（山東理工大學(xué)交通與車(chē)輛工程學(xué)院 山東 淄博 255000）

引言

內(nèi)燃機(jī)作為交通運(yùn)輸、工程機(jī)械及農(nóng)用機(jī)械等動(dòng)力裝置的主要原動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的完善與發(fā)展，在熱效率和排放水平方面已實(shí)現(xiàn)重大突破[1-2]。美國(guó)康明斯公司[3]和德?tīng)柛９綶4]均已實(shí)現(xiàn)在無(wú)余熱回收條件下使內(nèi)燃機(jī)有效熱效率達(dá)到50%，而天津大學(xué)蘇萬(wàn)華院士指出，內(nèi)燃機(jī)熱效率未來(lái)有望突破60%[5]。同時(shí)，隨著以高比例預(yù)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(jī)主要排放物水平降低了90%左右，基本可實(shí)現(xiàn)氮氧化物和顆粒物的零排放[9]。因此，盡管面臨來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)的諸多挑戰(zhàn)，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)仍將在移動(dòng)式動(dòng)力裝置中占有支配地位。

然而，由于能源問(wèn)題日益嚴(yán)重，世界各國(guó)先后制定了嚴(yán)格的汽車(chē)燃油消耗率（以下簡(jiǎn)稱油耗）法規(guī)。目前就輕型汽車(chē)而言，我國(guó)已開(kāi)始執(zhí)行第四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)（GB 19578-2014），從整車(chē)裝備質(zhì)量1 090～2 000 kg 規(guī)定的平均燃料消耗目標(biāo)值來(lái)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(yán)幅度高達(dá)31.45%[10-11]。因此，在保證正常運(yùn)行前提下，準(zhǔn)確、迅速地獲得油耗數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)制造廠商及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)改進(jìn)提升內(nèi)燃機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率，節(jié)約石油資源具有重要意義。

國(guó)外對(duì)于內(nèi)燃機(jī)油耗檢測(cè)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)20 年代[12]，以美國(guó)、歐洲和日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)為達(dá)到減少化石燃料使用的目的，研發(fā)了多種油耗檢測(cè)方法，并制定了相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[13]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，70 年代后期相關(guān)部門(mén)才首次頒布汽車(chē)油耗試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，直到90 年代末我國(guó)才參照聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)法規(guī)制定了專門(mén)衡量乘用車(chē)油耗標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法（GB/T12545.1-2001）[14]。但隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的油耗檢測(cè)技術(shù)已不再適用于現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)及日益嚴(yán)苛的行業(yè)法規(guī)，這就要求對(duì)內(nèi)燃機(jī)油耗檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)與創(chuàng)新。因此，本文對(duì)當(dāng)前主流的油耗檢測(cè)方法進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹各種檢測(cè)方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法是通過(guò)在油路中串接相應(yīng)儀器測(cè)得內(nèi)燃機(jī)油耗。直接測(cè)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(guò)測(cè)量燃料的質(zhì)量流量以獲得內(nèi)燃機(jī)油耗數(shù)據(jù)或直接測(cè)得一定路程內(nèi)消耗的燃料質(zhì)量，進(jìn)而求得其油耗；體積法，則是在內(nèi)燃機(jī)原有油路中串接體積流量計(jì)，通過(guò)測(cè)得一定路程或時(shí)間內(nèi)的燃料消耗量來(lái)獲得油耗數(shù)據(jù)。

由于直接測(cè)量法可直接獲得內(nèi)燃機(jī)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(wèn)題：首先，無(wú)論質(zhì)量法或體積法都需要對(duì)原有油路進(jìn)行改裝，串接相應(yīng)測(cè)量?jī)x器，拆裝油路過(guò)程繁瑣且易對(duì)內(nèi)燃機(jī)造成不可逆的損害；其次，一般情況下直接測(cè)量法的檢測(cè)周期較長(zhǎng)，僅適用于一定路程或時(shí)間內(nèi)的油耗檢測(cè)；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(cè)量。

2 間接測(cè)量法

為解決直接測(cè)量法帶來(lái)的拆解油路問(wèn)題，以及利用缸內(nèi)直噴系統(tǒng)或高壓共軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽油等低餾程燃料的高壓噴射時(shí)，由于溫度較高，燃料易在管路中揮發(fā)形成氣泡，使直接測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生較大波動(dòng)和誤差的問(wèn)題，研究者們提出了以元素守恒為基礎(chǔ)的間接測(cè)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(jì)70 年代[19-20]，以美國(guó)為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家最先開(kāi)始此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)。直到90 年代，我國(guó)才開(kāi)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(jì)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?xì)浠衔铮℉C）、氫氣（H2）、水（H2O）和碳煙等物質(zhì)。通過(guò)測(cè)量排氣中CO2、CO 及HC 等含碳組分的質(zhì)量，可計(jì)算出單位時(shí)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(jī)的油耗[27-28]。相比于直接測(cè)量法，基于碳平衡法的油耗測(cè)試系統(tǒng)具有成本低，占地面積小，操作簡(jiǎn)便和適用性較廣的特點(diǎn)[25]。但是，該方法的實(shí)施需要排放數(shù)據(jù)支持，其精度也取決于排放物測(cè)量的精度。

2.2 改進(jìn)的不解體油耗檢測(cè)方法

傳統(tǒng)碳平衡法僅考慮了進(jìn)氣為新鮮空氣或油氣混合氣的情況。近年來(lái)，為達(dá)到高效清潔燃燒的目的，以“預(yù)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(shí)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(jì)算模型時(shí)需充分考慮EGR 的影響。同時(shí)，低溫燃燒在某些工況下會(huì)生成大量碳煙[32]，且碳煙中約占總質(zhì)量50%的碳粒來(lái)源于燃料，若不考慮碳煙排放的影響，也會(huì)使模型計(jì)算誤差偏大[33]。

2.2.1 改進(jìn)碳平衡法

改進(jìn)碳平衡法的計(jì)算流程如圖1 所示。首先，對(duì)單一燃料或混合燃料的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到燃料中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以確定燃料化學(xué)分子式；其次，利用進(jìn)氣流量計(jì)和排氣分析儀分別測(cè)得新鮮進(jìn)氣或油氣混合氣的體積流量和排氣中各含碳?xì)怏w組分的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)合EGR 率可得到進(jìn)氣的總物質(zhì)的量，進(jìn)而得到進(jìn)氣中碳元素的質(zhì)量流量；然后，通過(guò)分析排氣成分建立燃燒反應(yīng)模型，計(jì)算出排氣中含碳?xì)怏w組分所含碳元素的質(zhì)量流量，結(jié)合進(jìn)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?xì)怏w組分對(duì)應(yīng)的油耗。另外，通過(guò)煙度計(jì)測(cè)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(duì)應(yīng)的油耗。最后，將含碳?xì)怏w組分對(duì)應(yīng)的油耗與碳煙對(duì)應(yīng)的油耗相加即得到內(nèi)燃機(jī)油耗。改進(jìn)碳平衡法除繼承傳統(tǒng)碳平衡法的優(yōu)點(diǎn)外，可在內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用靈活燃料和EGR 技術(shù)時(shí)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(jì)算精度并進(jìn)一步拓寬了間接測(cè)量法的適用范圍。

圖1 改進(jìn)碳平衡法計(jì)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(jī)進(jìn)排氣的摩爾數(shù)基本相等[34]，其計(jì)算流程如圖2 所示。首先，同樣需對(duì)燃料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算以確定燃料化學(xué)分子式，并對(duì)進(jìn)氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合EGR率求得總的進(jìn)氣摩爾流量；然后，利用排氣分析儀測(cè)得排氣中的CO2、CO 和HC 的體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的燃燒反應(yīng)機(jī)理建立生成物中包含H2O 和H2的計(jì)算模型，并通過(guò)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(duì)含碳?xì)怏w組分對(duì)應(yīng)的油耗進(jìn)行求解。此外，同樣通過(guò)排氣煙度結(jié)合燃料、碳煙的碳元素質(zhì)量比得到碳煙對(duì)應(yīng)的油耗，與含碳?xì)怏w組分對(duì)應(yīng)的油耗相加即得到內(nèi)燃機(jī)油耗。因此，摩爾數(shù)平衡法具有與改進(jìn)碳平衡法類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)。

3 智能測(cè)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(jī)油耗檢測(cè)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(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生[37]。

圖2 摩爾數(shù)平衡法計(jì)算流程框圖

3.1 科里奧利法

在過(guò)去20 年中，科里奧利（Coriolis）法已成為流量測(cè)定的重要技術(shù)手段之一[38-39]?？评飱W利流量計(jì)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(gè)組件，如圖3 所示，流量傳感器由振蕩測(cè)量管（以下簡(jiǎn)稱測(cè)量管）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感器和支撐結(jié)構(gòu)等組成。通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使測(cè)量管發(fā)生振動(dòng)，流經(jīng)測(cè)量管的工質(zhì)會(huì)在管內(nèi)產(chǎn)生科里奧利效應(yīng)力，由于測(cè)量管進(jìn)、出兩側(cè)所受的科里奧利效應(yīng)力方向相反，測(cè)量管會(huì)產(chǎn)生一定扭曲，造成工質(zhì)流經(jīng)左右運(yùn)動(dòng)傳感器時(shí)存在相位時(shí)間差。如公式（1）所示，管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量與相位時(shí)間差存在正比關(guān)系，時(shí)間差信號(hào)經(jīng)流量轉(zhuǎn)換器運(yùn)算處理即可得到管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量?？评飱W利法具有較高的測(cè)量精度并可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)油耗測(cè)量，但由于設(shè)備造價(jià)高，體積大，對(duì)傳感器固定安裝要求較高且對(duì)溫度變化較為敏感，目前主要適用于實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的油耗測(cè)量。

式中：qm為管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量；K 為與流量測(cè)量靈敏度相關(guān)的流量校準(zhǔn)因子；td為兩個(gè)流量測(cè)量信號(hào)之間的相位時(shí)間差；t0為管內(nèi)流量為零時(shí)的校準(zhǔn)時(shí)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(qiáng)，能量高，遇到界面時(shí)能夠產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換且對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，常被用于檢測(cè)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(guò)計(jì)算燃油流速可獲得內(nèi)燃機(jī)油耗[41-42]。根據(jù)測(cè)量原理不同，超聲波法分為時(shí)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(shí)現(xiàn)，時(shí)差法常應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)油耗檢測(cè)。

圖3 科里奧利流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

時(shí)差法的原理如圖4 所示[46]，在被測(cè)管道上安裝兩個(gè)超聲波發(fā)射換能器E1和E2，以及兩個(gè)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(dòng)，流速為u。檢測(cè)時(shí)，發(fā)射器E1，E2交替發(fā)射超聲波信號(hào)，設(shè)沿順流和逆流方向傳播所需的時(shí)間分別為t1和t2，則油路中超聲波順、逆流傳播的時(shí)差為：

又因?yàn)楣馑賑>>u，上式可簡(jiǎn)化為：

測(cè)得t1，t2后代入（3）式可求得燃油流速u(mài)，進(jìn)而計(jì)算出內(nèi)燃機(jī)油耗。

圖4 超聲波測(cè)量法原理圖

該方法具有測(cè)量方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，但其測(cè)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(jī)的油耗可通過(guò)電控噴射信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，且具有較高的精度[48-50]。汽油機(jī)控制程序如圖5所示，通過(guò)對(duì)各傳感器、開(kāi)關(guān)的輸入處理及燃油噴射處理兩個(gè)步驟，可采集電控噴射法所需的計(jì)算數(shù)據(jù)[51]。對(duì)電控汽油機(jī)而言，噴油壓力一定時(shí)，噴油量完全取決于針閥開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)電子控制單元（ECU）控制電磁線圈的通斷電以控制針閥的開(kāi)閉時(shí)刻，進(jìn)而可達(dá)到控制噴油量的目的。電控噴射法就是基于該原理，通過(guò)測(cè)量燃油噴射的脈沖信號(hào)寬度以及噴油壓力，從而計(jì)算得到內(nèi)燃機(jī)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(kāi)啟時(shí)間成正比。其計(jì)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(jìn)氣壓力；t 為噴油持續(xù)期。求得單個(gè)噴油器的噴油量后，對(duì)全部噴油器的噴油量求和即可得到汽油機(jī)油耗。

圖5 汽油機(jī)控制程序流程圖

該方法可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的微型化、集成化及智能化，但汽車(chē)蓄電池電壓及噴油嘴處的氣阻等均會(huì)影響測(cè)量精度。

3.4 空燃比法[52-53]

空燃比[34]是內(nèi)燃機(jī)的重要參數(shù)之一，其計(jì)算公式為：

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

空燃比法無(wú)需大宗復(fù)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(jiǎn)單，便于安裝和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，符合汽車(chē)小型化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，具有較好的應(yīng)用前景。

圖6 空燃比法計(jì)算流程圖

4 結(jié)論

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

2）間接測(cè)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(jiǎn)便和適用性較廣等優(yōu)點(diǎn)，但需要排放數(shù)據(jù)的支持，其精度取決于排放物測(cè)量精度；改進(jìn)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(shí)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(cè)技術(shù)具有集成度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量成本普遍較高。