內(nèi)燃機燃油消耗率檢測方法綜述*

（山東理工大學交通與車輛工程學院 山東 淄博 255000）

引言

內(nèi)燃機作為交通運輸、工程機械及農(nóng)用機械等動力裝置的主要原動機，經(jīng)過一個多世紀的完善與發(fā)展，在熱效率和排放水平方面已實現(xiàn)重大突破[1-2]。美國康明斯公司[3]和德爾福公司[4]均已實現(xiàn)在無余熱回收條件下使內(nèi)燃機有效熱效率達到50%，而天津大學蘇萬華院士指出，內(nèi)燃機熱效率未來有望突破60%[5]。同時，隨著以高比例預混合燃燒和低溫燃燒[6-8]為特征的新型燃燒方式的應(yīng)用，內(nèi)燃機主要排放物水平降低了90%左右，基本可實現(xiàn)氮氧化物和顆粒物的零排放[9]。因此，盡管面臨來自電動汽車的諸多挑戰(zhàn)，在相當長的時期內(nèi)，內(nèi)燃機仍將在移動式動力裝置中占有支配地位。

然而，由于能源問題日益嚴重，世界各國先后制定了嚴格的汽車燃油消耗率（以下簡稱油耗）法規(guī)。目前就輕型汽車而言，我國已開始執(zhí)行第四階段油耗標準（GB 19578-2014），從整車裝備質(zhì)量1 090～2 000 kg 規(guī)定的平均燃料消耗目標值來看，由第三階段的9.03 L/100 km 降低至第四階段的6.19 L/100 km，加嚴幅度高達31.45%[10-11]。因此，在保證正常運行前提下，準確、迅速地獲得油耗數(shù)據(jù)，對內(nèi)燃機制造廠商及相關(guān)研究機構(gòu)改進提升內(nèi)燃機能量轉(zhuǎn)化效率，節(jié)約石油資源具有重要意義。

國外對于內(nèi)燃機油耗檢測技術(shù)的研究始于20世紀20 年代[12]，以美國、歐洲和日本為代表的發(fā)達國家和地區(qū)為達到減少化石燃料使用的目的，研發(fā)了多種油耗檢測方法，并制定了相應(yīng)的評價標準[13]。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，70 年代后期相關(guān)部門才首次頒布汽車油耗試驗方法標準，直到90 年代末我國才參照聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會法規(guī)制定了專門衡量乘用車油耗標準的試驗方法（GB/T12545.1-2001）[14]。但隨著內(nèi)燃機技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的油耗檢測技術(shù)已不再適用于現(xiàn)代內(nèi)燃機及日益嚴苛的行業(yè)法規(guī)，這就要求對內(nèi)燃機油耗檢測技術(shù)進行相應(yīng)的改進與創(chuàng)新。因此，本文對當前主流的油耗檢測方法進行綜述，重點介紹各種檢測方法的原理、優(yōu)缺點及適用范圍。

1 直接測量法

直接測量法是通過在油路中串接相應(yīng)儀器測得內(nèi)燃機油耗。直接測量法主要包括質(zhì)量法[15-16]、體積法[17]和壓差法，其中，質(zhì)量法和體積法較為常用。質(zhì)量法，即通過測量燃料的質(zhì)量流量以獲得內(nèi)燃機油耗數(shù)據(jù)或直接測得一定路程內(nèi)消耗的燃料質(zhì)量，進而求得其油耗；體積法，則是在內(nèi)燃機原有油路中串接體積流量計，通過測得一定路程或時間內(nèi)的燃料消耗量來獲得油耗數(shù)據(jù)。

由于直接測量法可直接獲得內(nèi)燃機油耗數(shù)據(jù)，不存在其他轉(zhuǎn)換方式，因而具有較高的精度。但該方法存在一些不可避免的問題：首先，無論質(zhì)量法或體積法都需要對原有油路進行改裝，串接相應(yīng)測量儀器，拆裝油路過程繁瑣且易對內(nèi)燃機造成不可逆的損害；其次，一般情況下直接測量法的檢測周期較長，僅適用于一定路程或時間內(nèi)的油耗檢測；再次，由于受外界條件影響較大，這兩種方法通常僅用于穩(wěn)態(tài)工況下的油耗測量。

2 間接測量法

為解決直接測量法帶來的拆解油路問題，以及利用缸內(nèi)直噴系統(tǒng)或高壓共軌系統(tǒng)實現(xiàn)汽油等低餾程燃料的高壓噴射時，由于溫度較高，燃料易在管路中揮發(fā)形成氣泡，使直接測量過程中產(chǎn)生較大波動和誤差的問題，研究者們提出了以元素守恒為基礎(chǔ)的間接測量法[18]。

2.1 碳平衡法

碳平衡法的提出最早可追溯到20 世紀70 年代[19-20]，以美國為代表的西方發(fā)達國家最先開始此項技術(shù)的研發(fā)。直到90 年代，我國才開始相關(guān)研究。該方法是基于質(zhì)量守恒定律，即燃料燃燒反應(yīng)后排氣中各含碳組分中碳元素總質(zhì)量與所消耗燃料中碳元素質(zhì)量保持一致的原理計算油耗[21-26]。傳統(tǒng)化石燃料的主要成分是碳、氫、氧3 種元素，燃燒后生成二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氫氣（H2）、水（H2O）和碳煙等物質(zhì)。通過測量排氣中CO2、CO 及HC 等含碳組分的質(zhì)量，可計算出單位時間內(nèi)消耗碳元素的質(zhì)量，再結(jié)合燃料中碳元素的質(zhì)量比即可得到內(nèi)燃機的油耗[27-28]。相比于直接測量法，基于碳平衡法的油耗測試系統(tǒng)具有成本低，占地面積小，操作簡便和適用性較廣的特點[25]。但是，該方法的實施需要排放數(shù)據(jù)支持，其精度也取決于排放物測量的精度。

2.2 改進的不解體油耗檢測方法

傳統(tǒng)碳平衡法僅考慮了進氣為新鮮空氣或油氣混合氣的情況。近年來，為達到高效清潔燃燒的目的，以“預混合、低溫燃燒”為基本特征的新型燃燒方式逐漸得到應(yīng)用[8，29-31]。廢氣再循環(huán)（EGR）是實現(xiàn)低溫燃燒的必要技術(shù)手段，由于廢氣中含有較多的CO2、CO 和未燃HC，建立油耗計算模型時需充分考慮EGR 的影響。同時，低溫燃燒在某些工況下會生成大量碳煙[32]，且碳煙中約占總質(zhì)量50%的碳粒來源于燃料，若不考慮碳煙排放的影響，也會使模型計算誤差偏大[33]。

2.2.1 改進碳平衡法

改進碳平衡法的計算流程如圖1 所示。首先，對單一燃料或混合燃料的參數(shù)進行計算，得到燃料中各元素的質(zhì)量分數(shù)以確定燃料化學分子式；其次，利用進氣流量計和排氣分析儀分別測得新鮮進氣或油氣混合氣的體積流量和排氣中各含碳氣體組分的體積分數(shù)，結(jié)合EGR 率可得到進氣的總物質(zhì)的量，進而得到進氣中碳元素的質(zhì)量流量；然后，通過分析排氣成分建立燃燒反應(yīng)模型，計算出排氣中含碳氣體組分所含碳元素的質(zhì)量流量，結(jié)合進氣中碳元素的質(zhì)量流量和燃料的碳元素質(zhì)量比得到含碳氣體組分對應(yīng)的油耗。另外，通過煙度計測得排氣煙度，結(jié)合燃料和碳煙的碳元素質(zhì)量比得到碳煙對應(yīng)的油耗。最后，將含碳氣體組分對應(yīng)的油耗與碳煙對應(yīng)的油耗相加即得到內(nèi)燃機油耗。改進碳平衡法除繼承傳統(tǒng)碳平衡法的優(yōu)點外，可在內(nèi)燃機應(yīng)用靈活燃料和EGR 技術(shù)時充分考慮燃料組分、廢氣成分和碳煙排放的影響，從而大幅提高了計算精度并進一步拓寬了間接測量法的適用范圍。

圖1 改進碳平衡法計算流程框圖

2.2.2 摩爾數(shù)平衡法

與碳平衡法不同，摩爾數(shù)平衡法的理論基礎(chǔ)是內(nèi)燃機進排氣的摩爾數(shù)基本相等[34]，其計算流程如圖2 所示。首先，同樣需對燃料參數(shù)進行計算以確定燃料化學分子式，并對進氣參數(shù)進行計算，結(jié)合EGR率求得總的進氣摩爾流量；然后，利用排氣分析儀測得排氣中的CO2、CO 和HC 的體積分數(shù)，根據(jù)內(nèi)燃機的燃燒反應(yīng)機理建立生成物中包含H2O 和H2的計算模型，并通過反應(yīng)前后摩爾數(shù)守恒和CO2的物質(zhì)守恒建立代數(shù)關(guān)系，從而可對含碳氣體組分對應(yīng)的油耗進行求解。此外，同樣通過排氣煙度結(jié)合燃料、碳煙的碳元素質(zhì)量比得到碳煙對應(yīng)的油耗，與含碳氣體組分對應(yīng)的油耗相加即得到內(nèi)燃機油耗。因此，摩爾數(shù)平衡法具有與改進碳平衡法類似的優(yōu)點。

3 智能測量法

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和智能儀器儀表的大量使用[35]，內(nèi)燃機油耗檢測技術(shù)也逐漸向智能化方向發(fā)展，科里奧利法、超聲波法、電控噴射法和空燃比法[36]等一系列智能油耗檢測方法應(yīng)運而生[37]。

圖2 摩爾數(shù)平衡法計算流程框圖

3.1 科里奧利法

在過去20 年中，科里奧利（Coriolis）法已成為流量測定的重要技術(shù)手段之一[38-39]。科里奧利流量計主要有流量傳感器（主設(shè)備）和流量轉(zhuǎn)換器（副設(shè)備）兩個組件，如圖3 所示，流量傳感器由振蕩測量管（以下簡稱測量管）、驅(qū)動系統(tǒng)、運動傳感器和支撐結(jié)構(gòu)等組成。通過驅(qū)動系統(tǒng)使測量管發(fā)生振動，流經(jīng)測量管的工質(zhì)會在管內(nèi)產(chǎn)生科里奧利效應(yīng)力，由于測量管進、出兩側(cè)所受的科里奧利效應(yīng)力方向相反，測量管會產(chǎn)生一定扭曲，造成工質(zhì)流經(jīng)左右運動傳感器時存在相位時間差。如公式（1）所示，管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量與相位時間差存在正比關(guān)系，時間差信號經(jīng)流量轉(zhuǎn)換器運算處理即可得到管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量。科里奧利法具有較高的測量精度并可實現(xiàn)瞬時油耗測量，但由于設(shè)備造價高，體積大，對傳感器固定安裝要求較高且對溫度變化較為敏感，目前主要適用于實驗室發(fā)動機臺架的油耗測量。

式中：qm為管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量；K 為與流量測量靈敏度相關(guān)的流量校準因子；td為兩個流量測量信號之間的相位時間差；t0為管內(nèi)流量為零時的校準時間延遲。在理想條件下，K 和t0均為常數(shù)。

3.2 超聲波法

超聲波具有方向性好，穿透能力強，能量高，遇到界面時能夠產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換且對人體無害等優(yōu)點，常被用于檢測領(lǐng)域[40]。超聲波法利用超聲波脈沖在流體介質(zhì)中順流速度和逆流速度隨流體流速變化而變化的原理，通過計算燃油流速可獲得內(nèi)燃機油耗[41-42]。根據(jù)測量原理不同，超聲波法分為時差法、頻差法、相差法和多普勒法等[43-45]。由于較其他方法精度較高且更易實現(xiàn)，時差法常應(yīng)用于內(nèi)燃機油耗檢測。

圖3 科里奧利流量計結(jié)構(gòu)圖

時差法的原理如圖4 所示[46]，在被測管道上安裝兩個超聲波發(fā)射換能器E1和E2，以及兩個超聲波接收換能器R1和R2，E1R1以及E2R2與管道的夾角為θ，管徑為D，流體由左向右流動，流速為u。檢測時，發(fā)射器E1，E2交替發(fā)射超聲波信號，設(shè)沿順流和逆流方向傳播所需的時間分別為t1和t2，則油路中超聲波順、逆流傳播的時差為：

又因為光速c>>u，上式可簡化為：

測得t1，t2后代入（3）式可求得燃油流速u，進而計算出內(nèi)燃機油耗。

圖4 超聲波測量法原理圖

該方法具有測量方便快捷的優(yōu)點，但其測量精度受到燃油質(zhì)量、燃油溫度、油管壁厚及超聲波探頭安裝位置等因素的制約[47]。

3.3 電控噴射法

隨著電控噴射系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，研究者們發(fā)現(xiàn)電控汽油機的油耗可通過電控噴射信號進行計算，且具有較高的精度[48-50]。汽油機控制程序如圖5所示，通過對各傳感器、開關(guān)的輸入處理及燃油噴射處理兩個步驟，可采集電控噴射法所需的計算數(shù)據(jù)[51]。對電控汽油機而言，噴油壓力一定時，噴油量完全取決于針閥開啟時長。通過電子控制單元（ECU）控制電磁線圈的通斷電以控制針閥的開閉時刻，進而可達到控制噴油量的目的。電控噴射法就是基于該原理，通過測量燃油噴射的脈沖信號寬度以及噴油壓力，從而計算得到內(nèi)燃機油耗。因此，在噴油器結(jié)構(gòu)和噴油壓力確定情況下，噴油量與針閥開啟時間成正比。其計算公式為：

式中：μn為噴油器的流量系數(shù)；Fn為噴孔的截面積；g為重力加速度；df為燃料密度；pf為噴油壓力；pb為進氣壓力；t 為噴油持續(xù)期。求得單個噴油器的噴油量后，對全部噴油器的噴油量求和即可得到汽油機油耗。

圖5 汽油機控制程序流程圖

該方法可實現(xiàn)檢測設(shè)備的微型化、集成化及智能化，但汽車蓄電池電壓及噴油嘴處的氣阻等均會影響測量精度。

3.4 空燃比法[52-53]

空燃比[34]是內(nèi)燃機的重要參數(shù)之一，其計算公式為：

因此，可利用已知的缸內(nèi)空燃比和進氣流量數(shù)據(jù)求得單位時間消耗的燃料質(zhì)量。空燃比法的計算流程如圖6 所示[12，54]。首先，將進氣歧管中的氣體看作理想氣體，采用速度-密度法計算理想氣體的質(zhì)量流量，進而求得進氣質(zhì)量流量A。然后，利用排氣分析儀測得缸內(nèi)的過量空氣系數(shù)φat，從而進一步求得實際空燃比λ。最后，聯(lián)立方程計算出內(nèi)燃機油耗。

空燃比法無需大宗復雜的儀器設(shè)備，只需裝接相應(yīng)的控制器及傳感器即可，因而與電控噴射法一樣，具有結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝和經(jīng)濟性好等特點，符合汽車小型化、集成化的發(fā)展趨勢，具有較好的應(yīng)用前景。

圖6 空燃比法計算流程圖

4 結(jié)論

1）質(zhì)量法、體積法等直接測量法可直接測得油耗數(shù)據(jù)，其測量精度高，儀器簡單安裝方便，但存在需拆解油路且通常不適用于瞬時油耗檢測等問題。

2）間接測量法中，碳平衡法具有不拆解油路，成本低，占地面積小，操作簡便和適用性較廣等優(yōu)點，但需要排放數(shù)據(jù)的支持，其精度取決于排放物測量精度；改進碳平衡法和摩爾數(shù)平衡法充分考慮了應(yīng)用靈活燃料和EGR 時燃料組分、廢氣成分和碳煙排放的影響，相比于碳平衡法具有更高的精度和更廣的使用范圍。

3）科里奧利法、超聲波法、電控噴射法和空燃比法等智能檢測技術(shù)具有集成度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但測量成本普遍較高。