發(fā)動機失重法智能油耗測試技術(shù)

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)國家發(fā)動機油耗測試采用了傳感技術(shù)和計算機控制技術(shù)，其測試功能逐漸增加，測試精度不斷提高。國內(nèi)發(fā)動機油耗測試主要采用普通油耗測試裝置，其測試項目單一，主要測試時間流量，顯示方法以指針式儀表為主，部分采用電路控制可實現(xiàn)電子顯示，測試精度較低，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試裝置的測試精度需進(jìn)一步提高，其成本尚需降低［1］。

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

我們研發(fā)的智能型油耗測試儀器采用傳感技術(shù)、計算機控制技術(shù)和先進(jìn)儀表技術(shù)，具有如下功能：能測試汽油機、柴油機的瞬時油耗和平均油耗；可推進(jìn)研發(fā)低油耗車，為貫徹實施強制性國家標(biāo)準(zhǔn)——《輕型商用車輛燃油消耗量限值》提供技術(shù)服務(wù)；對在用發(fā)動機油耗進(jìn)行測試評價，為其維護(hù)、維修提供依據(jù)，判定發(fā)動機維修質(zhì)量；可用于發(fā)動機供油系統(tǒng)工作規(guī)律研究。

1 發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)的組成和測試原理

1.1 測試系統(tǒng)概述

失重法發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)主要由壓差傳感器、單片機、電磁閥、測量油杯和油氣交換器等組成，如圖1所示。測量油杯垂直地固定在壓差傳感器的一端，用于存放油耗測試時供給發(fā)動機的燃油，使壓差傳感器能夠檢測到一定時間內(nèi)測量油杯中燃油質(zhì)量的變化；壓差傳感器的輸出信號通過屏蔽線送到單片機，單片機對來自壓差傳感器的電壓信號進(jìn)行處理，同時控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將測試系統(tǒng)切換為測試狀態(tài)及充油狀態(tài)；油氣交換器在測試和充油過程中進(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試要求；進(jìn)油口連接供油油箱，出油口連接發(fā)動機。

圖1 發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)工作狀態(tài)描述

圖2 所示為發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖2 發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)工作狀態(tài)

（1）測試狀態(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，測量油杯和出油口相通。當(dāng)測量油杯對發(fā)動機供油時，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)測量油杯內(nèi)的燃油下降到一定程度時，測試結(jié)束。

（2）非測試狀態(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)動機供油的同時，為測量油杯充油，無附加壓力損失。測量油杯、油氣交換器、供油油箱及連接油管組成一個連通器。由于油氣交換器較測量油杯位置高，燃油將進(jìn)入測量油杯以及油氣交換器下部的連接油管，測量油杯內(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，測量油杯內(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 測試原理［2-3］

測量油杯內(nèi)的燃油為待測燃油，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為測量油杯總質(zhì)量；A為測量油杯內(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)成油耗測試系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，由此能精確地測量規(guī)定時間內(nèi)的發(fā)動機平均油耗，還能實時輸出瞬態(tài)油耗數(shù)據(jù)，對油耗測試進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，為變工況發(fā)動機臺架試驗提供有效的油耗測試手段［5］。

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

式中，F(xiàn)為對質(zhì)量微分信號的各種處理，以減小測量誤差。

單片機按一定的采樣頻率離散地測量燃油質(zhì)量，提高采樣頻率，可提高測量的實時性，但會增加測量誤差，因為時間越短，Δm越小，甚至?xí)∮诎l(fā)動機的振動干擾產(chǎn)生的燃油質(zhì)量變化，同時測量電路的分辨率有限，實際上很難分辨燃油質(zhì)量的變化。因此，為保證測量精度，數(shù)據(jù)采樣周期應(yīng)不低于0．5s，同時采用最小二乘法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，以消除振動干擾，提高瞬時油耗的測量精度。

（2）平均油耗（Q）的測量。通常采用定時測量法和定量測量法，計算公式為

定時測量法將Δt預(yù)置為常數(shù)，測量該段時間內(nèi)消耗的Δm，即可計算出該段時間內(nèi)的平均油耗；定量測量法將Δm預(yù)置為常數(shù)，測量該過程所需的Δt，同樣可測得發(fā)動機的平均油耗。

測量時由于振動和干擾的影響，m1和m2會包含較大的隨機誤差，且兩次油耗測試在時間上不能重復(fù)，連續(xù)兩次測量所需的時間總大于2（t2－t1）。平均油耗基于連續(xù)的瞬時流量信號，即

式中，n為對瞬時油耗取平均的時間。

式（5）說明：求平均油耗時采用的質(zhì)量采樣值經(jīng)過數(shù)百個樣本進(jìn)行統(tǒng)計處理，因此其包含的隨機誤差約減小一個數(shù)量級；瞬時流量的采樣是連續(xù)的，能連續(xù)且實時得到平均油耗的測量結(jié)果。無論n如何變化，測試系統(tǒng)總是每秒輸出一次平均油耗測試結(jié)果。

（3）充油控制。為提高分辨率，測量油杯的容量不能太大，但儲油量過少，會使長時間試驗時出現(xiàn)供油不足，為此采用自動充油控制系統(tǒng)。單片機對測量油杯中的油量進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)油量低于規(guī)定值的下限（Fmin）時，單片機開啟電磁閥，對測量油杯進(jìn)行充油；當(dāng)油量達(dá)到規(guī)定值的上限（Fmax）時，單片機關(guān)閉電磁閥，停止充油。

在充油狀態(tài)時，壓差傳感器不能輸出計算質(zhì)量流量所需的信號，致使瞬態(tài)流量信號產(chǎn)生失落，失落時間的長短取決于充油時間。在信號失落階段，油耗測試程序采用數(shù)值差分對其進(jìn)行自動彌補，在充油開始后，測試程序停止測量平均油耗和瞬時油耗，待充油結(jié)束后重新開始測量，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的油耗。

2 發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)電路設(shè)計

發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)的測量電路以單片機為核心，主要包括單片機模塊、電壓測量模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、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)動機油耗測試系統(tǒng)電路原理圖

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

電壓測量模塊由壓差傳感器、信號放大電路及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的誤差，其輸出信號是一對共模信號，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中的共模成分，并用動態(tài)校零方法消除運放的失調(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，提高分辨率（12位），確保油耗測試精度。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%，零點溫度系數(shù)及靈敏度溫度系數(shù)為±0．20%，響應(yīng)時間小于1ms。采用國產(chǎn)的3CR3A型恒流電源對系統(tǒng)供電。

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

顯示模塊采用4位液晶顯示器，通過顯示器可實時顯示測試數(shù)據(jù)；打印模塊通過打印機接口外接微型打印機，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)，可實現(xiàn)人機交互功能；通過串行通訊接口RS232C可實現(xiàn)與其他計算設(shè)備的通訊，從而擴展系統(tǒng)功能。

3 程序設(shè)計

采用模塊化程序設(shè)計方法，將常用程序獨立化，便于程序調(diào)試，并節(jié)省大量程序存儲空間。發(fā)動機油耗測試程序流程［7－8］如圖4所示。

圖4 發(fā)動機油耗測試程序流程

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行自檢；進(jìn)行初始化，包括對硬件接口的初始化、讀取零點及增益標(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，得到測量油杯內(nèi)燃油對應(yīng)的A／D值，并引入讀取的零點及增益值計算出燃油的質(zhì)量。邏輯控制程序控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將系統(tǒng)切換為測試和非測試工作狀態(tài)。在測試狀態(tài)進(jìn)行平均油耗和瞬時油耗的測試。

系統(tǒng)軟件同時對油耗測試系統(tǒng)進(jìn)行自動標(biāo)定。通過控制面板將系統(tǒng)切換到標(biāo)定狀態(tài)，儀器開始運行自動標(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)行簡單操作，儀器可自動完成整個標(biāo)定過程。

為了減少或消除干擾，針對油耗測試系統(tǒng)，我們進(jìn)行了軟硬件的抗干擾設(shè)計［9］。硬件：進(jìn)行濾波和屏蔽；對搭鐵線（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；對系統(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，測試系統(tǒng)的非線性誤差低于6×10－4。

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

（3）溫度特性誤差。發(fā)動機油耗測試過程歷時較短，其間環(huán)境溫度不會有太大變化，測量起始時刻與結(jié)束時刻壓差傳感器輸出的電壓信號之差，抵銷了一個共同的零位值，使得溫度對壓差傳感器的影響可以忽略。

環(huán)境溫度變化會導(dǎo)致測量油杯內(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，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)測試，其溫漂低于5×10－4。

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

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

5 油耗測試系統(tǒng)的標(biāo)定

采用標(biāo)定設(shè)備AE163型分析天平對油耗測試系統(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，依次向測量油杯內(nèi)加入經(jīng)分析天平量取的燃油，記錄測試儀器顯示值，直到最大量程為止，計算油耗測試精度，結(jié)果如表1所示。

表1 油耗測試系統(tǒng)精度標(biāo)定

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

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

6 結(jié)束語

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

汽車燃料消耗量試驗方法規(guī)定：采用碳平衡法計算汽車油耗，其精度應(yīng)達(dá)到±5%；采用油耗儀檢測汽車油耗，其精度應(yīng)達(dá)到±2%。目前，市場上使用的電子油耗儀檢測精度都在1%以上，實際使用時該值往往更高，如碳平衡法檢測精度通常為4%，最高可達(dá)到2%；油耗儀檢測，超聲波法檢測精度為1%～1．5%，燃油噴射量累積法檢測精度為1%，容積式流量傳感器檢測法檢測精度為1．5%。與同類儀器相比，失重法智能油耗測試系統(tǒng)采用智能控制技術(shù)，改進(jìn)了測量方法和手段，提高了發(fā)動機油耗測試精度（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、柴油機在道路上或室內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或動態(tài)油耗測試，能極大地提高發(fā)動機臺架試驗的效率。具有便攜式特性，具有比試驗臺式油耗測試儀器使用方便、測試快速等特點；儀器結(jié)構(gòu)無精密元件，成本適中，隨著儀器批量生產(chǎn)，可進(jìn)一步降低成本，性價比會大幅提高；采用鍵盤結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了人機交互功能，操作簡便，可靠性高、維護(hù)方便。

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