（载运工具运用工程专业论文）碳平衡法测量汽油车燃油消耗量的试验研究.pdf

摘要 提高我国汽车的燃油经济性，可以节约石油资源，减少公路运输的成本，减 少汽车的排放污染，意义重大。然而，我国在用车到综合性能检测站进行燃油经 济性检测时，采用传统的检测方法时遇到了两个问题：一是安装检测仪器改变了 原车的燃油供给状态，损害被检车辆及其发动机；二是燃油经济性检测工位的步 长过大，约为其它工位( 如灯光检测) 步长的5 1 0 倍，不能适应汽车现代化检测 的准确性和便捷性要求。 为解决上述问题，本文利用碳平衡原理，依据一定的假设建立了一个十参数 理论模型，在充分考虑和利用现有条件的基础上，设计和布局试验系统，采用间 接测量和直接测量相结合的组合测量的试验方法，将基于碳平衡法的计算燃油消 耗量和基于容积法的实测燃油消耗量进行比较分析，找出二者之间的联系，以期 达到既准确又便捷的不解体检测目的。 本文的论述围绕着利用碳平衡法检测汽车等速燃油经济性的主线展开，研究 内容如下： 1 、概括了国内外利用碳平衡法测量汽车燃油消耗量的研究背景，阐明了碳平 衡法较之传统检测方法的优越性，总结了国外( 以美、日、欧为代表) 和国内( 大 陆及台湾) 对碳平衡法检测汽车燃油消耗的研究经验。 2 、探讨了汽油的主要化学成分，并初步从理论上分析了汽油的燃烧状况，得 出了完全燃烧和不完全燃烧后的排气湿基体积；同时根据碳平衡原理建立了一个 十参数理论模型，其特点是计算得出了排气中碳氢化合物的平均碳原子数；最后 介绍了排气中水蒸气分压的近似插值算法。 3 、从建立的理论模型出发，分析模型中能直接测得的量，并以此为依据设计 了试验系统，设计的目标是：测量实际燃油消耗量和测量废气状态参数和组分浓 度；设计主要从试验系统的硬件设计和基本软件设计两个方面来确定系统的基本 轮廓：并简述了试验系统的工作原理，其中强调了系统工作的协调性和同步性。 4 、按照试验的依据及其总体布置图，进行试验。其中首先阐述了底盘测功机 的加载原理及其模拟行驶阻力的确定方法；其次采用直接测量和间接测量相结合 的组合测量的试验方法，以e q l 0 9 0 货车为例，将基于排放的计算油耗值和基于容 积法的实测油耗值进行了比较分析。 5 、在简要回顾了测量误差的定义、分类和来源之后，着重阐述了试验系统在 检测汽车等速燃油经济性的过程中已产生或可能产生的误差；并利用经典误差理 论知识对已知模型在计算燃油消耗量时的误差作了定量分析，提出了一些减小或 消除误差的建议和措施。 关键词： 碳平衡法燃油消耗量测量误差分析不解体检测 j a b s t r a c t b e t t e r i n gf u e le c o n o m yo fg a s o li n e f u e j e dv e h i c l ei nc h l n a ， c a n d e c r e a s eo i lc o n s u m p t i o n ，r e d u c et h ee x p e n s e so nr o a dt r a n s p o r t a t i o n ，a n d a l l e v i a t ea i rp o l l u t j o nc a u s e db yv e h i c l ee x h a u s t ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n t t ob e t t e rv e h i c l ef u e le c o n o m yi nc h i n a 工nt h ef u e 卜e c o n o m yt e s t i n go f i n u s ev e h i c l ew i t ht h et r a d i t i o n a l 哪e t h o da n do nt h ev e h i c l ea l l o v e r p e r f o r 眦n c et e s t i n gl i n e ， h o w e v e r ，t h e r ea r et w oq u e s t i o n s ：o n ei st h a t t h ei n s t a l l a t i o no ft h ee q u i p i e n t0 nt h ev e h i c l ec a u s e st h ec h a n g eo f g a s o li n es u p p l y i n gs t a t e ，n i c hd o e sd a i a g et ot h et e s t e dv e h i c l ea n di t s e n g i n e ：t h eo t h e ri st h a tt h et i 埘ec o n s u m e di nt h ef u e l 一e c o n yt e s t i n g i t e mi so f t e n r 伽5t o1 0t i 蛇sa sl o n g8 st h eo t h e rt e s t i n gi t e m s ( e g f r o n t1 i g h t st e s t i n g ) ，柏i c hc o u l d n tf 0 1 l o wt h e d e r nv e h i c l et e s t i n g t i d et h a tt e n d st ob e 伽c hq u i c k e r ，朋o r ea c c u r a t ea n dm o r ec o n v e n i e n t t os o l v et h ea b o v et w oq u e s t i o n sa st of 0 1 1 0 t h em o d e r nt e s t i n gt i d e ， t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sam a t h e m t i c a lm o d e l w h i c hh a s1 0p a r a m e t e r s ， w i t ht h ec a r b o nb a l a n c em e t h o da n dw i t hs e v e r a lp i e c e so fh y p o t h e s e s a n d e x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e s i g n e di nt h el i g h to fc u r r e n tc o n d i t i o n s ，u s i n g t h em u l t i p l em e a s u r e m e n tw h i c hc o m b i n e st h ed i r e c tm e a s u r e m e n tw it ht h e i n d i r e c tm e a s u r 鲫e n t t h e nac o i p a 】s o ni sm a d ei nt h ed i s s e r t a t i o nb e t w e e n c a l c u l a t i o nf u e lc o n s u m p t i o nb a s e do nc a r b o nb a l 8 n c em e t h o da n dm e a s u r e d f u e lc o n s u m p t i o nb a s e do nv 0 1 u m e t r i cm e t h o d ，t of i n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e n t h et w om e t h o d s i nt h ep r o c e s so ft h et e s t i n gy e h i c l e sc o n s t a n t s p e e df u e le c o n o m y w i t ht h ec a r b o nb a l a n c e 鹏t h o d ， t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ef o l l 钾i n g f i v ei t e m s ： 1 i tg e n e r a l i z e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do f 舶e a s u r i n gy e h i c l ef u e l e c o n o l n yu s i n gt h ec a r b o nb a l a n c e l e t h o d ：a n di n d i c a t e st h ea d v a n t a g e so f t h em e t h o do v e rt h et r a d it i o n a lo n e s ：c o n c l u d e st h es t u d ye x p e r i e n c e si n i i l ill m e a s u r i n gf u e le c o n 伽yb yt h eu s eo fc a r b o nb a l a n c e l e t h o d ，b o t hi nf o r e i g n c o u n t r i e s ( t a k i n gu s a ，j a p a n a n de ua s r e p r e s e n t a t i v e s )a n di n c h i n a ( m a i n l a n da n dt a i w a nd i s t r i c t ) 2 i td i s c u s s e st h e l a i nc o n t e n t so fg a s 0 1 i n e ， p r i m a r i l ya n a l y z e s g a s 0 1 i n ec o m b u s t i o nc o n d i t i o n si nt h ee n g i n ei nt h e o r y ，a n de d u c e sh 啪i d v 0 1 u m eo fe x h a u s tb o t hi nt h es t a t eo fc 伽p l e t ea n di n c 唧l e t ec o m b u s t i o n ： a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fc a r b o nb a l a n c ei tb u i l d s8l o p a r 硼e t e r 嬲t h e 眦t i c a lm o d e l w h o s ec h a r a c t e r i s t i ci st h a tan e wa v e r 每g en u m b e ro f c a r b o na t 伽si s c a l c u l a t e d f i n a l l yt h e8 p p r o x i 陋t ei n t e r p o l a t i o n a l g o r i t | l mo fs a t u r a t e dv a p o rp r e s s u r eo fe x k l u s ti si n t r o d u c e d 3 f r t h et h e o r e t i c d e li tf i n d st h eq u a n t i t i e 8w h i c h c o u l db e d i r e c t l ym e a s u r e d ，a n dt h e nd e s i g n st h ee x p e r i m e n ts y s t e mt om e a s u r ef u e l c o n s u m p t i o nb y1 旧1 u r 舱t r i cm e t h o da n dt ot e s tb o t hp a r a m e t e r so fe x h a u s t g a s e o u ss t a t ea n de x h a u s tc o n t e n t s ：t h ep r o f i l eo ft h es y s t 伽i sd r 哪 m a i n l yf r 鲫b o t ht h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f tr u d i m e n t a ld e s i g n ：a n d i tb r i e f l yi n d i c a t e st h e 霄o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee x p e r i m e n ts y s t 鲫i n w h i c hb o t ht h ec o o r d i n a t i o na n dt h es y n c h r o n i z a t i o no ft h ee x p e r i m e n ta r e e l n p h a s i z e d 。 。 4 t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r da n d t h eg e n e r a la r r a n g e m e n to fp l a n ：i tf i r s ti 1 1 u s t r a t e st h el o a d i n gp r i n c i p l e o ft h ec h a s s i sd y n 鲫。删t e ra n dt h em e t h o d so fs i 哪! a t i n gv e h i c l er u n n i n g r e s i s t a n c e ： t h e nb yt h em u l t i p l em e a s u r e m e n tc o 即b i n e dw i t hd i r e c t m e a s u r e m e n ta n di n d i r e c tm e a s u r e i e n t ， t a k i n ge q l 0 9 0t r u c kf o re x a m p l e ， i tm a k e sac 伽p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t i o nf u e lc o n s u m p t i o nb a s e do nv e h i c l e e x h a u s tg a s e o u ss t a t ea n dm e a s u r e df u e lc o n s 咖p t i o nb a s e d0 nv o l u 腿t r i c m e t h o d 5 a f t e rb r i e f l yr e v i e i n gt h ed e f i n i t i o n ，t h ec a t e g o r ya n dt h es o u r c e 0 fm e a s u r e m e n te r r o r ， i tp a r t i c u l a r l yi l l u s t r a t e sm e a s u r i n ge r r o r s 臀h i c h m a yo c c u ri nt h ep r o c e s so fv e h i c l ef u e le c o n o m yt e s t i n ga tc o n s t a n t ，1 ， t l ， ti ，ti_f， v e l o c i t y ：i ta l s om a k e saq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fm e a s u r e m e n te r r o r si n t h ec a l c u l a t i d nf u e lc o n s u m p t i o nb yt h ef o r e g o i n gm o d e l ，a c c o r d i n gt ot h e k n n w l p f l 埒en ft l c rj r ， r ) f e r r 。r s ， a n dt h e np r o p o s e ds e v e r a 】 n 】。c p q( j f s u g g e s t i o n sa n dm e a s u r e s c a r b o nb a l a n c em e t h o d ，f u e lc o n s u m p t jo n ，m e a s u r e m e n t ，e r r o ra n a 】y s js n o n d is a s s e m b l yi n s p e c t i o na n dt e s t i n g v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王磺2 年矿月护日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：互旅渺年轳月矽日 导师签名： 浆铷 2 d d 年华月p 日 引言 i 汽车燃油经济性的概念及具意义 汽车的燃油经济性的概念有如下三种解释：是指汽车消耗单位容积的燃油 所能行驶的英里数( 英里每加仑或公里每升) “：是指在保证动力性的条件下，汽 车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力“1 ：是指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。1 。汽车的燃油经济性是汽车在生产 和使用过程中需要关注的主要性能之一，影响着石油资源的消耗，公路运输的成 本以及排气污染的程度。 自诞生一个多世纪以来，汽车一直主要以点燃式和压燃式内燃机为动力。而 内燃机又以汽油和柴油为燃料，因此要消耗大量的石油资源。这种被喻为“黑金” 的不可再生资源便成为了世界各国尤其是西方发达国家十分关注的焦点。1 9 7 3 年 的中东战争，1 9 7 9 一1 9 8 1 年的两伊战争，1 9 9 0 年伊拉克入侵科威特，以及2 0 0 3 年美英入侵伊拉克，都是发生在石油探明储量比较丰富的国家和地区，其重要原 因是为了争夺石油资源。同时，随着世界汽车工业的快速发展，全球汽车保有量 逐年增加，汽车对石油资源的消耗与日俱增。 近十年来，随着我国国民经济的快速持续增长，原油消费量以年均6 6 6 的速 度增长，而同期的原油供应仅以1 7 5 的速度增长，供需缺口逐年增大，矛盾突出。 截至2 0 0 0 年1 月1 日，我国石油剩余探明可采储量为3 2 7 4 亿吨，约占世界总储 量的2 3 6 。据统计，2 0 0 0 年全国石油产量为1 6 3 亿吨，消费量约2 3 亿吨，其 中公路用车消耗了全国汽油总产量的8 4 呻；2 0 0 4 年，我国进口原油达1 2 亿吨( 进 口依存度为l 3 ) ，其中的3 0 9 6 用于汽车消耗( 来自胛w z g f u n c 鲫) 1 9 7 3 年的第一次4 石油危机”，石油油价从2 9 美元桶暴涨到1 1 6 5 美元 桶；由两伊战争引发的第二次“石油危机”中，油价从每桶1 3 美元涨到3 4 美元； 到目前为止，油价涨幅连创历史新高，每桶已经突破6 0 美元。这对公路运输来说， 无疑会加大运输的成本 汽车烃类燃料在发动机中燃烧会产生完全燃烧产物( 氮氧化物n q 和二氧化碳 c o 。等) 和不完全燃烧产物( 一氧化碳c 0 、碳氢化合物h c 及碳烟等) 。当这些产物 经排气管排到大气中时，就会不同程度地对大气产生污染，影响人类的正常工作 和生活，并造成了较严重的经济损失。比如早期的伦敦烟雾事件，致使2 8 6 人意 外死亡；洛衫机的光化学烟雾事件，造成4 0 0 人( 6 5 岁以上) 死亡，大量的经济作 物受损；日本的石化城市四日的硫酸烟雾，使当地许多居民患上了呼吸系统疾病。 资料表明，全球汽车年度排放量在1 9 9 0 年为4 3 亿吨，预计到2 0 1 0 年、2 0 2 0 年 将分别达到5 7 亿吨和6 3 亿吨。 我国汽车保有量在近些年来增长迅速例如，全国民用车保有量自1 9 9 5 年起 以9 1 的年均增长率增长，截至2 0 0 0 年，其数量达到1 6 0 8 9 l 万辆而且全国 的机动车相对地集中在大城市，多在低速下行驶；加之排放法规起步较晚、控制 水平低，致使部分主要大城市的空气质量日趋恶化。1 9 9 5 年，北京市机动车污染 物c o 捧放量达9 7 2 万吨，n 嘎的达9 8 万吨嘲 提高汽车的燃油经济性，从汽车的生产、设计角度来讲，必然要改进发动机 的结构( 如发动机的稀燃技术) ，从而改善燃油在发动机内的燃烧状况，减少汽车 排气对大气的污染。 此外，汽车的燃油经济性与汽车发动机和底盘的技术状况有着密切的联系， 赦汽车的燃油经济性可以作为汽车技术状况的综合考量。 提高汽车的燃油经济性，即改善燃油的利用率，可以节约石油资源，降低石油 进口的依存度；可以减少运输成本，提高利润；可以减少排放污染量，改善环境 质量。世界各国对提高燃油经济性有着自己的经验。美国布什政府于2 0 0 2 年年底 出台了提高轻型车燃油经济标准的相关法规，其第一步是从目前的 2 0 7 叩g ( m i l e sp e rg a l l o n ，英里加仑) 提升到2 0 0 7 年的2 2 2 m p g ，即相当于从 1 1 3 6 l 1 0 0 l n 提高至l o 6 0l 1 0 0 l ( m 。根据美国交通安全部的统计，这意昧着到 2 0 0 7 年，美国全国的汽油消耗量可减少2 5 亿加仑1 9 9 9 年3 月，日本在“能源 合理消费法”中已第二次颁布了关于改善机动车性能的公告，其中分别规定了乘 用车和总重小于2 5t 的载货汽车的油耗限值，要求2 0 l o 年汽油车油耗限值比 1 9 9 5 年至少降低2 0 9 6 。德国汽车制造厂所生产汽车的平均燃油消耗量1 9 8 0 年为 9 2 5 l 1 0 0 k i n 1 9 9 0 年为7 9 6 l 1 0 0 i n ，计划到2 0 0 5 年比1 9 9 0 年降低1 4 。 2 汽车燃油经济性的评价与测量 汽车的燃料经济性一般用一定运行工况下汽车行驶单位里程的燃油消耗量或 用单位燃油消耗量所能行驶的里程数来衡量。它们的表示方法如表格l 所示。单 一2 一 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ h l#l 位行驶里程的燃油消耗量越少，或单位燃油消耗量所能行驶的里程数越多，表示 燃油经济性越好。 等速行驶百公卑燃油消耗量是汽车燃油经济惟的一项实用的评价指标，是指 汽车在额定裁荷f ，以稳定的速度在水平良好路面上等速行驶定距离( 如5 0 0 米) 或时间的燃油消耗量等速行驶燃油消耗量试验测定汽车以稳定的车速匀速 行驶一定距离的平直路段的燃油消耗，以得到各车速点的百公里油耗。另外，我 国还把最高档全开节气门加速行驶5 0 0 i l l 的加速油耗也作为单向评价指标。并将循 环工况( 四工况、六工况和十五工况) 燃油消耗量作为综合性评价指标。 表格l 燃油经济性评价指标的表示方法 类别度量单位附注 l k 曩 单位里程 礼l o o k m 我国、欧洲在用 的燃油消 k g l 【m用于气体、液体燃料 耗量 l ( 1 0 0 t k 皿) 用于不同装载质量的汽车 k g ( 1 0 0 t k m )用于不同装载质量的汽车 单位燃油 k m l 日本在用 消耗量所 m i l e u s g a l美国在用 能行驶的 里程数 m i l e g a lg a l ：g a l l o n 提高汽车的燃油经济性，要以燃油经济性的准确测量为前提。燃油经济性的 测量，即燃油消耗量的测量，在测量之前了解影响汽油机车燃油经济性的因素又 是必要的。在参考文献 5 中，将其影响因素归纳为发动机、汽车结构和使用情况 三个方面。对于已出厂的汽车来讲，可以认为发动机和汽车结构的影响因素是既 定的，主要考虑的是汽车的使用因素，如下表所示。 表格2 影响汽车燃油经济性的使用因素 道路条件市区、郊区、普通公路，高速公路 交通情况交通流密度、行人密集度 驾驶习惯平均车速、加速度、制动减速度、阻风门的使用、档位选择 环境状况海拔高度、气温、风、雨雪 测量燃油经济性的试验方法很多，根据对其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、怠速、加速、减速、 制动速等组成的多工况试验) ，底盘测功机循环试验以及发动机台架试验“删。但 归结起来，试验方法主要分为道路试验和室内试验。 传统上测量燃油消耗量的试验方法主要有容积法和质量法，既可以通过道路 上试验，又可以在室内的底盘测功机台架上测量。其基本的测量原理如下： 1 ) 容积法 图1 所示为容积法的基本测量原理示意图。在葫芦形的玻璃量瓶的上下细颈 处有两条刻线( 标为m 、n ) ，其间的容积为定值根据发动机测试时的油耗多少， 选取适当容积值的量瓶进行测量。图中的三通阀1 分别连接油箱、发动机和量瓶 ( 依次记为a 、b 、c ) ，在整个测量系统中实现3 个工作状态( 即：a ) 待测、b ) 充油、c ) 测量) 的转换当油箱a 仅和发动机b 连通时，系统达到待测状态a ) ； 当a 仅和量瓶c 连通时，系统处于充油状态b ) ，此时油箱的油逐渐流入并充满量 瓶，直到高于刻线m 以上的某个高度；当b 仅和c 连通时，进入测量状态c ) ，量 瓶开始向发动机供油，当微弧形油面与上刻线m 相切时，计时开始，而当油面与 下刻线n 相切时，计时结束每次测量时间t 不应少于3 0 秒，再根据燃油体积v ( 札) ，可以计算出燃油的体积流量q ，( l h ) ，如下式： 玑= 3 6 v t 在容积法中，燃油的体积已知，测得消耗该体积燃油的时间后即可求出燃油 体积随时间的变化率。该方法也常用于汽油机台架的油耗检测中。现代的容积法 油耗检测中，已实现了油耗的连续、自动检测，提高了测量效率和测量精度。 2 ) 重量法( 质量法) 图2 所示为质量法的基本测量原理示意图与体积法的测量原理相似，质量 法的测量也采用三通阀l 。分别接油箱、发动机和质量称量系统( 包括油杯2 、天 平3 及砝码4 ) ，实现待测、充油和测量三个工作状态的转换。在充油状态下，即 油箱5 直接与油杯2 连通并向油杯充油，使得油杯一侧( 右) 略重于砝码一侧( 左) 。 当进入测量状态时，油杯中的油开始流入发动机，天平指针向左回零。回到零点 时，右侧油杯总质量等于左侧砝码的总质量( m + 4 m ) ，取下左侧质量为么m 的砝 码，同时开始计时，直到天平指针向左第二次回到零点时，说明已向发动机供油 一” 么m ，计时结束。于是可得单位时间的燃油消耗量q i l l ： q m ：3 6 么m t 其中： q m ：发动机每小时燃油消耗量，k g h ； 么m ：所取砝码的质量，g ； t ：记录的时间，s 。 在质量法中，消耗的燃油质量已知，若测得消耗时间，便可以求出消耗燃油 质量随时间的消耗率。该方法常用于柴油机油耗的检测，而且现行的检测方法已 经可以实现自动化，提高了测量燃油消耗量的精度。 a ib jc l 一三通阀2 一玻璃量瓶 3 一流量阀4 一油箱 图1 容积法测油耗原理示意图 1 一三通阀2 一油杯3 一天平 4 一砝码5 一油箱6 一流量阀 图2 质量法测油耗原理示意图 3 我国燃油经济性检测的现状 我国从2 0 世纪6 0 年代开始致力于汽车检测技术的研究；7 0 年代由交通部主 持研究开发了发动机综合检测仪和汽车性能综合检测台( 包括制动性检测、底盘 测功及速度测试等) ；进入8 0 年代后，随着科学技术的发展，以及汽车制造业和 公路运输业的发展，汽车的检测与诊断技术被列入国家“六五”( 1 9 8 0 - 1 9 8 5 ) 计 划，从而得到了大力的推广，然而汽车燃油经济性的检测却没有得到应有的重视。 1 9 9 0 年交通部1 3 号令汽车运输车辆技术管理规定的发布，在全国范围内 掀起了建立汽车综合性能检测站的高潮。据不完全统计，截止到1 9 9 8 年年底，全 国各省、自治区和直辖市，已建成汽车综合性能检测站1 5 0 0 个( 其中a 级站3 3 8 个，b 级站8 2 7 个，c 级站3 3 5 个) 。交通部1 3 号令的主要意义在于确立了汽车综 一5 一 合性能检测制度，使得包括燃油经济性检测在内的检测和诊断技术逐步得到了良 性地发展 然而，在用车( 以化油器车为例) 到综合性能检测站进行具体的燃油经济性 检测时，常采用传统的检测方法( 重量法和容积法) 进行检测。即在汽车驶上底 盘测功机台架的转鼓之后，需要拆卸燃油管路，接上检测仪器( 传感器或油耗仪) ， 排除油路中的气泡，才可以进行模拟加载检测油耗，这样就遇到了两个问题： 1 、检测仪器的一装一拆，被检车辆油路的一拆一装，会改变原有的燃油供给 状态( 油压改变) 。测量时如果油路中的气泡未排除干净，油耗检测仪会将气泡的 容积也记入油耗测量值，使测量结果高于实际值。测量完毕后，如果油路中仍有 气泡，会使车辆供油系产生气阻，存在安全隐患。 2 、燃油经济性检测工位的步长( 检测用时) 通常需要2 0 一3 0 分钟，约为其 它工位( 如灯光检测、制动检测) 步长的5 1 0 倍。一部分原因是排除汽油车检测 油路中的气泡比较费时。 因而亟待一种既准确又便捷的检测方法来适应现代汽车检测技术的发展要 求。 一6 一 第1 章碳平衡法测油耗的研究概况 1 1 碳平衡原理的涵义 碳平衡法是“根据质量守恒定律，汽( 柴) 油经过发动机燃烧后，排气中碳 质量总和与燃烧前的燃油中碳质量总和相等加1 ；“根据己知燃料中h c 的质量比， 通过测量一定容积废气的含碳量来确定燃料消耗量”0 1 ：“通过对尾气中c o 、c 0 ：、 h c 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 用汽油中碳元素含量相比而间接得出燃油消耗量的方法”0 1 。归结起来，碳平衡 指的是碳元素质量守恒，即进入发动机的一定量的燃油中所含的碳元素质量与该 燃油燃烧后排出的废气所含的碳元素质量相等；碳平衡法正是基于这样的物质守 恒原理，从分析一定体积的废气的含碳量入手，根据燃油的碳氢质量比，间接计 算出燃油消耗量。当然这样考虑是有前提的，详见本文的第二章。 1 2 碳平衡法的比较优势及可行性 引言所阐述的燃油消耗量的两种传统测量方法各有优劣容积法中燃油体积 的获取简便易行，但是量瓶内部的温度不易测得，而且需要随时关注玻璃量瓶外 部的温度变化，因为燃油密度随着温度的变化而变化；质量法可以用于具有回油 系统的汽车，从而能够弥补容积法的不足，而且可以不必关注测量环境的温度变 化。尽管如此，容积法和质量法在实际的油耗检测中需要拆卸汽车的原有油路， 将油耗仪或传感器安装在油路中这样就使安装因油管的规格与油路的布置而变 得困难，且改交了燃油的供给状态，油路中因空气的进入而产生气泡，容易造成 气阻；另外如果安装不当，会造成燃油的泄漏。碳平衡法尽管计算较为复杂，但 其不改变燃油的供给，可用于具有回油系统的汽车，并且随着排气分析的自动化 和精确化，使其在底盘测功机上能够检测复杂行驶工况的汽车油耗，逐渐成为国 内外普遍采用的测量方法 以下的几个实例用来说明采用碳平衡法具有可行性： 参考资料 1 列出了在1 9 7 5 年美国联邦试验法( c v s - _ c h ) 试验中的三种测量 油耗方法的试验结果，发现除去在冷起动工况下采用碳平衡法可得到与容积法、质 量法基本一致的精度，见表格1 1 。此外，美国环保局在对由碳平衡法和质量法 测得的燃油经济性进行比较时作了2 4 5 次试验，结果表明由碳平衡法得到的平均 燃油经济性比质量法高3 3 ；美国桑顿研究中心用2 l 辆汽车按照1 9 7 2 年联邦试 验法( c v s c ) 进行的试验得到了采用碳平衡法计算的平均燃油经济性比质量法 高3 4 的结果。 表格1 1 碳平衡法与容积法及质量法的比较 测量平均燃料标准 车种方法经济性偏差 m i l e u s 9 8 1 碳平衡法 1 8 5 6 o 2 5 8 2 3 l4 缸 容积法 1 8 6 2o 4 8 0 发动机汽车 碳平衡法 18 3 6o 4 8 0 质量法1 8 2 4o 6 4 6 碳平衡法 1 0 6 8o 1 7 2 5 7 5 l 容积法 1 0 o 1 8 3 v 型 碳平衡法 l o 6 4o 3 7 2 8 缸汽车 质量法 1 0 7 2o 3 3 3 参考资料 6 的作者用某国产经济型轿车在底盘测功机上进行了碳平衡法试 验，并用不同的计算模型得出了燃油消耗量，与油耗仪实测值作出了比较，结果 如表格1 2 所示。 表格l t2 碳平衡法测量油耗结果对比 公式年代汽车油耗备注 国别 k m l 日本1 9 8 3 年 1 3 5 1 规定汽油1 5 下的密度为0 7 4 9 k g 几、氢碳比为1 8 5 1 9 7 8 年1 3 3 l 规定汽油密度为0 7 3 9 k g l 、氢碳比为1 8 5 测量排放 美国物用英制单位 1 9 9 3 年1 3 4 5 汽油净熟值 埘v = 4 2 7 m j k g 氢碳比为1 8 5 ，1 6 下实测 汽油密度0 7 5 0 k g l 欧盟1 9 9 3 年 1 3 5 3 幸 规定汽油氢碳比1 8 5 ，排气中碳氢化合物的氢碳比1 8 5 表示换算单位，相当于7 3 9 l 1 0 0 i 【l n 油耗仪直接测量 1 3 7 l 一8 一 一 ， t ltfl-n#女-i#、，q；l 表中列出了4 个公式( 依次详见本文的式( 卜5 ) 、( 卜2 ) 、( 卜3 ) 和( 卜7 ) ) 的 油耗计算结果，其中美国1 9 7 8 年旧公式的结果比其它3 个公式的结果约小1 5 ， 是由于其汽油密度的规定值比实测值约小1 5 ：计算结果比油耗实测值平均约小 1 5 ，符合测试标准认可的测试精度。 参考资料 8 的作者依据碳平衡法测量油耗的原理，初步建立了如式( 卜1 ) 的 油耗计算模型：并且本着实用、简单的原则，构建了一套油耗快速检测系统，如 图1 1 。 g = 哿( + + ) x 1 0 0 办 ( 1 - 1 ) 式中： g ：被测车辆的等速百公里油耗，l 1 0 0 i 锄 ：标准状态( 1 个标准大气压、o ) 下试验用车行驶5 0 0 m 时所排尾气 的干体积 p 赢、p 矗、；依次为c 如、c o 、h c 的体积百分含量 h ：汽车单位体积含碳量，k g l l 油耗仪2 底盘测功机3 被测车辆4 挡铁5 金属软管6 球阀7 稳压箱 8 废气分析仪，温度计9 流量计1 0 流量计显示仪1 1 微机显示器1 2 。1 3 球阀 图1 1 试验系统示意图 通过在底盘测功机上对捷达和东风两种车型的大量试验，修正并验证了理论 计算模型，证明了该检测系统的可行性。以捷达车型的第二组数据( 误差较大者) 为例，得出的结论为：车速较低( 6 0 k m h ) 时，最大误差1 5 4 ，但当车速超过7 0 k l h 时，误差均小于l o ，而在7 0 9 0 k m h 速度区间，误差约为5 。 一9 一 1 3 碳平衡法测油耗的计算模型 美国早在1 9 7 8 年就在其油耗法规中采用碳平衡法测量燃油消耗量，针对汽油 车的碳平衡法计算公式为“1 ： m 口g = 2 4 2 l ，( o 2 7 3 c 0 2 + o 4 2 9 c 0 + o 8 6 6 h c ) ( 1 2 ) 式中： m p g ：汽车的燃油消耗量，m 订e g a l c 仉、c o 、h c ：依次为单位行驶里程内排放c 仉、c o 、h c ( 碳氢化合物) 的质量，g 订e 到1 9 8 8 年，美国又对上述公式引入燃料净热值( n h l ，) 并进行了修正，得到 下式( 卜5 ) 脚= 丽面而嘉裂蓑篆焉丽丽 ( 1 3 ) 式中( 仅列出与上式不同的项) ： c w f f ：燃油中碳的质量比 c w r 。：捧气中所含碳氢化合物的碳质量百分比 n h v ：试验燃料的净热值，b t u l b ( 1b t u l b = 2 3 2 6j k g ) 为了更接近汽车的实际使用特点，美国环保局( e p a ) 根据城市工况( f t p 7 5 ) 和高速工况( h w t e t ) 得到的试验数据，按城市5 5 ，高速4 5 进行加权计算，得到 综合的燃油经济性计算公式叫： m p g 2 丽示而丢面而 ( 1 4 ) o 5 5 c m p g + o 4 5 h 口g 日本标准协会1 9 8 3 年在其制订的汽车燃油消耗量试验方法中开始采用碳平衡 法计算油耗，并于1 9 9 4 年进行了修订，但没有改变计算公式汽油车的公式假定 了汽油在1 5 下的密度为o 7 4 9 k g l ，如式( 卜5 ) 所示( f e 表示燃油消耗量， k m l ) 。 f e = “9 ( o 2 7 3 c 0 2 + o 4 2 9 c o + o 8 6 6 x h c ) ( 卜5 ) 在考虑到汽油组分变化的基础上，1 9 9 7 年日本标准协会对上述标准再一次进 行了修订，并假定汽油是由c 、h 、o 三种元素组成的，油耗计算公式变为： l l ； ： d f e ：! 竺竺垒丛! ：塑! 兰墨盥! ! ! ：壁竺兰垦鲣! ! ：竺堕 o 2 7 3 c 0 二+ o 4 2 9 c 0 + 1 2 0 1 h c ( 1 0 0 8 x r l 忙。+ 1 2 0 1 ) ( 卜6 ) 式中： r 。、r 。：燃油中的氢碳原子数比、氧碳原子数比 r ：排气中的碳氢化台物的氢碳原孑数比( 建议值1 8 5 ) 韩国的汽车油耗试验方法中采用碳平衡法所得的计算公式同式( 卜5 ) 。 欧盟1 9 9 3 年在其制订的汽车油耗试验方法中开始采用碳平衡法计算燃油消耗 量，在1 9 9 9 年进行了修订，但计算公式没有变化，公式如下： f c = o 1 1 5 4 s g x ( o 2 7 3 c 0 2 + o 4 2 9 c o + o 8 6 6 h c ) ，l l 0 0 1 ( m ， ( 1 1 ) 式中，s g ：燃油密度，k g l 目前在我国国内，也可以见到采用碳平衡法计算汽车燃油消耗量的模型。 在台湾地区，测量汽车油耗的计算公式如下州： f e 2 ( 3 1 7 9 。1 0 4 。c 啊。s g ) 【( o - 2 7 3 “c m ，k 叽 + 0 4 2 9 c o + c w l k h c ) x ( o 6 s g n h v + 1 2 7 2 2 ) 】。 ( 卜8 ) 为了更接近汽车的实际使用特点，也采用了与式( 卜6 ) 相同的算法，即： f e = _ i = = 7 = _ ：= ，k m l ( 1 9 ) 0 5 5 ，c f e + o 4 5 h f b 。 。 中国农业大学的孙晋文在他的论文们中，根据碳平衡法测量了模拟路试汽车等 速百公里油耗，建立的数学模型为： g ；! ：竺! ! 兰鱼塑二坚! 旦! 塾：! 鳖! ：! ! 二：塾! ，l l o o l 【i v x d x l ( 卜1 0 ) 式中； q b ：l 大气压2 0 时干燥废气的体积，l h c ：燃料中氢碳的质量比 v 。o ，、v 矗：分别为c 0 2 、c o 的体积百分比含量 v h c ：废气中h c 化合物的百万分比浓度，p p l n 、，： 车速，k 珈h d ： 汽油密度，g c m 3 t ；测试时间 另外，在我国国标报批稿轻型汽车燃料消耗量试验方法 中，借鉴了欧盟 碳平衡法油耗计算模型，并采用定容取样系统( c v s ) 测量轻型汽车的油耗。在我 国国标g b l 7 6 9 卜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 及测量方法中，利用碳平衡法( 假定供给发动机的碳原子都以c o ：的形式捧出) 求出燃料的质量流量，由于是针对柴油发动机，这里不再赘述。 1 4 本文的研究目的 在环保、节能成为社会风尚的今天，随着汽车保有量的递增，测量与提高汽 车燃油经济性就显得尤为重要。同时，随着车辆检测技术和设备的飞速发展，使得 车辆油耗的不解体检测成为现实为此，笔者希望在充分利用现有条件的基础上， 准确地测量汽车的燃油消耗量，对汽车油耗检澳4 工作做一次有益尝试。 为解决当前检测汽车燃油经济性普遍面临的费力费时的问题，本文利用碳平 衡原理，依据假设条件建