（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器的汽车燃油经济性测试方法研究.pdf

摘要 本设计是关于汽车燃油经济性测量方法的研究，适用于电控汽油发动机的汽车，具有 不需要改造原车发动机燃油供给系统，直接采集电信号计算得到汽车百公里油耗的特点。 本文分析了现有的汽车油耗测量方法和电控发动机燃油喷射系统的基本原理，提出了 基于喷油脉宽测量的汽车百公里油耗测量算法。算法中采用i 路相关信号，分别是喷油器 驱动信号、发动机点火信号和车速信号。通过采集喷油器驱动信号，计算出单次喷油脉宽； 通过采集发动机点火信号计算出发动机转速和喷油周期，结合喷油脉宽和动态喷油系数计 算单次喷油量，再对单次喷油量进行累加计算出总喷油量；通过采集车速信号计算行驶速 度、确定行驶距离，最后结合总喷油量计算出平均百公里油耗。 根据算法要求，本文深入研究了喷油器的动态特性，并设计了一套喷油器动态喷油系 数的测量装置，通过对实验数据的拟合得到了动态喷油系数随脉宽的变化规律曲线，并将 该变化规律用于所设计的测量程序中，用以将喷油脉宽转换成喷油量。 本文采用计算机测试技术开发了一套油耗测量系统。系统采用了上下位机结构：下位 机采用数据采集器，结合自行开发的信号调理装置实现信号的调理与采集；上位机采用 p c 机，并以虚拟仪器软件l a b v i e w 为开发平台，开发了套百公里油耗测量软件。上 下位机采用u s b 协议通讯。该系统可以实现喷油脉宽、发动机转速和车速的测量，以及 汽车百公里油耗的计算与显示。 最后，论文在两种车型的实验台上对所开发的油耗测量系统进行了验证，实验结果表 明，基于喷油脉宽测量的油耗测量方法可行、有效。 关键词：燃油经济性，虚拟仪器，喷油器动态特性，数据采集，喷油脉宽 r e s e a r c ho nm e a s u r e m e n tm e t h o do fv e h i c l ef u e le c o n o m y b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t t h i si sad i s q u i s i t i o no nv e h i c l ef u e le c o n o m ym e a s u r e m e n tm e t h o d ，a p p l i c a b l ef o rv e h i c l e w i t he l e c t r o n i c c o n t r o l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e m 、 ，i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i r e c t l yc o l l e c t i n g e l e c t r i cs i g n a l sa n dc o m p u t i n gf u e lc o n s u m p t i o no f10 0 - k i l o m e t e rw i t h o u tc h a n g i n gt h eo i l s u p p l ys y s t e m t h i s p a p e ra n a l y z e de x i s t i n g v e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o da n d e l e c t r o n i c c o n t r o l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e mp r i n c i p l e s ，a n dp u tf o r w a r dm e a s u r e m e n ta l g o r i t h m o nf u e lc o n s u m p t i o no f10 0 - k i l o m e t e rw h i c hi sb a s e do nm e a s u r i n gi n j e c t i o np u l s e - w i d t h t h e a l g o r i t h ma d o p t e d t h r e er e l a t e ds i g n a l s ，i n c l u d i n gi n j e c t i o nd r i v e ns i g n a l ，e n g i n ei g n i t i o ns i g n a l a n dv e h i c l es p e e ds i g n a l t h r o u g hc o l l e c t i n gi n j e c t i o nd r i v e ns i g n a l ，w ef i g u r e do u ts i n g l e i n j e c t i o np u l s e w i d t h ；t h r o u g hc o l l e c t i n ge n g i n ei g n i t i o ns i g n a l ，w ef i g u r e do u te n g i n es p e e d a n di n j e c tc y c l e ，t h e nc o m p u t e ds i n g l ei n j e c t i o nq u a n t i t yb ye n t e r i n gi n j e c t i o np u l s e - w i d t ha n d d y n a m i cf u e li n j e c t i o nc o e f f i c i e n t ，l a s t l yw eg o tt o t a li n j e c t i o nq u a n t i t yb ys u m m i n gu ps i n g l e i n j e c t i o nq u a n t i t y ；t h r o u g hc o l l e c t i n gs p e e ds i g n a l ，w e c a l c u l a t e ds p e e da n dd i s t a n c e ，a n d e v e n t u a l l yw eg o tt h ea v e r a g ef u e lc o n s u m p t i o no f10 0 - k i l o m e t e rb yi n t e g r a t i n gt o t a li n j e c t i o n q u a n t i t y a sr e q u i r e d b ya l g o r i t h m ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e di n je c t i o nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d d e s i g n e di n j e c t i o nd y n a m i cf u e li n j e c t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n td e v i c e b yf i t t i n ge x p e r i m e n t f i g u r e s ，w eg o tt h ed y n a m i cf u e li n j e c t i o nc o e f f i c i e n tc h a n g i n gw i t hp u l s e w i d t hc u r v e ，a n d a d o p t e dt h i sc h a n g i n gd i s c i p l i n et om e a s u r e m e n tp r o g r a m m i n g ，w h i c hc a l lc o n v e r tp u l s e - w i d t h t oi n j e c t i o nq u a n t i t y t h i sp a p e rd e v e l o p e df u e lc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nc o m p u t e rt e s t i n g t e c h n i q u e s t h i ss y s t e ma p p l i e du p p e r - l o w e rc o m p u t e rs t r u c t u r e ，l o w e rc o m p u t e ru s e d d a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，a n dw i t hs i g n a lc o n d i t i o n i n gd e v i c ew h i c h w a sd e s i g n e db ym y s e l f , i tr e a l i z e d t h e o b j e c t i v eo fs i g n a lc o n d i t i o n i n g a n dc o l l e c t i o n ；u p p e rc o m p u t e ru s e dp c ，w eu s e d l a b v i e wa sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，d e v e l o p e df u e l c o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts o f t w a r e u p p e r - l o w e rc o m p u t e ra d o p t e du s bc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h i ss y s t e m c a nm e a s u r e i n j e c t i o np u l s e - w i d t h ，e n g i n es p e e da n dv e h i c l es p e e d ，c o m p u t e da n dd i s p l a y e dv e h i c l ef u e l c o n s u m p t i o no f10 0 - k i l o m e t e r l a s t l y , t h i sp a p e rv e r i f i e dt h ef u e lc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mo nt w ot y p e so f a u t o m o b i l e si ne x p e r i m e n te n v i r o n m e n t ，w h i c hs u g g e s t e dt h a tf u e lc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n t m e t h o db a s e do ni n j e c t i o np u l s e - w i d t hi sw o r k a b l ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：f u e le c o n o m y ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，i n j e c t o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， d a t aa c q u i s i t i o n , i n j e c t i o np u l s e - w i d t h w r i t t e nb y ：y ey i w e n ( t h e d e s i g na n dt h e o r yo fm a c h i n e ) s u p e r v i s e db y ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a nm a o s o n g 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品或成果。对本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。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 叶荔啦如习 年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权南京林业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编 和综合为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 全部或部分内容。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 卅年6 月f 日 伽刚日 致谢 本学位论文是在导师万茂松副教授的悉心指导下完成的。在研究方向的确立、研究工 作的展开和论文的撰写及修改过程中，无不浸透了导师的心血。万老师敏锐的洞察力、渊 博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风无不给我留下了刻骨铭心的印象，使我 备受启迪、受益匪浅，并将成为我终身学习的动力。在本学位论文完成之际，谨此向我的 导师万茂松副教授致以衷心的感谢和崇高的敬意! 在攻读硕士的这三年里，导师不仅为我创造了优越的科研和学习环境，使我得以在机 械设计领域中自由翱翔，同时在思想上、人生态度和意志品质方面给予谆谆教诲，这些教 益必将成为我人生中宝贵的财富，激励我在今后的人生道路上奋勇向前。 真诚感谢实验室的同学刘静、李彩生、秦宜荣以及师妹刘祯，你们的帮助和支持是论 文得以顺利完成的保证。 特别感谢我的高中同窗戴颖、俞敬等同学以及我的室友们，一路有你们相伴让我感到 非常温暖，与你们的相处经历将是一段弥足珍贵的记忆。 由衷感谢我的父母和家人在我多年的求学道路上给予我的关心、支持和理解，你们为 我营造了一个幸福的家庭氛围，给了我奋斗的力量。 最后，感谢曾经教育和帮助过我的所有老师。感谢南京林业大学对我的培养，祝愿母 校的将来更加美好! 作者：叶毅雯 二o o 九年六月九日 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 能源是发展生产和提高生活水平的物质基础。汽车的主要能源是石油产品中的汽油和 柴油。据数据分析显示，我国汽车行业对石油的消耗量已经高达总消耗量的1 3 以上。按 照当前的增长速度推算，在未来2 0 年，汽车行业将成为石油最大的消耗部门，而3 0 年后 汽车行业对石油的消耗量将达到总消耗量的8 0 以上。目前我国民用汽车保有量达到6 5 0 0 万辆( 包括三轮汽车和低速货车) ，近十年以1 2 的平均速度增长，预计到本世纪三十年 代中后期将赶超美国。汽车保有量的激增意味着石油消耗量的巨大增长，而我国的石油产 量增长较慢。我国自1 9 9 6 年成为纯石油进口国后，1 9 9 6 年虽然生产石油1 5 5 亿吨，但 仍进口2 5 0 0 万吨，预计每年仍需进口3 0 0 0 万吨。近1 0 年来中国石油的消费量迅速增长，1 0 年间石油生产量的增长远低于石油消费量的增长，2 0 0 5 年中国石油表观消费量为3 1 7 亿 吨，其中净进口石油1 3 6 亿吨【1 1 。中国己是亚太地区最大的能源消费国，而我国能源资 源不足，人均占有量大大低于世界平均水平，随着工业化、城镇化的加速发展，能源消费 总量不断增加，石油等能源供应紧张已成为制约经济社会发展的一个重要因素。近年来， 这一问题尤为突出，石油资源的不足迫使人们高度关注机动车的燃油经济性。 汽车燃油经济性不仅是产品主要的技术性能指标，也是世界各国政府对汽车产品实施 管理的重点领域。我国汽车燃油经济性水平比欧洲平均水平低1 5 至2 0 。据有关部门估 算，如果我国汽车燃油经济性水平赶上欧洲平均水平，则一年可以节约大约2 0 0 0 万吨成 品油，价值至少1 0 0 0 亿元人民币。为此，国家发展与改革委员会制定了乘用车燃油经济 性标准，这个标准已列入国家标准，第一阶段于2 0 0 5 年7 月份生效，第二阶段标准于2 0 0 8 年实行【2 】。该标准与美国的标准相比，要严格得多。美国的燃油经济性标准是按照汽车厂 商销售的整批汽车的平均耗油量计算得出，而中国的标准类似于日本，是根据车辆的不同 重量来制定不同的标准，要求制造商生产的每个车型都要达到相应的标准。专家分析认为， 对于多数小型车可能无需改动就能满足新标准的第一阶段要求，而对于较重的汽车来说， 可能就要求生产商追加研发投资，这就迫使汽车生产商投入更多精力在研发上，并利于国 际汽车制造商将其最好的技术引入中国并生产出性能更好的轿车，从而促进国内汽车及配 件行业的发展。 我国于1 9 9 4 年的税制改革中第一次设置了汽车消费税，目的在于调节产品结构，引 导消费方向。2 0 0 7 年9 月，中国汽车技术研究中心表示我国将推燃油经济性测试。同年 举行的“中国汽车产业发展国际论坛”上，中国汽车技术研究中心向外界透露，继发布 c - n c a p ( 中国新车安全评价规程) 结果后，还将发布试验车辆尾气排放和燃油经济性测试 结果。2 0 0 8 年8 月，国务院关于进一步加强节油节电工作的通知和国务院办公厅关 于深入开展全民节能行动的通知相继发布，通知在汽车节油和锅炉节油方面进行了具体 的规定，包括降低小排量乘用车消费税税率，提高大排量乘用车消费税税率；把节能环保 型汽车和清洁能源汽车列入政府采购清单；完善汽车燃油经济性标准；加强运输节能管理； 大力发展公共交通；以及关停燃油机组，工业窑炉逐步停用燃料油，加强石油节约和替代 等。2 0 0 8 年9 月1 日起调整了汽车消费税政策，调整情况见表卜1 ，其目的就在于鼓励 消费者购买轻量化小排量的汽车。加之国家发改委发布成品油价税费改革方案，提 出2 0 0 9 年1 月1 日实施成品油价税费改革，汽油消费税单位税额由每升0 2 0 元提高到1 元，柴油由每升0 1 0 元提高到0 8 0 元，其他成品油单位税额相应提高。新的汽车产业政 策明确鼓励发展低能耗、低污染、小排量、新能源、新动力的汽车，将来要将重点放在发 展混合动力技术的轿车和新型柴油技术的商用车上。中国政府的目标是到2 0 1 0 年，要将 汽车的平均油耗降低1 5 。所有这一切的目的都是为了节约能源【2 j 。 表1 - 1 新的汽车消费税政策 车型排量税率前后对比 1 0 l 未变 小于1 5 l ( 含) 3 1 0 - 1 5 l 的降2 1 5 l - 2 0 l ( 含) 5 1 5 - 2 0 l 的未变 乘用车( 含越野车)2 0 l - 2 5 l ( 含) 9 涨1 2 5 l - 3 0 l ( 含) 1 2 涨4 3 0 l - 4 0 l ( 含) 1 5 涨7 4 0 l ( 含) 2 0 涨1 2 2 0 l 不变 近年来，国家发展和改革委员会委托中国汽车技术研究中心开展了相关的研究，对建 立汽车油耗公示制度提出了明确要求。汽车油耗的公示制度是汽车燃油经济性管理的重要 内容，通过政府向社会公布客观规范的数据信息，便于消费者选择更节能的产品，从而促 进企业的节能产品开发和技术进步，具有非常现实的意义。如此一来，油耗测量便成为其 中必不可少的环节，油耗测量技术的水平直接关系到测量结果的准确性。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 影响燃油经济性的因素 汽车的油耗直接关系使用成本。随着近年来油价持续不断地上升，油耗量已是当前人 们选择车型的首要参考因素，汽车行业人士也把越来越多的目光投向汽车油耗的研究领 域，试图找到更多降低油耗的途径。众所周知，各种汽车的燃油经济性是有差异的，影响 汽车燃油经济性的因素有发动机性能、汽车构造、驾驶习惯和道路情况等等。 发动机的热效率( 也就是燃油转化成有用功的比例) 越高，则燃油利用率越高，也就 2 越省油。目前，一般汽油发动机的热效率达3 0 多，而柴油机已超过了4 0 ，这就是为什 么柴油机比汽油机油耗低的主要原因。目前国内的轿车发动机都是高速汽油发动机，而发 动机的热效率随压缩比的增加而增加，现在轿车汽油发动机压缩比一般在9 3 1 0 5 之间。 同时，还采用配气系统可变装置，即可变气门升程、可变凸轮轴转角、可变进气管长度等 和稀燃技术，来达到节油的目的。 汽车的传动系对汽车的燃油经济性也有重要影响。变速器档位越多，不但汽车换档平 顺，而且使发动机增加了处于经济工况下运行的机会，有利于提高燃油经济性。因此现代 汽车都是趋向于5 档或以上变速器，或者采用无极变速，保证在任何条件下具有使发动机 在最经济工况下工作的可能性。在速度不变的情况下，接合高速档时，传动比小，发动机 转速低，接合低速档时，传动比大，发动机转速高。由发动机负荷特性可知，当发动机负 荷相同时，般是转速越低燃油消耗率越小。在一定的行驶条件下，传动系的速比越小， 汽车的燃油经济性越高，因此汽车的经济车速都在高档位。 由于现代汽车速度的增高，汽车的造型对燃油经济性也有重要影响，车速越快影响越 大，这就是人们常说的“风阻”。减小空气阻力主要是通过减小汽车的迎风面积和空气阻 力系数来实现，一般而言迎风面积取决于汽车的体积，空气阻力取决于车身造型。为此， 汽车车身紧凑化和流线型是提高燃油经济性的途径。目前许多轿车的空气阻力系数在 0 2 8 - 0 3 左右，对减少燃油消耗起到了很大作用。 汽车越重滚动阻力越大，滚动阻力越大油耗量越大，这是一个常识。减小汽车装备重 量，提高汽车装载重量，可以减少运载物体单位重量的燃油消耗，也就是提高了汽车的燃 油经济性。 轮胎对汽车燃油经济性也有影响，因为在一定道路条件下轮胎结构和表面形式对滚动 阻力影响很大。现在绝大多数汽车都采用子午线轮胎，子午线轮胎与普通斜交轮胎相比， 滚动阻力一般要下降2 0 一3 0 。另外，轮胎的花纹及胎压对汽车的油耗也有较大影响。 现在采用较多的宽胎对汽车的平稳性和操纵性比窄胎好，但因滚动阻力比窄胎大，因此耗 油也大。 另外，汽车的技术状况、行驶路面环境及驾驶技术，都对汽车燃油经济性有重大影响。 例如以机械式变速器的汽车为例，据资料表明驾驶者如果能够根据汽车的运行条件合理操 作，及时选定适合的档位，节油幅度可达1 0 9 卜_ 2 5 。而且机械变速器比液力自动变速器 的传动效率高，因此自动变速器的汽车虽然驾驶方便，但汽车油耗要高，这是机械变速器 没有被自动变速器完全取代的主要原因。 综上所述，影响汽车燃油经济性的因素是多方面的，汽车燃油经济性是一个汇集众多 因素的技术指标，但它只能反映运行成本的问题，并不能代表汽车的优劣，耗油高并不能 说明汽车差，耗油低也不能说明汽车好，因为汽车的优劣还与汽车的安全性、舒适性有关， 而这些性能往往与燃油经济性相冲突p j 。 汽车的燃油经济性一般是通过燃油消耗量试验来确定的【4 】【5j 【6 1 。它是用以评价在用车 技术状况的性能参数，也是诊断和分析汽车故障的重要参考。汽车的燃油消耗量通常是通 过油耗仪来测定的，通过燃油的体积或质量来表示。它可通过汽车道路试验检测，但更多 是在底盘测功机上模拟路试来检测。汽车性能检测技术是一个包括数据采集、处理、表达 和决策分析的综合技术，而中国目前的汽车检测技术水平与国外还有较大差距。为了提高 测试效率，降低测试成本，适应在速度，准确度，数据分析以及现场实用性等方面日益提 高的测试要求，将虚拟仪器技术引进汽车性能测试领域具有重要意义【刀。 1 2 2 现有的油耗测量方法 现有的油耗测量方法可归纳为两大类，第一类是直接测量法，第二类是间接测量法【8 】。 一、直接测量法 直接测量法是通过拆开汽车发动机油路接入油耗仪直接测得燃油消耗量。油耗仪通常 指油耗传感器。油耗仪种类繁多，按测量原理分为体积测量原理( 如图1 - 1 ) 和重量测量 原理( 如图1 - 2 ) 。体积测量原理是采集发动机所消耗的燃油体积，为了确定所消耗的燃 油质量，常以( g k w h ) 为单位给出燃油消耗率，必须把所消耗的燃油体积与同温度有关 的燃油密度相乘。而重量测量方法则直接得出所消耗的燃油质量，从而消除了有关质量测 量时的误差【9 ju o 【1 1 】【1 2 1 。 供油e 充油e 测量 图1 - 1 体积测量法工作原理示意图 传统汽车大都采用化油器式汽油机，汽油通过化油器和空气混合后进入气缸，发动机 通过化油器来调节空燃比。化油器供油方式在2 0 世纪初被普遍采用，并在几十年间不断 改进完善，但是由于其固有的一些缺陷限制了车用汽油机性能更大幅度的提高，逐渐被新 4 的供油方式所取代【l 引。汽油喷射是汽油机混合气形成的另一种有效方法，它通过喷油器 把汽油喷入节气门后的进气管里，或直接喷入气缸内，与进入的空气混合形成可燃混合气。 发动机空燃比的调节是通过控制汽油喷射装置来实现的。近年来，随着电子技术和微型计 算机技术的迅速发展，加之能源危机的加剧以及人们对环境保护的日益重视，电控汽油喷 射系统( e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o n ，e f i ) 在汽车上得到了广泛的应用。电控汽油喷射既 满足了排放要求，同时将汽车的驱动性能和燃油经济性提高到了更高的水平。电喷汽油机 之所以得到广泛的重视并不断普及，正是因为电控技术的应用比以往的机械式系统更容易 实现控制技术上的逻辑处理，为发动机性能潜力的发挥和满足日益严格的排放法规要求提 供了更好的条件【i4 1 。 测量罐 图i - 2 重量测量法工作原理示意图 电控汽油机的广泛使用，给汽车发动机的试验和检测带来了新的问题。以往常规的测 量化油器式发动机的实验方法和仪器，并不适用于电控汽油机。因为对于电控汽油机而言， 燃油已由原来化油器的真空吸油变成为在2 5 0 4 0 0 k p a 的较高压力下供油。一旦发动机处 于稳定运行状态，电动输油泵就不断向供油系统供油，其供油量几乎不变，并且其单位时 间输油量比发动机额定功率工况的单位时间耗油量多出8 倍以上。大量的燃油经油压调节 器不断地回流到油箱，其目的在于既控制了油压，又冷却了燃油管道，避免发生气阻。如 此大的回油量，给常规的体积测量原理油耗仪的测量带来巨大的困难。此外，电控汽油机 对燃油的计量是在高压下进行的，常规的重量测量原理油耗仪也无法准确测量。 为解决上述问题，通常采用专用的测量仪来测量电控汽油机的油耗，这是一种通过计 量补充流量来反映发动机油耗的方法，此方法目前应用较普遍，如图卜3 所示【l 引。油箱 中的燃油在高压输油泵的作用下从油箱里中出来，然后分成两路，一路经过流量传感器( 它 将油耗信号输出给油耗仪计量) 、减压阀、燃油泵，最后喷入发动机气缸。多余的燃油经 回油处理装置后，从回油流入端返回燃油泵输入端，重新喷入发动机。另一路( 燃油压力 剩余部分) 经过安全阀调节后进入回油处理装置，对发动机回油进行冷却处理，最后返回 油箱。这时，经过不断对回油进行处理后被加热了的剩余燃油流回油箱，使油箱内燃油温 度与供给发动机的燃油温度相平衡，达到正常测量目的。 另有采用两只流量传感器的测量方法，如图1 - 4 所示。利用两只流量传感器分别串接 在发动机进油管和回油管中，分别测量进油路和回油路的燃油流量，任一时刻两者的差值 就是发动机的燃油消耗量。试验前经过一段时间的预热行驶，使大量回油流入油箱进行热 交换，使油箱内燃油温度与供给发动机的燃油温度基本平衡，便于正常测量。该法的主要 缺点是误差较大，在变工况下，两路流量的相位误差、计算误差都对测量结果产生较大影 响，造成测量结果波动较大，甚至出现回油量大于进油量而导致瞬时油耗为负值的现象。 图卜3 电喷油耗传感器测量法原理框图 图1 - 4 差值法测耗油量原理框图 上述方法都要在发动机供油系统中串接油耗仪，但是将油耗仪串入油路中会影响发动 机燃油的供给和测试精度。同时，油耗仪的安装连接十分繁琐不便，安装和测量过程时间 6 较长，需要拆装油管，费时、费事，且不安全( 汽油挥发造成污染和易燃) ，不适于在检 测线上应用。调查表明，我国交通系统的2 0 0 0 多家车辆检测站的在用车性能检测线虽然都 有汽车燃油消耗直接测量仪，但是由于上述原因该测试项目并没有真正开展【l 酬。 二、间接测量法 间接测量法即不解体测量法。这种测量方法的最大优点是：不需要拆解被测车辆的供 油系统。近几年本领域最活跃的课题就是利用不解体的方法对燃油消耗量进行测量。通过 不解体的方法对管内流量进行测量的理论繁杂，方法众多，因此有必要对相关测量方法及 其原理加以分析，以寻求一种不解体油耗测量的最佳方法。 目前国内外较为常用的油耗不解体测量方法有： ( 1 ) 碳平衡法：2 0 0 3 年1 2 月1 日颁布的g b t 1 9 2 3 3 2 0 0 3 轻型汽车燃料消耗量试 验方法规定，在实验室内测量汽车工况法排放的同时，通过碳平衡法计算出汽车油耗。 这种方法的特点是：可以和汽车排放检测相结合，满足油耗测量的精度要求。碳平衡法是 目前国际上通行的实验室内车辆工况法油耗试验方法，是根据质量守恒定律，即燃料经过 发动机燃烧后，排气中c 含量总和与燃烧前的燃油中c 质量总和相等【l7 1 。 在国外，室内测量油耗多用碳平衡法，因为在测量汽车排放的时候，需测 h c ，c o ，c 0 2 ，n o x 等排放物的质量，这样可以在测排放的同时计算出油耗。国外在7 0 年 代中期对汽油车燃油消耗量碳平衡测量方法进行了大量的试验研究，但由于当时尾气分析 技术落后，大多采用定容取样法c v s ( c o n s t a n tv o l u m es a m p l i n g ) 。从测油耗的角度看， 该方法具有的明显的缺点：所需设备庞大，复杂，不适合检测线使用。除了可以使用c v s 系统外，还有用废气分析仪和气体流量计等构建的测量系统，则测量计算的准确度就取决 于废气分析仪的精度，它比c v s 系统占地面积小、造价低且操作方便，缺点是测量精度要 低一些，必须要对计算模型按车辆的试验速度分段进行修正，方可满足将测量误差控制在 4 以内【1 8 】【1 9 1 。 ( 2 ) 进气量结合空燃比测定法：通过测定发动机吸入空气量和空燃比，算出每个测 量周期的燃油消耗量，根据它的累加，算出燃油消耗量。由于空燃比信号的实时性较差， 信号的准确度往往较低。如果发动机有故障，油耗测量精度将更低【2 0 】【2 。 ( 3 ) 通过汽车诊断接口( k 诊断接口) 与汽车电脑进行数据通信，实现个人计算机 与汽车电脑直接联机，中间通过r s 2 3 2 通信适配器将个人计算机与汽车电脑连接进行数据 通讯。该方法充分利用了发动机电控系统的自诊断功能，通过数据流分析的方法获取发动 机运行的各种参数，再经过分析、整合，最后得出油耗数据。由于发动机控制单元主要任 务是实现发动机各项功能的实时控制，用于对外通讯的速度很低，所以这种方法测量误差 较大，实用价值不高【2 2 j 。 ( 4 ) 燃料喷射量累计法：也就是喷油脉宽法。从理论上说，燃油喷射量与喷油器开 启时间是成正比的。因此可以通过测定喷油器驱动信号，计算出喷油脉冲宽度，结合喷油 器的喷油系数( 单位时间内的燃油喷射量) 算出单次燃油喷射量，再累计单次喷油量算出 总喷油量。 大连理工大学唐轶的硕士学位论文中做过相关方法的研究【9 】。他设计了专门的采集电 路获取喷油脉冲信号，结合喷油器标定实验得到喷油器的工作特性，并用瞬时的发动机参 7 数( 如发动机转速、喷油温度和汽车的蓄电池电压) 进行补偿和修正，从而测量燃油消耗量。 但是他认为喷油器的喷射流量是常量，即不同脉宽对应单位时间内的燃油喷射量是定值， 这并不符合喷油器的动态特性理论。一般的喷油器实际工作脉宽不超过1 5 m s ，而他的实 验脉宽范围为2 0 1 5 0 m s ，远远超过了实际情况。 ( 5 ) 国外有些学者，如m a r t i n gb t r e u h a f t 提出了用放射性跟踪技术实时测量燃油 消耗，但此方法在一般检测部门还难于普及【2 引。 1 3 本文研究思路及研究内容 1 3 1 研究思路 通过上述分析，本设计决定采用喷油脉宽法这种不解体的油耗间接测量方法。采用计 算机测试技术，建立一套油耗测量系统。通过测量喷油器驱动信号，获得喷油脉冲宽度； 通过测量点火信号，获得发动机转速；通过测量车速传感器信号，获得车速和行驶距离。 再结合相应的算法计算得到汽车的百公里油耗【2 4 1 2 5 1 。 本设计的整体技术方案如图1 - 5 所示。 1 3 2 研究内容 喷油信号 l ， 信信 点火信号 号号计 调 采算 l 车速信号l - 理集机 图1 - 5 测量系统整体结构框图 本论文在分析了国内外油耗测量方法的基础上，借鉴现有的油耗测量方法，根据汽车 油耗测量系统的要求，做出以卜研究，具体研究内容是： ( 1 ) 深入研究汽油发动机电控系统的组成及原理，熟悉其喷油控制策略。 ( 2 ) 提出基于喷油脉宽法的油耗测量算法。 ( 3 ) 研究喷油器动态特性理论，设计一套喷油器动态特性的测试装置，通过实验测 量动态喷油系数k ( w ) ( m l s ) ，并拟合出动态喷油系数随喷油脉宽的变化而变化的曲线。 ( 4 ) 搭建测量系统。设计信号调理电路，选择数据采集器，在l a b v i e w 8 2 0 软件开 发平台上开发油耗测试系统软件。 ( 5 ) 实车实验，验证系统的可行性和有效性。 8 第二章油耗测量系统设计基础 2 1 汽车电控燃油喷射系统的组成 现代汽车中，电子控制汽油喷射系统( e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o n ，e f i ) 因其优越 的性能而使用广泛，传统的化油器式燃油供给系统已趋于淘汰。本文的研究对象即电控系 统发动机的在用车。 电控燃油喷射系统是以电控单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，e c u ) 为控制中心，并 利用安装在发动机上的各种传感器测出发动机的各种运行参数，再按照电脑中预存的控制 程序精确地控制喷油器的喷油量，其最突出的优势是能实现空燃比的高精度控制，使发动 机在各种工况下都能获得最佳空燃比的可燃混合气。 电控燃油喷射系统由于不存在机械驱动等问题，各部件可分散布置，故在发动机上安 装时不受制约。采用电控多点燃油顺序喷射( m p i ，m u l t ip o i n ti n j e c t i o n ) 方式时，可 以按最佳空气效率合理设计进气管路，以便利用空气的惯性增压作用，提高发动机的输出 功率。采用电控汽油喷射系统使发动机综合性能得以提高。与传统的化油器式发动机相比， 装有电控燃油喷射系统的发动机功率提高5 一1 0 ，油耗降低5 一1 5 ，废气排放量减少2 0 ； 由于扭矩特性的明显改善，瞬时响应快，汽车的加速性能大大提高，冷车启动更容易，暖 机更迅速【2 6 1 。电控燃油喷射系统主要由：进气子系统、燃油子系统和电子控制子系统三 部分组成【2 7 1 2 8 1 。 一、进气子系统 进气子系统的功用，是测量和控制燃油燃烧时所需的空气量，为发动机可燃混合气的 形成提供必须的空气。图2 - 1 、2 - 2 分别是d 型汽油喷射系统和l 型汽油喷射系统的进气 系统框图。空气经过空气滤清器后，用空气流量计进行测量( 除d 型汽油喷射系统外) ， 然后通过节气门体到达稳压箱，再分配给各缸进气管。在进气管内，与喷油器中喷出的燃 油混合后被吸入气缸内进行燃烧。 一般行驶时，空气的流量由通道中的节气门来控制。怠速时，节气门关闭，空气从旁 通气道通过。怠速转速的控制由怠速调整螺钉和怠速空气调节器调整流经旁通气道的空气 量来实现。 图2 - 1d 型进气系统框图 9 图2 - 2l 型进气系统框图 二、燃油予系统 燃油子系统的作用是向气缸内供给燃烧所需的汽油。系统框图如图2 - 3 所示。油泵抽 吸油箱内的燃油，经燃油滤清器后，由燃油压力调节器调压，然后经过输油管配送至各个 喷油器和冷启动喷油器，喷油器根据e c u 发出的指令，将适量的汽油喷入各个进气管路。 图2 - 3 燃油供给系统框图 j 、电子控制子系统 电子控制子系统的作用是根据发动机运转状况和车辆运行状况确定汽油的最佳喷射 量。该系统由各种传感器、e c u 和执行器组成。电子控制系统组成框图如图2 4 所示。 电子控制汽油喷射系统利用系统中的各传感器所监测到的发动机运行状态的参数( 如 空气流量、发动机转速、进气压力、进气温度、冷却液温度、排气中氧的含量等) 转换成 电信号，输入到发动机e c u 中，e c u 结合内部预存的程序对这些信号加以比较和修正，计 算出喷油器的通电时间，并接通喷油器电路，使喷油器喷油，从而对喷油器的喷油时刻、 1 0 喷油量进行精确的控制。e c u 还可根据各传感器输送来的信号对发动机的点火提前角进行 精确控制【2 9 l 3 0 l 3 1 】。 曲轴凸轮轴位置 - i 喷油器 传感器 7 i i 空气流量计 点火器 节气门位置传感器 i 冷却液温度传感器 e 怠速控制阀 进气温度传感器 点火开关 c主继电器 氧传感器 l ， u 故障诊断插座 空气调节器 i - 蓄电池 故障指示灯 - 一 车速传感器 点火器 - - e c t ( 自动变速器电脑) 图2 4 电子控制系统组成框图 电控燃油喷射系统按喷射部位分为缸内喷射和缸外喷射。缸内喷射是通过安装在气缸 盖上的喷油器，将汽油直接喷入气缸内，这种喷射系统需要较高的喷射压力，喷油器的结 构和布置也比较复杂，目前极少使用。缸外喷射是将喷油器安装在进气总管或者进气歧管 上，以较小的压力将汽油喷出。目前，大多数汽车采用向进气歧管内喷射的方式，属于多 点喷射。 汽油喷射系统按喷射时间控制方式分为连续喷射式和间歇喷射式。目前，电控燃油喷 射系统都采用间歇喷射方式。 汽油喷射系统按喷射顺序分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种形式。目前，大多 采用分组喷射和顺序喷射。以四缸发动机为例，分组喷射是指将四个气缸分为2 组，一般 是l 、4 缸为一组，2 、3 缸为一组，每一组喷油器乓用一根导线与电控单元相连，电控单 元在不同时刻先后发出两个喷油指令，分别控制两组喷油器交替喷射。仍以四缸发动机为 例，顺序喷射是指喷油器按发动机各缸的工作顺序进行喷射，一般以1 、3 、4 、2 缸的顺 序喷射。电控单元根据曲轴位置传感器信号或凸轮轴位置传感器信号，辨别各缸的进气行 程，适时发出各缸喷油指令以实现顺序喷射【2 9 1 。 2 2 汽车燃油经济性评价指标 汽车的燃油经济性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量燃油 能使汽车行驶的里程来衡量。下面主要介绍三种汽车燃油经济性的评价指标【3 2 1 。 一、单位行驶里程的燃油消耗量 在我国，燃油经济性指标的单位为l l o o k m ，即行驶l o o k m 所消耗的燃油升数。其数 值越大，汽车燃油经济性越差。单位行驶里程的燃油消耗量是一个绝对值指标。它虽然是 决定汽车燃油经济性的一个主要因素，但由于其只考虑了行驶里程，没有考虑车型与载重 量的筹别，所以只能用于比较同类汽车或同一辆汽车的燃油经济性，也可用于分析不同部 件装在同一汽车上，对燃油经济性的影响。 根据不同的测试条件，百公里燃油消耗量可分为等速百公里燃油消耗量、多工况百公 里燃油消耗量和一般道路百公里燃油消耗量三种。 等速百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷( 我国标准规定轿 车为半载、货车为满载) 下，以最高档在水平良好路面上等速行驶l o o k m 的燃油消耗量。 常测出每隔l o k m h 或2 0 k m h 速度间隔的等速百公里消耗量，然后在图上连成曲线，即 为等速百公里燃油消耗量曲线，如图2 - 5 所示。表2 - 1 为当前几种常见车型的等速行驶百 公里燃油消耗量参数。 q ( l l o o k m ) 1 1 1 0 g 3 2 02 04 06 08 01 0 01 2 0 u a ( k m 而1 图2 - 5 汽车等速百公里燃油消耗量曲线 1 2 表2 1 几种常见车型的等速行驶百公里燃油消耗量 别克神龙富康奥迪波罗宝来夏利 车型赛欧s l g l 89 8 8 e xa 4 - 3 0a l 1 8 一m t2 0 0 0 9 0 k m h 5 3 ( 手动 等速百公8 6 6 5 变速) 、 9 75 86 4 5 5 7 ( 自动 里油耗 变速) 等速百公里燃油消耗量不能全面反映汽车的实际运行情况，特别不能反映出在市区行 驶中频繁出现加速、减速、怠速、停车等工况时的油耗情况。为此，各国根据本国的道路、 交通状况制定了一些典型的循环行驶试验工况来模拟汽车的实际运行工况，并以其百公里 燃油消耗量或以每加仑燃油可行驶的英里数( 即m i l e g a l ) 来评定相应行驶工况的燃油 经济性。欧洲经济委员会( e c e ) 规定，要测量车速为9 0 k m h 和1 2 0 k m h 的等速百公里燃 油消耗量和按e c e - r 1 5 循环工况的百公里燃油消耗量，并各取1 3 相加作为混合百公里 燃油消耗量来评定汽车燃油经济性。美国环境保护局( e p a ) 规定，要测量城巾循环工况 ( u d d s ) 及公路循环工况( h w f e t ) 的燃油经济性( 单位为m il e g a l ) ，并按下式计算综 综合燃油经济性= 0 5 50 4 5 城市循环工况燃油经济性。公路循环工况燃油经济性 合燃油经济性( 单位为m il e g a l ) 以它作为燃油经济性的综合评价指标。我国也相应制 定了货车和客车的路上行驶循环工况。循环工况规定了车速一时间行驶规范。例如，何时 换挡、何时制动以及行车的速度和加速度等数值。因此，