基于超聲波技術(shù)的汽車油耗測(cè)試影響因素分析

齊 紅

(黑龍江省網(wǎng)絡(luò)空間研究中心，黑龍江 哈爾濱 150050)

1 汽車超聲波油耗測(cè)試數(shù)學(xué)模型

圖1 超聲波時(shí)差法汽車油耗測(cè)試原理

在燃油管路待測(cè)截面上平行地布置多條聲路，聲路速度為平行條帶內(nèi)的平均流速，根據(jù)條帶的權(quán)重系數(shù)(δi)，采用加權(quán)求和法計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)供油管路中的燃油流量(Q)。

(1)

式中：δi由規(guī)程PIC18和IEC41確定，針對(duì)Gauss-Jacobi積分方案

(2)

2 汽車超聲波油耗測(cè)試主要影響因素分析

2.1 溫度變化的影響

(1)溫度變化影響超聲波流量傳感器幾何尺寸

測(cè)試汽車油耗時(shí)，需保持超聲波流量傳感器接觸的被測(cè)管路表體的橫截面和超聲波換能器聲程不變，但溫度變化會(huì)引起管道橫截面積變化，當(dāng)管路內(nèi)徑有5%的誤差時(shí)，會(huì)引起0.1%～0.15%的測(cè)試誤差；溫度變化還會(huì)導(dǎo)致超聲波換能器聲程變化，使換能器出現(xiàn)定位誤差。為此，應(yīng)選熱脹冷縮效應(yīng)較差的換能器表體材料，并采用定量分析法對(duì)換能器殼體幾何尺寸進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

(2)溫度變化影響超聲波換能器最佳工作頻率

如圖2所示，溫度升高，換能器最佳工作頻率下降，溫度在-25～65 ℃范圍內(nèi)時(shí)，換能器最佳工作頻率與溫度變化呈線性關(guān)系，溫度超過(guò)65 ℃，最佳工作頻率明顯下降。換能器電壓峰值隨溫度上升，先升高然后下降，-25 ℃時(shí)，換能器最佳工作頻率約為208.5 kHz。隨著溫度上升，換能器最佳工作頻率相應(yīng)降低；當(dāng)溫度為65 ℃時(shí)，超聲波換能器最佳工作率頻率接近195 kHz，此時(shí)換能器電壓峰值最大。換能器工作在最佳工作頻率點(diǎn)附近，電壓幅值相對(duì)較高，超聲波換能器性能得到充分發(fā)揮。

圖2 溫度變化對(duì)換能器工作性能的影響

2.2 超聲波流量傳感器接收信號(hào)強(qiáng)度對(duì)稱性與均勻性分析

燃油在供油管路中以層流或紊流狀態(tài)流動(dòng)時(shí)，超聲波流量傳感器順流或逆流的接收信號(hào)強(qiáng)度存在非對(duì)稱性和非均勻性。

(1)層流狀態(tài)。超聲波順流傳播時(shí)，超聲波沿中心線和以一定角度傳播至接收面的時(shí)間差(Δtcs)為

(3)

超聲波逆流傳播時(shí)，超聲波沿中心線和以一定角度傳播至接收面的時(shí)間差(Δtcn)為

(4)

可見(jiàn)，Δtcs>Δtcn。

(2)紊流狀態(tài)。超聲波順流傳播時(shí)，超聲波沿中心線和以一定角度傳播至接收面的時(shí)間差(Δtws)為

(5)

超聲波逆流傳播時(shí)，超聲波沿中心線和以一定角度傳播至接收面的時(shí)間差(Δtwn)為

(6)

可見(jiàn)，Δtws>Δtwn。

無(wú)論超聲波傳輸方向與燃油流動(dòng)方向是否一致，超聲波至接收中心及其周邊的時(shí)間都存在差異，使超聲波流量傳感器接收能量不集中，接收信號(hào)強(qiáng)度不對(duì)稱和不均勻性，接收信號(hào)信噪比降低，影響收發(fā)信號(hào)處理。

改進(jìn)超聲波換能器壓電元件設(shè)計(jì)，將壓電元件和虛擬壓電元件組合使用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，改進(jìn)后接收信號(hào)的相對(duì)偏差由135%降至49%，接收信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)偏差由286%降至51%，有效地改進(jìn)了接收信號(hào)時(shí)間差與強(qiáng)度的對(duì)稱性和均勻性，提高信噪比，有助于提高汽車油耗測(cè)試精度，見(jiàn)圖3。

圖3 超聲波接收信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)比1為接收信號(hào)強(qiáng)度；2為接收信號(hào)時(shí)間差……改善前 ——改善后

2.3 超聲波順流、逆流歷經(jīng)時(shí)間測(cè)試誤差

設(shè)換能器A和換能器B從接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，到發(fā)射出超聲波信號(hào)的過(guò)程中引入額外時(shí)間分別為tfa和tfb；從超聲波到達(dá)換能器表面后傳遞出信號(hào)，給處理電路的轉(zhuǎn)換過(guò)程中引入的額外時(shí)間分別tca和tcb；信號(hào)處理過(guò)程中，信號(hào)在兩個(gè)電路通道延時(shí)而引入的額外時(shí)間分別為tya和tyb

(7)

(8)

時(shí)間差為

(9)

互換換能器位置，時(shí)間差為

(10)

可見(jiàn)，互換超聲波換能器，時(shí)間差不同，測(cè)量結(jié)果不同。

tya和tyb無(wú)法測(cè)量，采用對(duì)稱電路使tya和tyb盡可能相等；切換電路通道，將兩次測(cè)量結(jié)果相加，消除電路延遲影響。切換電路通道歷時(shí)極短，溫度不會(huì)驟變，tya和tyb變化可忽略，以此消除溫度變化導(dǎo)致的電路延遲。將靜態(tài)時(shí)測(cè)得的tfa和tfb、tca和tcb歸零，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試條件或互換換能器引起的誤差抵消。

2.4 燃油在供油管路中的流速分布

(11)

φ是供油管路中燃油雷諾數(shù)(Re)和管路壁面粗糙度(Ra)的函數(shù)。

光滑管的Prandtl方程

(12)

粗糙管的Colebrook方程

(13)

平均流速積分

(14)

(15)

層流狀態(tài)下，瞬時(shí)燃油流速和汽車油耗可直接求得；紊流狀態(tài)下，需要計(jì)算φ。燃油管路內(nèi)表面的粗糙度的變化范圍：0.5 μm≤Ra≤30 μm，計(jì)算φ、δq，如表1所示；過(guò)渡狀態(tài)下，需要采用插值法計(jì)算φ。

表1 δq和φ的關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

基于汽車超聲波油耗測(cè)試原理，構(gòu)建智能型汽車油耗測(cè)試數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行油耗測(cè)試影響因素分析。環(huán)境溫度改變，超聲波換能器最佳工作頻率改變，換能器工作在最佳工作頻率點(diǎn)附近，超聲波換能器性能得到充分發(fā)揮；超聲波流量傳感器結(jié)構(gòu)尺寸隨環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化，需要合理選擇材料，采用定量分析法進(jìn)行溫度補(bǔ)償；通過(guò)改變換能器結(jié)構(gòu)，可改善超聲波流量傳感器接收信號(hào)強(qiáng)度不均勻和不對(duì)稱特性；采取換能器互換、合理布線等措施，可消除超聲波順流和逆流歷經(jīng)時(shí)間測(cè)試存在的誤差；基于流體力學(xué)理論，引入流量修正系數(shù)，可消除燃油在供油管路中流速分布不均勻的影響。此外，檢測(cè)閾值、噪聲、供油管徑伸縮、燃油清潔度等因素，也會(huì)影響到汽車油耗測(cè)試精度，有待于進(jìn)一步分析與優(yōu)化。