付百學(xué) 胡勝海

1．哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱，150001 2．黑龍江工程學(xué)院，哈爾濱，150050

0 引言

汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試采用了傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，其測(cè)試功能逐漸增加，測(cè)試精度不斷提高。國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試主要采用普通油耗測(cè)試裝置，其測(cè)試項(xiàng)目單一，主要測(cè)試時(shí)間流量，顯示方法以指針式儀表為主，部分采用電路控制可實(shí)現(xiàn)電子顯示，測(cè)試精度較低，使用、維護(hù)不方便，可靠性不理想。相關(guān)單位研制出的電子油耗測(cè)試裝置的測(cè)試精度需進(jìn)一步提高，其成本尚需降低［1］。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)多屬于穩(wěn)態(tài)工況，沿用傳統(tǒng)的質(zhì)量法或體積法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，測(cè)試精度較高，但不能測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試向動(dòng)態(tài)方向發(fā)展，如在研究發(fā)動(dòng)機(jī)非穩(wěn)定的過渡工況特性時(shí)，需要確定空燃比如何變化，從而預(yù)測(cè)過渡工況的排放性能，此時(shí)需要測(cè)定瞬時(shí)油耗；流量計(jì)法和流速計(jì)法可以測(cè)量瞬時(shí)油耗，但由于單位時(shí)間的燃油流量很小，測(cè)試精度較低。因此，迫切需要研制高精度、高分辨率和響應(yīng)快的油耗測(cè)量系統(tǒng)。

我們研發(fā)的智能型油耗測(cè)試儀器采用傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和先進(jìn)儀表技術(shù)，具有如下功能：能測(cè)試汽油機(jī)、柴油機(jī)的瞬時(shí)油耗和平均油耗；可推進(jìn)研發(fā)低油耗車，為貫徹實(shí)施強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——《輕型商用車輛燃油消耗量限值》提供技術(shù)服務(wù)；對(duì)在用發(fā)動(dòng)機(jī)油耗進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，為其維護(hù)、維修提供依據(jù)，判定發(fā)動(dòng)機(jī)維修質(zhì)量；可用于發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)工作規(guī)律研究。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)的組成和測(cè)試原理

1.1 測(cè)試系統(tǒng)概述

失重法發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)主要由壓差傳感器、單片機(jī)、電磁閥、測(cè)量油杯和油氣交換器等組成，如圖1所示。測(cè)量油杯垂直地固定在壓差傳感器的一端，用于存放油耗測(cè)試時(shí)供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油，使壓差傳感器能夠檢測(cè)到一定時(shí)間內(nèi)測(cè)量油杯中燃油質(zhì)量的變化；壓差傳感器的輸出信號(hào)通過屏蔽線送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)來(lái)自壓差傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將測(cè)試系統(tǒng)切換為測(cè)試狀態(tài)及充油狀態(tài)；油氣交換器在測(cè)試和充油過程中進(jìn)行油氣交換；放氣閥用于調(diào)整油氣交換器中的空氣量，以便在油氣交換過程中滿足測(cè)試要求；進(jìn)油口連接供油油箱，出油口連接發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)工作狀態(tài)描述

圖2 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)

（1）測(cè)試狀態(tài)。電磁閥通電，處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)油口和油氣交換器相通，測(cè)量油杯和出油口相通。當(dāng)測(cè)量油杯對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油時(shí)，其油面下降（處于失重狀態(tài)），油氣交換器內(nèi)的部分空氣進(jìn)入測(cè)量油杯，油氣交換器內(nèi)空氣減少，一部分燃油由進(jìn)油管進(jìn)入油氣交換器。當(dāng)測(cè)量油杯內(nèi)的燃油下降到一定程度時(shí)，測(cè)試結(jié)束。

（2）非測(cè)試狀態(tài)，即充油狀態(tài)。電磁閥不通電，處于開啟狀態(tài)，燃油經(jīng)電磁閥直接向發(fā)動(dòng)機(jī)供油的同時(shí)，為測(cè)量油杯充油，無(wú)附加壓力損失。測(cè)量油杯、油氣交換器、供油油箱及連接油管組成一個(gè)連通器。由于油氣交換器較測(cè)量油杯位置高，燃油將進(jìn)入測(cè)量油杯以及油氣交換器下部的連接油管，測(cè)量油杯內(nèi)的部分空氣進(jìn)入油氣交換器。由于系統(tǒng)整體密封，內(nèi)部空氣在油箱壓力的作用下被壓縮。當(dāng)達(dá)到壓力平衡時(shí)，測(cè)量油杯內(nèi)以及油氣交換器下部的連接油管充有一定量的燃油，其上部充滿壓縮空氣。

1.3 測(cè)試原理［2-3］

測(cè)量油杯內(nèi)的燃油為待測(cè)燃油，其底部分別與出油管和壓差傳感器連接。由流體靜力學(xué)原理可知，質(zhì)量與壓力的關(guān)系為

式中，m為測(cè)量油杯總質(zhì)量；A為測(cè)量油杯內(nèi)孔截面積；p為燃油壓力；g為重力加速度。

式中，k為儀表系數(shù)。

可見，壓差傳感器輸出電壓信號(hào)的導(dǎo)數(shù)與油耗的質(zhì)量流量成正比［4］。

該關(guān)系式構(gòu)成油耗測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，由此能精確地測(cè)量規(guī)定時(shí)間內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)平均油耗，還能實(shí)時(shí)輸出瞬態(tài)油耗數(shù)據(jù)，對(duì)油耗測(cè)試進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為變工況發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)提供有效的油耗測(cè)試手段［5］。

（1）瞬時(shí)油耗（Qt）的測(cè)量。測(cè)試過程中，質(zhì)量微分由數(shù)字化后的質(zhì)量數(shù)值差分實(shí)現(xiàn)。由于量化誤差以及其他隨機(jī)干擾，直接數(shù)值差分的信噪比非常低，由信號(hào)和噪聲的特征建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用該模型對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行處理，得到瞬態(tài)的燃油流量信號(hào)，即儀表輸出的瞬時(shí)油耗。瞬時(shí)油耗和質(zhì)量微分的關(guān)系式為

式中，F(xiàn)為對(duì)質(zhì)量微分信號(hào)的各種處理，以減小測(cè)量誤差。

單片機(jī)按一定的采樣頻率離散地測(cè)量燃油質(zhì)量，提高采樣頻率，可提高測(cè)量的實(shí)時(shí)性，但會(huì)增加測(cè)量誤差，因?yàn)闀r(shí)間越短，Δm越小，甚至?xí)∮诎l(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)干擾產(chǎn)生的燃油質(zhì)量變化，同時(shí)測(cè)量電路的分辨率有限，實(shí)際上很難分辨燃油質(zhì)量的變化。因此，為保證測(cè)量精度，數(shù)據(jù)采樣周期應(yīng)不低于0．5s，同時(shí)采用最小二乘法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以消除振動(dòng)干擾，提高瞬時(shí)油耗的測(cè)量精度。

（2）平均油耗（Q）的測(cè)量。通常采用定時(shí)測(cè)量法和定量測(cè)量法，計(jì)算公式為

定時(shí)測(cè)量法將Δt預(yù)置為常數(shù)，測(cè)量該段時(shí)間內(nèi)消耗的Δm，即可計(jì)算出該段時(shí)間內(nèi)的平均油耗；定量測(cè)量法將Δm預(yù)置為常數(shù)，測(cè)量該過程所需的Δt，同樣可測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)的平均油耗。

測(cè)量時(shí)由于振動(dòng)和干擾的影響，m1和m2會(huì)包含較大的隨機(jī)誤差，且兩次油耗測(cè)試在時(shí)間上不能重復(fù)，連續(xù)兩次測(cè)量所需的時(shí)間總大于2（t2－t1）。平均油耗基于連續(xù)的瞬時(shí)流量信號(hào)，即

式中，n為對(duì)瞬時(shí)油耗取平均的時(shí)間。

式（5）說明：求平均油耗時(shí)采用的質(zhì)量采樣值經(jīng)過數(shù)百個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，因此其包含的隨機(jī)誤差約減小一個(gè)數(shù)量級(jí)；瞬時(shí)流量的采樣是連續(xù)的，能連續(xù)且實(shí)時(shí)得到平均油耗的測(cè)量結(jié)果。無(wú)論n如何變化，測(cè)試系統(tǒng)總是每秒輸出一次平均油耗測(cè)試結(jié)果。

（3）充油控制。為提高分辨率，測(cè)量油杯的容量不能太大，但儲(chǔ)油量過少，會(huì)使長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)供油不足，為此采用自動(dòng)充油控制系統(tǒng)。單片機(jī)對(duì)測(cè)量油杯中的油量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)油量低于規(guī)定值的下限（Fmin）時(shí)，單片機(jī)開啟電磁閥，對(duì)測(cè)量油杯進(jìn)行充油；當(dāng)油量達(dá)到規(guī)定值的上限（Fmax）時(shí)，單片機(jī)關(guān)閉電磁閥，停止充油。

在充油狀態(tài)時(shí)，壓差傳感器不能輸出計(jì)算質(zhì)量流量所需的信號(hào)，致使瞬態(tài)流量信號(hào)產(chǎn)生失落，失落時(shí)間的長(zhǎng)短取決于充油時(shí)間。在信號(hào)失落階段，油耗測(cè)試程序采用數(shù)值差分對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)彌補(bǔ)，在充油開始后，測(cè)試程序停止測(cè)量平均油耗和瞬時(shí)油耗，待充油結(jié)束后重新開始測(cè)量，然后利用充油前后的油耗變化關(guān)系，采用數(shù)值差分法求取充油階段各點(diǎn)的油耗。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量電路以單片機(jī)為核心，主要包括單片機(jī)模塊、電壓測(cè)量模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、鍵盤模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、打印模塊和顯示模塊等，如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)電路原理圖

單片機(jī)模塊由單片機(jī)（AT89C55）、地址鎖存器（74HC573）、程序存儲(chǔ)器（27C512）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（HM6264）組成。AT89C55含有4KB閃爍存儲(chǔ)器的8位CMOS，時(shí)鐘頻率高達(dá)20MHz，閃爍存儲(chǔ)器允許在線電擦除、電寫入或使用通用編程器對(duì)其重復(fù)編程，其功耗低、性能好，主要完成數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、顯示、打印及通訊等功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用非易失性RAM，能長(zhǎng)期保存測(cè)量數(shù)據(jù)。

電壓測(cè)量模塊由壓差傳感器、信號(hào)放大電路及A／D轉(zhuǎn)換電路組成［6］。壓差傳感器能消除由于海拔高度不同帶來(lái)的誤差，其輸出信號(hào)是一對(duì)共模信號(hào)，電壓差非常小，通常只有幾毫伏，采用高精度集成放大器ICL7650，用差分輸入放大方式消除信號(hào)中的共模成分，并用動(dòng)態(tài)校零方法消除運(yùn)放的失調(diào)和溫漂。采用雙積分型的ICL7109 A／D轉(zhuǎn)換器，以積分方式消除干擾信號(hào)，提高分辨率（12位），確保油耗測(cè)試精度。AM5302DC恒流型差壓傳感器的線性度、滿量程溫度滯后、重復(fù)性等均為±0．05%，零點(diǎn)溫度系數(shù)及靈敏度溫度系數(shù)為±0．20%，響應(yīng)時(shí)間小于1ms。采用國(guó)產(chǎn)的3CR3A型恒流電源對(duì)系統(tǒng)供電。

為提高整個(gè)瞬態(tài)油耗測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，選用B14DK1030型高速電磁閥，其開啟時(shí)間小于8ms，關(guān)閉時(shí)間小于4ms。在電磁閥和D／A之間用固態(tài)繼電器WJ1A3SA連接，固態(tài)繼電器的開閉時(shí)間小于200μs。

顯示模塊采用4位液晶顯示器，通過顯示器可實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)；打印模塊通過打印機(jī)接口外接微型打印機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)打印輸出；鍵盤模塊采用3×3行列掃描式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；通過串行通訊接口RS232C可實(shí)現(xiàn)與其他計(jì)算設(shè)備的通訊，從而擴(kuò)展系統(tǒng)功能。

3 程序設(shè)計(jì)

采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將常用程序獨(dú)立化，便于程序調(diào)試，并節(jié)省大量程序存儲(chǔ)空間。發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試程序流程［7－8］如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試程序流程

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行自檢；進(jìn)行初始化，包括對(duì)硬件接口的初始化、讀取零點(diǎn)及增益標(biāo)定參數(shù)；初始化完成后，通過控制程控放大器及A／D轉(zhuǎn)換器采集傳感器輸出的電壓信號(hào)，得到測(cè)量油杯內(nèi)燃油對(duì)應(yīng)的A／D值，并引入讀取的零點(diǎn)及增益值計(jì)算出燃油的質(zhì)量。邏輯控制程序控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將系統(tǒng)切換為測(cè)試和非測(cè)試工作狀態(tài)。在測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行平均油耗和瞬時(shí)油耗的測(cè)試。

系統(tǒng)軟件同時(shí)對(duì)油耗測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定。通過控制面板將系統(tǒng)切換到標(biāo)定狀態(tài)，儀器開始運(yùn)行自動(dòng)標(biāo)定程序，操作人員按照操作面板的數(shù)碼及發(fā)光指示進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，儀器可自動(dòng)完成整個(gè)標(biāo)定過程。

為了減少或消除干擾，針對(duì)油耗測(cè)試系統(tǒng)，我們進(jìn)行了軟硬件的抗干擾設(shè)計(jì)［9］。硬件：進(jìn)行濾波和屏蔽；對(duì)搭鐵線（交流搭鐵、屏蔽搭鐵、數(shù)字搭鐵和模擬搭鐵等）進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)；對(duì)系統(tǒng)輸入、輸出通道進(jìn)行光電隔離和屏蔽；在電磁閥的電源兩端加裝瞬變電壓抑制器TVP（transient voltage suppressor）和屏蔽罩。軟件：主要采用數(shù)字濾波、設(shè)置跟蹤定時(shí)器和設(shè)置軟件陷阱等措施。

4 系統(tǒng)理論誤差分析

油耗測(cè)試系統(tǒng)誤差主要包括非線性誤差、重復(fù)性誤差、溫度特性誤差和幾何量誤差等［10］。

（1）非線性誤差。主要由壓差傳感器和二次儀表引起，當(dāng)壓差傳感器線性度為5×10－4，二次儀表線性度小于10－4時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的非線性誤差低于6×10－4。

（2）重復(fù)性誤差。主要來(lái)源于壓差傳感器本身，且具有隨機(jī)性。壓差傳感器重復(fù)性誤差為5×10－4。

（3）溫度特性誤差。發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試過程歷時(shí)較短，其間環(huán)境溫度不會(huì)有太大變化，測(cè)量起始時(shí)刻與結(jié)束時(shí)刻壓差傳感器輸出的電壓信號(hào)之差，抵銷了一個(gè)共同的零位值，使得溫度對(duì)壓差傳感器的影響可以忽略。

環(huán)境溫度變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量油杯內(nèi)孔幾何參數(shù)變化，從而產(chǎn)生誤差。材料的線膨脹系數(shù)是產(chǎn)生該誤差的主要因素，盡量選用線膨脹系數(shù)小的材料，如材料選用鋼，當(dāng)環(huán)境溫度變化20℃時(shí)，其誤差低于5．6×10－4。二次儀表采用低漂移線性集成電路作為放大器和A／D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)測(cè)試，其溫漂低于5×10－4。

（4）幾何量誤差。在進(jìn)行油耗測(cè)試原理分析時(shí)，假定測(cè)量油杯內(nèi)孔截面積為常量。若該面積為公差范圍內(nèi)的變數(shù)，則會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，在機(jī)械加工中控制公差帶是減小誤差的有效措施。同時(shí)加大測(cè)量油杯內(nèi)孔直徑也可減小誤差，但會(huì)導(dǎo)致燃油壓力減小，降低測(cè)量靈敏度。兼顧精度和靈敏度，盡量加大測(cè)量油杯內(nèi)孔直徑，以提高整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試精度，選擇測(cè)量油杯內(nèi)孔直徑為10mm，圓柱度為5×10－3mm，則其誤差低于10－3。

對(duì)上述各類誤差進(jìn)行綜合分析，得到油耗測(cè)試精度為2．76×10－3。

5 油耗測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定

采用標(biāo)定設(shè)備AE163型分析天平對(duì)油耗測(cè)試系統(tǒng)精度進(jìn)行標(biāo)定，該天平最小感量為10－6g，并有多量程可供選擇。標(biāo)定時(shí)，依次向測(cè)量油杯內(nèi)加入經(jīng)分析天平量取的燃油，記錄測(cè)試儀器顯示值，直到最大量程為止，計(jì)算油耗測(cè)試精度，結(jié)果如表1所示。

表1 油耗測(cè)試系統(tǒng)精度標(biāo)定

多次重復(fù)測(cè)量表明，油耗測(cè)試系統(tǒng)的相對(duì)誤差在±0．13%內(nèi)。

通過對(duì)瞬態(tài)油耗測(cè)試系統(tǒng)的理論精度分析和實(shí)際標(biāo)定表明，瞬態(tài)油耗測(cè)試系統(tǒng)的誤差可控制在±0．4%以內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)平均油耗的測(cè)試精度，相對(duì)瞬時(shí)油耗測(cè)試還要高一些。

6 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)采用全封閉式油路，測(cè)量油杯的壓力始終與供油油箱壓力相同，無(wú)供油壓力損失，油耗測(cè)試儀器可放在高于或低于發(fā)動(dòng)機(jī)的任何位置；能防止測(cè)量油杯溢油和發(fā)動(dòng)機(jī)油路“進(jìn)氣”，同時(shí)可避免因燃油中斷使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。儀器采用常開式兩位電磁閥，在非測(cè)試狀態(tài)下，電磁閥無(wú)需通電，工作壽命長(zhǎng)、可靠性高。零點(diǎn)與增益由軟件自動(dòng)標(biāo)定，無(wú)須人為調(diào)整。

汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法規(guī)定：采用碳平衡法計(jì)算汽車油耗，其精度應(yīng)達(dá)到±5%；采用油耗儀檢測(cè)汽車油耗，其精度應(yīng)達(dá)到±2%。目前，市場(chǎng)上使用的電子油耗儀檢測(cè)精度都在1%以上，實(shí)際使用時(shí)該值往往更高，如碳平衡法檢測(cè)精度通常為4%，最高可達(dá)到2%；油耗儀檢測(cè)，超聲波法檢測(cè)精度為1%～1．5%，燃油噴射量累積法檢測(cè)精度為1%，容積式流量傳感器檢測(cè)法檢測(cè)精度為1．5%。與同類儀器相比，失重法智能油耗測(cè)試系統(tǒng)采用智能控制技術(shù)，改進(jìn)了測(cè)量方法和手段，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試精度（達(dá)到0．4%）；系統(tǒng)分辨率可達(dá)到0．005g；應(yīng)用范圍廣，可用于汽油機(jī)、柴油機(jī)在道路上或室內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)油耗測(cè)試，能極大地提高發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的效率。具有便攜式特性，具有比試驗(yàn)臺(tái)式油耗測(cè)試儀器使用方便、測(cè)試快速等特點(diǎn)；儀器結(jié)構(gòu)無(wú)精密元件，成本適中，隨著儀器批量生產(chǎn)，可進(jìn)一步降低成本，性價(jià)比會(huì)大幅提高；采用鍵盤結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，操作簡(jiǎn)便，可靠性高、維護(hù)方便。

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