發動機性能試驗臺連續油耗測量設計及誤差分析

陳修魁 李忠利 劉小鋒

摘要：發動機性能試驗臺架的燃油消耗量是發動機經濟性的重要指標，對發動機油耗測量進行研究，旨在提高油耗測量的精度、簡化人工操作。主要研究了一種適用于小型發動機性能試驗臺架減量式連續測量油耗的裝置，該裝置采用了雙油杯測量的方法，通過控制2個油杯進、出油電磁閥來實現連續測量的目的。著重分析了大量的試驗數據，解決了影響誤差的關鍵問題，最終實現了在小流量油耗測量下相對誤差控制在±50%以內，大流量下測量精度同樣滿足要求。該油耗儀成功解決了發動機性能試驗臺架不能連續測量油耗的問題，與國內外同類稱質量式油耗儀產品相比，該油耗儀精度較高、成本較低、易于實現批量化生產。

關鍵詞：小型發動機;試驗臺架;減量式;雙油杯測量法;連續測量;誤差

中圖分類號： TK411+.7 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）11-0240-06

收稿日期：2019-06-18

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2017YFD0700304-02）。

作者簡介：陳修魁（1993—），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為汽車電子控制技術。E-mail：1114716549@qq.com。

通信作者：李忠利，碩士，副教授，碩士生導師，研究方向為汽車電子控制技術。E-mail：2784702780@qq.com。 ?燃油消耗量是發動機臺架性能試驗必測的參數，直接反映發動機的經濟性能。目前，國內外的油耗測量方法主要有質量法、容積法和碳平衡法[1]。容積法主要用于行駛的車輛上，受燃油的溫度與密度影響較大，且在小流量油耗的情況下測量誤差較大;碳平衡法測量結構復雜，成本較高;質量法測量簡便，不受燃油溫度、密度的影響，精度較高，且成本低，所以開展對質量法測量精度的研究具有重要意義。

隨著電子控制技術的發展，質量法自動控制油耗測量取得了顯著成果，特別是在軟硬件設計及測量誤差分析方面。張增建等研究了以W77C32單片機為核心的發動機瞬時油耗測量系統，分析了幾何量、非線性和重復性對油耗測量系統產生的影響[2]。裘正軍等提出了用失重法測量發動機耗油率的方法，并設計了以單片機為核心的智能測量裝置，介紹了油耗測量系統的結構與測量原理、單片機測量電路及測量軟件的設計[3]。胡凈等設計了油耗儀軟硬件系統，提出了瞬時油耗率和平均油耗率的獲取方法[4]。周躍鋼等研究了在AD7730模塊基礎上，分析了斬波方式、數字濾波以及A/D（模擬數字轉換器）輸出速率對有效分辨率、測量精度的影響[5]。上述的測量方法在油耗測量過程中都沒有實現油耗的連續測量，并且都是針對大流量油耗發動機。由于研究者對影響測量誤差的因素考慮不全，導致測量誤差較大，尤其是在發動機小流量油耗下測量誤差更大。為解決這一問題，目前使用最多的是科里奧利質量流量計，該流量計避免了燃油密度和溫度的影響，相對于傳統油耗儀測量精度高，但科里奧利質量流量計存在零點漂移、振動干擾敏感、安裝要求高、成本昂貴等缺點[6]。

本研究在單油杯、單稱質量式壓力傳感器油耗測量基礎上，設計了一種自動控制連續測量油耗的裝置，避免了傳統稱質量式油耗裝置須要充油等待、測試時間受限的問題。通過對油耗儀長時間的測量試驗數據進行分析，得出了影響測量精度的主要因素，并采取了相應的解決方法，該油耗儀在小流量（0.05～3.00 g/s）下已達到±50%內的測量精度要求，且成本較低。

1 油耗儀設計及功能

該油耗測量裝置采用質量法測量，主要由懸臂梁式高精度壓力傳感器、自動切換單向電磁閥、調壓閥、回油散熱裝置、燃油濾清器和循環電動油泵等組成。

油耗測量系統設計結構見圖1，油杯A和油杯B分別放在懸臂梁式高精度壓力傳感器1和2上，進入油杯A的油管上連接有充油電磁閥1、供油電磁閥3以及回油管上的回油電磁閥5;同樣在進入油杯B的油管上連接有充油電磁閥2、供油電磁閥4以及回油管上連接有回油電磁閥6。進入充油電磁閥1和電磁閥2的油管連接電動油泵至燃油箱，實現燃油測量油杯的充油;從電磁閥3或電磁閥4出來的燃油給發動機供油，發動機未消耗的燃油通過回油管換熱器和回油電磁閥，回到正在測量的油杯中，目的是消除燃油中的氣泡和冷卻發動機回油。

該油耗測量裝置的設計除基本測量功能外，還可實現以下功能：（1）可實現充油準備、供油回油切換故障報警等高度自動化功能;（2）具有圖形液晶觸摸屏，不僅用于參數顯示和狀態顯示，還可以進行參數設置和壓力傳感器多點標定功能，實現了高精度稱量;（3）多種參數輸出，具有時間、瞬時流量和累計流量等多種參數顯示及通信輸出功能;（4）具有完善的運行狀態監視功能，可通過本地觸摸屏、遠程線控和通信輸出等方式監控系統的運行狀態及報警保護狀態，最大限度地避免了充油時的溢油問題（圖2、圖3）。

2 油耗測量的誤差分析及誤差解決措施

通過大量試驗數據分析了油耗裝置影響誤差的因素，并提出了解決辦法。誤差按其性質和原因主要分為系統誤差、隨機誤差和粗大誤差[7]。系統誤差是由某些固定不變的因素引起的，在相同條件下進行多次測量，其誤差值保持恒定不變或隨條件

改變按一定規律變化;隨機誤差是由某些不易控制的因素造成的，在相同條件下進行多次測量，其測量值無任何規律;粗大誤差是由試驗人員粗心造成的誤差，與實際值明顯不符的誤差[8-11]。在這3類誤差的基礎上經過長時間的反復試驗獲取油耗測量數據，得出主要影響油耗測量精度的因素。

2.1 燃油在油杯內擾動影響誤差

該油耗儀設計主要是針對小功率發動機，考慮到測量精度，該油耗儀選擇滿量程為200 g的稱質量傳感器。同時考慮到汽油的揮發性的問題，設計采用相對質量輕、截面積小的金屬容器，該油杯采用了容量為250 mL、凈質量為20 g、截面積為 50 mm 的直圓柱型油杯。

在油耗測量過程中，油管回油到油杯中會產生燃油對油杯底部的沖擊力，從而產生對壓力傳感器的作用力，對測量結果影響較大。為避免這種誤差，目前大多數單油杯測量裝置研究者把油管放置在油杯底部，油管經波紋管與油杯采用剛性連接，燃油通過油杯底部油管進出。但是要保證測量精度，要求壓力傳感器較靈敏，油管施加在壓力傳感器上的附加作用力，勢必會影響到測量結果，導致誤差較大。

該設計是在機械結構上對油管底部附近側壁開孔，從而避開燃油直接從油管底部流出造成對油杯底部的沖擊。由于油管是從側壁孔中流出或流入，其可能會產生燃油面波動，油面的波動會對油杯產生振動，進而作用到壓力傳感器上，也會影響測量精度。為減少回油對油杯的振動，本設計在油杯內加入網狀隔板來減少燃油大幅度波動，從而保證了測量精度（圖4）。

在油耗測量過程中，油杯內燃油有下降運動，考慮到會產生慣性力F慣，作用在壓力傳感器附加載荷影響到測量精度。對油杯內燃油下降作用在壓力傳感器上的F慣進行誤差分析如下：

式中：G測表示壓力傳感器的測量值，N;G實表示實際壓力值，N;F慣表示燃油下降時對油杯產生的慣性力，N;ρ表示燃油密度，kg/m3;D表示油杯的內徑，m;a表示燃油下降加速度，m/s2;l表示油管的插入長度，m;v表示燃油下降速度，m/s;Q表示燃油流量，g/s;t表示時間，s;S表示油杯的內截面積，m2;g表示重力加速度，取g=9.8 m/s2;δ表示擾動實際油耗與測量油耗之比。

從式（3）、（4）、（5）中可以看出，Q越小，S越大，該F慣誤差影響越小。該油耗儀是采用懸臂梁式壓力傳感器滿量程為200 g，主要是針對小流量進行燃油消耗測量，因此油杯內燃油下降F慣對壓力傳感器誤差影響很小，幾乎可以忽略不計;當在大流量測量下可以選擇S相對大些的油杯，進而保證了燃油在不同流量下的測量精度。

2.2 油管浮力誤差

在油耗測量裝置試驗驗證中發現，實際油耗與測量油耗總是有一定的誤差（圖5）。當油耗測量時，油杯中的燃油通過插入油杯中的油管不斷地被發動機消耗。油杯內燃油管里的燃油不完全作用于壓力傳感器上，因此在燃油液面以下的油管薄壁部分體積與油管里的燃油可以合并在一起，可以理解為外徑為d的圓柱體。由阿基米德原理可知，插在油杯里的圓柱體受到油杯內燃油的浮力F浮，同時油杯會受到F浮的反作用力，最終作用在壓力傳感器上造成測量誤差。

由于進出油管從上端插入油杯，在燃油面發生變化時，供油管和回油管的插入長度也會發生變化，從而造成油管體積的變化即F浮變化，從而引起壓力傳感器上的作用力發生變化，為了修正這個誤差，進行了以下推導和計算：

式中：F浮表示油管插入部分的浮力，N;d表示油管的外徑，m;s表示油管總截面積，m2;δm表示壓力傳感器實際值與測量值之比。

因此，油管F浮誤差只與油管和油杯的截面積（S和s）有關，當二者的部件確定后，其截面積（S和s）也就確定了，所以實際值G實與測量值G測′相差固定的系數為0.978 5。通過控制程序對測量值G測′的系數修正，可以使該油管F浮對誤差的影響降到最低（圖5）。該方法簡單方便，且能取得良好的效果。

2.3 燃油切換閥擾動影響誤差

由于該油耗儀是連續測量的，在測量過程中，通過控制電磁閥進行A、B 2個油杯之間切換，在切換過程中勢必會產生竄油現象，使當前測量油杯內的油耗增加，從而造成測量誤差。為避免這種誤差，通過控制電磁閥的開啟時間使A、B 2個油杯在測量時供油電磁閥同時開啟一段時間，同時使A、B 2個油杯的充油電磁閥處于關閉狀態。

2.4 零點漂移及累積誤差

該油耗儀采用減量式測量，即上一時刻油杯內的燃油量與下一時刻燃油量的差值記為燃油消耗量，這樣就避免零點漂移產生的誤差，然后把每次的差值進行累加，得出燃油的消耗量。同時為了避免油耗累計產生的誤差，該設計通過控制算法在每次向油杯內充油和供油后都會進行稱質量，可得出二者的差值與累計后的燃油消耗量進行修正，使該油耗儀測量精度在很大程度上得到提高。

3 試驗驗證結果與分析

通過排除以上影響測量精度的因素，對該油耗測量設備采用靜態驗證和動態驗證。由圖6可知，模擬KT154F（3HP）小型發動機燃油消耗，發動機油泵選擇25 L/h的轉子泵，它的自吸功率有限，進油口附近如果有大量的空氣，油泵將無法正常工作;該發動機燃油消耗率為200 g/（kW·h）左右，瞬時油耗為0.05 g/s左右，通過調節流量控制閥來模擬發動機燃油流量。由圖7可知，測油電磁閥的開閉是通過觸摸屏按鍵進行控制的，即開始測量時電磁閥開啟，停止測量時關閉電磁閥，以達到同步測量的目的。平衡壓力電磁閥與測油電磁閥是互斥的，為避免燃油在油管內壓力發生變化對油耗測量產生誤差。

當油耗測量結束后，把測量杯放到電子天平上（圖8），測出燃油消耗的實際質量，然后通過測量值與實際值的對比，觀察油耗儀的測量誤差大小。

3.1 靜態測量

進行油耗儀靜態系統的驗證，保持油耗儀運行一段時間，使油耗儀各管路充滿油。在不給發動機供油的情況下，使燃油在油耗裝置系統內進行供油并全部回油到油杯中，以驗證油耗壓力傳感器的零點漂移和采集數據的精確度。由于沒有燃油消耗，理論上應該是油杯內燃油減少量為0。在滿量程為200 g沒有消耗燃油的前提下，進行數據采集并繪制曲線（圖9），可以觀察到數據點在0刻度線上下波動。

進行曲線擬合觀察，由于沒有燃油消耗，曲線擬合應該是一條在0刻度線的直線，但是從曲線擬

合上可以觀察到直線存在微小的斜率（圖9-a）。通過長時間的試驗驗證，燃油在管道內流動時間越長，其直線的斜率越小，當最后油溫達到飽和后，其是斜率接近0的直線（圖9-b）?？梢姡加驮谟捅眉肮艿纼妊h流動，必然會造成油溫升高，經過油管彎道或閥處等其他器件處燃油壓力低于空氣分離壓時，原來溶解燃油液中的空氣分離出來，形成氣泡，稱為氣穴。這種現象會改變燃油在油杯中的質量，對油耗測量產生很大的困擾，從而導致測量產生誤差。為避免此現象，在測量過程中使燃油溫度達到飽和，同時盡量減少油耗儀到發動機之間的供油管路，且供油管路采用了統一截面積的管道，接口處密封良好，避免了局部阻力過大。

3.2 動態測量

進行動態誤差的驗證前，首先保證油耗儀各個進回油管路充滿油，使油耗儀運行一段時間。發動機性能試驗臺架燃油消耗量的測量，是按照GB/T 18297—2001《汽車發動機性能試驗方法》執行的，燃油消耗測量時間為20 s/次，燃油消耗量值相對誤差≤1%時，測量數據有效。被測燃油從油耗儀流出，并在電子天平上進行實際測量，將被測燃油稱量的實際值與油耗儀的測量值進行對比，在不同測量值下多次驗證對比，結果見表1，測量相對誤差已控制在±0.50%以內。

4 結論

本研究設計了一種基于發動機性能試驗臺架的壓力式連續測量油耗儀，該儀器采用了雙油杯切換計量方式，實現了稱質量法油耗的連續計量，避免了傳統稱質量油耗計須要充油等待、測試時間受限的問題。該油耗儀對發動機性能試驗臺架內影響油耗測量結果精度的主要因素進行了分析，并制定了相應的解決措施，通過對系統誤差的系數修正、燃油在油杯內擾動的誤差分析、切換閥狀態和液壓系統以盡最大方式進行優化，可以很好地降低油耗測量系統各項誤差，為更精準的油耗測量提供

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