（车辆工程专业论文）典型城市道路车辆燃油消耗研究.pdf

摘要 自从汽车诞生以来，燃油经济性作为重要的性能指标之一，成为汽车技术 人员多年来研究的焦点。本文的研究依托于中国汽车技术研究中心课题典 型城市道路c 0 2 燃油消耗研究，主要论述了如何建立道路车辆燃油消耗c 0 2 排 放水平模式的方法。 本文首先介绍了车辆道路油耗试验实时测量系统的开发。在现有油耗测量 仪基础上开发研制车辆油耗分析系统，将工况复现速度跟踪软件以及基于 f l o w t r o n i c 油耗仪的采集系统这二者结合成为一套系统车载行驶工况测试 系统( o n b r o a dd r i v i n g c y c l et r a c es y s t e m ，简称o b d c t s ) ，然后用于 车辆燃油消耗采集和测试。该系统可以任意设定行驶工况，实现不同工况的再 现和跟踪；不受试验场地限制，可适用于道路实验室的燃油消耗测试。 本文介绍了基于碳平衡法的汽车油耗测量方法的基本原理是根据质量守恒 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；以及碳平衡法的基本公式在日本、美国、欧盟标准或法规中不 同的表现形式；实验室内碳平衡法测量油耗的影响因素包括底盘测功机的负荷 设定的影响、试验循环的影响、试验当量惯量和冷却风机的影响。 主要研究工作包括两个方面：其一是在实验室内，p o l 0 1 4 a t 车型在试验 室底盘测功机上实验，分别进行欧洲e c e 1 5 + e u d c 工况、典型城市综合工况 和典型城市高速工况各三次，分别同时运用油耗仪法与碳平衡法测定其油耗并 对油耗数据进行比较，得出p o l 0 1 舢灯车在油耗仪法与碳平衡法下的相关性 及相关系数。在低速段，油耗仪法下测定的油耗比碳平衡法下测定的油耗高大 约5 0 ；在高速段，油耗仪法下测定的油耗比碳平衡法下测定的油耗高大约 2 o ；其二是在通县试验场，p o l 0 1 4 a t 车型在实际道路上实验，分别进行： 欧洲e c e + e u d c 工况、典型城市综合工况、典型城市高速工况，运用油耗仪法测 定其油耗并与实验室内同一工况油耗数据进行比较，得出试验场和实验室内燃 油消耗存在的差异，应该在1 5 2 0 之间，这个数据和世界燃油规范中的 1 9 0 5 比较一致。 此外本文还论述了车辆道路油耗试验实时测量系统在非常规动力车辆和大 客车的应用情况，验证了系统的多适应性和稳定性。 关键词：工况油耗碳平衡法底盘测功机 a b s t r a c t f r o mt h ev e h i c l ec o m i n gi n t ob e i n g ，t h er u e lc o n s u m p t i o na so n eo ft h e j m p o r t a n tp e r f o r m a n c ei st h ef o c u so f t h ev e h i c l et e c h n o l o g i s t t h ep a p e r r e l yo nt h e t a s ko fc h i n aa u t o m o b i l e t e c h n i q u ea n d r e s e a r c hc e n t r e ( c a t a r c 、1 h e r e s e a r c ho ff u e ic o n s u m p t i o no nt h er o a do ft h er e p r e s e n t a t i v ec i t y t h i sp a p e rh a s m a i n l yd i s c u s s e dt h em e t h o d o fe s t a b l i s h i n gt h em o d eo ff u e lc o n s u m p t i o no nt h e r o a do ft h e r e p r e s e n t a t i v ec i t y f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to f f u e lc o n s u m p t i o nr e a l - t i m e m e a s u r i n gs y s t e m o nr o a d o nt h eb o a r do ft h ec u r r e n tf u e lc o n s u m p t i o n m e a s u r i n g i n s t m m e f i t ，w eh a v ed e v e l o p e dt h eo n - b r o a dd r i v i n g - c y c l et r a c es y s t e r n ( o b d c t s ) ， t h a ti st h ec o m b i n a t i o no f v e l o c i t yt r a c es y s t e mf o rd r i v i n g - c y c l er e c u r r i n g a n dt h e g a t h e r i n gs y s t e mb a s eo n t h ef l o w t r o n i cf u e lc o n s u m p t i o ni n s t r u m e n t t h e s y s t e m c a nb e a p p l ya n ys e t t i n gd r i v i n g - c y c l ea n d f u e lc o n s u m p t i o n m e a s u r i n g o n r o a do rl a b o r a t o r y a n dt h ec a na c t u a l i z et h er e c u r r i n ga n d t r a c i n go f d i f f e r e n td r i v i n g c y c l e s e c o n d ，t h ep a p e ri n t r e d u c e st h ef u n d a m e n t a lo f t h ec a r b o n - b a l a n c ef u e l c o n s u m p t i o nm e a s u r i n gm e t h o d a f t e rf u e lc o m b u s t i n gi nt h ee n g i n e t h et o t a lc a r b o n m a s si ne x h a u s t g a sa n d i nt h ef u e li se q u a la c c o r d i n gt ot h ec o n s e r v a t i o no fm a s s t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c et h ed i f f e r e n tf o r m u l ao nt h es t a n d a r do fj a p a n a m e r i c aa n d e u r o p e t h em a i n l y f a c t o r sf o rt h ef u e lc o n s u m p t i o n m e a s u r i n g i nl a b o r a t o r yi n c l u d e l o a ds e t t i n go fc h a s s i sd y n a m o m e t e r ，t e s tc y c l e ，t e s ti n e r t i aa n d c o o l i n gf a n t h e p a p e r sm a i n l y w o r ki n c l u d et w o a s p e c t f i r s t i nt h el a b o r a t o r y , t h e p o l 0 1 4 a tv e h i c l e p r o c e s st h ed r i v i n gc y c l e so fe u r o p ee c e + e u d c c h i n e s c r e p r e s e n t a t i v ec i t ys y n t h e s i sa n dh i g h s p e e de a c h f o rt h r e et i m e so nt h ec h a s s i s d y n a m o m e t e r 。w e c a ng e tt h ec o r r e l a t i o na n dc o r r e l a t i v ec o e f f i c i c u tt h r o u g ht h e m e a s u r e df u e lc o n s u m p t i o nd a t af r o mt h ef u e lc o n s u m p t i o ni n s t m m e n ta n dc a r b o n b a l a n c em e t h o d s i nt h el o w s p e e dp h a s eo f d r i v i n gc y c l e ，t h em e a s u r e d f u e l c o n s u m p t i o n f r o mt h ef u e lc o n s u m p t i o ni n s t m m e n ti sa b o u t 5 h i g h e rt h a nf r o mt h e c a r b o n - b a l a n c em e t h o d ；i nt h eh i g h - s p e e d p h a s eo fd r i v i n gc y c l e t h em e a s u r e d f u e l c o n s u m p t i o n f r o mt h ef e e lc o n s u m p t i o ni n s t r u m e n ti sa b o u t2 h i g h e rt h a nf r o mt h e c a r b o n b a l a n c em e t h o d s e c o n di nt h et o n g - x i a n t e s t i n gg r o u n d t h ep o l 0 1 4 a t v e h i c l ea l s op r o c e s st h ed r i v i n g c y c l e so fe u r o p e e c e + e u d c c h i n e s e r e p r e s e n t a t i v e c i t ys y n t h e s i sa n dh i g l l - s p e e de a c hf o rt h r e et i m e so n t h et e s t i n gr o a d w ec a n g e tt l l e m e a s u r e df u e lc o n s u m p t i o nf r o mt h ef u e lc o n s u m p t i o ni n s t r u m e n to nt h er o a di sa b e u t 1 5 - 2 0 h j 曲e rt h a nf r o mt h ec a r b o n b a l a n c em e t h o di nt h ei a b o r a t o r y t h e c o r r e l a t i v et o e f 矗c i e n ti sa c c o r d i n gw i t ht h ed a t ao fw o r l df o e lc o n s u m p t i o ns t a n d a r d w h i c hi sa b o u t1 9 0 5 t h e p a p e r a l s oi n t r o d u c e st h e a p p l y i n g i n s t a n c eo ft h ef u e lc o n s u m p t i o nr e a l t i m e m e a s u r i n gs y s t e mo n r o a d o n t h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ea n d b i gp a s s e n g e rc a r w h i c h p r o v e t h e s y s t e m m o r e a d a p t a b i h t ya n ds t a b i l i t y k e y w o r d s ：d r i v i n gc y c l e c a r b o n - b a l a l i c e f u e lc o n s u m p t i o n ， c h a s s i sd y n a m o m e t e r 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 背景 第一章绪论 汽车是当今社会的主要交通工具之一。我国汽车工业发展速度很快，每年 保有量以1 0 以上的速度在增长，轿车生产的速度达到1 5 2 0 。据统计，我 国各类汽车产量由1 9 9 1 年的7 0 4 万辆增加到2 0 0 1 年的2 3 3 4 4 万辆，平均年增 长率为1 5 ，是同期世界汽车增长率的1 0 倍。2 0 0 2 年我国汽车产量为3 2 0 万 辆，预计2 0 0 5 年将达到, 1 9 0 万辆，2 0 1 0 年达到6 0 0 万辆。而且，在国外发达 国家轿车保有量一般占汽车车总数的7 0 以上，我国仅为3 0 左右，轿车发展 空间很大。目前汽车用燃料主要是汽油、煤油等石油产品，世界石油资源的很 大一部分都消耗在汽车上，而汽车尾气的排放则是增长最快的空气污染源之 一。在发达国家城市区域，汽车是c o 、n 仉和h c 等空气污染的主要来源。由 于车辆的快速增长，汽柴油需要量也呈现较大的增长速度，从1 9 9 5 年到2 0 0 2 年，汽柴油需要量从7 7 0 0 万吨，增长到1 2 4 0 0 万吨，增长率达到7 0 4 。一般 汽柴油要占到原油加工量的5 0 以上。原油加工量从1 9 9 5 年的1 4 9 亿吨，增 长到2 0 0 0 年的约2 2 - t l n 屯，增长率达到8 1 1 。高速增长的石油需求给石油开 采和炼制工业带来压力，国内原油资源缺乏，9 0 年代以来，原油产量年均增长 仅为2 5 0 多万吨左右，2 0 0 2 年总产量达到1 6 7 亿吨。仅满足需求量的7 6 左 右，缺口都是由进口原油解决。减少汽车排放、提高其燃油经济性和开发新的 代用燃料将对改善环境污染，缓解能源危机作出巨大贡献。 自从汽车诞生以来，燃油经济性作为重要的性自自指标之一，成为汽车技术 人员多年来研究的焦点。近年来，由于安全及排放问题日益突出，对燃油经济 性的关注有所淡薄，但随着世界性的石油危机的发生，燃油经济性再次被提到 了议事日程。 长期以来，我国都是在试验场测量各种汽车油耗，大多数情况下还是测量 不同速度下的等速油耗，与目前国外的做法完全不一致。与国际接轨、真实测 量汽车油耗是必然趋势，所以我们势必将转向基于实验室里的工况法试验。我 国也即将发布的燃油经济性标准，这会为我们带来新的经济增长点? 但是，我 国的实际情况和国外的差别较大，如何正确理解和把握实验室和道路两种状况 下的车辆燃油消耗c 0 2 排放水平的差异，在实验的转变过程中，确实地为行 业、为国家提供优质的服务和决策依据，我们一定要展开这些方面的研究。当 苎坚堡三查堂婴圭堂垡笙苎 然，开展这些工作，存在极大的困难。主要体现在两个方面。第一方面，就是 在实际道路上测量车辆燃油油耗c 0 2 排放存在一些客观困难，主要有三个因 素。首先，资金方面的困难。这种试验需要大量的资金；其二，测试设备方 面，无法采用试验室用高精度设备；第三，道路状况复杂多变，影响因素众 多，需要处理大量的试验数据；最后就是对试验数据结果如何修正以及进行修 正的难题。第二方面就是在研究过程中，经验和知识的欠缺，而这需要调查、 学习，并在实践中学习和掌握、提高。 我们研究的最终目的是建立道路车辆燃油消耗c 0 2 排放水平模式，为国家 相关决策提供科学依据，为行业服务扩展新的方向。主要研究内容包括三个方 面。第一：在现有油耗测量仪基础上开发研制车辆油耗模态分析系统，实时测 量车辆的燃油消耗状况；第二：采集道路车辆油耗和瞬时油耗，分析影响因 素，并为进一步的分析提供基本数据；第三：在实验室和道路情况下研究 e c e l 5 工况和典型城市实际行驶工况下油耗法碳平衡法的相关性，修正典型城 市车辆实际行驶工况，设置必要的控制参数，构建道路车辆燃油消耗c 0 2 排放 水平模式。 1 2 国外概况 美国、日本和欧洲各国汽车油耗c 0 2 排放的测试循环和测量设备各不相 同，测试范围也不全一致，但都是模拟汽车实际道路运行状况下，多工况法汽 车油耗测试方法，主要限制产量较大的轻型( 包括微型) 车辆。欧洲法规或指 令只规定了m 类车的测试方法，且近十多年来不断变化。早期是分别测量低速 城市工况( 即e c e l 5 工况) 油耗和9 0 、t 2 0 k m h 的等速油耗；9 3 年开始采用城市 工况和城郊高速工况( e u d c ) 的复合工况油耗，在排放实验室用碳平衡法而不是 用油耗仪直接测量；2 0 0 0 年开始采用冷启动而不是原来的热启动状态下的工况 法来测量油耗，以求更真实测量汽车实际油耗c 也排放。以欧洲为例，1 9 9 5 年欧洲轿车平均c o 。排放量( 采用模拟实际的冷启动后工况法测试循环) 为 1 8 5 9 k m ，2 0 0 0 年降低至1 6 9g k m ，2 0 0 8 年将进一步降低至1 4 0g k m ( 相当 于汽油车百公里油耗为5 9 l ，也是在1 9 9 5 年的基础上减低了约2 5 ) ；美国 是分别测量模拟市区( 平均车速3 1 7 k i n h ) 和高速公路( 平均车速7 7 4 k m h ) 运行状态的工况法油耗，加权平均后作为汽车名义油耗。日本测量的是1 0 1 5 工况( 平均车速2 2 7 k m h ) 运行下的平均油耗。不仅如此，美国还规定了汽车 制造公司的平均油耗( c a f e ) 限值，不满足该限值则视差距大小处以数额不 等的罚款；日本则规定了不同质量的汽车油耗标准表，企业以达到该标准为 2 武汉理工大学硕士学位论文 荣；欧洲则规定m 1 类车型式认证时必须测试油耗，确认汽车厂的申报值并向 社会公布。 而在同等条件下，目前我国主流中档轿车的c 0 2 排放量为2 0 0 2 2 0 9 k m ( 相 当于汽油车百公里油耗为8 3 l 9 2 l ) ，考虑到众多的国产在用车，我国城市 的燃油消耗c 0 2 排放水平应该更高。我国急需借鉴国外经验，强制实施汽车多 工况法油耗测试方法，作为汽车厂公布油耗数据的统一测试基准，并在每辆汽 车上标明其名义油耗，引导用户比较选择。另外，针对我国实际状况，应尽快 发布一个汽车油耗( c 0 2 排放) 限值标准，一方面可以鼓励经济型汽车的发 展，另一方面这也是我国汽车进入家庭和汽车工业快速健康发展的必然要求。 1 3 本课题的主要工作 研制道路油耗试验实时测量系统，预研究e c e l 5 下碳平衡法与油耗法相 关性。将该系统安装在“典型城市车辆实际行驶工况”课题使用的车辆上，采 集道路车辆的瞬时油耗、发动机的各种状态参数。结合“典型城市车辆实际循 环”的研究，在底盘测功机上同时采用油耗法与碳平衡法，测量车辆的燃油消 耗c 0 2 排放水平，针对影响车辆油耗的相关参数，研究、分析和修正道路和试 验室两种测量结果之间的相关性；最终建立基于“典型城市车辆实际行驶循环 工况测量车辆道路油耗c 0 2 排放”模式。技术路线见下面框图。 研究内容： a ) 收集、分析国内外相关资料，细化研究内容； b ) 研制车辆道路油耗试验实时测量系统； c ) 在实验室条件下利用同一车辆研究两种测量系统的十五工况下相关性 及相关系数； d ) 在道路条件下利用同一车辆研究两种测量系统的典型工况下相关性及 相关系数： c ) 在实验室条件下研究三种主要车辆的道路燃油消耗c 0 2 排放； f ) 建立车辆道路燃油消耗( 2 0 2 排放模式。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章是全文的开篇，主要论述了以下几点： 1 ) 论述了目前研究汽车燃油经济性的背景及建立道路车辆燃油消耗c 0 2 排放水平模式的必要性。 2 ) 论述了目前国外道路车辆燃油消耗c 0 2 排放水平模式。 3 ) 论述了本文的选题思路、采取的方法、技术路线以及主要工作等。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第二章车辆道路油耗试验实时测量系统 2 1 燃油消耗测定方法的研讨 目前，国内外常用的燃油消耗的测定方法一般分为两种：一种是试验场的 水平路上进行的室外试验：另一种是在调温室内进行的室内试验，可以用排放 分析仪等测试设备对燃料经济性进行测定，通常是在不受气象影响的室内进 行。燃油消耗的测定方法也可以按直接测定和间接测定分为以下几种： 表2 - 1 燃油消耗测定方法分类 测定方法概要优点缺点 碳粉平衡测定排气中的含碳不需要车辆方面的需要大规模的 法量计算出燃料消耗改装，可以做到高专用设备，道 量精度的燃油消耗量路行驶时不能 直测定进行测定 接燃料流量在燃料管上接流量可以精度较高的直需要进行燃油 测测定法计，直接测定燃料接测定燃油消耗量系统的改装， 定消耗量必须严格防止 漏油造成的火 灾 满油箱法每次行驶时加满油不用进行车辆的改由于油箱内的 箱，测定燃料的消装，不用使用特殊残留空气会造 耗量的仪器就可以测定成加油量的差 异较大，很难 做到高精度的 测定 5 武汉理工大学硕士学位论文 燃料喷射测定由发动机e c u只要小规模的车辆因为是间接测 量累计法发出指令的喷射驱改装，可以进行道定，必须进行 间动信号。由驱动时路燃油消耗量的测燃油消耗量的 接间算出喷射量，根定验证 测据它的累计算出燃 定油消耗量 空燃比测通过测定发动机吸只要小规模的车辆因为是间接测 定法入空气量和空燃改装，可以进行道定，必须进行 比，算出每个测量路燃油消耗量的测燃油消耗量的 周期的燃油消耗定验证 量。根据它的累 计，算出燃油消耗 量。 本项研究过程分别采用了碳平衡法和燃料流量测定法。对于国家标准g b 厂r 1 2 5 4 5 中规定的多工况运转循环，在试验场的道路上如何实现，存在两个问 题：其一，虽然采用何种工况，是一个需要研究的问题，但是采用的工况及其 工况复现的速度精度，才是关键。这种复现形式需要驾驶员在操纵车辆前进中 精确控制运行速度。其二，尚没有对应的工况复现跟踪系统供我们使用，这种 系统需要能以较高的传送频率将采集的车辆速度传送到监视器上。 本研究将首先开发工况复现速度跟踪软件以及基于f l o w t r i c 油耗仪的采 集系统，并将这二者结合成，集成为一套系统车载行驶工况测试系统 ( o n b r o a dd r i v i n g c y c l et r a c es y s t e m ，简称0 b d c t s ) ，然后用于车辆 燃油消耗采集和测试。该系统可以任意设定行驶工况，实现不同工况的再现和 跟踪；不受试验场地限制，可适用于道路实验室的燃油消耗测试。由于现有 的燃料流量测量仪没有提供瞬态测量以及记录功能，我们需要进行二次开发。 2 2 道路油耗试验实时测量系统 数据采集是研究车辆行驶的基础工作，为后续研究提供客观数据。数据采 集过程需要适应试验车辆在不同条件下的行驶，以测定车辆的运行状况、环境 状况等。汽车道路试验要比同类试验室试验复杂而不易操作，要求所使用地测 试仪器性能稳定、抗震耐热、准确可靠，同时不能影响车辆的正常行驶。 6 壁堡里三查堂堡主茎垡笙苎 本研究目标需要测定车辆的燃油消耗，车辆的运行速度。考虑试验数据的 完整性，同时需要测定试验发动机转速参数，车辆运行时的温度、湿度、大气 压力、天气状况、风力风向等环境状况。为了完成本课题研究所需试验任务， 课题组专门开发装备了一套车辆行驶工况车载测试系统，不仅可以实现行驶状 态的事后复现，而且还可以满足试验数据采集的需要。 2 2 1 车辆行驶工况车载测试系统( o b d c t s ) 2 2 1 1 系统的组成 车辆行驶工况车载测试系统主要由车辆综合性能记录仪、非接触光电速度 传感器、燃油消耗流量计组成；为了数据的精确可靠，中间还接入了速度跟踪 滤波器、流量讯号转换器；其他配套试验仪器还有电子温湿度计、空盒气压 计；工况复现显示部分由笔记本电脑完成。系统组成框图如图2 - 1 所示。 工况复现部分主要用于同一行驶状态不同环境条件下的比较研究。 速度传感器 发动机转速信号 温度、湿度、 燃油消耗流量 气压、天气等 计 1r ，r1r i 跟踪滤波器i 。 车两综合性能记暴仪l 流量讯号转换器 j r l l j h u 4 、u _ 、 o 行驶工况复现器 2 2 1 2 数据的产生 图2 一l 行驶工况车载测试系统 非接触光电速度传感器测定试验车辆的行驶速度，速度信号经速度跟踪 滤波器滤波后进入车辆综合性能记录仪，根据记录仪所设定的不同的采集频率 可以计算出车辆行驶时的加速度。燃油消耗流量计测定试验车辆的燃油消耗， 7 茎塑型三查堂堡主堂垡丝苎 其本身即可实现油耗的显示和打印，但无法显示瞬态油耗状况；将油耗信号引 出，接入流量讯号转换器再连接到车辆综合性能记录仪，即可根据记录仪设定 的频率得到瞬态油耗数据。发动机的转速信号由实验车仪表板引出，直接接入 车辆综合性能记录仪即可。 环境状况、道路信息等由随车试验人员记录，同时完成录音、录像和异 常情况记录工作。 2 2 2 车辆综合性能记录仪 车辆综合性能记录仪由总参装甲兵装备技术研究所研制，包括记录仪本 体、电源线、信号线、通讯线、显示盒等几部分。其外形如图2 2 所示，仪器 插头分布如图2 3 所示。供电试验1 2 v 直流电源，方便车载使用。 图2 - 2 车辆综合性能记录仪外观图2 - 3 车辆综合性能记录仪插头分布 2 2 2 。1 车辆综合性能记录仪的技术指标 记录仪的主要技术指标如下： ( - - ) 模拟输入通道：1 6 路1 2 位a d 输入( 0 + 5 v ) ( 二) 数字输入通道：5 路，1 6 位计数器，1 路正弦波输入，4 路 t r l c m o s 输入 ( 三) 温度通道：8 路( t 、j 、k 热电偶) ( 四) 供电电源：直流1 0 l s v ， 0 1 v p - p 侧速范围：0 5 2 5 0 公里小时；对应频率：3 5 h z 1 7 5 k h z ；周期 当量：4 r a m 1 周期；照明灯功率：d c l 2 v 、5 5 w ；光学系统视场：5 0 m m x 6 0 m m ；工作距离：照明灯距地面约6 0 0 m m ，探测头前端距地面约5 0 0 m m ；高 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 差影响：工作距离在5 0 0 1 0 0 m m 内，测量误差 1 0 g ；信号输出1 ：4 m m 1 脉冲，与1 凡兼容；信号输出2 ：l o m m 1 脉 冲，与1 l 兼容；白线输出：正脉冲，与1 】 l 兼容；电源电压：v d d + 5 v ， i d d o 3 a ；尺寸：1 3 4 m m 6 6 r a m 2 7 m m 。 2 2 4 燃油消耗流量计和流量讯号转换器 燃油消耗流量计用于测量车辆行驶时的燃油消耗，其产生的信号经流量讯 号转换器优化后送入车辆综合性能记录仪，实现对燃油消耗的瞬态测量和记 录。 在燃油消耗测试时，由于所采用的设备的流量检测装置是由流量变换机 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流量变为曲轴的旋 转运动，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。 这种活塞运动方式，对于具有回油功能的发动机，当车辆处于剧烈的变工况运 行时，可能由于回油时活塞的计量的不精确性，造成最终的燃油消耗计量误 差。 武汉理工大学硕士学位论文 6 矗 s 1 僧罨瑚替学2 孝棼动j 瞻栅 8 毒 耄= 冀睦_ ，脒 申 辱岂按部 4 -瓣t 聋，孽墒邕变犁鼍嗣耪g - 话捌董 6 磁生袋尊由节7 圈剪孽掣b 精8 型b 敬 絮擎l e d ( 冀蕾t 图2 6 燃油消耗流量计内部结构图 2 2 4 1 燃油消耗流量计 图2 - 7f l o v r r r o n l c4 7 0 5 图2 8f l o w t r o n i c2 0 6 2 0 7 燃油消耗流量计由实现测量功能的f l o w t r o n i c4 7 0 5 和显示功能的 f l o w t r o n i c2 0 6 2 0 7 组成。分别如图2 - 7 、8 所示。f l o w t r o n i c4 7 0 5 是 由q u i c k l y a g 生产的一种高精度、高可靠性的流量计，它具有体积小、重量 1 2 墓坚垄三查兰堡兰堂垒堡苎 轻、使用范围广和连接方便等优点，适用于化油器式发动机、电喷式发动机以 及柴油发动机的油耗测试。 f l o w t r o n l c4 7 0 5 把喷射活栓热交换单元与流量计组装在一起，使得内 燃机油耗测量更加方便和快捷。整个装置正好可以放在驾驶员脚旁边，通过聚 酰胺软管与发动机连接在一起。这样就可以由该装置的可变压力调整器和热交 换单元测量车进入发动机的燃油量。 f l o w t r o n i c2 0 6 2 0 7 是瑞士q u i c k l ya g 生产的一种自动道路测试 仪器，具有灵活的外形和强大的功能。其拥有8 套程序，在适合中国汽车测试 标准的情况下，以满足常规的试验任务，如汽车加速性能试验、行驶速度试 验、制动试验以及燃油消耗试验等。 f l o w t r o n i c4 7 0 5 和f l o w t r o n i c2 0 6 2 0 7 完全实现被测试车辆的 燃油消耗试验。为了得到瞬时油耗值，专门开发了油耗流量瞬态计，按照记录 仪的频率设定瞬态测量车辆燃油消耗。 2 2 4 2 流量讯号转换器 流量讯号转换器是为实现油耗瞬态测量而专门开发的信号处理仪器，其功能 实现框图如图2 - 9 所示。1 、2 是两个信号输入端。 图2 - 9 流量讯号转换器功能框图 2 2 5 车辆综合性能记录仪的使用 车辆综合性能记录仪是专门开发的用于车辆的信号采集记录仪器，它可以 与微机( 便携机或笔记本) 联网，用专用通讯线将微机( 便携机或笔记本) 并 行口与记录仪通讯口连接，实现数据传输。与跟踪软件相结合，即可以使记录 仪工作在速度跟踪状态。 数据采集频率和各通道的系数设置可通过编辑记录仪中f k d a t 文件实 现。仪器工作中每小时会产生一个t i d d 数据文件，保存在记录仪中，试验结束 1 3 苎堡堡三查堂堡圭生垡笙苎 后可以方便的导入微机( 便携机或笔记本) 。 行驶工况复现用于车行状态的显示及行驶跟踪，由笔记本电脑承载显示 部分。试验车辆运行的同时，各路信号送入车辆综合性能记录仪，这些信号再 经r s 2 3 2 传输线送入笔记本实时显示。电脑中用的跟踪软件是为此种试验专门 开发的，界面如图2 1 0 所示。 2 。3 本章小结 图2 - 1 0 跟踪软件运行界面 本章主要论述了车载行驶工况测试系统的构成( 简称o b d c t s ) ，它是 由开发工况复现速度跟踪软件以及基于f l o w t r i c 油耗仪的采集系统二者结合 而成。 1 ) 研讨国内外的燃油消耗测定方法。一般分为两种：一种是试验场的水 平路上进行的室外试验；另一种是在调温室内进行的室内试验。 2 ) 车载行驶工况测试系统中基于f l o w t r i c 油耗仪的采集系统的原理以及 构件结构组成及功能。 3 ) 速度跟踪软件车辆综合性能记录仪的应用。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第三章基于碳平衡法的汽车油耗测量方法 我国于九十年代开始参照采用联合国欧洲经济委员会汽车油耗试验方法。 制定了我国乘用车油耗试验方法( g b t1 2 5 4 5 卜2 0 0 1 ) ，其中规定油耗试验必 须在底盘测功机上进行。 3 1 碳平衡法原理 简单的说，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。碳原子在汽( 柴) 油车排气中主要以c 0 。、c o 和碳氢化合物( 以c h x 表示) 的形式存在。 不管按照什么运转循环进行油耗试验，假定汽车运行了lk m ，汽车平均 油耗为f e ( k m l ) ，燃油密度为s g ( k g l ) ，燃油中的碳质量比为c w f ，那么： 消耗的汽油中碳质量= 1 0 0 0 ) c o + c w 艮0 h c ) l( g ) ( 2 ) 。 令( 1 ) 、( 2 ) 式右边相等，得到以下油耗计算公式： f e = i o o o x s g x c w f ( 0 2 7 3 c 0 z + 0 4 2 9 c o + c w r 。, x h c ) ( k m l ) ( 3 ) 3 2 基于碳平衡法的各国油耗公式及其演变 由碳平衡原理得到的上述基本公式( 3 ) ，在日本、美国、欧盟标准或法规 中出现了不同的表现形式并且随着时间而修正。 些望堡三查堂堡圭堂垡笙壅 3 2 1 日本油耗公式及其演变 日本标准协会制定的汽车油耗试验方法自1 9 8 3 年就采用了碳平衡法计算油 耗，该标准于1 9 9 4 年进行了修正，但计算公式没有变化。 汽油车：f e = 6 4 9 ( 0 2 7 3 x c 魄+ 0 4 2 9 x c 0 + 0 8 6 6 x b c ) ( k i n l ) 柴油车：f e = 7 3 5 ( 0 2 7 3 x c o 。+ o 4 2 9 x c 0 + 0 8 6 6 x h c ) ( k m l ) 上述公式是假定汽、柴油在1 5 c 下的密度分别为s g = o 7 4 9k g l 、0 8 4 9 k g l ，且燃油中碳质量比c w f ，为0 8 6 6 、排气中的碳氢化合物的碳质量比率 c w f h 。，：0 8 6 6 的情形下的简化。 1 9 9 7 年日本标准协会修订了上述标准，充分考虑到汽、柴油组分变化的实 际情况，标准中假定燃油中氢碳原子比为r 。、氧碳原子比为r 一排气中的碳 氢化合物的氢碳原子比为r 。( 如果不能求出，可假定汽油车为1 8 5 、柴油车 为1 9 0 ) 。此时，油耗计算公式同( 3 ) 式，而且 c w f = 1 2 o l ( 1 0 0 8 x r 。+ 1 6 o o r 0 c f + 1 2 0 1 ) c w 艮。= 1 2 0 1 ( 1 _ 0 0 8 x r 。+ 1 2 0 1 ) 3 2 2 美国油耗公式及其演变 美国油耗法规早在1 9 7 8 年就采用了碳平衡法计算汽车油耗，法规中的计 算公式如下： 汽油车：f e = 2 4 2 1 ( o 2 7 3 ) c 0 2 + 0 4 2 9 ) c 0 + 0 8 6 6 x h c ) ( m i l e g a l l o n ) 柴油车：f e = 2 7 7 8 ( 0 2 7 3 c o 。+ o 4 2 9 x c 0 + 0 8 6 6 x h c ) ( m i l e g a l l o n ) 上述公式是假定汽、柴油在1 5 c 下的密度分别为s g = o 7 3 9k g l 、0 8 4 8 k g l ，且燃油中碳质量比c w f ，为0 8 6 6 、排气中的碳氢化合物的碳质量比率 c w f m 。= o 8 6 6 的情形下的简化，其中c 0 2 、c o 、h c 排放量使用英制单位 g m i l e 、油耗单位是m i l e g a l l o n ( = 0 4 2 5k m l ) 。 1 9 8 8 年美国对上述油耗法规进行了修正，柴油车的油耗公式保持不变，而 汽油车的碳平衡法公式修正为： f e = ( 5 1 7 4 x 1 0 x c w f ，x s 6 ( ( 0 2 7 3 x c 仉+ 0 4 2 9 x c o + c w f 。，h c ) ( o 6 x s 6 x n h v + 5 4 7 1 ) ) ( m i l e g a l l o n ) 式中：n h v = 试验燃料的净热值，b t u i b s ，根据b o s c h 汽车工程手册，普通 汽油典型值大约为4 2 7 m j k g ( = 1 8 3 6 0b t u l b s ) 。 1 6 墨竖翌三查兰堕主兰垡笙苎 3 2 3 欧盟油耗公式及其演变 欧盟制定的汽车油耗试验方法中，采用的碳平衡法计算油耗的公式为： 汽油车：f e = o 1 1 5 4 s g x ( o 2 7 3 x c 0 2 + o 4 2 9 x c o + o 8 6 6 x h c ) ( l l o o k m ) 柴油车：f e = o 11 5 5 s g x ( o 2 7 3 x c o z + o 4 2 9 x c o + o 8 6 6 x h c ) ( l 1 0 0 k m ) 以上公式假定汽、柴油的氢碳比分别为1 8 5 、1 8 6 ，即汽、柴油中碳质量 比c w f , 分别为0 8 6 6 4 、0 8 6 5 8 ，而且排气中的碳氢化合物的碳质量比率 c w f 。= 0 8 6 6 的情形下的简化。 3 ，2 4 各国油耗计算方法的比较 利用某国产经济型轿车在实验室进行各种测量和计算。测得试验汽油在1 5 下的密度为s g = o 7 5 0k g l ，按照欧盟测试循环进行试验。采用上述3 种碳 平衡法计算公式结果如下表： 国别汽车油耗备注 m p g k m ll l o o k m 日本1 3 5 1汽油在15 c 下密度为0 7 4 9k g l 、氢 碳比为1 8 5 美国 3 1 3 l1 3 4 5 n h v 为典型值，氢碳比为1 8 5 ，实测 汽油密度 欧盟1 3 5 37 3 9汽油中和排气中的碳氢化合物的氢碳 比均为1 8 5 油耗仪直接测量1 3 7 1 从上表可见，三个公式计算出的油耗值与实测的油耗值之间的误差均在2 之内，都是测试标准认可的测试精度。 下面以公式( 3 ) 和上述油耗值为例，分析公式中与燃油相关的参数对油 耗计算值的影响。假定汽油密度s g 、汽油中的氢碳比、排气中碳氢化合物的氢 碳比在典型值的基础上各变化1 0 。其对最终结果的影响见下表： i项目典型值 波动幅度油耗变化值 密度s g0 7 4 9+ 1 0 + 1 0 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 一1 0 一l o 汽油中氢碳比 1 8 5+ 1 0 - 1 3 一l o + 1 4 排气中碳氢化合 1 8 5十1 0 o 0 物的氢碳比 1 0 0 0 9 6 造成上述结果的主要原因是密度与油耗成正比；汽油中氢碳比的变化先反 映在汽油中碳质量比c w f f 的变化上，从上表结果可以看出汽油中氢碳比变化幅 度在1 0 以内( 即在1 6 6 “2 0 4 之间时) ，对油耗的影响在试验误差范围( 2 ) 内，可以不予考虑；而现代汽油车都装备了各种催化器，h c 排放量不到 c o 。的千分之一，所以排气中的碳氢化合物的氢碳比变化对油耗几乎没有影响， 甚至可以忽略排气中的h c 项。 因此，考虑了汽油密度的欧盟油耗计算公式比美国、日本油耗计算公式更 合理；欧盟油耗计算公式由于考虑了最主要的影响因素、测量精度足够准确而 更简洁和实用，我国参照采用欧盟汽车油耗试验方法是合理的。 3 3 实验室内碳平衡法测量油耗及其影响因素： 3 3 1 底盘测功机的负荷设定的影响 3 3 1 1 试验负荷设定方法 目前，我国实旌的排放标准是g b l 8 3 5 2 1 - 2 0 0 1 ，1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 ，在底盘测 功机设定方面有两种方法，即载荷曲线固定的底盘测功机设定( 本文简称单点 负荷设定) 及通过车辆行驶阻力一道路测量方法得出车辆行驶阻力曲线在底盘 测功机上模拟豹负荷设定方法( 本文简称多点负荷设定) 。 其中载荷曲线固定的底盘测功机设定即俗称单点负荷设定，是指采用标准 推荐的替代方法，在8 0 k m h 等速时调整测功机，按照标准推荐的吸收功率模 拟作用在驱动轮上的负荷即阻力值。其测功机阻力曲线通常采用f - - ( a + b v 2 ) 进行设定，其中a ，b 见标准推荐值。 多点负荷设定是指车辆在道路上采用滑行能量变化法或等速扭矩测量法， 得出车辆行驶速度一时间曲线或速度一扭矩曲线，通过最小二乘法拟合出车 茎望堡三查堂堡圭堂堡笙兰 蘧= 阻力曲线图，然后在底盘测功机上设定底盘测功机功率以模拟车辆行驶负 荷，