（光学工程专业论文）基于排气测量的汽车燃油消耗测试系统的研究.pdf

l f j d j u ，由2 i ( ：酶目 、裂陧肇：妙蓊县勘茸识再杀 。群密y 牢甲酱骞莉餮明朗革卓艇戡巢专萼y 章。醣辫草华暾朗诵审茸翠 己瞬勒澎哇y 专啊掸兽螽喜印珊琶抱骋 茸卓牲。凿帮智勘驹辩氲瓣尊辈髯荡日勒誊辑y 妙珊髯斟丑号碍业茸 璎卓托相晕掣明目i 刍豳瑶日中茸涮。酱翠明勘增勤工距搬粤幂覃 穰土台群明嘶舍翠y 卓著茸歌四杀碉尊百蚓：龋革重妊y 章 勘晕科坶戳 基于排气测量的汽车燃油消耗测试 系统的研究 r e s e a r c ho nv e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o nt e s t i n gs y s t e m b a s e do nm e a s u r e m e n to l fe x h a u s tu a se m i s s i o n 一-一一。一一- - 姓 2 0 0 7 年6 月 舢38 脚8m 908 枷1 胛y i 飞r 江苏大学硕士学位论文 摘要 燃料经济性是汽车的主要使用性能之一，它常用一定运行工况下汽车行驶百公里 的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。 使用容积法、重量法以及流量计法可以直接测量汽车燃油消耗量，但这些方法都 需要拆卸被检车辆的油路，实行解体检验给实际操作带来很大的困难。在实际应用中， 不论是对车辆检测部门还是对车辆修理部门，测量仪器的使用方便性都是至关重要 的，它是提高效率的基本保证。随着车辆检测自动化水平的日益提高，上述传统的油 耗测量方法无法适应快速不解体检测的需要。因此，交通科技工作者一直致力于研究 快速不解体检测汽车油耗的新方法，碳平衡法被认为是间接快速测量汽车油耗的有效 方法之一。 本文分析了国外有关碳平衡法测量油耗的模型，它们均建立在具有标准化的汽油 以及先进的气体采集技术基础上。采用比较先进的定容取样系统( c v s ) ，该设备体 积庞大，引进价格昂贵，又不适合检测站的流水线操作。为解决上述问题，本文建立 了汽车排气开式稀释取样、流量计量和碳平衡法的油耗测量理论模型，设计并研制出 该测试系统样机，用内锥流量计替代临界文丘里管测量稀释排气量，针对稀释排气研 制了相应测量量程的分析单元。采用a n s y s 对选用的内锥流量计进行流场模拟分析， 验证了此流量计的测量可靠性。此外，根据理论模型中各个测量参数的最大波动度分 别计算了每个变量对油耗计算结果的影响，并对其综合不确定度进行了评定。最后开 展了试验研究和试验误差分析，修正了已建立的理论模型，编制了油耗快速检测过程 的测量与控制软件。 在理论模型的基础上，本文对多款车型进行了大量的试验研究。试验结果表明， 各种车型试验结果的重复性良好，本文设计的汽车油耗快速测试系统是可行的。本文 建立的修j 下模型呈现明显的线性关系，通过对第三车辆进行试验的验证，表明模型是 正确的，误差在中、低速时能控制在3 以内。 关键词：燃油消耗，碳平衡法，流量计，取样系统 v 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef u e le c o n o m yo fv e h i c l ei so n eo ft h ep r i m a r ys e r v i c ep e r f o r m a n c e s i to f t e nc a l lb em e a s u r e db yt h ef u e l c o n s u m p t i o no fv e h i c l ea f t e r 1 0 0 k i l o m e t e r sm ra ts t a t e do p e r a t i n gm o d eo rb yt h er u n n i n gt r i pc o m p u t e ro f v e h i c l ew i t hs t a t e df u e lc o n s u m p t i o n t h ef u e l c o n s u m p t i o n c a nb em e a s u r e d b y v o l u m e t r i c m e t h o d ， g r a v i m e t r i cm e t h o da n dc u r r e n t m e t e rm e t h o d b u tt h eo i ld u c to ft h eb e i n g d e t e c t e dv e h i c l en e e dt ob ed i s m a n t l e di na l lt h e s em e t h o d s ，w h i c hb r i n g sal o t o fi n c o n v e n i e n c et oa c t u a lo p e r a t i o n i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , n om a t t e rf o r v e h i c l ed e t e c t i o n d e p a r t m e n t o rv e h i c l em a i n t e n a n c e d e p a r t m e n t ，t h e c o n v e n i e n c eo ft h ei n s t r u m e n ti nu s ei sg r e a t l yi m p o r t a n tf o ri ti st h eb a s eo f r a i s i n ge f f i c i e n c y w i t ht h ev e h i c l ed e t e c t i n ga u t o m a t i cd e v e l o p i n g ，t h e m e n t i o n e dt r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d so ff u e lc o n s u m p t i o nh a v e n 、m e t t h en e e do fq u i c k l ym e a s u r e m e n tn o td i s j o i n t e d t h e r e f o r e ，t h ew o r k e r s ， s t u d y i n go n t r a f f i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , h a v eb e e nc o m m i t t i n gt h e m s e l v e s t or e s e a r c hn e wm e t h o d so fq u i c k l yd i s j o i n t e d l ym e a s u r i n gf u e lc o n s u m p t i o n ， o fw h i c ht h ec a r b o nb a l a n c e dm e t h o di st h o u g h tt ob eo n eo ft h ea f f e c t i v e m e t h o d s i nt h ep a p e f ，t h ea b r o a dm o d e la b o u tm e a s u r i n gf u e lc o n s u m p t i o nb y c a r b o nb a l a n c em e t h o dh a sb e e na n a l y z e d ，w h i c hi se s t a b l i s h e do nt h e i r o w n i n gt h ea d v a n c e dc o l l e c t i v et e c h n o l o g ya n dt h es t a n d a r d i z e df u e l t h e a d v a n c e dc v s s y s t e m i sa d o p t e d ，t h ev o l u m eo fw h i c hi sh u g ea n dt h ei m p o r t p r i c ei sh i g h , w h i c hi si m p r o p e rt oq u i c km e a s u r e m e n to fd e t e c t i n gt e s ts t a t i o n i no r d e rt or e s o l v et h ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s ，t h ep a p e re s t a b l i s h e s t h e o r e t i c a lm o d e lo fc a l c u l a t i n gf u e lc o n s u m p t i o nb yc a r b o nb a l a n c em e t h o d b a s e do nt h eo p e nt y p ed i l u t i o ns a m p l i n ga n dd i s c h a r g ec a l c u l a t e s ，d e s i g n st o h i 江苏大学硕士学位论文 s e tu pk i n dm a c h i n e ，r e p l a c e sc v st om e a s u r ed i l u t i o nr o wt o l e r a n c ew i t ht h e f l o w m e t e r , a i m e da tt h ed i l u t i o nr o ws p i r i tt od e v e l o pt oad i s t a n c ea n a l y t i c a l u n i tc o r r e s p o n d i n gt h ed i a g r a p hq u a n t i t y a n dc a r r i e so nf l o w i n ge m u l a t i o n a n a l y s i st o w a r d st h ei n s i d ea w lf l o w m e t e rc h o o s e dw i t ha n s y s ，v e r t i f i e st h e r e l i a b i l i t yo ft h i sf l o w m e t e r i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h eg r e a t e s tm o t i o n d e g r e eo fe a c hm e a s u r e dp a r a m e t e rt oc a l c u l a t ee a c hi n f l u e n c ew h i c hc h a n g e q u a n t i t yt oc o n s u m et h ec a l c u l a t i o nr e s u l tt ot h eo i lr e s p e c t i v e l y , a n di t s c o m p r e h e n s i v ei n d e t e r m i n a t i o nd e g r e ei sa l s oc a r r i e do na s s e s s i n g f i n a l l y , t h ep a p e rm a k e ss o m et e s tr e s e a r c h ，a n a l y z e st h ee x p e d m e n te r r o r , r e v i s e st h e e s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a lm o d e la n d c o m p l e t e st h em e a s u r ea n dc o n t r o ls o f t w a r e o fq u i c k l ym e a s u r i n gf u e lc o n s u m p t i o ns y s t e m b a s e do nt h e o r e t i c a lm o d e l ，t h i sp a p e rc a r r i e so u tp l e n t yo ft e s t sw i t h s e v e r a lk i n d so fv e h i c l e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e p e a t a b i l i t yo fe a c hk i n di s g o o da n dt h ef u e lc o n s u m p t i o nq u i c kt e s t i n gs y s t e mi sf e a s i b l e t h i sp a p e r h a se s t a b l i s h e dt h ec o r r e c t i v em o d e l ，w h i c hp r e s e n t so b v i o u sl i n e a rr e l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ev e r i f i c a t i o nf o rt h et h i r dc a r , t h ee r r o rc a nb ec o n t r o l l e d w i t h i n3 u n d e r m i d d l i n ga n d l o ws p e e d s ，w h i c hs h o w st h em o d e li sf i g h t k e yw o r d s ：f u e lc o n s u m p t i o n , c a r b o nb a l a n c e m e t h o d ，f l o w m e t e r , s a m p l i n gs y s t e m 广 r j _ b 龟 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 国内外汽车燃油消耗检测技术与装备1 1 2 开发新型汽车燃油检测技术的意义2 1 3 汽车燃料经济性的评价指标与方法3 1 4 测量汽车油耗的传统方法。5 1 4 1 体积测量法5 1 4 2 质量测量法6 1 5 碳平衡原理测量法及国内外研究现状7 1 6 论文的主要研究内容1 0 第二章基于碳质量平衡的油耗测量的理论模型。 2 1 系统建立的依据1 1 2 1 1 模型的理论依据1 1 2 1 2 模型的可行性分析1 1 2 2 系统设计方案1 3 2 3 模型的建立1 6 2 4 排气含碳总量的确定1 7 2 5 系统测量不确定度分析1 9 2 6 本章小结2 1 第三章油耗测试系统的控制研究2 2 3 1 系统控制的工作原理2 2 3 2 串口通讯及程序流程图2 4 3 2 1串口通讯2 4 3 2 2 系统运行主要步骤2 5 3 2 3 控制程序流程框图2 5 3 3 本章小结3 0 第四章台架试验及数据处理3 1 4 1 试验方案的确定3 1 4 2 试验设备3 1 4 2 1 流量计的选择及其分析3 1 4 2 2 气体分析仪的选择3 7 i v 江苏大学硕士学位论文 4 2 3 底盘测功机3 8 4 2 4 油耗仪3 9 4 2 5 温度传感器3 9 4 2 6 入口压力传感器。4 0 4 2 7 差压变送器4 0 4 2 8 信号采集器4 1 4 3 测功机加载载荷的确定4 2 4 4 试验方法4 4 4 4 1 油耗测试步骤4 5 4 4 2 试验数据记录4 5 4 5 试验数据处理及分析4 9 4 5 1 江淮轻卡数据处理与分析4 9 4 5 2 西耶那数据处理与分析5 2 4 5 3 试验数据分析结果5 3 4 6 油耗测试系统适应性验证5 3 4 6 1油耗测试系统模型修正5 3 4 6 2 油耗测试系统适应性验证5 4 4 7 本章小结5 7 第五章测试系统误差分析 5 1 测试系统中的误差概述5 8 5 1 1 测试系统误差分类5 8 5 1 2 系统误差分析方法5 9 5 2 测试系统误差分析5 9 5 3 本章小结6 1 第六章结论6 2 6 1 论文的研究结论6 2 6 2 存在和尚需解决的问题6 3 致谢。 参考文献。 攻读硕士学位期间参加科研项目及发表的论文 v 一 一 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 近几年，随着我国公路建设和道路运输业的发展，为道路运输和汽车正常运行提 供技术支持和后勤保障的汽车维修和检测行业也得到了迅速发展。随着汽车制造和检 测技术的进步，汽车检测行业也不断发展壮大，在汽车维修生产和管理部门动态检测 汽车技术状况方面发挥着极其重要的作用。 能源是发展生产和提高生活水平的物质基础。汽车主要能源是石油产品中的汽油 和柴油。随着我国汽车保有量的逐年增加，石油消耗日益增长，石油能源短缺迫使人 们关注汽车燃料经济性及检测手段的准确性。 汽车的燃料经济性一般是用汽车燃油消耗量来评价。汽车燃油消耗量是在用汽车 技术状况与修竣车维修质量的综合性能的体现，也是诊断和分析汽车故障的重要参 考。 汽车燃油消耗量通常用燃油消耗检测仪测量燃油消耗的容积或质量来测定。传统 的燃油消耗量的测定方法有容积法、重量法、流量计法、流速计法等。这些测量方法 的基本形式相同，即将测试仪器串接到汽车发动机供油系统中，因而在对汽车燃料消 耗量测定时必需拆卸其供油管路，对被测车辆损害较大，且检测时间较长，不便于应 用在检测线上。因此，寻求开发新的汽车燃油耗检测技术以适应社会发展的需要，一 直是摆在广大科技工作者面前的一项重大课题。实践证明，用碳平衡法建立的汽车油 耗快速检测系统测量汽车发动机燃油消耗量，能缩短检测时间、减小对车辆的损害， 提高车辆的检测速度。 1 1 国内外汽车燃油消耗检测技术与装备 燃油消耗量是评价内燃机经济性的重要指标，是内燃机的重要测量参数之一。因 此，燃油消耗量的测量是内燃机性能试验的重要组成部分，其测量精度直接影响内燃 机实际性能指标、各项技术参数确定和主要附件的选配及调整等。目前，内燃机台架 试验多属于稳态工况，仍沿用传统的质量法或体积法测量发动机燃油消耗量。随着汽 车技术飞速发展，对其测试的手段也应同步发展。 目前的油耗仪多为体积式【l 】【2 】【3 l 的，日本小野公司的f p 2 1 4 型活塞式流量传感器 江苏大学硕士学位论文 【l 】，最低采样时间为o 1 s ，最小油量分辨率为l m l ，传感器量程为0 3 。1 2 0 l h 。涡轮 流量仪嗍【5 1 具有瞬时测量和累计功能，得到广泛应用，可测量o 0 5 。1 2 0 0 1 m i n 的液体 流量，在标定条件下，精度可达0 5 ，响应时间为2 1 0 m s 。中小功率汽油机燃油 流量小，一般在1 0 。3 0 0 0 m l m i n ，超出涡流流量计下限，为此国内研制出不同大小的 涡轮以满足汽油机小流量测量的需要。以上两种流量仪均用于汽车道路试验，只能测 量体积流量。 美国p i e r b u r g 仪器公司的流量计为涡轮流量仪的改进型【6 】，流量范围可从1l _ h 起，响应时间为2 0 0 m s ，精度可达0 1 。奥地利的a v l 公司研制的台架试验中发 动机燃油消耗测量的精确测量仪1 7 ，在油量2 5 9 时精度较高，台架试验测量范围为 0 1 5 0 k g h ，尽管该油耗仪可进行动态测试，但由于仍是静态燃油测量秤的改进，动 态响应时间大于2 0 0 m s ；该油耗仪利用科里奥利原理来测量流过某一封闭管道中流体 的质量流量，其工作原理是通过测量作用于科氏奥里流量计双弯管上的科里奥利力 ( 简称科氏力) 来检测管道中的质量流量。目前，国外有关燃油消耗测量设备的报道 较少，只有一些专利8 1 1 9 1 1 0 1 。 1 2 开发新型汽车燃油检测技术的意义 汽车作为现代化的交通工具，在社会生活中起着异常重要的作用。自七十年代以 来，汽车的保有量逐年增加，而作为汽车用油来源的石油，其储量是有限的。据推测， 全世界石油的储藏量约为3 0 0 0 亿吨，其中4 0 0 亿吨已经开采，9 0 0 亿吨已经探明， 照目前的需求规模，已探明的石油储量仅能开采3 0 年左右。因此，人类必须正视能 源问题，尽可能地节约能源，才能延缓石油枯竭的时间。 我国的石油资源虽较丰富，但探明的储量增长不快。随着我国国民经济的发展， 我国的汽车数量增长很快，据不完全统计目前我国的汽车拥有量近5 0 0 0 多万辆，汽 车运输业已成为成品油的第一大户，消耗的汽油量占全部消耗量的8 0 以上。 另外，燃料费占汽车运营成本的3 0 左右，因此，千方百计地降低汽车燃油消耗， 也是提高运输经济效益的重要途径。 要达到节约用油，降低能耗的目的，除广泛采用新材料、新工艺提高汽车性能外， 主要应加强管理和监督。 1 制定法规，限制新生产汽车的燃油消耗量。自1 9 7 3 年世界发生石油危机以来， 2 小 g r 一 _ 江苏大学硕士学位论文 如何有效地节约燃料、减少燃油消耗、提高汽车的燃料经济性已经成为汽车制造业和 汽车使用者关注的重要问题【1 1 1 。为此，各国纷纷制定本国的汽车油耗法规，强制性地 降低新生产汽车的油耗指标，如美国近十年来汽车油耗平均每年下降2 1 1 2 。 2 加强对在用车的检查和管理。对在用车辆进行定期的技术状况、经济状况检 查，以便及时对技术状况差的车辆进行维护修理。对于维修后仍不能达到要求的，强 制报废。 为缩小与发达国家的差距，我国已经制订了汽车技术等级评定标准、汽车技 术等级评定的检测办法，将燃油消耗列为评定汽车经济性的重要指标；1 9 9 1 年1 0 月颁布的交通部2 9 号令汽车运输车辆综合性能检测站管理办法也规定，所有从 事汽车运输车辆综合性能检测的a 、b 、c 三级检测站，都应具备燃油消耗量检测的 能力，这更加体现了对车辆经济性指标的重视。 因此，为配合燃油消耗的检测，开发一种更方便、更有效的汽车燃油消耗检测设 备，已成当务之急。 1 3 汽车燃料经济性的评价指标与方法 汽车在一定的使用条件下，以最小的燃油消耗量完成单位运输工作的能力称为汽 车的燃料经济性【乃j 。 汽车的燃料经济性是汽车的主要使用性能之一，常用一定运行工况下汽车行驶百 公罩的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的罩程来衡量【1 4 1 1 1 5 1 。 在我国及欧洲，燃料经济性指标的单位为l 1 0 0 k m ，即行驶1 0 0 k i n 所消耗的燃 油升数。其数值愈大，汽车燃料经济性愈差。美国为m p g 或m i l e u s g a l 指的是每加 仑燃油能行驶的英里数。其数值愈大，汽车燃料经济性愈好。 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，它指汽车在额定载荷下，以 最高档在水平良好路面上等速行驶1 0 0 k i n 的燃油消耗量。一般测出每隔1 0 k m h 或 2 0 k m h 速度间隔的等速百公里燃油消耗量，绘制出等速百公里燃油消耗量曲线，用 来评价汽车的燃料经济性。 但是，等速行驶工况并没有全面反映汽车的实际运行情况，特别是在市区行驶中 频繁出现的加速、减速、怠速停车等行驶工况。因此各国都制定一些典型的循环行驶 试验工况来模拟汽车实际运行情况，并以其百公里燃油消耗量来评定相应行驶工况的 3 江苏大学硕士学位论文 燃料经济性【15 1 。 汽车燃料经济性的试验方法很多，但是根据对各种使用因素的控制程度，可分为 不控制的道路试验、控制的道路试验、道路循环试验( 包括等速试验及由怠速、加速、 减速、制动速等组成的多工况试验) 和底盘测功机( 转鼓试验台) 上的循环试验【1 6 】【1 7 1 。 1 不控制的道略试验 不控制的道路试验是非常接近实际情况的道路试验。理论上试验结果最能反映实 际情况，但是由于各种因素的随机变化，试验数据重复性较差，要获得可信赖的分散 度小的可靠数据，试验行程不得小于1 6 0 0 k i n ，同时需要相当数量的试验用车，所以， 该方法试验费用昂贵、试验周期长，通常很少采用。 2 控制的道路试验 控制的道路试验是使汽车在预定的时间内、类似不控制道路试验的路线上所进行 的试验。每辆汽车固定一驾驶员，从而控制驾驶习惯。因为在特定的路线上在规定的 时间内试验，从而也控制了交通情况等。但是因交通堵塞情况无法估计，环境状况也 不可能得到控制，为此把试验控制在较短的时间内，使其影响降低到最小程度，多项 的高度控制的道路试验可以得到精度较高的测量数据。 3 道路循环试验 不控制的道路试验和控制的道路试验均因道路条件、交通情况、驾驶习惯和环境 状况等随机因素的变化，使得试验误差相当大。为了获得可靠的试验结果，势必要增 加试验车辆数和试验里程数，因费用高、时间长而很少采用。 为此制定了对使用条件加以适当的控制并模拟简化为若干工况或若干循环的试 验规范，通常称为道路循环试验或道路工况试验。该方法因重复性好、费用少、时间 短等优点而被广泛应用。 4 底盘测功机循环试验 底盘测功机能够模拟汽车行驶时的道路阻力、空气阻力和加速阻力以及模拟试验 循环，因此在底盘测功机上可以进行复杂的多工况的循环试验来测定汽车的燃料经济 性。 在美国、欧洲和日本，测量轿车的燃料经济性用的底盘测功机试验循环都是采用 测量汽车排放物的试验循环，这样可以同时测量汽车的燃料经济性和排放污染物。 同道路试验比较，利用底盘测功机进行燃料经济性测量有如下优点： 4 r 忽 江苏大学硕士学位论文 1 ) 由于能控制试验条件，所以环境条件的影响可减到最小： 2 ) 若能控制气温，则可在不同气温条件下进行试验； 3 ) 室内便于控制行驶工况，所以便于采用符合实际的复杂的循环； 4 ) 能采用质量法、体积法和碳平衡法等多种测量方法； 5 ) 可同时进行燃料经济性和排放试验。 底盘测功机测量油耗的重复性好，能反映汽车的实际行驶工况，可同时进行排气 污染的测量，因此，该方法的应用同益增多和受到重视。 1 4 测量汽车油耗的传统方法 1 4 1 体积测量法 采用行星活塞式油耗传感器在底盘测功机试验台上进行油耗检测，测定一定体积 燃油的消耗时间。容积式油耗传感器通过累计发动机工作中所消耗的燃油总量，用时 间或里程来计算油耗量。 容积式油耗传感器的流量检测装置由流量变换机构及信号转换机构组成。流量变 换机构是将一定容积的燃油量变为曲轴的旋转运动，它由十字形配置的四个活塞和旋 转曲轴构成【1 引，其工作原理如图1 1 所示。 燃油在泵油压力作用下推动活塞运动，再由活塞运动推动曲轴旋转，曲轴旋转一 周( 即四个活塞各往复运动一次) ，完成一个进排油循环。如此反复，在燃油泵泵油压 力的作用下，就可完成实现定容量、连续泵油的作用。曲轴旋转一周，各缸分别排油 一次，其排油量可用下式( 1 1 ) 确定： v ：4 尘生2 h ：2 h 死2( 1 1 ) 4 式中，v ：四缸排油量，c i l l3 ： 4 ：代表四个油缸； 三当：代表某一活塞截面积，c mz ； 4 2 h ：2 倍的曲轴偏心距( c m ) ，即活塞行程。 信号转换机构如图1 2 所示，装在曲轴的另一端，由主动磁铁、从动磁铁、转轴、 光栅板、发光二极管、光敏管、电缆插座及壳体等组成。当曲轴转动时，由于一对永 5 江苏大学硕士学位论文 久磁铁的吸引作用，转轴及其上的转动光栅也随之转动，通过发光二极管和光敏管， 把曲轴的转动变成电脉冲信号送入计量显示仪，经过内部运算处理后，即可显示出流 经的燃油量。 蛐， 图1 - 1 行星活塞式油耗传感器原理图 f i g u r e1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fo i l c o n s u m p t i o ns e n s o rw i t hp l a n e tp l u n g e r l 、2 、3 、4 活塞5 曲轴6 连杆 p 1 、p 2 、p 3 、p 4 油道 e 1 、e 2 、e 3 、e 4 排油口 1 4 2 质量测量法 ， ， 图1 - 2f p 系列四活塞容积式油耗计传感器 f i g u r e1 - 2f ps e r i e so i lc o n s u m p t i o n c o u n t ss e n s o r w i t hf o u rp i s t o nd i s p l a c e m e n t s 1 信号端子2 转子光栅3 转速脉冲变换器 4 流量转速变换器5 活塞6 磁性联轴节 7 一固定光栅8 光敏管l e d ( 对置) 用质量式油耗传感器在底盘测功机试验台上进行油耗检测，是测定消耗一定质量 燃油所需的时间。质量式油耗传感器由称量装置、计数装置和控制装置组成【1 8 1 ，如图 1 3 所示。在测量消耗一定质量的燃油所需的时间后，可按式( 1 2 ) 计算出单位时 间内发动机的燃油消耗量。 g ：3 6 0 t m( 卜2 ) f 式中，w ：燃料重量，g ； t ：测定时间，s ； g ：燃油消耗量，k g h 。 6 厶 ， 江苏大学硕士学位论文 图卜3 质量式油耗传感器 f i g u r e1 3q u a l i t yt y p eo i lc o n s u m p t i o ns e n s o r 1 油杯2 出油管3 - 力口油管4 电磁阀5 、6 限位开关7 限位器 8 、9 光电二极管1 0 光源1 1 鼓轮机构1 2 鼓轮1 3 计数器 测量装置可利用台秤改制，量程为1 0 蚝，测量误差为0 1 。该质量式油耗仪 的缺点是在测量时油杯中油面高度发生变化，伸入油杯中油管浮力的反作用力也在变 化，易造成称量时的系统误差。 虽然容积法、质量法具有较高的精度，但都需要拆卸被检车辆原来的油路，因而 给实际检测带来不便9 1 。在实际应用中，不论对车辆检测部门还是车辆修理部门，仪 器使用方便性是至关重要的，因为只有使用方便才能提高效率，从而提高效益。在车 辆检测日益自动化的今天，原有油耗测量方法的使用不便性严重制约了它在实际中的 应用，人们希望能研制出不用拆卸原油路即可进行油耗测量的新仪器。 1 5 碳平衡原理测量法及国内外研究现状 近年来，我国相继颁布了g b7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件、g b 1 6 7 3 9 1 9 9 7 汽车维修业开业条件、g b1 7 6 9 1 1 9 9 9 压燃式发动机和装用压燃式发 动机的车辆排气污染物限值及测试方法、g b1 8 2 8 5 2 0 0 0 在用汽车排气污染物限值 及测试方法、g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值和测量方法等一系列国 家标准，要求对新车、在用车和大修竣工车进行油耗和排放的定期检测。因此，全国 对汽车气体分析仪和油耗仪的需求急剧增加。据中国道路运输协会等权威机构预测， 7 江苏大学硕士学位论文 我国的油耗仪和气体分析仪的需求2 0 0 1 年约为5 0 0 0 台，以后每年以1 0 一1 5 递增。 从供应渠道来看，我国的车用五气体分析仪主要依赖于进口，目前尚无对油耗进行快 速检测的手段口o 】【2 1 1 。 尽管国家标准规定了整车油耗量的检验要求，由于无匹配的检测仪器，各地在进 行车辆综合性能检测时均不对该项进行检验，无法得到评价车辆综合性能的燃料经济 性指标，使得主管部门对出厂车辆、在用车技术状况、修竣车等缺乏全面的质量监控。 因此，开发研制汽车油耗排放快速检测仪对促进交通行业科技进步，对满足急剧增 加的车辆维修、检测市场的需求具有重要的现实意义。 目前国内进行油耗测量时，一般采用前文所述的容积法、重量法和流量计法，虽 然可以达到很高的精度，但却都需要拆卸被检车辆的油路，不同牌号的汽车，油管的 规格、油路的布置不同，拆装起来费时费力，进行单项试验至少需要1 2 小时，无法 实现对汽车耗油量的快速检测。而且倘若连接不好，还容易造成燃油泄漏及气阻，特 别对于一些高级轿车，由于这一拆一装，还可能带来一些不应有的故障。在实际应用 中，不论是对车辆检测部门还是车辆修理部门，仪器的使用方便性都是至关重要的， 它是提高效益的保证。随着车辆检测自动化水平的日益提高，油耗传统测量方法无法 适应快速不解体检测的需要。因此，人们希望能找到一种不用拆卸油路即可进行油耗 测量的新方法，碳平衡法被认为是间接、快速测量汽车油耗的有效的方法之一。 1 碳平衡法原理 汽油( 柴油) 是内燃机的主要燃料，它的化学成分比较复杂，主要是各种碳氢化 合物的混合物。通过测定汽车在一定条件下运转时排气中的二氧化碳( c 0 2 ) 、一氧 化碳( c 0 ) 及碳氢化合物( h c ) 的排出量，利用其碳量与消耗燃油中的碳量相同这 一关系，通过定量分析，即可得到燃油消耗量【2 2 】【2 3 】。 2 国内外研究现状 美国环保屈j ( e p a ) 在c f r 第加卷的第6 0 0 部分中，规定了机动车燃料经济性的 测量方法。该法规采用了l a 4 城市行驶工况和h w t e t 公路行驶工况，在转鼓试验 台上对汽车油耗进行试验规定，用碳平衡法进行计算矧。 计算公式如式( 1 3 ) 行驶油耗里程恤n e g a l 户莓石葡星芝等等纂蛊罢箬 8 江苏大学硕士学位论文 ： 三丝一一 ) 0 8 6 6 h c + 0 4 2 9 c o + 0 2 7 3 c o ， 、7 环保局根据这两种试验循环得到的油耗里程数据，按城市5 5 ，公路4 5 ，进 行加权计算，得到综合评价油耗的里程，见式( 1 4 ) 。 综合评价油耗里程g = 百i 厂二l 而万一 一颤 f ( d ：y m p g + 孺2 讶面 ( 1 4 ) 日本从1 9 7 3 年开始采用1 0 工况法测定油耗，从1 9 7 5 年开始，增设了1 1 工况法。 这两种工况法主要适用于以汽油或液化石油气为燃料，总质量在2 5 t 以下的小型汽车 ( 不包括摩托车) 以及定员1 0 人以下的轻型客车、对总质量2 5 t 以上或1 1 人以上的客 车则采用6 工况法试验。1 0 工况法共进行6 个循环，第一循环为试运转，采集后5 次循环的排放量，用碳平衡法计算油耗。从1 9 9 4 年1 0 月用1 0 、1 5 工况法测定油耗 【2 4 】 o 欧洲共同体己形成统一的试验规范，即联合国欧洲经济委员会( e c e ) 的1 5 号 法规( e c er 1 5 ) ，从1 9 8 2 年起执行，也是为排气控制制定的转鼓试验台规范。该规 范规定共进行4 次循环，然后用碳平衡法计算油耗 2 4 1 。 由碳平衡法测量原理，检测油耗必须采集排气总量，国外处理排气总量的方法主 要是采取c v s 定容取样系统。定容取样系统( c v s ) 自7 0 年代在美国开始用于排放 的检测。汽车排气管排出的气体全部被导入定容取样系统，用经过严格过滤的空气混 合稀释，稀释后的排气经热交换器保持恒温，然后经过定容泵排出，此段流路称为主 流路。通过计量定容泵的转数，计算出总的稀释排气量。取样是在定容泵入口前的主 流路上，用取样泵取样。取样气体经过滤器、取样泵、调节阀、流量计进入取样袋， 然后由气体分析仪来分析气体的组成。采用c v s 定容取样系统，取样气体组分比较 稳定，测量误差小【2 5 j 。 综上可见，世界主要发达国家非常重视油耗控制和检测的问题，几十年前就已经 制定了相关法律和法规，并将碳平衡法计算油耗纳入规范，这说明碳平衡法在汽车发 达国家确实已经得到验证和应用。 我国在油耗控制及检测方面起步较晚，发展较慢，从1 9 7 7 年起我国先后公布了 多个载货汽车的试验规程或试验方法，到1 9 9 0 年对汽车车型的燃油消耗量试验方法 进行了一次修改，把各种车型的燃油消耗量试验方法合并为一项国家标准g b 厂r 1 2 5 4 5 1 9 9 0 汽车燃油消耗量试验方法。虽然这些法规对油耗测量方法做了一些规 9 方法； 2 ) 采用方便、快捷的方法获得汽车排气总量： 3 ) 利用碳质量平衡原理，建立基于含碳量的碳平衡法计算油耗模型； 4 ) 进行相关试验研究，并对测量油耗结果进行不确定度分析； 5 ) 对碳平衡法计算油耗误差进行修正，建立通用模型； 6 ) 验证通用模型。 1 0 膏 黛 江苏大学硕士学位论文 第二章基于碳质量平衡的油耗测量的理论模型 无论油耗高低，理论上，排气中的含碳量与所消耗燃油中的含碳量相同，据此可 以建立耗油量与排气之间的理论关系模型。实际上，因为车辆在不同的技术状况、不 同的运行状态下，都存在一定程度的燃油泄漏，即排气中的含碳量与所消耗燃油中的 含碳量并不是严格对应的关系。为此，需要对模型进行修正。 本章首先介绍了国外已有的模型，进而根据我国的实际情况建立适用于检测站的 模型，并对模型各参数的确定方法进行了研究。 2 1 系统建立的依据 2 1 1 模型的理论依据 燃油主要是由c 、h 化合物组成的混合物，燃烧后生成不同量的c 0 2 、c o 、h c 、 h 2 0 ( 汽) 、n o x 等，不论燃烧状况如何，理论上排气中的c 0 2 、c o 、h c 中所含c 元 素的总量对应着所消耗燃油中的含碳量。 因此通过对排气中的c 0 2 、c o 、h c 的浓度及其容积排放的分析，得到排气中单 位里程( 或时间) 内的碳元素量，再与所用燃油中碳元素含量相比即可得出汽车燃油消 耗量，这就是碳平衡原理。 用碳平衡法计算燃油消耗量时，有如下假设条件： 1 ) 排气中的碳仅包含在c 0 2 、c o 和h c 之中，因为分析仪测不出其它的碳氢氧 化物，而且碳微粒亦未考虑； 2 ) 排气中的c 0 2 、c o 和h c 仅来自燃烧过的燃油中； 3 1 排气中的碳量等于消耗燃油中的碳量，即不考虑汽化损失、燃油在曲轴箱机 油中的沉积等。 2 1 2 模型的可行性分析 美国、日本采用的定容取样排气分析法采用式【2 8 】( 2 1 ) 计算燃油消耗量。 g = 啡+ h c ) 5 3 3 1 0 一( c 0 2 + c o + 万h c ) ( 2 1 ) 1 1 江苏大学硕士学位论文 式中，g ：燃油消耗量，l ； v ：标准状态( 温度为0 c ，压力为7 6 0 m m h g ) 的排气体积，l ； h c ：燃油中的氢和碳的质量比； c o 、c 0 2 ：c o 、c 0 2 在排气中的体积百分比，； h c ：用烃分析仪测量排气中碳氢化合物的浓度，p p