車輛發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬健軍 趙 新 張洪蛟

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬健軍 趙 新 張洪蛟

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

為解決現(xiàn)有車輛發(fā)動(dòng)機(jī)油耗儀測量操作繁瑣、效率低、需拆解車輛等問題，利用液位壓力變化與燃油消耗體積變化量之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用渦輪流量計(jì)、液位變送器等高精度傳感器采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理程序采用LabVIEW軟件編寫，實(shí)現(xiàn)了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量的不解體測量。系統(tǒng)試驗(yàn)表明，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡便、測量效率較高，燃油消耗量測量精度符合要求。

車輛 燃油消耗量 不解體測量 LabVIEW 液位 傳感器

0 引言

近年來，我國汽車保有量逐年增加，能源消耗總量也在不斷增長。加強(qiáng)汽車油耗方面的研究，提高燃油消耗測量精度，具有重要意義。國外學(xué)者采用傳感技術(shù)、微電腦技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)研制的智能型油耗檢測裝置,在功能、測試項(xiàng)目、精度等方面都得到了改善[1]。相較之下，國內(nèi)車輛油耗測量還是沿用傳統(tǒng)的油耗儀測試方法和臺架試驗(yàn)方法[2]。常用的油耗測量儀存在操作過程繁雜、費(fèi)時(shí)、需要拆解車輛燃油管路破壞車輛原有結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)[3-4]。實(shí)際使用中，國內(nèi)研究的車輛燃油消耗量檢測裝置在功能和性能上與實(shí)際要求還有差距，甚至差距較大[5]。

本研究以液位測量作為切入點(diǎn)，通過系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件程序編寫，設(shè)計(jì)開發(fā)了車輛燃油消耗量測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)從油箱充油口將探測頭放入即可進(jìn)行測量，無需拆開油路，具有方便、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)可對在用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量進(jìn)行測試評價(jià)，亦可用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)工作規(guī)律研究[6]。

1 油耗測量系統(tǒng)概述

1.1 油耗測量系統(tǒng)的組成

發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測量系統(tǒng)主要由電動(dòng)油泵、量筒、油箱、渦輪流量計(jì)、液位變送器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the measurement system

1.2 系統(tǒng)工作過程描述

試驗(yàn)開始前先啟動(dòng)油泵，使油路充滿燃油。油箱液位變送器探測頭位置固定不變，其與燃油液面之間的距離h0記為初始深度，對應(yīng)示數(shù)p0記為初始輸出。測量系統(tǒng)工作分為兩個(gè)過程：燃油消耗過程和燃油回補(bǔ)過程。

(1) 燃油消耗過程：啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使其按一定工況運(yùn)行一段時(shí)間，使得油箱內(nèi)油料液面下降，此刻變送器輸出降為p1，對應(yīng)的探測頭與液面相對位置記為h1。

(2) 燃油回補(bǔ)過程：啟動(dòng)油泵，對油箱充油。當(dāng)液位變送器輸出回升至p0時(shí)，停止充油。流量計(jì)記錄整個(gè)燃油回補(bǔ)過程流量信號，流量信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析處理輸出結(jié)果。輸出的結(jié)果即為在燃油回補(bǔ)過程中對車輛油箱的補(bǔ)油總量。通過補(bǔ)油量即可求得發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)油路、數(shù)據(jù)采集電路、信號調(diào)理電路等部分。系統(tǒng)硬件框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of the system hardware

2.1 系統(tǒng)油路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)油路由油泵、渦輪流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、單向閥等構(gòu)成。在供油過程中，燃油經(jīng)過渦輪流量計(jì)產(chǎn)生流量信號，并由上位機(jī)采集與處理。流量調(diào)節(jié)閥是為了保護(hù)渦輪流量計(jì)而設(shè)定的。

根據(jù)流量計(jì)使用說明，先以較小流量運(yùn)行一段時(shí)間，然后逐漸調(diào)節(jié)到正常流量，避免流體對葉輪突然沖撞，影響葉輪使用壽命。單向閥的作用在于防止油液回流，造成測量誤差。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集采用美國MCC公司生產(chǎn)的PMD-1208LS數(shù)據(jù)采集儀，通過USB接口與計(jì)算機(jī)完成連接。PMD-1208LS具有8個(gè)模擬輸入通道、2個(gè)模擬輸出、16個(gè)數(shù)字輸入輸出通道和1個(gè)32位外部計(jì)數(shù)器，由USB提供+5 V工作電壓。

信息采集流程框圖如圖 3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程框圖Fig.3 Flowchart of data acquisition

燃油經(jīng)油管流過葉輪，渦輪流量計(jì)輸出電流模擬信號。油箱內(nèi)液面同步發(fā)生變化，液位變送器輸出電流模擬信號。傳感器產(chǎn)生的兩路模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊進(jìn)一步轉(zhuǎn)換、放大，到個(gè)人測量裝置(personal measure device,PMD)，PMD采樣頻率為100 Hz。由PMD處理后輸出數(shù)字信號，經(jīng)USB送入計(jì)算機(jī)處理顯示。最后存儲于PC機(jī)硬盤,供后期分析。

2.3 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.3.1I-U轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)中的PMD-1208LS數(shù)據(jù)采集儀接口只能接收識別電壓信號，故需將傳感器產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。本試驗(yàn)應(yīng)用電阻分壓的原理，將電阻串聯(lián)入測量電路中，測量其兩端電壓值。電阻值的選擇較為關(guān)鍵。若選取阻值過大，則根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，電路將產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，對信號測量精度產(chǎn)生影響。若分壓電阻過小，則測量到的電壓信號過于微弱，容易被噪聲所淹沒，而未被有效采集。綜合考慮后選用分壓電阻值為100 Ω。

2.3.2 信號放大電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所采集到的信號較為微弱，均為毫伏級信號，需對信號進(jìn)行放大處理?？紤]到電流的失調(diào)，以及零點(diǎn)漂移、自激，系統(tǒng)選用高輸入阻抗的集成運(yùn)算放大器LM358。

運(yùn)算放大器LM358的特點(diǎn)為：成本低、電源電壓范圍寬、功耗電流低，適合電池供電；共模抑制比為80 dB、輸入失調(diào)電壓較小，為2.9～5 mV；輸入偏置電流非常小，一般為幾皮安到幾十皮安。

LM358組成的信號放大電路圖如圖4所示。

圖4 信號放大電路Fig.4 Signal amplifying circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 標(biāo)度變換

對于不同的物理量, 不同的傳感器測量得到的信號為相同的電流信號。例如，本試驗(yàn)中兩個(gè)不同物理量：油液流量、液位壓力，分別經(jīng)流量計(jì)、液位變送器測量，輸出均為4～20 mA的電流信號。為了顯示正確的物理量, 就需要進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換。由于被測對象的各種數(shù)據(jù)的量綱與A/D 轉(zhuǎn)換的輸入值是不同的，壓力單位為Pa,流量單位為m3/h ,而電流單位為mA,因此必須把它轉(zhuǎn)化成帶有量綱的數(shù)值后才能計(jì)算[7]。

試驗(yàn)測試顯示，渦輪流量計(jì)瞬時(shí)流量與對應(yīng)電流信號關(guān)系如表1所示。

表1 流量計(jì)瞬時(shí)流量與對應(yīng)電流信號關(guān)系Tab.1 Relationship between of instantaneous flow of meter and the corresponding current signal

運(yùn)用SPSS建模，得到瞬時(shí)流量Q與對應(yīng)電流信號I的線性回歸方程為：

Q=6.719I-18.237

(1)

式中：Q為流量計(jì)瞬時(shí)流量，mL/s；I為瞬時(shí)流量對應(yīng)的電流信號，mA。

由式(1)可知，流量計(jì)瞬時(shí)流量與其對應(yīng)電流信號呈線性關(guān)系。模型的相關(guān)系數(shù)r=0.940，sig值p=0.005,經(jīng)查表r0.01=0.917,滿足r≥r0.01且p≤0.01。因此，相關(guān)系數(shù)r極顯著，所建立的模型具有良好的線性度。

試驗(yàn)測試顯示，液位變送器輸出液位壓力與對應(yīng)電壓信號關(guān)系如表2所示。

表2 液位壓力與對應(yīng)電壓信號關(guān)系Tab.2 Relationship between level pressure andthe corresponding voltage signal

同上，運(yùn)用SPSS建模，得到液位壓力值P與對應(yīng)電壓信號U的線性回歸方程為：

P=6.214U-2.423

(2)

式中：P為液位變送器顯示壓力值，kPa；U為瞬時(shí)流量對應(yīng)的電壓信號，V。

由式(2)可知，液位壓力值與其對應(yīng)的電壓信號呈線性關(guān)系。模型的相關(guān)系數(shù)r=0.998，sig值p=0.005,滿足r≥r0.01且p≤0.01。因此，相關(guān)系數(shù)r極顯著，所建立的模型具有良好的線性度。

3.2LabVIEW編寫數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序采用LabVIEW圖形化編程軟件G語言編寫，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)(包括采樣數(shù)、采樣率、低通濾波器截止頻率、通道選擇)設(shè)定、軟件濾波、數(shù)據(jù)采集處理等功能。

4 系統(tǒng)的標(biāo)定試驗(yàn)

本文采用標(biāo)定設(shè)備量筒對測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定設(shè)備包括量程為2L的量筒、渦輪流量計(jì)、液位變送器、電動(dòng)油泵。為模擬車輛發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗過程，標(biāo)定試驗(yàn)中增設(shè)一條油路，將油箱內(nèi)燃油抽入量筒內(nèi)，使得油箱內(nèi)油料液面下降，達(dá)到模擬發(fā)動(dòng)機(jī)耗油的效果；標(biāo)定時(shí)，將回歸方程(1)、(2)寫入數(shù)據(jù)采集程序中，系統(tǒng)直接輸出在整個(gè)過程流量計(jì)的累計(jì)流量值即燃油消耗量測量值。標(biāo)定前，先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)液面深度，利用每個(gè)液位變送器示數(shù)變化值代表不同的液面變化情況。標(biāo)定時(shí)，以10個(gè)不同的液位變送器示數(shù)變化值，開展標(biāo)定試驗(yàn)，通過采集流量計(jì)測量信號，獲取10組系統(tǒng)油耗測量值。標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 油耗測量系統(tǒng)精度標(biāo)定Tab.3 Accuracy calibration of the fuel consumptionmeasurement system

系統(tǒng)精度標(biāo)定試驗(yàn)表明，油耗測試系統(tǒng)的相對誤差在±2.0%內(nèi)。

經(jīng)分析，誤差可能來源于以下幾個(gè)方面[8]。

① 人工讀取量筒刻度引起的誤差。

② 試驗(yàn)平臺的裝配誤差、傳感器固有誤差引起的系統(tǒng)誤差。

③ 所擬合數(shù)學(xué)模型引起的誤差。

5 結(jié)束語

針對目前油耗儀測量存在的問題，利用傳感技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)，以液位變送器、渦輪流量計(jì)作為硬件基礎(chǔ)，采用LabVIEW編寫數(shù)據(jù)采集程序，設(shè)計(jì)了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)標(biāo)定測試測量精度相對誤差在±2.0%內(nèi)，可滿足車輛燃油消耗量檢測的需要。系統(tǒng)測試時(shí)車輛無需解體，提升了操作的安全性。后期試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好、易于維護(hù)，對未來油耗研究具有一定的參考意義。

[1] 付百學(xué)，胡勝海.發(fā)動(dòng)機(jī)失重法智能油耗測試技術(shù)[J].中國機(jī)械工程，2011，22(7)：793-797.

[2] 凌永成,于京諾.汽車電子控制技術(shù)[M].2版.北京：北京大學(xué)出版社，2011：45-55.

[3] 張建俊.汽車診斷與檢測技術(shù)[M].3版.北京：人民交通出版社，2010：287-294.

[4] 方錫邦.汽車檢測技術(shù)與設(shè)備[M].3版.北京：人民交通出版社，2012：70-78.

[5] 賀新，王岐東，葉身斌.汽車油耗的測量與計(jì)算研究及其進(jìn)展[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，25(1)：32-37.

[6] 付百學(xué),岳偉東,胡勝海.汽車油耗智能檢測技術(shù)研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，20(3)：44-46.

[7] 呂飛龍，陳照章，黃永紅.基于LABVIEW的虛擬儀器溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(1)：170-173.

[8] 張翠云,黃鍵.智能型快速油耗測試儀的設(shè)計(jì)[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，35(5)：549-553.

Design of the Fuel Consumption Measurement System for Vehicle Engine

In order to solve the problems in existing fuel consumption meter for vehicle engines, such as tedious measuring operation, low measurement efficiency and disassembly needed, thus by adopting the relationship between level pressure variation and volume change of fuel consumption, the fuel consumption measurement system for vehicle engine has been designed. In the system, the test data are collected by high precision transducers, i.e., turbine flowmeter and level transmitter; data processing program is written by using LabVIEW software; thus fuel consumption measurement without disassembly for vehicle engine is implemented. The system test indicates that this system features simple structure, higher measurement efficiency; the measurement accuracy of fuel consumption measurement meets the requirement.

Vehicle Fuel consumption Measurement without disassembly LabVIEW Level Sensor

馬健軍(1990-)，男，現(xiàn)為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)車輛工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測量方面的研究。

TP274+.2;TH814

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506017

修改稿收到日期：2015-01-24。