内燃机燃油消耗率检测方法综述*

（山东理工大学交通与车辆工程学院 山东 淄博 255000）

引言

内燃机作为交通运输、工程机械及农用机械等动力装置的主要原动机，经过一个多世纪的完善与发展，在热效率和排放水平方面已实现重大突破[1-2]。美国康明斯公司[3]和德尔福公司[4]均已实现在无余热回收条件下使内燃机有效热效率达到50%，而天津大学苏万华院士指出，内燃机热效率未来有望突破60%[5]。同时，随着以高比例预混合燃烧和低温燃烧[6-8]为特征的新型燃烧方式的应用，内燃机主要排放物水平降低了90%左右，基本可实现氮氧化物和颗粒物的零排放[9]。因此，尽管面临来自电动汽车的诸多挑战，在相当长的时期内，内燃机仍将在移动式动力装置中占有支配地位。

然而，由于能源问题日益严重，世界各国先后制定了严格的汽车燃油消耗率（以下简称油耗）法规。目前就轻型汽车而言，我国已开始执行第四阶段油耗标准（GB 19578-2014），从整车装备质量1 090～2 000 kg 规定的平均燃料消耗目标值来看，由第三阶段的9.03 L/100 km 降低至第四阶段的6.19 L/100 km，加严幅度高达31.45%[10-11]。因此，在保证正常运行前提下，准确、迅速地获得油耗数据，对内燃机制造厂商及相关研究机构改进提升内燃机能量转化效率，节约石油资源具有重要意义。

国外对于内燃机油耗检测技术的研究始于20世纪20 年代[12]，以美国、欧洲和日本为代表的发达国家和地区为达到减少化石燃料使用的目的，研发了多种油耗检测方法，并制定了相应的评价标准[13]。国内相关研究起步较晚，70 年代后期相关部门才首次颁布汽车油耗试验方法标准，直到90 年代末我国才参照联合国欧洲经济委员会法规制定了专门衡量乘用车油耗标准的试验方法（GB/T12545.1-2001）[14]。但随着内燃机技术的不断发展，原有的油耗检测技术已不再适用于现代内燃机及日益严苛的行业法规，这就要求对内燃机油耗检测技术进行相应的改进与创新。因此，本文对当前主流的油耗检测方法进行综述，重点介绍各种检测方法的原理、优缺点及适用范围。

1 直接测量法

直接测量法是通过在油路中串接相应仪器测得内燃机油耗。直接测量法主要包括质量法[15-16]、体积法[17]和压差法，其中，质量法和体积法较为常用。质量法，即通过测量燃料的质量流量以获得内燃机油耗数据或直接测得一定路程内消耗的燃料质量，进而求得其油耗；体积法，则是在内燃机原有油路中串接体积流量计，通过测得一定路程或时间内的燃料消耗量来获得油耗数据。

由于直接测量法可直接获得内燃机油耗数据，不存在其他转换方式，因而具有较高的精度。但该方法存在一些不可避免的问题：首先，无论质量法或体积法都需要对原有油路进行改装，串接相应测量仪器，拆装油路过程繁琐且易对内燃机造成不可逆的损害；其次，一般情况下直接测量法的检测周期较长，仅适用于一定路程或时间内的油耗检测；再次，由于受外界条件影响较大，这两种方法通常仅用于稳态工况下的油耗测量。

2 间接测量法

为解决直接测量法带来的拆解油路问题，以及利用缸内直喷系统或高压共轨系统实现汽油等低馏程燃料的高压喷射时，由于温度较高，燃料易在管路中挥发形成气泡，使直接测量过程中产生较大波动和误差的问题，研究者们提出了以元素守恒为基础的间接测量法[18]。

2.1 碳平衡法

碳平衡法的提出最早可追溯到20 世纪70 年代[19-20]，以美国为代表的西方发达国家最先开始此项技术的研发。直到90 年代，我国才开始相关研究。该方法是基于质量守恒定律，即燃料燃烧反应后排气中各含碳组分中碳元素总质量与所消耗燃料中碳元素质量保持一致的原理计算油耗[21-26]。传统化石燃料的主要成分是碳、氢、氧3 种元素，燃烧后生成二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氢气（H2）、水（H2O）和碳烟等物质。通过测量排气中CO2、CO 及HC 等含碳组分的质量，可计算出单位时间内消耗碳元素的质量，再结合燃料中碳元素的质量比即可得到内燃机的油耗[27-28]。相比于直接测量法，基于碳平衡法的油耗测试系统具有成本低，占地面积小，操作简便和适用性较广的特点[25]。但是，该方法的实施需要排放数据支持，其精度也取决于排放物测量的精度。

2.2 改进的不解体油耗检测方法

传统碳平衡法仅考虑了进气为新鲜空气或油气混合气的情况。近年来，为达到高效清洁燃烧的目的，以“预混合、低温燃烧”为基本特征的新型燃烧方式逐渐得到应用[8，29-31]。废气再循环（EGR）是实现低温燃烧的必要技术手段，由于废气中含有较多的CO2、CO 和未燃HC，建立油耗计算模型时需充分考虑EGR 的影响。同时，低温燃烧在某些工况下会生成大量碳烟[32]，且碳烟中约占总质量50%的碳粒来源于燃料，若不考虑碳烟排放的影响，也会使模型计算误差偏大[33]。

2.2.1 改进碳平衡法

改进碳平衡法的计算流程如图1 所示。首先，对单一燃料或混合燃料的参数进行计算，得到燃料中各元素的质量分数以确定燃料化学分子式；其次，利用进气流量计和排气分析仪分别测得新鲜进气或油气混合气的体积流量和排气中各含碳气体组分的体积分数，结合EGR 率可得到进气的总物质的量，进而得到进气中碳元素的质量流量；然后，通过分析排气成分建立燃烧反应模型，计算出排气中含碳气体组分所含碳元素的质量流量，结合进气中碳元素的质量流量和燃料的碳元素质量比得到含碳气体组分对应的油耗。另外，通过烟度计测得排气烟度，结合燃料和碳烟的碳元素质量比得到碳烟对应的油耗。最后，将含碳气体组分对应的油耗与碳烟对应的油耗相加即得到内燃机油耗。改进碳平衡法除继承传统碳平衡法的优点外，可在内燃机应用灵活燃料和EGR 技术时充分考虑燃料组分、废气成分和碳烟排放的影响，从而大幅提高了计算精度并进一步拓宽了间接测量法的适用范围。

图1 改进碳平衡法计算流程框图

2.2.2 摩尔数平衡法

与碳平衡法不同，摩尔数平衡法的理论基础是内燃机进排气的摩尔数基本相等[34]，其计算流程如图2 所示。首先，同样需对燃料参数进行计算以确定燃料化学分子式，并对进气参数进行计算，结合EGR率求得总的进气摩尔流量；然后，利用排气分析仪测得排气中的CO2、CO 和HC 的体积分数，根据内燃机的燃烧反应机理建立生成物中包含H2O 和H2的计算模型，并通过反应前后摩尔数守恒和CO2的物质守恒建立代数关系，从而可对含碳气体组分对应的油耗进行求解。此外，同样通过排气烟度结合燃料、碳烟的碳元素质量比得到碳烟对应的油耗，与含碳气体组分对应的油耗相加即得到内燃机油耗。因此，摩尔数平衡法具有与改进碳平衡法类似的优点。

3 智能测量法

随着电子信息技术的发展和智能仪器仪表的大量使用[35]，内燃机油耗检测技术也逐渐向智能化方向发展，科里奥利法、超声波法、电控喷射法和空燃比法[36]等一系列智能油耗检测方法应运而生[37]。

图2 摩尔数平衡法计算流程框图

3.1 科里奥利法

在过去20 年中，科里奥利（Coriolis）法已成为流量测定的重要技术手段之一[38-39]。科里奥利流量计主要有流量传感器（主设备）和流量转换器（副设备）两个组件，如图3 所示，流量传感器由振荡测量管（以下简称测量管）、驱动系统、运动传感器和支撑结构等组成。通过驱动系统使测量管发生振动，流经测量管的工质会在管内产生科里奥利效应力，由于测量管进、出两侧所受的科里奥利效应力方向相反，测量管会产生一定扭曲，造成工质流经左右运动传感器时存在相位时间差。如公式（1）所示，管内工质的质量流量与相位时间差存在正比关系，时间差信号经流量转换器运算处理即可得到管内工质的质量流量。科里奥利法具有较高的测量精度并可实现瞬时油耗测量，但由于设备造价高，体积大，对传感器固定安装要求较高且对温度变化较为敏感，目前主要适用于实验室发动机台架的油耗测量。

式中：qm为管内工质的质量流量；K 为与流量测量灵敏度相关的流量校准因子；td为两个流量测量信号之间的相位时间差；t0为管内流量为零时的校准时间延迟。在理想条件下，K 和t0均为常数。

3.2 超声波法

超声波具有方向性好，穿透能力强，能量高，遇到界面时能够产生反射、折射和波型转换且对人体无害等优点，常被用于检测领域[40]。超声波法利用超声波脉冲在流体介质中顺流速度和逆流速度随流体流速变化而变化的原理，通过计算燃油流速可获得内燃机油耗[41-42]。根据测量原理不同，超声波法分为时差法、频差法、相差法和多普勒法等[43-45]。由于较其他方法精度较高且更易实现，时差法常应用于内燃机油耗检测。

图3 科里奥利流量计结构图

时差法的原理如图4 所示[46]，在被测管道上安装两个超声波发射换能器E1和E2，以及两个超声波接收换能器R1和R2，E1R1以及E2R2与管道的夹角为θ，管径为D，流体由左向右流动，流速为u。检测时，发射器E1，E2交替发射超声波信号，设沿顺流和逆流方向传播所需的时间分别为t1和t2，则油路中超声波顺、逆流传播的时差为：

又因为光速c>>u，上式可简化为：

测得t1，t2后代入（3）式可求得燃油流速u，进而计算出内燃机油耗。

图4 超声波测量法原理图

该方法具有测量方便快捷的优点，但其测量精度受到燃油质量、燃油温度、油管壁厚及超声波探头安装位置等因素的制约[47]。

3.3 电控喷射法

随着电控喷射系统的发展和应用，研究者们发现电控汽油机的油耗可通过电控喷射信号进行计算，且具有较高的精度[48-50]。汽油机控制程序如图5所示，通过对各传感器、开关的输入处理及燃油喷射处理两个步骤，可采集电控喷射法所需的计算数据[51]。对电控汽油机而言，喷油压力一定时，喷油量完全取决于针阀开启时长。通过电子控制单元（ECU）控制电磁线圈的通断电以控制针阀的开闭时刻，进而可达到控制喷油量的目的。电控喷射法就是基于该原理，通过测量燃油喷射的脉冲信号宽度以及喷油压力，从而计算得到内燃机油耗。因此，在喷油器结构和喷油压力确定情况下，喷油量与针阀开启时间成正比。其计算公式为：

式中：μn为喷油器的流量系数；Fn为喷孔的截面积；g为重力加速度；df为燃料密度；pf为喷油压力；pb为进气压力；t 为喷油持续期。求得单个喷油器的喷油量后，对全部喷油器的喷油量求和即可得到汽油机油耗。

图5 汽油机控制程序流程图

该方法可实现检测设备的微型化、集成化及智能化，但汽车蓄电池电压及喷油嘴处的气阻等均会影响测量精度。

3.4 空燃比法[52-53]

空燃比[34]是内燃机的重要参数之一，其计算公式为：

因此，可利用已知的缸内空燃比和进气流量数据求得单位时间消耗的燃料质量。空燃比法的计算流程如图6 所示[12，54]。首先，将进气歧管中的气体看作理想气体，采用速度-密度法计算理想气体的质量流量，进而求得进气质量流量A。然后，利用排气分析仪测得缸内的过量空气系数φat，从而进一步求得实际空燃比λ。最后，联立方程计算出内燃机油耗。

空燃比法无需大宗复杂的仪器设备，只需装接相应的控制器及传感器即可，因而与电控喷射法一样，具有结构简单，便于安装和经济性好等特点，符合汽车小型化、集成化的发展趋势，具有较好的应用前景。

图6 空燃比法计算流程图

4 结论

1）质量法、体积法等直接测量法可直接测得油耗数据，其测量精度高，仪器简单安装方便，但存在需拆解油路且通常不适用于瞬时油耗检测等问题。

2）间接测量法中，碳平衡法具有不拆解油路，成本低，占地面积小，操作简便和适用性较广等优点，但需要排放数据的支持，其精度取决于排放物测量精度；改进碳平衡法和摩尔数平衡法充分考虑了应用灵活燃料和EGR 时燃料组分、废气成分和碳烟排放的影响，相比于碳平衡法具有更高的精度和更广的使用范围。

3）科里奥利法、超声波法、电控喷射法和空燃比法等智能检测技术具有集成度高，响应速度快等优点，但测量成本普遍较高。