基于失重法的汽车油耗检测仪器设计

摘 要随着我国汽车保有量的不断增加，汽油、柴油等非再生资源的逐渐减少，加之环境保护意识的逐渐加强，人们更加关心车辆油耗，要求限制车辆用油量的呼声越来越强。研制能快速、准确测量汽车在各种工况下油耗的仪器，已成为一项重要的课题。文中研制的智能型汽车油耗检测仪器，利用失重法原理，结合国内外发动机油耗智能测试技术的研究水平和发展趋势，采用传感器技术、单片机控制技术和显示技术。主要内容包括：根据油耗测试系统的功能要求，进行油耗检测系统硬件的设计与选择，建立了汽车油耗检测系统数学模型，进行了油耗检测系统软件模块的设计，同时提出了系统抗干扰的相关措施，包括软件和硬件两方面，分析了油耗检测系统所采用的理论的可行性，并进行了油耗检测系统的误差分析。智能油耗仪在单片机的控制下，通过传感器送来的信号，在控制软件的支持下，能对汽油机、柴油机在室内进行静态和动态油耗测试，能测量汽车的平均油耗和瞬时油耗。解决了国内油耗检测产品与国外相比测试精度相对较低、成本较高等问题。能对新生产车、营运车辆进行燃料经济性检测和评价，能满足科研院所、车辆制造、使用和维修单位、大专院校试验教学等需要，应用前景广阔。关键词：油耗；智能；单片机；检测；传感器of as s he on on of s by s，by of s t to of ey 摘要第1章绪论言内外智能油耗检测仪研究现状及发展趋势内外智能油耗检测仪研究现状能油耗检测仪发展趋势能油耗检测仪研究目的和意义车油耗检测技术文主要研究内容5第2章检测系统总体分析统主要功能要求量原理件在油路中的布置耗测量部分组成章小结8第3章智能油耗检测仪中硬件的选择与匹配前常用油耗检测方法分析用油耗检测方法分类用油耗测量原理介绍量传感器的选择量传感器分类量传感器主要功能及选择原则量传感器的选择量检测数学模型的建立片机的选择片机硬件系统设计原则片机的选择原则片机型号的匹配示器的选择印机的选择与匹配印机的选择口电路制面板的设计他主要元器件的原则与匹配序存储器的选择据存储器的选择外扩展I/讯接口的选择历与时钟芯片的选择控芯片的选择源的选择磁阀的选择章小结32第4章智能油耗检测系统软件设计件系统设计方案片机的 件系统功能结构件系统主程序流程图始化模块号采集模块据处理模块控程序模块统可靠性设计靠性概述件抗干扰技术件抗干扰技术章小结42第5章机械部分设计耗仪外部的设计体材料的选择形尺寸的确定口设计部主要部件的安装章小结47第6章试验验证与误差分析验和数据验的目的和意义验前的准备验步骤验数据差分析述差的来源差的分类车油耗智能检测系统的误差分析章小结52结论53参考文献54致谢国石油需求量，际能源机构（速度增长，到2020年市场份额将大幅增加，年消费量可达5亿吨以上。国家计委产业经济研究所预测，到2050年，前全国可供开采的石油资源量预测为 160亿吨 ，每年增长5%以上，此估算，中国石油储量可持续开采60到65年。据中国石油天然气集团公司对我国石油供需平衡的预测分析，国内原油的自给率将从2000年的82% 降低到2020年的60%，据国际能源机构（测，中国石油产量从2010年之后开始下降，以上，成为世界石油市场的主要进口国。从当前我国的科技水平来看，汽车燃料的主要来源还要依靠石油能源中的提取物:汽油和柴油。我国目前车用汽油约占汽油总消耗量的85%，车用柴油占柴油总消耗量的20%。随着国民经济的发展，以及汽车进入家庭速度的加快，我国能源供求矛盾将更加突出。中国对石油需求急剧上升的最重要原因是运输业的需求，目前运输业对石油的消耗量已经攀升到40%。在汽车运输成本中，燃油消耗费用占较大比重，约为20%30%。此外，本着控制能源消耗的目的，我国己经制定征收汽车燃油税的方案，并将择机在全国公布推行。所以汽车燃油经济性就和汽车运输成本和经济效益息息相关。因此，汽车的燃油经济性好，不但可以节省石油资源，减少国家对进口石油的依赖;同时也降低发动机产生的二氧化碳(温室效应主要气体)的排放量，起到防止地球变暖的作用;对汽车用户而言也降低了汽车的使用费用。石油能源短缺的严峻形势以及它给人们生活带来的各种影响，迫使人们开始关注汽车燃油经济性，因而对汽车进行燃油经济性的检测评价具有重要意义。另一方面随着汽车制造和检测技术的进步，汽车检测行业也不断地发展壮大，在汽车维修、生产和管理部门动态监测汽车技术状况方面发挥着重要作用。国家质检总局、国家标准委于2005年11月联合颁布的我国第一个强制性汽车产品油耗国家标准乘用车燃料消耗量限值已于2006年7月1日正式执行。根据限值有关规定，在按照汽车整车装备质量进行划定的等级范围内，各类车辆都必须达到相应的燃料消耗量标准。随着我国汽车保有量的逐年增加，石油消耗日益增长，石油能源短缺迫使人们关注汽车燃料经济性及检测手段的准确性。汽车的燃料经济性一般是用汽车燃油消耗量来评价。汽车燃油消耗量是在用汽车技术状况与车辆维修质量综合性能的体现，也是诊断和分析汽车故障的重要参考，同时也对汽车的设计制造具有重要的意义。汽车燃油经济性的检测重视较晚，到1991年10月1日交通部才颁布实施涉及车辆燃油消耗检测的法规汽车运输业综合性能检测站管理办法，规定采用的测量方法为容积法和重量法。汽车油耗检测可通过汽车道路试验，也可在室内底盘测功试验台上模拟路试来检测。在汽车道路试验中，一般汽油车常用容积法测量油耗，柴油车常用质量法测量油耗。目前的油耗仪多为体积式的，14型活塞式流量传感器、祸轮流量仪、数字式油耗转速自动测量及四活塞式流量计仪等。随着计算机技术的不断发展，硬件性能的不断提高，虚拟实验技术也开始用来进行车辆经济性方面的研究。虚拟实验系统的类型可分为纯软件型和硬件在环型。纯软件型系统仅利用软件完成整个系统仿真，它把实验环境、实验对象全部抽象为数学模型。其重点在于抽象的数学模型和软件技术；硬件在环型系统是指将实物硬件嵌入仿真系统的实时动态仿真技术，其强调软硬件技术及电子技术的结合，获取的一些关键信号由真实硬件发出，比纯软件方式可信度高。研究开发的智能油耗检测仪既要能用于汽车发动机在不同工况时的油耗数据的测量。及车辆行驶的等速油耗、加速油耗、变工况油耗及百公里油耗测试，尤其是瞬时油耗测试的智能型快速检测仪器；同时还要将先进的智能传感器技术和智能仪表技术应用于液体流量检测与显示，集机、电、液于一体，提高检测与显示精度和检测的自动化程度，满足生产实际的需要。目前逐步投入市场的代表性的产品有以下几种：国产于汽车动力性能和经济性能的测试，采用两个流量传感器，可进行电喷车的等速油耗、加速油耗、六工况油耗、百公里油耗测试；淄博无线电厂生产的型微电脑多功能油耗仪，用于检测汽车、拖拉机的动力性能、经济性能、操纵性能及拖拉机牵引性能。测试项目采用菜单操作，系统内置40列微型打印机，可将测试结果及测试数据打印出来；型发动机功率、油耗综合测试仪。该产品采用无外载测功法，配接转速和油耗传感器，用来测量发动机功率、比油率、百公里油耗、怠速转速、机油压力、异响控制软件在作简便，测量数据可进行存储和打印，并具有联机通讯功能。重视环保与节能。其车辆油耗检测技术较先进，投入的人力和财力也较多，并大量采用了传感技术和微电脑技术，正在大力研发智能型油耗检测装置，其功能、测试项目、精度、显示方式都在不断发展与完善之中，成本逐渐趋向合理。美国、日本等发达国家在70年代中期就对基于碳平衡法理论的汽车油耗检测系统进行了大量的研究，并取得了一些成果及试验数据，结果表明，该方法测汽车油耗完全可行，并且可以在检测汽车尾气排放的同时进行，但该检测系统设备庞大、复杂，而且无法实现快速检测。采用这种检测系统进行油耗量检测仅局限于实验室中，难以在实际中广泛应用。日本小野公司的小油量分辨率为20Lh；美国量范围可从1L/应时间为200度可达01；奥地利的油量25架试验测量范围为O150kgh，尽管该油耗仪可进行动态测试，但仍是静态燃油测量秤的改进，动态响应时间大于2001。克服传统设计的缺陷，提高仪器的功能和检测效率，大幅度降低仪器成本，是实现汽车油耗高精度、低成本检测的一个发展趋势7。国汽车行业发展迅速，汽车有保有量大幅增加。随着近几年我国经济的快速发展和国民生活水平的快速提高，汽车行业发展迅速，汽车的产销量和保有量都大幅增加，据中国汽车工业协会统计，2010年国内汽车产销量分别达1826万和1806万辆，汽车保有量突破7000万辆，随着汽车走进千家万户，一系列问题也日益凸显。能源是发展生产和提高生活水平的物质基础，汽车主要能源是石油产品中的汽油和柴油。而作为汽车用油来源的石油，其储量是有限的，2010年，我国石油产量为20301万吨，全年石油消耗量的45%，当年我国石油对外依存度为55%。随着我国汽车保有量的逐年增加，石油消耗日益增长，石油能源短缺迫使人们关注汽车燃料经济性及检测手段的准确性。要达到节约用油，降低能耗的目的，除广泛采用新材料、新工艺提高汽车性能外，主要应加强管理和监督。（1）制定法规，限制新生产汽车的燃油消耗量。70 年代能源危机后，各国纷纷制定本国的汽车油耗法规，强制性地降低新生产汽车的油耗指标。如美国近十年来汽车油耗平均每年下降2%，要求1985 00002）加强对在用车的检查和管理。对在用车辆进行定期的技术状况、经济状况检查，以便及时对技术状况差的车辆进行维护修理。对于维修后仍不能达到要求的，强制报废。为缩小与发达国家的差距，我国已经制订了汽车技术等级评定标准、汽车技术等级评定的检测办法，将燃油消耗列为评定汽车经济性的重要指标；1991 年10月颁布的交通部29号令汽车运输车辆综合性能检测站管理办法也规定，所有从事汽车运输车辆综合性能检测的A、B、应具备燃油消耗量检测的能力，这更加体现了对车辆经济性指标的重视。车经济性备受关注。作为汽车的主要性能之一，准确、迅速地对汽车燃油消耗量进行检测并作出评价，这是非常关键的。国家有关标准中规定的燃油经济性的评定使用的是油耗计测定方法。目前国内常用的发动机油耗测量方法还是油耗仪测量方法，这些油耗测量仪表种类繁多，使用方法和测量精度也各有优劣。传统的油耗计对于化油器的汽油机燃油消耗的测量较为单一，但是，随着汽车排放法规的日趋严格和汽车电子技术的长足进步，汽油机的化油器已逐渐被电控燃油喷射系统(取代，汽车的燃油经济性测量的对象已全部变成了电控喷射发动机。电控喷射发动机由于需要处理多余燃油的回流问题，使其对油耗的测量变得复杂。所以，相关的测量方法和仪器的研究受到了更多的关注。目前测定燃料消耗率(简称耗油率)的方法通常有容积法、重量法、流量计法和流速计法等。常规的容积法和重量法的测量精度较高,但不能测量瞬时耗油率,只适用于内燃机稳定工况下燃油消耗率的测定。流量计法和流速计法可以测量瞬时耗油率,但由于单位时间燃油的流量很小,因此测量精度较低。测量内燃机各工况下的耗油率不仅可以判断其经济性,同时也有助于诊断燃油系统的缺陷和故障。因此，研发车辆油耗检测仪，提高油耗检测精度，扩大仪器测量范围，是实现油耗仪产品更新换代的要求，也是科学技术日益发展的需要。基于失重法的汽车油耗检测仪器能精确检测汽车油耗，可以对汽车的燃油经济性有一个正确的评价和预测，可为研制低油耗车提供依据；对营运车辆油耗检测评价，可为其维护、维修提供依据；对于维修企业，可用于判定维修质量；还可用于教学、研究单位进行其工作规律研究。汽车道路试验中，测量汽车油耗的方法，可归纳为两大类。(1)直接测量法，指拆开汽车发动机油路，接人流量测量设备，直接测得燃料消耗量。具体可分为两种：容积法：单位时间内消耗燃油体积；重量法：单位时间内消耗燃油重量。它们的共同特点是：测量精度较高；操作复杂、费时；破坏车辆原有油路结构。(2)间接测量法，即碳平衡法，不拆解发动机油路，利用汽油中的含碳量和燃烧后尾气排放的含碳量不变，只要测出单位时间内尾气含碳量与汽油中含碳量相比，即可计算得到燃油消耗量。这类测量方法的特点是：不需拆解被测车辆，适应汽车不解体检测的发展方向；可以和汽车排放检测相结合；油耗测量精度没有直接测量法高。少数几个大的科研单位虽然从国外引进了一些相关设备，由于所需设备庞大、昂贵而复杂、不可携带，还没有引起重视。此基础上，提出一种基于失重法的智能汽车油耗检测仪的设计，该检测仪能实现智能化油耗检测，同时满足汽油车和柴油车及各种工况下的检测要求，具有较高的测量精度，操作简单，测量数据直观可视等特点。主要内容包括：（1）介绍基于失重法的汽车油耗检测技术理论；分析汽车油耗不同检测方法的特点；（2）确定基于失重法的汽车油耗检测的控制原理；建立汽车油耗检测的数学模型；（3）确定总体设计方案，进行汽车油耗检测仪器的硬件选择与设计、系统控制电路设计、软件设计、可靠性设计和机械部分设计；（4）绘制装配图、控制电路图、零件图；（5）试验验证与误差分析。）本系统应能实现油耗的智能检测，应用先进的传感器技术，将采集到的信号输送到单片机，在软件系统的支持下，单片机完成对油耗的分析与处理，并通过显示器实现数据的直观性和可视化，采用控制面板实现人机交互功能，自带微型打印机打印检测结果。（2）能对汽油机、柴油机进行发动机台架试验。（3）具有较高的测量精度和可靠性。（4）该系统所采用的理论应具有可行性，通过试验加以验证。（5）具有较低成本。用数字信号处理手段，设计出一种新型的智能油耗检测仪，既能同时满足汽油车和柴油车的检测，又能适应各种工况，并且具有较高的精度和较低的成本。重法测量原理1封油箱固定于重量传感器之上,在测量时，重量传感器的输出电压与加在上面的压力成正比，即:)( fc （中：密封油箱的质量； 燃油的质量； m总质量；k测量常数； g重力加速度