汽车燃油经济性试验有道路试验和台架试验两种基本方法。常用的试验设备包括底盘测功机、全流排放分析仪、油耗仪、功率分析仪 (电动汽车) 等。

一、全流排放分析仪全流稀释汽车尾气分析仪作为法规级排放测量设备, 其测量精度高, 测量结果准确。在利用底盘测功机进行车辆燃油消耗量试验中, GB / T 19233—2020 和 GB / T 27840—2021 等国家标准推荐使用碳平衡法测量得到各种工况下车辆的实际燃油消耗量。基于碳平衡法的油耗测量方法, 原理是碳元素守恒, 通过计算汽车尾气中碳元素的质量, 根据燃油中碳元素所占的比例, 反向推导出汽车的燃料消耗, 因此需要对各种瞬态工况下车辆尾气中的 HC、 NOx、CO、 CO2 等气态污染物进行准确有效的测量分析。详细计算方法见式 (3. 1)( 汽油燃料)和式 (3. 2) (柴油燃料)。

测量时通过采样管将排气管中的样车尾气引入定容取样系统 (CVS) 中, 通过空气滤清器过滤干燥后与环境空气进行混合稀释,利用临界文丘里管对排气流量进行测量,最后利用风机将稀释通道内的尾气抽出。

图 3. 1 和图 3. 2 分别为定容取样系统和气体分析仪。

图 3. 1定容取样系统

图 3. 2 气体分析仪全流稀释定容取样系统将空气与尾气充分混合均匀, 然后进行取样, 其较部分流取样系统测试更加准确。

系统组成部分主要包括: 稀释空气处理装置、稀释通道、抽气装置、气体取样系统、颗粒物取样系统。取样系统的原理如图3. 3 所示, 详细的技术指标必须满足 GB18352. 6—2016 中的要求。

图 3. 3 临界流量文丘里管全流稀释系统

总体上要满足以下基本要求:1) 车辆的排气应用足够量的环境空气进行稀释, 以防止在试验过程中的任何情况下取样和测量系统中出现水冷凝。2) 在取样探头处, 排气和空气的混合气应均匀。取样探头应能抽取稀释排气中有代表性的样气。

3) 此系统应能测量待试车辆的稀释排气的总容积。4) 取样系统不得漏气。变稀释度取样系统的结构及其制造材料应不影响稀释排气中污染物的浓度。5) 如果系统中的任何部件 (热交换器、旋风分离器、鼓风机等) 可能改变稀释排气中的任何一种污染物的浓度, 而对此缺陷又不能进行修正, 那么该污染物的取样应在该部件之前。6) 所有与经过稀释及未经稀释的排气接触的稀释系统的部件, 其设计应保证能将颗粒物的沉积或改变降到最低。所有部件应由导电材料制成并确保不与废气发生反应。另外, 系统应接地以防止静电效应。7) 若被试验汽车装有由几个支管组成的排气管, 则应将各个支管在尽可能靠近汽车、但又不影响汽车的运行处连接起来。8) 变稀释度取样系统在结构上应能使排气取样时, 排气管出口处的背压没有明显改变。9) 车辆和稀释系统间的连接管的设计应保证能将热损失降到最低。排气污染物测量是根据整个试验期间测得的按比例取样的样气的浓度和稀释后总容积相乘得到的, 且样气的浓度还需要根据环境空气中污染物含量进行修正。根据以上测试原理,影响全流排放测试精度的主要有两个因素, 一个是稀释排气流量测试精度, 一般要求误差≤2%; 另外一个是气体浓度分析精度, 一般要求误差≤1%。

二、油耗仪 / 气耗仪在车辆燃料消耗量试验中, 有部分试验需要在实际道路上进行, 例如等速百公里油耗、交通运输部油耗、用户实际使用状态下 ( 用户道路试验) 油耗或者气耗等。此类试验开展过程中, 车辆的瞬时油耗必须使用车载油耗仪进行测试。按照原理的不同, 常用容积式油耗仪和质量式油耗仪, 加注汽油、柴油的汽车采用容积式油耗仪, 加注天然气的汽车采用质量式油耗仪。

容积式油耗仪通过测量发动机运转时累计消耗的燃料总容量, 将汽车行驶时间和行驶里程换算为汽车的燃油消耗量。

图 3. 4 是行星活塞式油耗仪的工作原理。该装置由十字形配置的 4 个活塞和旋转曲轴构成, 用于将一定容积的燃油流量转变为曲轴的旋转。在泵油压力作用下, 燃油推动活塞往复运动, 4 个活塞各往复运动 1 次则曲轴旋转 1 周, 完成一个进排油循环。活塞在油缸中处于进油行程或是排油行程, 取决于活塞相对于进排油口的位置。图 3. 4a 表示活塞 1 处于进油行程, 来自曲轴箱的燃油由 P 3 推动其下行, 并使曲轴做顺时针旋转; 此时, 活塞 2 处于排油行程终了, 活塞 3 处于排油行程中, 燃油从活塞 3 上部经 P 1 从排油口 E1 排出, 活塞 4 处于进油终了。当活塞和曲轴位置如图 3. 4b 所示时, 活塞 1 处于进油行程终了, 活塞 2 处于进油行程, 通道 P 4 导通, 活塞 3 处于排油行程终了, 活塞 4 处于排油行程, 燃油从通道 P 2经排油口 E2 排出。图 3. 4c 和图 3. 4d 的进排油状态及曲轴旋转方向如图中箭头所示。如此循环往复, 曲轴每旋转一圈, 各缸分别泵油 1 次, 从而具有连续定容量泵油的作用。曲轴旋转 1 周的泵油量见式 (3. 3)。

图 3. 4 行星活塞式油耗仪工作原理图1—活塞 1 2—活塞 2 3—连杆 4—活塞 3 5—活塞 4 6—曲轴P 1 、 P 2 、 P 3 、 P 4 —油道 E1 、 E2 、 E3 、 E4 —油道口

式中 V———四缸排油量, 单位为 cm3;h———曲轴偏心距, 单位为 cm;d———活塞直径, 单位为 cm。

由此可见, 经上述流量变换机构的转换后, 测燃油消耗量转化为测定流量变换机构曲轴的旋转圈数, 一般采用光电测量装置进行信号转换,把曲轴旋转圈数转换为电脉冲信号。

信号转换装置由主动磁铁、从动磁铁、转轴、光栅、发光二极管和光电二极管等组成。主动磁铁装在曲轴端部, 从动磁铁装在转轴端部, 两磁铁相对安装, 但磁铁之间留有间隙,其作用在于构成磁性联轴器; 光栅固定在转轴上, 由转轴带动旋转; 光栅两侧相对位置上固定有发光二极管和光电二极管, 光电二极管用于接收发光二极管发出的光线, 光栅位于二者之间, 其作用是把发光二极管发出的连续光线转变为光脉冲。当曲轴转动时, 通过磁性联轴器带动转轴及光栅旋转, 光栅在发光二极管和光电二极管之间旋转, 使光电二极管接收到光脉冲, 由光电二极管的光电作用将光脉冲转换为电脉冲信号输入计量显示装置。显然, 该电脉冲数与曲轴转过的圈数成正比, 从而经过运算处理, 在显示装置上显示出燃油的消耗量。

质量式油耗仪由称量装置、计数装置和控制装置构成, 如图 3. 6 所示。

图 3. 6 质量式油耗仪1—油杯 2—出油管 3—电磁阀 4—加油管5、 10—光电二极管 6、 7—限位开关 8—限位器9—光源 11—鼓轮机构 12—鼓轮 13—计数器

质量式油耗仪通过测量消耗一定质量的燃油所用的时间来计算油耗, 燃油消耗量可按式 (3. 4) 计算。

式中ω———燃油或者燃气质量, 单位为 g;t———测量时间, 单位为 s;G———燃油消耗量, 单位为 kg / h。

称量装置的秤盘上装有油杯 1, 燃油经电磁阀 3 注入油杯。电磁阀的开闭由装在平衡块上的行程限位器 8 拨动两个微型限位开关 6 和 7 进行控制。光电传感器由两个光电二极管 5、 10 和装在菱形指针上的光源 9 组成, 用于给出油耗始点和终点信号。光电二极管 5 为固定式, 光电二极管 10 装在活动滑块上, 滑块通过齿轮齿条机构移动, 齿轮轴与鼓轮 12 相连, 计量的燃油量通过转动鼓轮 12 从刻度盘上读出。计量开始时, 光源 9 的光束射在光电二极管5 上, 光电二极管发出信号使计数器 13 开始计数, 随着油杯中燃油的消耗, 指针移动。当光束射到光电二极管 10 上时, 光电二极管发出信号, 使计数器停止计数。

在汽车经济性测试中油耗仪需要达到表3. 2 规定的要求。

表 3. 2 燃油车经济性测试对油耗仪的要求

三、功率分析仪

功率分析仪是集电压测试、电流测试、功率测试、功率因素测试于一体的多功能测试仪器; 是一种利用数字采样技术对信号进行分析处理的智能型测试设备。目前, 功率分析仪被广泛用于混合动力电动汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车等能量流的测试和分析中, 其基本原理如图 3. 7 所示。

图 3. 7 功率分析仪基本原理框图

仪器由模拟部分和数字部分组成。模拟部分主要由传感器、程控放大器、采样保持器和模 / 数 (A / D) 转换等电路组成。数字部分则包含单片微机、数据存储器和键盘显示部分。

被测电压信号 Ui 经过电压传感器后, 信号衰减为弱电压信号, 根据信号的大小, 由单片微机控制, 进行程控放大, 经采样保持后, 由模 / 数转换器将电压信号转换成数字信号,并把该数字信号传输给单片微机, 计算出电压有效值 ( Urms ), 并输送到显示器上显示出来。同样, 被测电流信号 Ii 经电流传感器和电流 / 电压 ( I / V) 转换, 信号转换为弱电压信号, 经过程控放大、采样保持、 A / D 转换, 传输到单片微机计算出电流有效值 ( Irms) 并显示。电压有效值 (Urms)、电流有效值 (Irms)、有功功率 (P)、功率因数 (Pf) 按如下公式计算

汽车能量消耗量测试中功率分析仪需要达到表 3. 3 规定的要求。

表 3. 3 电动汽车经济性测试对功率分析仪的要求

图 3. 8 是日本横河电机公司生产的WT5000 型功率分析仪。

图 3. 8 日本横河 WT5000 型高精度功率分析仪

本文节选自《汽车道路试验及数据分析》