用空燃比法检测汽油发动机油耗的试验研究
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GPS 系统
进气温度传感器 单
控制采样信号 废
转速传感器
片
RS232 笔记本 RS232
机
串口 电脑 串口
气 分 析
进气压力传感器
仪 过量空气系数
尾气成分体积比
1. 油耗仪 2. 转速传感器 3. 压力传感器 4. 温度传感器 5. 汽车发动机 6. 底盘测功机 7. 试验车辆 8.GPS 系统 9. 笔记本电脑 10 废气分析仪
1 试验系统的工作原理
本汽车发动机油耗测量装置，由进气歧管压力 传感器、进气歧管温度传感器、五气体废气分析 仪、发动机转速传感器、GPS 接收机和单板机以及 带有二合一 RS232 串口卡的笔记本电脑组成。试验 数据是在底盘测功机上取得的。
（1）利用进气歧管压力传感器、进气歧管温 度传感器测取进气压力和进气温度；
2 空燃比法油耗模型研究
通过测量进气歧管压力和进气温度计算汽油发
动机的进气量是求取发动机进气量的方法之一 。 ［3］
由理想气体定律知
=
（1）
式中： 为绝对压力； 为气体容积； 为气体质量；
为空气气体常数； 为绝对温度。
进入发动机气体流量可用速度一密度方程描
述：
第3期
Hale Waihona Puke Baidu
祖力，等：用空燃比法检测汽油发动机油耗的试验研究
由发动机传感器传输的进气温度、进气压力以
输出
图 2 控制及数据采集系统的工作原理框图 Fig.2 Control and data acquisition system
work principle block diagram
试验是在底盘测功机上进行的，用底盘测功机 模拟道路运行工况，试验重复性好。为了验证空燃 比油耗模型的准确性，便于模型修正，在试验中， 同时用流量计式油耗仪测量试验车的油耗，作为用 空燃比法油耗模型计算油耗的比对标准。在道路行 驶时利用 GPS 接收机接收卫星的速度信号，从而计 算出发动机的百公里油耗。
第31卷第3期 2008年9月
长春理工大学学报（自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）
Vol.31 No.3 Sep. 2008
用空燃比法检测汽油发动机油耗的试验研究
图 1 试验系统组成示意图
Fig.1 Sketch of test system
进气歧管压力传感器和进气歧管温度传感器安 装在发动机的进气歧管上，二者的输出端与单板机 的输入端相连，单板机的信号输出端和笔记本电脑 的 RS232 串口卡相连。发动机转速传感器卡装在发 动机的第一缸点火高压线上，通过测取发动机高压 线上的点火脉冲数来计算得到发动机的转速。五气 体废气分析仪的取样探头插装在排气管内，而废气 分析仪的输出端与笔记本电脑 RS232 串口卡相连 接。笔记本电脑和五气体废气分析仪之间是双向通 讯的，笔记本电脑向废气分析仪发出控制信号并要 求废气分析仪把检测到的尾气排放的相关参数传输 到笔记本电脑内。
=
1 2
·
·· · 0·
· · cin ·160000
（6）
式中：为汽油的密度（0.735g/ml）。
将已知的参数带入到式（6），即为：
= 91.6080908· · · · cin （7） 由此公式（7）计算得到发动机单位时间内消
耗的燃料量。
3 试验结果、误差分析及模型修正
3.1 实验结果
试验分别在空载和满载两种情况下进行。将计 算油耗与实际油耗之比，记为 ，则 = 计/ 实，式 中： 计为计算油耗； 实为实际测量油耗。
目前，测量汽车油耗的方法，可归纳为两大 类：
第一类是直接测量法，即，拆开汽车发动机油 路，接入流量测量设备，直接测得燃料消耗量。具 体可分为两种：
容积法：单位时间内消耗燃油体积； 重量法：单位时间内消耗燃油重量。 这两种方法的共同特点是： （1）测量精度较高；（2）操作复杂、费时； （3）破坏车辆原有油路结构。 第二类是间接测量法，不拆解发动机油路，利
量油耗具有较好的线性关系。
3.2 误差分析
利用 SPSS 统计软件对试验数据进行回归分 析。
（1） 空载的情况下 求得试验数据的一元回归模型为
= 1.0655× 计 0.3743 （8） 相关系数 (43) =0.9794 取显著水平 = 0.01，查相关系数临界值表，
0.01(40)=0.393 > 0.01(43) > 0.01(45) =0.372 (43) =0.9794>> 0.01(43)
另外，由于发动机曲轴每转动两周，所有气缸 完成一次循环，要得到发动机单位时间内的进气质 量，需将公式（2）进行转换：
= ×2 ×
（3）
式中： 为发动机转速（r/min）； 为空气平均分子量
（近似取值 29）； 为发动机每分钟的进气质量（g/
min）。由此，可计算得到发动机每分钟的进气质量。
发动机燃料燃烧的实际空燃比是由废气分析仪
检验结果表明，计算油耗与实测油耗之间具有
0.01 (1，
故 (1，45)= 1017.4028>> 0.01(1，45) （2） 满载的情况下
求得试验数据的一元回归模型为
= 1.0342× 计 0.3206 相关系数 43 =0.9789。
（9）
取显著水平 = 0.01，查相关系数临界值表，
0.01(40)=0.393 > 0.01(43) > 0.01(45) =0.372 (43) =0.9789>> 0.01(43)
Fig.3 The Relation Graph of calculated fuel consumption and measured fuel consumption
中读取的过量空气系数换算得到的，数学算式如
可以看出 的值比较平稳，都接近为 1，数据
下：
的一致性比较好，可见空燃比法燃油消耗与实际测
祖力，王劲松，姜艳翠，郭栋
（吉林大学 交通学院，长春 130025）
摘 要：用空燃比法检测汽油发动机的耗油量，通过测量发动机的进气岐管压力、进气温度、过剩空气系数，利用
发动机的转速和气缸容积等参数，计算其进气量，再由发动机进气量和空燃比求得发动机的燃油消耗量。各传感器
信号进入单片机，由单片机、废气分析仪和笔记本电脑串口通信，将相关数据传入电脑和被测车辆录入电脑的相关
由 40km/h 到 120km/h 每一速度下测取 5 组数 据，空载、满载各 45 组数据。以计算油耗 计为横 坐标，实测油耗 实为纵坐标，作出空燃比法计算油 耗与实测油耗的关系图，如图 3 所示。
空载
满载
空载和满载综合
实
实
实
测
测
测
油
油
油
耗
耗
耗
计算油耗
计算油耗
计算油耗
图 3 计算油耗与实测油耗的关系图
收稿日期：2008 06 12 基金项目：吉林省科技发展计划项目（20050325 1） 作者简介：祖力（1957 ），男，高级工程师，主要从事车辆环保与节能技术的研究，E-mail: ZULI118@163.com。
136
长春理工大学学报（自然科学版）
2008年
为了克服现有测量技术上存在的缺点和不足， 本文提出一种适用于车辆携带的，可以实现汽车油 耗的快速、实时、不解体检测的测试技术。这就是 空燃比法，其原理属于间接测量法。
（2）利用五气体废气分析仪测取尾气的过量 空气系数；
（3）利用底盘测功机进行模拟加载； （4）利用发 动机 转速 传感 器测 得发 动机转 速。 试验系统组成如图 1 所示。
及发动机转速信号结合发动机的气缸排量和气缸充 气效率，根据相关的速度-密度法数学模型［2］，计 算得出汽车发动机的进气质量，同时废气分析仪测 试得到的过量空气系数，可以换算得到发动机的实 际空燃比，由空燃比的定义，进气质量和发动机实 际空燃比即可计算出燃油消耗量。
用油耗相关信息间接计算出燃油消耗量。 碳平衡法［1］：汽油中的含碳量和燃烧后尾气排
放的含碳量不变，只要测出单位时间内尾气含碳量 与汽油中含碳量相比，即可计算得到燃油消耗量。
这类测量方法的特点是： （1）不需拆解被测车辆，适应汽车不解体检 测的发展方向； （2）可以和汽车排放检测相结合； （3）油耗测量精度没有直接测量法高。 但是，碳平衡法所需设备庞大、昂贵而复杂、 不可携带。
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长春理工大学学报（自然科学版）
2008年
检验结果表明，计算油耗与实测油耗之间具有
显著的线性关系。
对 回 归 分 析 的 结 果 进 行 检 验， (1，45) =
1017.4028， =45，取显著水平 = 0.01 ，查 分布
表，因
0.01(1，60)=7.08< 0.01(1，45) < 40)=7.31
137
=
cin
（2）
式中： 为发动机气缸工作容积（m3）； 为进气管内 的绝对压力（Pa）； 为进气管内空气的绝对温度 （K）；cin为充气效率，在发动机正常工作状态下，主要 取决于发动机的转速和负荷； 为空气气体常数 （8.31）； 为发动机一个循环进入气缸空气的物质的 量（mol）。
为了将公式（2）计算得到的进入气缸空气的 摩尔数转化为质量，需要与空气的平均分子量相 乘。
这样就避免了碳平衡法的设备庞大、复杂、不 宜携带、昂贵等缺点，也避免了直接测量法的操作 繁琐复杂、费时并且破坏车辆原有油路结构等缺 点。本装置具有结构简单、造价低廉、占地面积 小、便于携带、安装以及操作简单方便等优点。并 且可以实现汽车油耗、排放的快速、实时测量，不 破坏车辆原有的油路和结构。适合应用于车载便携 测量以及车辆综合检测线上的油耗和排放测量。
信息融合计算，即可得到油耗率。结合 GPS 传给计算机的数据可以算出百公里油耗量。
关键词：进气量；过剩空气系数；油耗；不解体
中图分类号：TH814
文献标识码：A
文章编号：1672 － 9870（2008）03 － 0135 － 04
Detection of Air-fuel Ratio with Gasoline Engine Fuel Consumption Study
ZU Li，WANG Jinsong，JIANG Yancui，GUO Dong
（Jilin University，Changchun 130025） Abstract：Detection the fuel consumption of gasoline engines by air-fuel ratio，through measuring the Intake Manifold、 intake temperature、 excess air coefficient of engine， using the speed and cylinder engine parameters such as volume， calculating intake flowrate and then obtaining fuel consumption by intake flowrate and air-fuel ratio. The sensor signal enter into the SCM， through the SCM， exhaust analyzer and notebook computers serial communication， fusion calculation the relevant data and computer-related vehicle entry information， fuel consumption rate can be got .combine the data GPS passed to computer can get fuel consumption per hundred kilometers. Key words：intake flowrate；excess air coefficient；fuel consumption；no disassembly
=
（4）
0
式中： 为过量空气系数，由废气分析仪测量得到；
为实际空燃比； 0 为理论空燃比（值为 14.7）。由此，
实际空燃比 可以得到。
由空燃比的定义可知：
=
（5）
式中： 为单位时间发动机气缸进气质量（g/min）； 为单位时间消耗的燃料质量（g/min）。
由公式（2）、（3）得到的发动机进气质量和 公式（4）中得到的空燃比带入公式（5），燃油消 耗量（L/h）可以表示为：
进气温度传感器 单
控制采样信号 废
转速传感器
片
RS232 笔记本 RS232
机
串口 电脑 串口
气 分 析
进气压力传感器
仪 过量空气系数
尾气成分体积比
1. 油耗仪 2. 转速传感器 3. 压力传感器 4. 温度传感器 5. 汽车发动机 6. 底盘测功机 7. 试验车辆 8.GPS 系统 9. 笔记本电脑 10 废气分析仪
1 试验系统的工作原理
本汽车发动机油耗测量装置，由进气歧管压力 传感器、进气歧管温度传感器、五气体废气分析 仪、发动机转速传感器、GPS 接收机和单板机以及 带有二合一 RS232 串口卡的笔记本电脑组成。试验 数据是在底盘测功机上取得的。
（1）利用进气歧管压力传感器、进气歧管温 度传感器测取进气压力和进气温度；
2 空燃比法油耗模型研究
通过测量进气歧管压力和进气温度计算汽油发
动机的进气量是求取发动机进气量的方法之一 。 ［3］
由理想气体定律知
=
（1）
式中： 为绝对压力； 为气体容积； 为气体质量；
为空气气体常数； 为绝对温度。
进入发动机气体流量可用速度一密度方程描
述：
第3期
Hale Waihona Puke Baidu
祖力，等：用空燃比法检测汽油发动机油耗的试验研究
由发动机传感器传输的进气温度、进气压力以
输出
图 2 控制及数据采集系统的工作原理框图 Fig.2 Control and data acquisition system
work principle block diagram
试验是在底盘测功机上进行的，用底盘测功机 模拟道路运行工况，试验重复性好。为了验证空燃 比油耗模型的准确性，便于模型修正，在试验中， 同时用流量计式油耗仪测量试验车的油耗，作为用 空燃比法油耗模型计算油耗的比对标准。在道路行 驶时利用 GPS 接收机接收卫星的速度信号，从而计 算出发动机的百公里油耗。
第31卷第3期 2008年9月
长春理工大学学报（自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）
Vol.31 No.3 Sep. 2008
用空燃比法检测汽油发动机油耗的试验研究
图 1 试验系统组成示意图
Fig.1 Sketch of test system
进气歧管压力传感器和进气歧管温度传感器安 装在发动机的进气歧管上，二者的输出端与单板机 的输入端相连，单板机的信号输出端和笔记本电脑 的 RS232 串口卡相连。发动机转速传感器卡装在发 动机的第一缸点火高压线上，通过测取发动机高压 线上的点火脉冲数来计算得到发动机的转速。五气 体废气分析仪的取样探头插装在排气管内，而废气 分析仪的输出端与笔记本电脑 RS232 串口卡相连 接。笔记本电脑和五气体废气分析仪之间是双向通 讯的，笔记本电脑向废气分析仪发出控制信号并要 求废气分析仪把检测到的尾气排放的相关参数传输 到笔记本电脑内。
=
1 2
·
·· · 0·
· · cin ·160000
（6）
式中：为汽油的密度（0.735g/ml）。
将已知的参数带入到式（6），即为：
= 91.6080908· · · · cin （7） 由此公式（7）计算得到发动机单位时间内消
耗的燃料量。
3 试验结果、误差分析及模型修正
3.1 实验结果
试验分别在空载和满载两种情况下进行。将计 算油耗与实际油耗之比，记为 ，则 = 计/ 实，式 中： 计为计算油耗； 实为实际测量油耗。
目前，测量汽车油耗的方法，可归纳为两大 类：
第一类是直接测量法，即，拆开汽车发动机油 路，接入流量测量设备，直接测得燃料消耗量。具 体可分为两种：
容积法：单位时间内消耗燃油体积； 重量法：单位时间内消耗燃油重量。 这两种方法的共同特点是： （1）测量精度较高；（2）操作复杂、费时； （3）破坏车辆原有油路结构。 第二类是间接测量法，不拆解发动机油路，利
量油耗具有较好的线性关系。
3.2 误差分析
利用 SPSS 统计软件对试验数据进行回归分 析。
（1） 空载的情况下 求得试验数据的一元回归模型为
= 1.0655× 计 0.3743 （8） 相关系数 (43) =0.9794 取显著水平 = 0.01，查相关系数临界值表，
0.01(40)=0.393 > 0.01(43) > 0.01(45) =0.372 (43) =0.9794>> 0.01(43)
另外，由于发动机曲轴每转动两周，所有气缸 完成一次循环，要得到发动机单位时间内的进气质 量，需将公式（2）进行转换：
= ×2 ×
（3）
式中： 为发动机转速（r/min）； 为空气平均分子量
（近似取值 29）； 为发动机每分钟的进气质量（g/
min）。由此，可计算得到发动机每分钟的进气质量。
发动机燃料燃烧的实际空燃比是由废气分析仪
检验结果表明，计算油耗与实测油耗之间具有
0.01 (1，
故 (1，45)= 1017.4028>> 0.01(1，45) （2） 满载的情况下
求得试验数据的一元回归模型为
= 1.0342× 计 0.3206 相关系数 43 =0.9789。
（9）
取显著水平 = 0.01，查相关系数临界值表，
0.01(40)=0.393 > 0.01(43) > 0.01(45) =0.372 (43) =0.9789>> 0.01(43)
Fig.3 The Relation Graph of calculated fuel consumption and measured fuel consumption
中读取的过量空气系数换算得到的，数学算式如
可以看出 的值比较平稳，都接近为 1，数据
下：
的一致性比较好，可见空燃比法燃油消耗与实际测
祖力，王劲松，姜艳翠，郭栋
（吉林大学 交通学院，长春 130025）
摘 要：用空燃比法检测汽油发动机的耗油量，通过测量发动机的进气岐管压力、进气温度、过剩空气系数，利用
发动机的转速和气缸容积等参数，计算其进气量，再由发动机进气量和空燃比求得发动机的燃油消耗量。各传感器
信号进入单片机，由单片机、废气分析仪和笔记本电脑串口通信，将相关数据传入电脑和被测车辆录入电脑的相关
由 40km/h 到 120km/h 每一速度下测取 5 组数 据，空载、满载各 45 组数据。以计算油耗 计为横 坐标，实测油耗 实为纵坐标，作出空燃比法计算油 耗与实测油耗的关系图，如图 3 所示。
空载
满载
空载和满载综合
实
实
实
测
测
测
油
油
油
耗
耗
耗
计算油耗
计算油耗
计算油耗
图 3 计算油耗与实测油耗的关系图
收稿日期：2008 06 12 基金项目：吉林省科技发展计划项目（20050325 1） 作者简介：祖力（1957 ），男，高级工程师，主要从事车辆环保与节能技术的研究，E-mail: ZULI118@163.com。
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长春理工大学学报（自然科学版）
2008年
为了克服现有测量技术上存在的缺点和不足， 本文提出一种适用于车辆携带的，可以实现汽车油 耗的快速、实时、不解体检测的测试技术。这就是 空燃比法，其原理属于间接测量法。
（2）利用五气体废气分析仪测取尾气的过量 空气系数；
（3）利用底盘测功机进行模拟加载； （4）利用发 动机 转速 传感 器测 得发 动机转 速。 试验系统组成如图 1 所示。
及发动机转速信号结合发动机的气缸排量和气缸充 气效率，根据相关的速度-密度法数学模型［2］，计 算得出汽车发动机的进气质量，同时废气分析仪测 试得到的过量空气系数，可以换算得到发动机的实 际空燃比，由空燃比的定义，进气质量和发动机实 际空燃比即可计算出燃油消耗量。
用油耗相关信息间接计算出燃油消耗量。 碳平衡法［1］：汽油中的含碳量和燃烧后尾气排
放的含碳量不变，只要测出单位时间内尾气含碳量 与汽油中含碳量相比，即可计算得到燃油消耗量。
这类测量方法的特点是： （1）不需拆解被测车辆，适应汽车不解体检 测的发展方向； （2）可以和汽车排放检测相结合； （3）油耗测量精度没有直接测量法高。 但是，碳平衡法所需设备庞大、昂贵而复杂、 不可携带。
138
长春理工大学学报（自然科学版）
2008年
检验结果表明，计算油耗与实测油耗之间具有
显著的线性关系。
对 回 归 分 析 的 结 果 进 行 检 验， (1，45) =
1017.4028， =45，取显著水平 = 0.01 ，查 分布
表，因
0.01(1，60)=7.08< 0.01(1，45) < 40)=7.31
137
=
cin
（2）
式中： 为发动机气缸工作容积（m3）； 为进气管内 的绝对压力（Pa）； 为进气管内空气的绝对温度 （K）；cin为充气效率，在发动机正常工作状态下，主要 取决于发动机的转速和负荷； 为空气气体常数 （8.31）； 为发动机一个循环进入气缸空气的物质的 量（mol）。
为了将公式（2）计算得到的进入气缸空气的 摩尔数转化为质量，需要与空气的平均分子量相 乘。
这样就避免了碳平衡法的设备庞大、复杂、不 宜携带、昂贵等缺点，也避免了直接测量法的操作 繁琐复杂、费时并且破坏车辆原有油路结构等缺 点。本装置具有结构简单、造价低廉、占地面积 小、便于携带、安装以及操作简单方便等优点。并 且可以实现汽车油耗、排放的快速、实时测量，不 破坏车辆原有的油路和结构。适合应用于车载便携 测量以及车辆综合检测线上的油耗和排放测量。
信息融合计算，即可得到油耗率。结合 GPS 传给计算机的数据可以算出百公里油耗量。
关键词：进气量；过剩空气系数；油耗；不解体
中图分类号：TH814
文献标识码：A
文章编号：1672 － 9870（2008）03 － 0135 － 04
Detection of Air-fuel Ratio with Gasoline Engine Fuel Consumption Study
ZU Li，WANG Jinsong，JIANG Yancui，GUO Dong
（Jilin University，Changchun 130025） Abstract：Detection the fuel consumption of gasoline engines by air-fuel ratio，through measuring the Intake Manifold、 intake temperature、 excess air coefficient of engine， using the speed and cylinder engine parameters such as volume， calculating intake flowrate and then obtaining fuel consumption by intake flowrate and air-fuel ratio. The sensor signal enter into the SCM， through the SCM， exhaust analyzer and notebook computers serial communication， fusion calculation the relevant data and computer-related vehicle entry information， fuel consumption rate can be got .combine the data GPS passed to computer can get fuel consumption per hundred kilometers. Key words：intake flowrate；excess air coefficient；fuel consumption；no disassembly
=
（4）
0
式中： 为过量空气系数，由废气分析仪测量得到；
为实际空燃比； 0 为理论空燃比（值为 14.7）。由此，
实际空燃比 可以得到。
由空燃比的定义可知：
=
（5）
式中： 为单位时间发动机气缸进气质量（g/min）； 为单位时间消耗的燃料质量（g/min）。
由公式（2）、（3）得到的发动机进气质量和 公式（4）中得到的空燃比带入公式（5），燃油消 耗量（L/h）可以表示为：