Vol. 50 No. 1Feb. 2021
2021 年 2 月 SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE •综述•
杨彬彬贾寿珂巩惊妤刘蕾蕾
(山东理工大学交通与车辆工程学院山东淄博255000)
摘 要：燃油经济性是评价内燃机性能的主要指标之一，准确、迅速地获得燃油消耗率数据对内燃 机技术发展具有重要意义。对当前主流的燃油消耗率检测方法进行了综述，包括以质量法和体积法 为代表的直接测量法，以碳平衡法、改进碳平衡法和摩尔数平衡法为代表的间接测量法，以及以科里 奥利法、超声波法、电控喷射法和空燃比法为代表的智能检测法等三类检测方法，并分对其优势、 不足及适用范围进行了分析。
关键词：燃油消耗率直接测量法间接测量法智能测量法
中图分类号:U467.4&98
文献标识码：A
文章编号:2095-8234(2021)01-0085-06
Review of Fuel Consumption Measurement Methods for
Internal Combustion Engines
YANG Binbin; JIA Shouke; GONG Jingyu; LIU Leilei
School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology
(Zibo, Shandong, 255000, China)
Abstract : Fuel economy is one of the main indexes for evaluating the performance of internal combustion
engines. Accurate and rapid acquisition of fuel consumption rate is of great significance for the develop ment of internal combustion engine technology. In this paper, the current mainstre
am of fuel consumption
rate measurement methods is reviewed, including direct measurement methods represented by mass
method and volume method, indirect measurement methods represented by carbon balance method, im
proved carbon balance method and molar balance method, as well as intelligent measurement methods represented by Coriolis method, ultrasonic method, electrospray method and air-fuel ratio method, whose
advantages, disadvantages and scopes of application are analyzed, respectively.
Keywords : Fuel consumption rate; Direct measurement method; Indirect measurement method; Intelligent measurement method
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
与
, 效率
方
现重大突破[1-2]o
美国康斯 冈 [4] 现
内燃机效效率 50%, H
大学 院 ，内燃机效率
破
60%讥 ，高 燃 燃[6-
8X 为
的 燃方式的用，内燃机主要
90% ，基 现
的 [9]o
,
自动 的
, 的 内，内燃机 动式动力
装置
。
然，能
重，国 制
定了严格的
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51806127)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2016EEQ09) 作者简介：杨彬彬(1984-)，男，讲师，主要研究方向为内燃机高效清洁燃烧。
86小型内燃机与车辆技术第50卷
目前就轻型汽车而言，我国已开始执行第四阶段油耗标准（GB19578-2014），从整车装备质量1090~ 2000kg规定的平均燃料消耗目标值来看，由第三阶段的9.03L/100km降低至第四阶段的6.19L/100km，加严幅度高达31.45%[10-11]o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提内燃机能量，油重要意义。 国外对于内燃机油耗检测技术的研始于20世纪207128，国、的达国地达燃料的目的，研
油耗检，制定了相的标准7138。国内相关研，70相关
汽车油耗准，90我国国规制定量车油耗标准的GB/T12545.1-2001）7148。
内燃机技术的，的油耗检技术已于内燃机及严的行规，就要对内燃机油耗检技术行相的
与。因此，对前的油耗检行，重检的、及
1直接测量法
量在油相应仪器得内燃机油耗。量要包括质量715-168、体积7178和压差，其，质量体积常。质量，即量燃料的质量量以获得内燃机油耗数据或得一定程内消耗的燃料质量，
而得其油耗；体积，则在内燃机油体积量计，得一定程或时间内的燃料消耗量来获得油耗数据。
由于量可直接获得内燃机油耗数据，存在其他换式，因而高的精度。该方存在一些可避免的问题：先，无论质量或体积都需要对油行装，相量仪器，拆装油路过程繁琐且易对内燃机造成不可逆的损害；其，一般情况下量的检周期长，仅于一定程或时间内的油耗检；，由于受外界条件影响大，这两常仅于稳态工况下的油耗量。
2间接测量法
为解决直接测量法带来的拆解油路问题，以及利缸内喷系统或高压共轨系统实汽油等低O 程燃料的高压喷射时，由于温度高，燃料易在管挥形成气泡，量程产生大波动误差的问题，研者们提岀元
的间量7188。
2.1碳平衡法
平的提岀可20世70年719-208，国的达国先开始此
技术的研。90，我国开始相关研。该于质量定，即燃料燃气
组分元总质量与所消耗燃料元质量保持一致的计算油耗721-旳。统燃料的要成分、氢、3元，燃生成CO0、一co）、碳氢HC）、氢气（出）、H2O等质。量气CO2、CO及HC等组分的质量，可算岀时间内 消耗元的质量，燃料元的质量
即可得内燃机的油耗727-28]o相于量法，
于平的油耗系统成本低，占地积
小，的㈣。，该
的实需要排放数据持，其精度决于物测量的精度。
2.2改进的不解体油耗检测方法
统平仅气气或油气气的情况。来，达高燃的目的，、低温燃的型燃
式得78,29-31]。气EGR实低温燃的要技术手段，由于气的CO2、CO燃HC，油耗算型时需分EGR的影响。时，低温燃在些工况下生成大量7328，且总质量50%的来于燃料，的影响，也会使模型
算误差大733]。
2.2.1改进碳平衡法
平的计算程1所。先，对一燃料或燃料的数行算，得燃料
元的质量分数定燃料分子式；其次，利气量计气分仪分得气或油气气的体积量气气体组分的体积分数，EGR可得气的总质的量，
而得气元的质量量；，分
气成分燃型，计算岀气气体组分所元的质量量，气元的质量量燃料的元质量得气体组分
第1期杨彬彬等：内燃机燃油消耗率检测方法综述87
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。
计算燃料参，燃料
分子式
测得进气或油气混合气的流 量，排气中各含碳气体组分的体
分和碳烟烟度！
r
得到进气中碳元素的质量流量1
建&燃料燃烧模型
1
、
\得到碳烟对应的油耗1
得到排气中碳元素的质量流量1得到含碳气体组分对应的油耗1
1
得到内燃机油耗
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 ， 平衡法的
内燃机进排气的
相［34］，计算
2所示。首先，样需对燃料参进计算以 燃
料 分 ，并对进气参进计算，结合EGR
得 的进气 量 后， 用排气分 测
得排气 的CO %、CO 和HC 的体 分， 内燃机
的燃 应机 成 含H %0和-%的计
侧安全气囊算 ，并通过应后 和C0%的质
， 从而可对含碳气体组分对应的
油耗进 。夕卜，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。 ，
平衡法具有与改进碳平衡法
的优点。
3智能测量法
技术的 和
的大
量 用1351，内燃机油耗 测技术
聚光体， 法、 法、
法和 燃比
法㈣一 油耗测方法应而叭
图2摩尔数平衡法计算流程框图
3.1科里奥利法
在过 20 ， Coriolis ）法已成量测的 技术 一附叫 量计主
量传
和 量
个组，
3所示，量传 测量以
测量、 统、传 和撑结构
组成。通过 统测量
，经测量
的工质会在内产
效应力，于测量
进、出两侧所受的
效应力 相，测量
会产一扭曲，造成工质经左右 传
时存在相位时间差。公 1）所示，内工质的质 量量与相位时间差存在正比 ，时间差号经
量 算处即可得到内工质的质量量。 法具有较高的测量精度并可实现瞬时
油耗测量，但于 造价高，体大，对传 固
安装
较高且对温度变较敏，目前主要
适用于实验室
机台架的油耗测量。
!m — K X （如 $ #o ） （ 1 ）
内工质的质量流量;K 为与流量测量灵
敏度相的量校准 如 量测量号之
间的相位时间差;#=
内量零时的校准时间延
钻孔电视迟。在想条 ，K 和#=均常。
3.2超声波法
性好，穿透力强，量高，遇
到界面时够产 、折和 且对人体
无害优点，常被用于测领域跑。
法用超
脉冲在体介质顺速度和逆速度
体
速变而变的原，通过计算燃油速可获得 内燃机油耗'418421。根据测量原
，
超声波法分为
88
小型内燃机与车辆技术
第50卷
图3科里奥利流量计结构图
时差法、频差法、相差法和多普勒法等阳期。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。
时差法的原理如图4所示跑，在被测管道上安装
两个超声波发射换能器E i 和*,，以及两个超声波接
半自动糊箱机收换能器R +和R 2,E i R i 以及E 2R 2与管道的夹角为
!，管径为！，流体由左向右流动，流速为"o 检测时,
发射器E +, E ，交替发射超声波信号，设沿顺流和逆流
方向传 所 的时 为#+和$2，则油路中超声
波顺、流传播的时差为：
2%cot !c 2_"2c0s 2!
（2）
乂因为光速c 〉〉"，上式可简化为:
2!cot !
!$ 二 $2 — $+ 二
（3）
测得$1, $2后代入（3）式可求得燃油流速"，进而
方法 测 方 的 , 其测 精
度 燃油、燃油度、油管 及超声波安装 等 的 叭3.3电控喷射法
射 的发和应用，
发现 油机的油耗 射信号，且 较高的精度陷56（o 油机
如图5
所示，
传 器、开关的输入 理及燃油喷射理两个,
射法所的
叫
油机而，油
时，油
于
时o
ECU
的
以控制针阀的
时，而可
油的的。 射法 于原
理， 测燃油射的 信号宽度以及油压 ，而 得
燃机油耗。
，在油器
和油
，油量与
时
o
其 为
G f 二x g+f 二（p f -pj $ （4）
为油器的流 ）为孔的截面积;
g 为重 加速度;+f 为燃料密度；为 油 p ＜为
气 $为油持续期。求得个油器的油 量后，
部油器的油求和即得 油机
油耗。
图5汽油机控制程序流程图
方法实现检测设备的微型化、
化及智
能化， 车蓄池 及油嘴的气阻等均会
影响测精度。
3.4空燃比法妙%3】
空燃34（
燃机的重要软之一，其计算公式为：
入二4/0 （5）
, 利用已知的缸 空燃比和进气流
求得 时 消耗的燃料
速冻生胚包子。空燃 法的
流 如图6所示#12,54（。首先，将 气歧管 的气体看 作理想气体，用速度-密度法 理想气体的
流，而求得气 流 4。然后，利用排气分
析仪测得缸的 空气
而 求得实际空燃 入。最后，联立方
燃机油耗。
空燃 法无 大宗复杂的仪器设备，只 装接
相应的 器及传 器即 ， 而与 射法 样，
简，于安装和经济性好等特，
符
第1期杨彬彬等：内燃机燃油消耗率检测方法综述89合汽车小型化、集成化的发展趋势，具有较好的应用前景。
T发动机转速#|~
T进气温度几~|~
T进气压力盒-
&I"----1气缸排量~|~
进气质量流量
T充气效率!卜
■I气体常数*—F—1—”——&!"
-燃油消耗率:F="职…!忌
|&或入0p1000 |入=%
过軽气系数札W实际空燃比％J
理论空燃比儿
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，但需数据的，其精度于测量精度碳平衡法和数平衡法虑了应用灵活燃料和EGR时燃料组、气成和碳的，于碳平衡法具有高的精度和广的使用。
3)法、法、法和燃比法等检测具有集成度高，应度等优点，但测量成本较高。
参考文献
1Jacqueline0,Meghan B,Daniel R,et al.Optimization of an advanced combustion strategy towards55%BTE for the Volvo supertruck program[C].SAE Paper2017-01-0723
2Wang B,Yao A,Chen C,et al.Strategy of improving fuel consumption and reducing emission at low load in a diesel methanol dual fuel engine[J].Fuel,2019,254.DOI:10.1016/ j.fuel.2019.115660
3Mohr D,Shipp T,Lu X.The thermodynamic design,analysis and test of cummins'supertruck250%brake thermal efficiency engine system[C].SAE Paper2019-01-0247
4Sellnau M,Foster M,Moore W,et al.Pathway to50%brake thermal efficiency using gasoline direct injection compression ignition[C].SAE Paper2019-01-1154
5,,，等.车用内燃机技术发展趋势[J].
中国工程科学,2018,20(1):97-103
6发，.均质燃与低温燃烧的燃烧技术研究进展与展望[J].汽车工程学报,2012,2(2):79-907发.质燃、低燃燃燃[J].
内燃机,2012(2):1-4
8Krishnamoorthi M,Malayalamurthi R,He Z,et al.A review on low temperature combustion engines:Performance,combustion and emission characteristics[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2019,116:109404
9中化.GB19578-2014乘用车燃料耗量[S].：中，2014
10,,，等.用车油耗法规各阶段实施情[J].汽车实用，2016(9):247-250
11Jin Y,Wang Z,Gong H,et al.Review and evaluation of China's standards and regulations on the fuel consumption of motor vehicles[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change,2015,20(5):735-753滚筒造粒机
12郭彬.于空燃的汽车燃油消耗快速检测方法[J].武汉大学学报(工学版),2016,49(2):290-296
13雪东，宋月伟，冯双生.外汽车油耗法规分析[J].汽车工程师,2015(6):13-15
14国家质量监督检验检疫总局.GB/T12545.1-2001乘用车及商用车辆燃料耗量试验方法[S].北京：中国标,2001
15齐晓霞.质量流量计的原理及应用[J].仪器仪表用户, 2016,23(4):44-46+53
16白思春，褚全红，王孝，等.多燃料全密闭式重量法燃油消耗测量仪的[J].仪表技术,2009(1):1-3
17冯晓枫.提高容积式油耗仪校确度的方法[J].上海计量测试,2017,44(5):45-46+49
18孙丽玮，王生昌，晓东，等.基于碳平衡法的柴油车燃油耗计算模型[J].小型燃托车,2010,39(2):67-69 19冀树德，贾桢，伟，等.碳平衡法在柴油测试中的应用[J].小型燃托车,2011,40(3):63-66
20刘军，李衍德，晨，等.碳平衡法燃油耗量测试仪的开发[J].车用发动机,2007(1):30-34
21蔡团结.汽车燃油经济性不解体检测关键技术研究[D].西安：长安大学,2009
22付百，胡胜.基于碳平衡法的汽车油耗智能测试技术
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议