發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)連續(xù)油耗測(cè)量設(shè)計(jì)及誤差分析

陳修魁 李忠利 劉小鋒

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架的燃油消耗量是發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)量進(jìn)行研究，旨在提高油耗測(cè)量的精度、簡(jiǎn)化人工操作。主要研究了一種適用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架減量式連續(xù)測(cè)量油耗的裝置，該裝置采用了雙油杯測(cè)量的方法，通過控制2個(gè)油杯進(jìn)、出油電磁閥來實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量的目的。著重分析了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，解決了影響誤差的關(guān)鍵問題，最終實(shí)現(xiàn)了在小流量油耗測(cè)量下相對(duì)誤差控制在±50%以內(nèi)，大流量下測(cè)量精度同樣滿足要求。該油耗儀成功解決了發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架不能連續(xù)測(cè)量油耗的問題，與國內(nèi)外同類稱質(zhì)量式油耗儀產(chǎn)品相比，該油耗儀精度較高、成本較低、易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：小型發(fā)動(dòng)機(jī);試驗(yàn)臺(tái)架;減量式;雙油杯測(cè)量法;連續(xù)測(cè)量;誤差

中圖分類號(hào)： TK411+.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）11-0240-06

收稿日期：2019-06-18

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2017YFD0700304-02）。

作者簡(jiǎn)介：陳修魁（1993—），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)。E-mail：1114716549@qq.com。

通信作者：李忠利，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)。E-mail：2784702780@qq.com。 ?燃油消耗量是發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)必測(cè)的參數(shù)，直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。目前，國內(nèi)外的油耗測(cè)量方法主要有質(zhì)量法、容積法和碳平衡法[1]。容積法主要用于行駛的車輛上，受燃油的溫度與密度影響較大，且在小流量油耗的情況下測(cè)量誤差較大;碳平衡法測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高;質(zhì)量法測(cè)量簡(jiǎn)便，不受燃油溫度、密度的影響，精度較高，且成本低，所以開展對(duì)質(zhì)量法測(cè)量精度的研究具有重要意義。

隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)量法自動(dòng)控制油耗測(cè)量取得了顯著成果，特別是在軟硬件設(shè)計(jì)及測(cè)量誤差分析方面。張?jiān)鼋ǖ妊芯苛艘訵77C32單片機(jī)為核心的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗測(cè)量系統(tǒng)，分析了幾何量、非線性和重復(fù)性對(duì)油耗測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[2]。裘正軍等提出了用失重法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率的方法，并設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的智能測(cè)量裝置，介紹了油耗測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理、單片機(jī)測(cè)量電路及測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)[3]。胡凈等設(shè)計(jì)了油耗儀軟硬件系統(tǒng)，提出了瞬時(shí)油耗率和平均油耗率的獲取方法[4]。周躍鋼等研究了在AD7730模塊基礎(chǔ)上，分析了斬波方式、數(shù)字濾波以及A/D（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）輸出速率對(duì)有效分辨率、測(cè)量精度的影響[5]。上述的測(cè)量方法在油耗測(cè)量過程中都沒有實(shí)現(xiàn)油耗的連續(xù)測(cè)量，并且都是針對(duì)大流量油耗發(fā)動(dòng)機(jī)。由于研究者對(duì)影響測(cè)量誤差的因素考慮不全，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)小流量油耗下測(cè)量誤差更大。為解決這一問題，目前使用最多的是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，該流量計(jì)避免了燃油密度和溫度的影響，相對(duì)于傳統(tǒng)油耗儀測(cè)量精度高，但科里奧利質(zhì)量流量計(jì)存在零點(diǎn)漂移、振動(dòng)干擾敏感、安裝要求高、成本昂貴等缺點(diǎn)[6]。

本研究在單油杯、單稱質(zhì)量式壓力傳感器油耗測(cè)量基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)控制連續(xù)測(cè)量油耗的裝置，避免了傳統(tǒng)稱質(zhì)量式油耗裝置須要充油等待、測(cè)試時(shí)間受限的問題。通過對(duì)油耗儀長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了影響測(cè)量精度的主要因素，并采取了相應(yīng)的解決方法，該油耗儀在小流量（0.05～3.00 g/s）下已達(dá)到±50%內(nèi)的測(cè)量精度要求，且成本較低。

1 油耗儀設(shè)計(jì)及功能

該油耗測(cè)量裝置采用質(zhì)量法測(cè)量，主要由懸臂梁式高精度壓力傳感器、自動(dòng)切換單向電磁閥、調(diào)壓閥、回油散熱裝置、燃油濾清器和循環(huán)電動(dòng)油泵等組成。

油耗測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖1，油杯A和油杯B分別放在懸臂梁式高精度壓力傳感器1和2上，進(jìn)入油杯A的油管上連接有充油電磁閥1、供油電磁閥3以及回油管上的回油電磁閥5;同樣在進(jìn)入油杯B的油管上連接有充油電磁閥2、供油電磁閥4以及回油管上連接有回油電磁閥6。進(jìn)入充油電磁閥1和電磁閥2的油管連接電動(dòng)油泵至燃油箱，實(shí)現(xiàn)燃油測(cè)量油杯的充油;從電磁閥3或電磁閥4出來的燃油給發(fā)動(dòng)機(jī)供油，發(fā)動(dòng)機(jī)未消耗的燃油通過回油管換熱器和回油電磁閥，回到正在測(cè)量的油杯中，目的是消除燃油中的氣泡和冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)回油。

該油耗測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)除基本測(cè)量功能外，還可實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）可實(shí)現(xiàn)充油準(zhǔn)備、供油回油切換故障報(bào)警等高度自動(dòng)化功能;（2）具有圖形液晶觸摸屏，不僅用于參數(shù)顯示和狀態(tài)顯示，還可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和壓力傳感器多點(diǎn)標(biāo)定功能，實(shí)現(xiàn)了高精度稱量;（3）多種參數(shù)輸出，具有時(shí)間、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等多種參數(shù)顯示及通信輸出功能;（4）具有完善的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視功能，可通過本地觸摸屏、遠(yuǎn)程線控和通信輸出等方式監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警保護(hù)狀態(tài)，最大限度地避免了充油時(shí)的溢油問題（圖2、圖3）。

2 油耗測(cè)量的誤差分析及誤差解決措施

通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了油耗裝置影響誤差的因素，并提出了解決辦法。誤差按其性質(zhì)和原因主要分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差[7]。系統(tǒng)誤差是由某些固定不變的因素引起的，在相同條件下進(jìn)行多次測(cè)量，其誤差值保持恒定不變或隨條件

改變按一定規(guī)律變化;隨機(jī)誤差是由某些不易控制的因素造成的，在相同條件下進(jìn)行多次測(cè)量，其測(cè)量值無任何規(guī)律;粗大誤差是由試驗(yàn)人員粗心造成的誤差，與實(shí)際值明顯不符的誤差[8-11]。在這3類誤差的基礎(chǔ)上經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)試驗(yàn)獲取油耗測(cè)量數(shù)據(jù)，得出主要影響油耗測(cè)量精度的因素。

2.1 燃油在油杯內(nèi)擾動(dòng)影響誤差

該油耗儀設(shè)計(jì)主要是針對(duì)小功率發(fā)動(dòng)機(jī)，考慮到測(cè)量精度，該油耗儀選擇滿量程為200 g的稱質(zhì)量傳感器。同時(shí)考慮到汽油的揮發(fā)性的問題，設(shè)計(jì)采用相對(duì)質(zhì)量輕、截面積小的金屬容器，該油杯采用了容量為250 mL、凈質(zhì)量為20 g、截面積為 50 mm 的直圓柱型油杯。

在油耗測(cè)量過程中，油管回油到油杯中會(huì)產(chǎn)生燃油對(duì)油杯底部的沖擊力，從而產(chǎn)生對(duì)壓力傳感器的作用力，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。為避免這種誤差，目前大多數(shù)單油杯測(cè)量裝置研究者把油管放置在油杯底部，油管經(jīng)波紋管與油杯采用剛性連接，燃油通過油杯底部油管進(jìn)出。但是要保證測(cè)量精度，要求壓力傳感器較靈敏，油管施加在壓力傳感器上的附加作用力，勢(shì)必會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果，導(dǎo)致誤差較大。

該設(shè)計(jì)是在機(jī)械結(jié)構(gòu)上對(duì)油管底部附近側(cè)壁開孔，從而避開燃油直接從油管底部流出造成對(duì)油杯底部的沖擊。由于油管是從側(cè)壁孔中流出或流入，其可能會(huì)產(chǎn)生燃油面波動(dòng)，油面的波動(dòng)會(huì)對(duì)油杯產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而作用到壓力傳感器上，也會(huì)影響測(cè)量精度。為減少回油對(duì)油杯的振動(dòng)，本設(shè)計(jì)在油杯內(nèi)加入網(wǎng)狀隔板來減少燃油大幅度波動(dòng)，從而保證了測(cè)量精度（圖4）。

在油耗測(cè)量過程中，油杯內(nèi)燃油有下降運(yùn)動(dòng)，考慮到會(huì)產(chǎn)生慣性力F慣，作用在壓力傳感器附加載荷影響到測(cè)量精度。對(duì)油杯內(nèi)燃油下降作用在壓力傳感器上的F慣進(jìn)行誤差分析如下：

式中：G測(cè)表示壓力傳感器的測(cè)量值，N;G實(shí)表示實(shí)際壓力值，N;F慣表示燃油下降時(shí)對(duì)油杯產(chǎn)生的慣性力，N;ρ表示燃油密度，kg/m3;D表示油杯的內(nèi)徑，m;a表示燃油下降加速度，m/s2;l表示油管的插入長(zhǎng)度，m;v表示燃油下降速度，m/s;Q表示燃油流量，g/s;t表示時(shí)間，s;S表示油杯的內(nèi)截面積，m2;g表示重力加速度，取g=9.8 m/s2;δ表示擾動(dòng)實(shí)際油耗與測(cè)量油耗之比。

從式（3）、（4）、（5）中可以看出，Q越小，S越大，該F慣誤差影響越小。該油耗儀是采用懸臂梁式壓力傳感器滿量程為200 g，主要是針對(duì)小流量進(jìn)行燃油消耗測(cè)量，因此油杯內(nèi)燃油下降F慣對(duì)壓力傳感器誤差影響很小，幾乎可以忽略不計(jì);當(dāng)在大流量測(cè)量下可以選擇S相對(duì)大些的油杯，進(jìn)而保證了燃油在不同流量下的測(cè)量精度。

2.2 油管浮力誤差

在油耗測(cè)量裝置試驗(yàn)驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際油耗與測(cè)量油耗總是有一定的誤差（圖5）。當(dāng)油耗測(cè)量時(shí)，油杯中的燃油通過插入油杯中的油管不斷地被發(fā)動(dòng)機(jī)消耗。油杯內(nèi)燃油管里的燃油不完全作用于壓力傳感器上，因此在燃油液面以下的油管薄壁部分體積與油管里的燃油可以合并在一起，可以理解為外徑為d的圓柱體。由阿基米德原理可知，插在油杯里的圓柱體受到油杯內(nèi)燃油的浮力F浮，同時(shí)油杯會(huì)受到F浮的反作用力，最終作用在壓力傳感器上造成測(cè)量誤差。

由于進(jìn)出油管從上端插入油杯，在燃油面發(fā)生變化時(shí)，供油管和回油管的插入長(zhǎng)度也會(huì)發(fā)生變化，從而造成油管體積的變化即F浮變化，從而引起壓力傳感器上的作用力發(fā)生變化，為了修正這個(gè)誤差，進(jìn)行了以下推導(dǎo)和計(jì)算：

式中：F浮表示油管插入部分的浮力，N;d表示油管的外徑，m;s表示油管總截面積，m2;δm表示壓力傳感器實(shí)際值與測(cè)量值之比。

因此，油管F浮誤差只與油管和油杯的截面積（S和s）有關(guān)，當(dāng)二者的部件確定后，其截面積（S和s）也就確定了，所以實(shí)際值G實(shí)與測(cè)量值G測(cè)′相差固定的系數(shù)為0.978 5。通過控制程序?qū)y(cè)量值G測(cè)′的系數(shù)修正，可以使該油管F浮對(duì)誤差的影響降到最低（圖5）。該方法簡(jiǎn)單方便，且能取得良好的效果。

2.3 燃油切換閥擾動(dòng)影響誤差

由于該油耗儀是連續(xù)測(cè)量的，在測(cè)量過程中，通過控制電磁閥進(jìn)行A、B 2個(gè)油杯之間切換，在切換過程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生竄油現(xiàn)象，使當(dāng)前測(cè)量油杯內(nèi)的油耗增加，從而造成測(cè)量誤差。為避免這種誤差，通過控制電磁閥的開啟時(shí)間使A、B 2個(gè)油杯在測(cè)量時(shí)供油電磁閥同時(shí)開啟一段時(shí)間，同時(shí)使A、B 2個(gè)油杯的充油電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.4 零點(diǎn)漂移及累積誤差

該油耗儀采用減量式測(cè)量，即上一時(shí)刻油杯內(nèi)的燃油量與下一時(shí)刻燃油量的差值記為燃油消耗量，這樣就避免零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的誤差，然后把每次的差值進(jìn)行累加，得出燃油的消耗量。同時(shí)為了避免油耗累計(jì)產(chǎn)生的誤差，該設(shè)計(jì)通過控制算法在每次向油杯內(nèi)充油和供油后都會(huì)進(jìn)行稱質(zhì)量，可得出二者的差值與累計(jì)后的燃油消耗量進(jìn)行修正，使該油耗儀測(cè)量精度在很大程度上得到提高。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與分析

通過排除以上影響測(cè)量精度的因素，對(duì)該油耗測(cè)量設(shè)備采用靜態(tài)驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)驗(yàn)證。由圖6可知，模擬KT154F（3HP）小型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，發(fā)動(dòng)機(jī)油泵選擇25 L/h的轉(zhuǎn)子泵，它的自吸功率有限，進(jìn)油口附近如果有大量的空氣，油泵將無法正常工作;該發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率為200 g/（kW·h）左右，瞬時(shí)油耗為0.05 g/s左右，通過調(diào)節(jié)流量控制閥來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量。由圖7可知，測(cè)油電磁閥的開閉是通過觸摸屏按鍵進(jìn)行控制的，即開始測(cè)量時(shí)電磁閥開啟，停止測(cè)量時(shí)關(guān)閉電磁閥，以達(dá)到同步測(cè)量的目的。平衡壓力電磁閥與測(cè)油電磁閥是互斥的，為避免燃油在油管內(nèi)壓力發(fā)生變化對(duì)油耗測(cè)量產(chǎn)生誤差。

當(dāng)油耗測(cè)量結(jié)束后，把測(cè)量杯放到電子天平上（圖8），測(cè)出燃油消耗的實(shí)際質(zhì)量，然后通過測(cè)量值與實(shí)際值的對(duì)比，觀察油耗儀的測(cè)量誤差大小。

3.1 靜態(tài)測(cè)量

進(jìn)行油耗儀靜態(tài)系統(tǒng)的驗(yàn)證，保持油耗儀運(yùn)行一段時(shí)間，使油耗儀各管路充滿油。在不給發(fā)動(dòng)機(jī)供油的情況下，使燃油在油耗裝置系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行供油并全部回油到油杯中，以驗(yàn)證油耗壓力傳感器的零點(diǎn)漂移和采集數(shù)據(jù)的精確度。由于沒有燃油消耗，理論上應(yīng)該是油杯內(nèi)燃油減少量為0。在滿量程為200 g沒有消耗燃油的前提下，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并繪制曲線（圖9），可以觀察到數(shù)據(jù)點(diǎn)在0刻度線上下波動(dòng)。

進(jìn)行曲線擬合觀察，由于沒有燃油消耗，曲線擬合應(yīng)該是一條在0刻度線的直線，但是從曲線擬

合上可以觀察到直線存在微小的斜率（圖9-a）。通過長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)驗(yàn)證，燃油在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，其直線的斜率越小，當(dāng)最后油溫達(dá)到飽和后，其是斜率接近0的直線（圖9-b）?？梢?，燃油在油泵及管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，必然會(huì)造成油溫升高，經(jīng)過油管彎道或閥處等其他器件處燃油壓力低于空氣分離壓時(shí)，原來溶解燃油液中的空氣分離出來，形成氣泡，稱為氣穴。這種現(xiàn)象會(huì)改變?nèi)加驮谟捅械馁|(zhì)量，對(duì)油耗測(cè)量產(chǎn)生很大的困擾，從而導(dǎo)致測(cè)量產(chǎn)生誤差。為避免此現(xiàn)象，在測(cè)量過程中使燃油溫度達(dá)到飽和，同時(shí)盡量減少油耗儀到發(fā)動(dòng)機(jī)之間的供油管路，且供油管路采用了統(tǒng)一截面積的管道，接口處密封良好，避免了局部阻力過大。

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量

進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差的驗(yàn)證前，首先保證油耗儀各個(gè)進(jìn)回油管路充滿油，使油耗儀運(yùn)行一段時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架燃油消耗量的測(cè)量，是按照GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》執(zhí)行的，燃油消耗測(cè)量時(shí)間為20 s/次，燃油消耗量值相對(duì)誤差≤1%時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)有效。被測(cè)燃油從油耗儀流出，并在電子天平上進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，將被測(cè)燃油稱量的實(shí)際值與油耗儀的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，在不同測(cè)量值下多次驗(yàn)證對(duì)比，結(jié)果見表1，測(cè)量相對(duì)誤差已控制在±0.50%以內(nèi)。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架的壓力式連續(xù)測(cè)量油耗儀，該儀器采用了雙油杯切換計(jì)量方式，實(shí)現(xiàn)了稱質(zhì)量法油耗的連續(xù)計(jì)量，避免了傳統(tǒng)稱質(zhì)量油耗計(jì)須要充油等待、測(cè)試時(shí)間受限的問題。該油耗儀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架內(nèi)影響油耗測(cè)量結(jié)果精度的主要因素進(jìn)行了分析，并制定了相應(yīng)的解決措施，通過對(duì)系統(tǒng)誤差的系數(shù)修正、燃油在油杯內(nèi)擾動(dòng)的誤差分析、切換閥狀態(tài)和液壓系統(tǒng)以盡最大方式進(jìn)行優(yōu)化，可以很好地降低油耗測(cè)量系統(tǒng)各項(xiàng)誤差，為更精準(zhǔn)的油耗測(cè)量提供

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