption,carbon balance method,sampling

來稿日期：2009-02-03

張慶良（1972-），男，碩士研究生，講師，從事汽車運用教學和實訓。