发动机试验台架油耗测量系统误差浅析

张申祥，王善强，丁磊

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



发动机试验台架油耗测量系统误差浅析

张申祥，王善强，丁磊

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：通过发动机试验台架油耗测量系统中各影响因素分析，找出问题点并制定对应优化方案，从而提高燃油消耗测量精度。

关键词：发动机试验台架；燃油消耗测量；误差

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.040

CLC NO.: U467.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-120-03

前言

随着1.6L及以下节能环保汽车新政策、第四阶段乘用车燃料消耗量评价指标的陆续发布实施，国家的节能环保政策与法规日趋收紧，对油耗要求越来越严格。另外，油耗是消费者用车过程中重点关注要素之一，也是汽车竞争的关键点。而相对应的发动机试验台架油耗测量的准确性将直接影响着各种油耗测量验证开发工作。

1、发动机试验台架的油耗测量精度现状

以某发动机试验台架其设备组成主要为AVL电力测功机台架、735科里奥利质量流量式油耗仪和753C燃油温控设备，台架整个燃油供给系统如图1所示，此类台架燃油供给系统在某发动机同一稳定工况下的10次油耗测量值误差结果如表1所示。

图1　发动机试验台架油耗测量系统

表1　同工况油耗测量误差

从表1中可以得出，在台架油耗测量过程中其测量结果的准确性还存在很大的问题。

2、试验台架影响油耗测量精度的主要因素

图1所示的发动机试验台架燃油供给系统，其影响台架油耗测量结果精度的主要因素如图2所示，主要是有流量传感器、密度传感器油耗测量设备本身的系统误差，油耗测量系统中温度变化带来的能量冲击影响误差，油耗测量设备到发动机之间储存油路的变化影响误差。如果想消除或者降低这些因素的干扰，则需从这几个方面着手研究并进行有效控制。

图2　影响发动机油耗测量的主要因素

3、影响油耗测量误差因素分析及解决措施

根据上述影响发动机台架油耗测量精度的主要因素，针对这些因素将进行各个问题分析，并进行针对性的影响因素规避或是处理：

1）针对流量传感器和密度传感器油耗测量设备本身的系统误差，考查国际市场上存在的所有油耗测量原理的油耗仪分别作对比，然后找出适合试验台架测量需求的油耗仪类型；

2）精确分析燃油温度变化引起燃油能量变化带来的能量冲击对油耗测量精度的影响，可采用高精度燃油温控设备来控制燃油进油温度来规避此问题；

3）分析从油耗仪设备到发动机这段存储油路带来的燃油消耗测量误差原因，利用管路建设和压力、温度传感器的布置等技术方法来分析控制。

3.1 油耗仪本事精度影响因素分析

考查市场现有各种测量原理类型的油耗测量设备优缺点。

表2　不同类型测量原理油耗仪精度优缺点

从表2中可以得出，活塞式是比较老的测量技术现在已淘汰，科里奥利原理的油耗仪由于其测量原理是采用振动式测量原理，测量量程比较单一，量程偏大，需要固定牢固以避免振动对测量精度产生的影响，在低油耗量测量（≤10kg/h）时，燃油消耗量小，流量小振动不明显易受外界环境因素干扰大，在低油耗量测量时易产生波动，从而导致测量不准确。

图3　两种齿轮体积流量式原理比较

从图3中可以看出，主动齿轮式（图右边）因其采用伺服电机来主动转动齿轮来补偿由燃油带动齿轮转动的压力损失，这样可促使测量不受压损所影响，同时具有可选测量范围多的特性，保证不同测量范围下的精度要求，且不受外界环境因素如台架振动、温湿度等影响，所以建议选用此测量原理的油耗仪。

3.2 燃油温度变化影响分析

发动机的油耗测量系统，主要燃油从进入油耗仪、经过燃油温控系统、在经过压力调节机构和进油温度、压力测量后进入到发动机参加燃烧，如图1所示。

从图1中可以看出从油耗仪出来到发动机之间是一段储油空间，此段储油空间在测量油耗时将充满油，如果在测量过程中此段空间内燃油温度发生变化则对油耗测量结果产生很大的影响。下面来研究下温控变化造成的能量冲击对油耗测量的影响。

根据流体力学有在一段充满液体的体积，此固定体积在温控变化产生的能量冲击将发生变化，一旦体积发生变化其油耗测量的体积流量或者质量流量也将跟着温度和能量变化而变化。

式中：β是液体的体膨胀系数，℃-1，Vt是体积变化量，L/min；V0是液体体积，L；t是温度变化量，℃/min。

式中：Q是液体的能量变化，J；C是液体的比热容，J/(kg﹒℃)；m是液体的质量，kg；ρ是液体的密。

如果是汽油（常温下）则有：

β=0.00095℃-1，C=2060 J/(kg﹒℃)，ρ=0.733kg/L。

所以可以得出对于2L的汽油，其温度变化产生能量冲击对液体流量的影响：

表3　温度变化对燃油流量的影响

从上表中可以得出很小的温度变化都会对实际油耗量产生影响，特别是在油耗量值很小时此能量冲击对测量精度的影响会更大。所以要保持很好的流量测量精度控制，其温度变化越小越好。

3.3 储存油路对油耗测量精度的影响分析

从3.2中得出温度变化的能量冲击其实也是对油耗仪到发动机之间的储存油路的燃油体积产生变化而产生的影响，而此节中将优化此段储存油路以尽可能的降低此储存油路因燃油流动中体积变化对油耗测量精度的影响。

此段油路如果刚开始搭建的不好，将造成燃油在流经此段管路中将产生大量气泡，产生的气泡将会改变燃油体积和质量，对燃油测量造成很大困扰。因此只能从储油管路中下手，降低燃油在储油管路中流动时产生的气泡。燃油管路中产生气泡主要因素为燃油在循环中不顺畅导致的，主要有直接拐弯、转接头、接入的温度传感器和压力传感器、管路太长、采用的易变形状的橡胶软管等都会容易产生气泡。

优化方案建议如下：

1）采用移动式油耗仪，将油耗仪直接放置在发动机边上且靠近发动机进油口的位置，尽量的减少油耗仪到发动机之间的储油管路；

2）储油管路采用统一口径大小的不锈钢管，不使用转接头来拐弯且尽量避免直角拐弯，如果确实需要则采用平顺的方式；

3）储油管路会接有燃油压力调节阀和压力传感器，其接法应采用如下图所示方式：

图4　燃油压力调压阀和压力传感器接法

4）在储油管路周围包裹上保温材料，以避免外界温度变化对油路内燃油温度的影响。

另外在稳定工况，可采用延长测量时间的方式来降低燃油中气泡对测量精度的影响。

4、试验验证

根据上述的优化方案后的油耗测量系统进行静态验证和动态验证，验证方法及结果如下所述。

1）测试系统静态验证：不带发动机，油耗测试系统内部循环，油耗仪本身的精度验证采用零点漂移法，零点漂移法即在没有任何燃油消耗的情况下，测量油耗10组以上数值，如果偏差在其精度允许范围内说明满足精度要求；燃油温控的控制精度，则通过一质量良好的温度传感器测量温控后的燃油温度（设定温度22℃），并测量10次以上并取平均值，此每次测量值的偏差都控制在精度范围以内即可。其验证结果如下图示。

图5　燃油消耗测试系统零点和温控结果

测试系统动态验证：通过一状态良好的发动机，在保证外界条件不变的情况下且保持发动机在某一稳定工况（3000rpm/60Nm），发动机持续运行10h，每隔10分钟测量一次油耗，对所有测量结果取平均值，每组测量结果与其平均值最大偏差为0.39%，如图6所示。

图6　燃油消耗测试系统稳定工况测试结果

5、总结

在对发动机试验台架内影响发动机油耗测量结果精度的各主要因素分析，并制定相应的解决措施方法，通过油耗仪选型、进油温度精确控制、减少输油管路并优化搭建、采用移动式油耗仪尽最大方式缩短进油管路等方式，可以很好的减少和降低油耗测量系统各项误差，为更精准的油耗测量提供了保障。

参考文献

[1] Karl Köck. NEW CHALLENGES IN FUEL MEASUREMENT.Graz: AVL,2012.

[2] 田期明.船用柴油机燃油管路脉动现象对油耗测量影响的试验分析[J].武汉船舶职业技术学院学 报,2014(4):13-17.

[3] 魏晓燕.发动机性能试验比油耗测量结果的不确定度分析[J].交通标准化,2009(196):233-237.

中图分类号：U467.2

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)04-120-03

作者简介：张申祥，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心发动机试验开发研究院。

Error analysis on the engine test-bed fuel consumption measurement system

Zhang Shenxiang, Wang Shanqiang, Ding Lei
( Anhui Jianghuai Automobile CO., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract:Analysis on the engine test-bed various influencing factors of fuel consumption measurement system, find out problems point and formulate corresponding optimization scheme, so as to improve fuel consumption measurement precision.

Keywords:engine test-bed; fuel consumption measurement; error