发动机燃油消耗评估方法

张庆良

（邯郸职业技术学院机电系，河北邯郸056005）

发动机燃油消耗评估方法

张庆良

（邯郸职业技术学院机电系，河北邯郸056005）

简介了燃油消耗测量方法中的容积法、质量法以及碳平衡法的测量原理，讨论了使用上述不同测试方法时试验系统的区别，陈述了各种方法对硬件的要求，比较了碳平衡法中定容取样系统和开式排气稀释取样系统的区别，分析了应用碳平衡法与传统油耗测量方法试验结果差异的原因。

油耗碳平衡法取样

1 前言

燃油经济性是发动机综合性能的一项重要指标，一般使用燃油消耗率来评价。油耗率的测定方法有容积法和质量法，流量计法和流速计法。前2种方法可测得所消耗燃油的容积和质量，主要应用于测定发动机稳定工况的燃油消耗；后2种方法可测得在一定时间内通过的燃油容积或质量，主要用于测定发动机瞬态工况的油耗。此外还可按照GB/T 19233 -2008“轻型汽车燃料消耗量试验方法”，在测量发动机排放的同时通过碳平衡法计算出发动机油耗。

2 燃油消耗测量原理

2.1 容积法

容积法由发动机消耗一定体积V燃油所需时间t计算而得，其公式为[1]：

式中，

GT——小时耗油量，kg/h；

ρ——燃油密度，kg/L；

ge——油耗率，g/(kW·h)；

P——发动机有效功率，kW。

电控燃油喷射发动机在稳定运行状态时，燃油泵向燃油分配管和喷油器不间断地供油，燃油泵最高输出压力可达0.45~0.6 MPa。电动燃油泵供油量比发动机最大油耗量大的原因为防止发动机供油不足；较大的燃油流量可以散发供油系统的热量，以防止油路产生气阻[2]。因此电控燃油喷射发动机喷油量与喷油压力、系统油压无关，并且不受发动机负荷、转速、进气歧管真空度影响，而只与喷油器的开启时间有关。

基于电控燃油喷射发动机油耗量与电控喷油器开启时间成正比，张翠云和黄键[3]设计出适用于电控燃油喷射发动机的瞬态油耗测量装置。其设计思路为在油箱与喷油器间加装包含有标定器储油罐、油泵、电磁阀在内的测控装置，如图1所示。

图1 测控装置示意

发动机瞬态油耗测试过程分为2个阶段：标定阶段时，电磁阀V1导通，电磁阀V2，V3，V4位置如图1所示，在发动机工作的同时向标定器储油罐供油；检测阶段时，电磁阀V1截止，电磁阀V2，V3，V4的1端子和3端子导通，即在测量油耗时，发动机燃油消耗来自于标定器储油罐。在标定器储油罐的玻璃管A、B处装有光电传感器，因此在测得对应于A、B位置喷油器驱动脉冲后，可得瞬态油耗率：

2.2 质量法

质量法是通过测定发动机消耗一定量G燃油所需时间t而得到的，其计算式为[1]：

文献[4]研究了将单片机应用于质量法上进行发动机瞬态油耗测量的系统。其原理为：油箱固定于压力传感器上，压力传感器电压信号变化取决于发.动机工作时油箱内燃油质量的变化。瞬态油耗率的表达式为：

式中，

K'——测量常数，g/V；

dU——在dt时间内压力传感器输出电压信号变化，V。

受制于电路分辨率，固定于压力传感器上的油箱不能太大。但是油量过少会导致试验时间太短，需要经常向油箱充油，充油过程中油箱内燃油质量变化不应计算于油耗率之中，所以该瞬态油耗测量系统采用数值差分法求取油箱充油阶段内发动机的油耗率。

2.3 碳平衡法

碳平衡法的基本依据是质量守恒定律，碳平衡法的提出是基于以下假设[5~6]：

（1）燃油为碳氢化合物；

（2）燃油燃烧后的生成物全部由排气管中排出；

（3）废气中的碳仅包含于CO、CO2和HC中，其他生成物，例如碳颗粒、部分溶于水的碳氢化合物不予考虑；

（4）废气中的碳来源于所消耗燃油中的碳，气化损失、曲轴箱窜气、燃油在曲轴箱机油中的沉淀物以及气缸活塞表面沉积物不予考虑。

GB/T 19233-2008“轻型汽车燃料消耗量试验方法”中采用的碳平衡法参照了欧洲经济委员会的ECE R101-02法规而制订。GB/T 19233-2008中规定应先按照GB 18352.2-2001“轻型汽车污染物排放限值及测量方法（II）”或者GB 18352.3-2005“轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）”中描述的模拟市区和市郊行驶工况的试验循环测量CO、CO2和HC排放量，然后应用公式计算燃料消耗量。对于装备汽油机的车辆，可按下式计算：

对于装备柴油机的车辆，则可按下式计算：

式中，

FC——燃料消耗量，L/100 km；

HC、CO、CO2——分别为测得的碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳排放量，g/km；

ρ——288K下试验燃料的密度，kg/L。

式（7）、（8）均假定HC中的碳含量为0.866，CO和CO2中的碳含量可由其化学式得出。其中的系数0.115 4和0.115 5是假定汽油和柴油的氢碳比为固定值，即分别为1.85、1.86时而得到。

就不同国家而言，碳平衡法公式表现形式不同，但实质相同。例如日本发动机油耗试验中不仅考虑燃油中氢碳比，还考虑氧碳原子比，并且燃料消耗量单位是km/L；美国则使用MPG（Mile Per Gallon，每加仑行驶的英里数）计算燃料消耗，并且在公式中考虑燃料净热值NHV（Net Heating Value）[5]。

3 试验系统硬件

3.1 油耗仪

传统上发动机油耗测量使用油耗仪，油耗仪通过三通接头和油管与发动机和油箱相连，如图2所示。其中油耗仪可以是有刻度的玻璃球泡（应用容积法）或者是放置于天平上的量杯、量筒（应用质量法）。

图2 传统油耗测量方法

对于电控燃油喷射发动机而言，供油压力和供油量大，且不受发动机工作情况的影响，回油压力和回油量大，传统的油耗仪无法正常工作。文献[7]提出应用双油耗仪对电控燃油喷射发动机的油耗测定，使用2套油耗仪分别测量进油量和回油量，其差值为油耗，如图3所示。

图3 双油耗仪测试法

该法虽然原理正确，但其最大缺点在于双油耗仪的系统误差大于2套油耗仪的误差之和，图3中加装控制面板的目的就是减少双油耗仪的系统误差。

文献[8]提出在油耗仪与发动机的进油管上加装稳油箱，将燃油泵内置于稳油箱内，并加装空气孔和隔板、浮子、针阀，如图4所示。

在稳油箱内先预置燃油，燃油喷入发动机后，稳油箱的油面下降，浮子随之下移，针阀打开，油耗仪中的燃油自动补充到稳油箱中，稳油箱的油面保持不变。为保证稳油箱左右室相通，隔板下部应留有间隙。

图4 电喷发动机油耗测量示意

3.2 碳平衡法取样系统

应用传统方法对车辆进行燃油经济性检测时需要拆装供油管路，将油耗仪或流量传感器接入到发动机供油管路上，属于解体检测。对于电控燃油喷射发动机而言，将测量仪器串联到供油管路上会导致发动机油路的压力降增大，导致测量时发动机工作状态与实际工作状态不符，影响油耗测量精度。3.2.1定容取样系统

应用定容取样系统（CVS）进行测量时将汽车废气用环境空气不断稀释，因此可以减少化学活性强的物质相互作用而引起成分变化。因为测量时废气处于稀释状态，相对接近于汽车排气中的不断扩散状态，因此可以防止水蒸气和高沸点碳氢化合物在取样系统中凝结。使用定容取样系统对废气进行检测属于非解体检测，其核心为流量计和废气分析仪，如图5所示。

定容取样系统对硬件的基本要求是：

（1）系统密封良好；

（2）系统材料不得影响排气中含碳化合物浓度；

（3）系统连接于汽车排气管后，排气管处静压强波动范围为±1.25 kPa；

（4）测温点、测压点和测流量点3处的排气温度、压力和流量应当相同。

定容取样系统对系统物理参数的测量精度有相应要求。定容取样系统设备庞大，结构复杂，价格昂贵。定容取样系统要求取样系统与汽车排气管间采用封闭连接以保证汽车排出的全部废气进入稳压箱，因此不适用于检测线上的快速检测。

3.2.2 开式排气稀释取样系统

开式排气稀释取样系统的取样口无需与汽车排气管封闭相连，只需将取样口正对排气管即可。其核心仍然是流量计和气体分析仪，如图6所示。开式排气稀释取样系统检测快速、简便，适用于检测线上对营运车辆油耗的流水检测。

图5 定容取样系统示意

3.3 流量计和传感器

图6 开式排气稀释取样系统示意

吴强[9]介绍了日本小野测器的流量传感器MF-2200的工作原理。由于电控燃油喷射发动机回油量大的工作特点，MF-2200内增加回油的处理部分。发动机返回的燃油被导入热交换器中按照油箱的温度进行冷却，之后被燃油泵泵出参与循环，MF-2200的工作原理如图7所示。

MF-2200中使用的流量计为容积式流量计FP-2140。FP-2140包含流量/转速变换部分和转速/脉冲变换部分。流量/转速变换部分通过液体流入、流出向心布置的4个活塞的往复运动带动曲轴旋转而将流量变换为曲轴转速。转速/脉冲变换部分将曲轴的旋转运动变换为脉冲信号而显示出流量。

文献[10]研究了开式排气稀释取样系统，并且阐述了锥形流量计的计算模型及其设计、仿真、标定的过程。

4 试验误差分析

图7 MF-2200原理示意

燃料经济性评估可以使用油耗仪法、流量计法、碳平衡法。试验时，研究人员可选取不同工况，典型工况包括美国环境保护署（Environmental Protection Agency，EPA）通用汽油机排放认证试验工况，美国行驶工况（US Driving Cycle，USDC），欧洲行驶工况（European Driving Cycle，EDC）和新欧洲行驶工况（New European Driving Cycle，NEDC），日本行驶工况（Japanese Driving Cycle，JDC），美国联邦测试程序(Federal Test Procedure，FTP)为代表的瞬态工况FTP72，中国典型城市行驶工况（Chinese Driving Cycle，CDC）等。在设定工况下，将油耗仪串联于油路中会对发动机供油系统产生影响，而碳平衡法则不存在此问题。

发动机磨损，曲轴箱窜气，烧机油都会导致碳平衡法所做的假设受到影响，因而车况衰退会降低碳平衡法检测燃油消耗量的准确程度。

燃油密度差异会导致燃油消耗量误差增大。刘瑞昌[11]等人从长春地区随机选取了10个加油站，从每个加油站抽取1份90号无铅汽油样本，所得碳氢比最大为6.148 89，最小为6.010 52；燃油密度最大为0.721 0 kg/L（对应碳氢比为6.148 89），最小为0.697 5 kg/L（对应碳氢比为6.010 52）。但是对检测线上的快速检测，燃油密度不可能从被检车辆上抽取检测，因此应用碳平衡法进行快速检测误差较大。

5 结束语

给出了燃油消耗的测定方法。在燃油消耗测量原理中比较了容积法、质量法和碳平衡法的区别。探讨了油耗仪在发动机上，尤其是在电控燃油喷射发动机上的应用及其改进。分析了碳平衡法2种取样系统的区别，讨论了取样系统的核心部件流量传感器。

1董敬，庄志.汽车拖拉机发动机（第2版）[M].北京：机械工业出版社，1993：135-142.

2秦明华.汽车电器与电子技术（第1版）[M].北京：北京理工大学出版社，2003：183-195.

3张翠云，黄键.智能型快速油耗测试仪的设计[J].福建：福建农林大学学报（自然科学版），2006，35（5）：549-553.

4裘正军，何勇.发动机瞬时油耗测量系统的设计[J].农业机械学报，2002，33（1）：124-125.

5方茂东，郑贺悦.基于碳平衡法的汽车油耗测量方法[J].汽车工程，2003，25（3）：295-297.

6王云鹏，刘瑞昌，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韩同群.共轨柴油机在车燃油消耗测量方法[J].汽车技术，2006（8）：26-27.

8谭理刚，龙敦厚，李觉民.电子燃油喷射发动机油耗测量方法研究[J].内燃机，2006（3）：27-38.

9吴强.汽车燃油消耗量的测量[J].北京汽车，2004（6）：24-27.

10刘军，姚健，高建立等.汽车燃油消耗量快速测量系统研究[J].汽车技术，2008（4）：47-50.

11刘瑞昌，王云鹏，祖力等.汽油含碳量与汽油密度的关系模型[J].公路交通科技，2004，21（3）：121-123.

表6 ETC扭矩回归分析因素影响

表7 ETC转速回归分析因素影响

表8 ETC扭矩回归分析因素影响

5 结论

从实例的时间偏移和扭矩可删点两个方面的回归分析结果来看，转速对时间偏移较敏感，而扭矩更依赖删除点条件。

另外从算法上来看，我们采用LABVIEW算法和AVL PUMA算法发现也会对计算结果有轻微影响；而且对城市道路，乡间道路和高速道路的分解来看，贡献率也是有差异的，在这里不再讨论。

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

来稿日期：2009-02-03

张庆良（1972-），男，硕士研究生，讲师，从事汽车运用教学和实训。