（通信与信息系统专业论文）基于碳平衡原理的汽车油耗检测仪的设计.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 汽车检测行业近十年来随着汽车制造技术和检测技术的进步，不断发展壮大， 在汽车维修生产和管理部门动态检测汽车技术状况方面发挥着极其重要的作用。鉴 于汽车检测的重大意义，车辆全自动室内检测的日益推广，汽车不解体检测越来越 受到青睐。寻求开发新的汽车燃油耗检测仪以适应社会发展的需要，是摆在广大科 技工作者面前的一项重大课题。有关资料表明，利用碳平衡法建立一套系统测量汽 车发动机燃油消耗量能缩短检测时间、减小对车辆的损害，提高车辆的检测速度。 本文通过对尾气中的c o 、c n 、胍及其容积排放的分析，得到排气中单位 里程( 或时间) 内的碳元素量，再与所用汽油中碳元素含量相比而间接得出汽车燃 油消耗量的方法，即碳平衡法。而依据碳平衡法建立的油耗快速检测系统在测量车 辆耗油量上可实现不解体检测。以碳平衡原理为理论依据，运用单片机和传感器技 术，以r s 2 3 2 为通信方式，建立了车辆快速油耗检测仪的模型。针对试验系统的需 要对汽油燃烧、含碳量以及干燥尾气总量做了分析，确定了计算方法。 介绍了国内外汽车油耗检测装置的情况，分析了传统油耗检测技术的一些不足 之处，并提出了一种解决所存在问题的新型检测技术一汽车油耗快速检测系统。 针对传统油耗装置的不足之处，从硬件设计、软件设计、测试原理、测试方法、测 试结果等方面详细介绍了本实验系统。文中所建立的车辆油耗快速检测系统，在尾 气分析及测量手段快速发展的有利条件下，本着为追求其实用性宁可降低精度要求 的原则，在利用较简单测量设备的基础上开发一种油耗快速检测仪的可行性及实用 性作了大量的试验研究，可以实现车辆的不解体检测，具有推广应用前景。 另外，本文对试验系统的测量与计算误差进行分析，并且进行了试验系统的可 行性与适用性试验。结果表明系统性能稳定，能较精确和稳定地反映试验数据，是 依据碳平衡法测量油耗的有效方法。论文还详细研究了试验的步骤和试验中需要注 意的问题。提出了改进测量精度的几个方案，包括系统理论模型的修正、温度测量 的修正、压力传感器的温度补偿、软件数字滤波。 论文最后是对油耗检测仪的展望，提出了一些建议。 关键词：油耗碳平衡原理传感器p i c l 6 f 8 7 7 a 串行通信 武汉理工大学硕：匕学位论文 a b s t r a c t t h ed e t e c t i n gi n d u s t r yo fa u t o m o b i l ei sd e v e l o p e da l o n gw i t ht h ea d v a n c eo f m a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya n dd e t e c t i n gt e c h n o l o g yi nad e c a d e i tp l a y sm o s ti m p o r t a n t r o l ea td y n a m i cd e t e c t i n gt h ea u t o m o b i l et e c h n i q u es t a t u sf o ra u t o m o b i l es e r v i c ea n d m a n a g ed e p a r t m e n t w h e r e a st h ei m p o r t a n te f f e c t so fa u t o m o b i l ee x a m i n ea n dt h e i n c r e a s i n g l ys p r e a do fv e h i c l ef u l l - a u t o m a t i s mc h a m b e rd e t e c t i n ga u t o m o b i l e ，d e t e c t i n g w i t h o u td i s a s s e m b l i n gh a sb e e nm o r ea n dm o r ea t t a c h e di m p o r t a n c et o i ti sai m p o r t a n t t a s kf o ra l lt e c h n i c i a n st h a ts e e k i n gq u i c k l y d e t e c t i n gt e c h n i q u eo ft h ev e h i c l ef u e l c o n s u m p t i o n f o rr e d u c e st h ed a m a g eo fv e h i c l e i nt h i sa r t i c l e ，w eh a v ea n a l y z e dv o l u m eo fc o 、c 0 2 、h ci nv e h i c l ee m i s s i o n ，a n d g a i n e dq u a n t i t yo fc i nt h ee m i s s i o nb yp e rm i l e a g e ( o rt i m e ) w ec o m p a r ei tw i t ht h e q u a n t i t yo fc o fg a s o l i n e ，c a ng a i nt h ef u e lc o n s u m p t i o no fa u t o m o b i l e t h i si st h ec a r b o n b a l a n c em e t h o d b a s e do nh i sm e t h o dw ec a ne s t a b l i s ht h eq u i c k l yd e t e c t i n gt e c h n i q u eo f t h e f u e l - c o n s u m p t i o ns y s t e m a n d c a r r y o u tt h em e t h o do f d e t e c t i n g w i t h o u t d i s a s s e m b l i n g t a k i n gt h ec a r b o nb a l a n c ep r i n c i p l ea st h et h e o r yb a s i s ，u s i n gt h e m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta n dt h es e n s o rt e c h n o l o g y ，t a k i n gr s 2 3 2t oc o m m u n i c a t e ， h a se s t a b l i s h e dt h ev e h i c l e sf a s to i lc o n s u m p t i o ni n s t r u m e n t a t i o nm o d e l a c c o r d i n gt ot h e r e q u e s to ft h et e s ts y s t e m ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h eg a s o l i n eb u r n i n g ，c a r b o nc o n t e n ta n d t h eg r o s so ft h ed r ye m i s s i o na n dm a k e so u tc a l c u l a t em e a n s i t a n a l y z e d s o m ed e f i c i e n c i e so ft h et r a d i t i o n a lo i l c o n s u m p t i o n e x a m i n a t i o n t e c h n o l o g y ，a n dp r o p o s e dan e we x a m i n a t i o nt e c h n o l o g yt or e s o l v et h ep r o b l e m ，t h a ti s f 如te x a m i n a t i o ns y s t e mo fa u t o m o b i l eo i lc o n s u m p t i o n i nv i e wo ft h et r a d i t i o n a lo i l c o n s u m p t i o ni n s t a l l m e n td e f i c i e n c y , f r o ma s p e c t sa n ds oo nh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r e d e s i g n ，t e s tp r i n c i p l e ，t e s tm e t h o d ，t e s tr e s u l ti n t r o d u c e dt h i se x p e r i m e n t a ls y s t e mi n d e t a i l t h e s y s t e mo fq u i c k l yd e t e c t i n gf u e lc o n s u m p t i o nf o ra u t o m o b i l e ，u n d e rt h e a d v a n t a g e dc o n d i t i o no ft h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fe m i s s i o na n a l y s i sa n dd e t e c t t e c h n i q u e ，f o l l o wt h ef u n d a m e n t a lo fp u r s u i n gt h ep r a c t i c a l i t yp r e f e rt or e d u c ep r e c i s i o n r e q u i r e m e n t ，w i t ht h es i m p l ed e t e c t i n gi n s t r u m e n t sw ed e s i g nak i n do ft h es y s t e m 武汉理t 大学硕十学位论文 q u i c k l yd e t e c t i n gf u e lc o n s u m p t i o n ，w ed op l e n t yo fr e s e a r c ha b o u tt h ef e a s i b i l i t ya n d p r a c t i c a l i t yo fs y s t e m ，r e a l i z et h ev e h i c l e sn o tt od i s i n t e g r a t et h ee x a m i n a t i o n ，h a st h e p r o m o t e da p p l i c a t i o np r o s p e c t m o r e o v e r , t h i sa r t i c l et oe x p e r i m e n t st h es y s t e mt h es u r v e ya n dt h ec o m p u t a t i o n e r r o rc a r r i e so nt h ea n a l y s i s ，a n dh a sc a r r i e do nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mf e a s i b i l i t ya n d t h eo p e r a t i o n a lt e s t t h er e s u l ti n d i c a t e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei ss t a b l e ，t h e r e a p p e a r a n c ep e r f o r m a n c ei sg o o d ，c a np r e c i s e l ya n dr e f l e c t e ds t a b l yt h et e n t a t i v ed a t a , i s r e s t so nt h ec a r b o nb a l a n c el a ws u r v e yo i lc o n s u m p t i o nt h ee f f e c t i v em e t h o d i nt h ep a p e r a l s od i s s e c te x p e r i m e n ts t e pa n dt h ee x p e r i m e n tn e e d e dt o p a ya t t e n t i o nq u e s t i o n p r o p o s e ds e v e r a lw a y st oi m p r o v em e a s u r i n ga c c u r a c y , i n c l u d i n gs y s t e mt h e o r e t i c a l m o d e l r e v i s i o n ，t e m p e r a t u r es u r v e yr e v i s i o n ，p r e s s u r e t r a n s m i t t e r t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n ，s o f t w a r en u m e r a lf i l t e r f i n a l l yi s t h ef o r e c a s to fo i l c o n s u m p t i o ni n s t r u m e n t a t i o n ，p u tf o r w a r ds o m e p r o p o s a l s k e y w o r d s ：o i lc o n s u m p t i o n ，c a r b o nb a l a n c ep r i n c i p l e ，s e n s o r , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ， p l c l 6 f 8 7 7 a 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟埤导师签名：毁蔓玛 日 武汉理j l = 大学嫒士学健论文 第1 l 章绪论 近几年，随着我国公路建设和道路运输业的发展，为道路运输和汽车正常运行 提供技术支持和后勤保障的汽车维修裙检测彳予业也得到了迅速发展。随着汽车制造 和检测技术麴进步，汽车检测行监也不断发袋壮大，在汽车维修生产帮篱理部门动 态检测汽车技术状况方面发挥着极其重要的作用。 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 油和紫漓。随着我国汽车镙奢量豹逐年增热，石油潲耗弱蘸趱长，石演能源短竣迫 使人们关注汽车燃料经济性及检测手段的准确性。交遴部1 9 9 0 年第王3 号令汽车运 输业车辆技术管理规定中要求对营运车辆进行燃料经济性检测评价具有重要意义。 汽车熬燃料经济往一般是焉汽车燃漓潲耗鲞来评价。汽车燃油清耗量是在用汽车技 术状况与修竣车维修质量韵综合性能熬体现，也是诊断和分橱汽车故障熬重要参考。 汽车燃油消耗量通常用燃油消耗检测仪测量燃油消耗的容积或质量来测定。传 统韵燃油消耗量的测定方法有容积法、重量法、流量计法、流速计法等。这些测量 方法瓣基本形式鞠露，鞠将测试搜器率接烈汽车发动机爨油系统中，因蜀在对汽车 燃料消耗量测定时必需拆卸其供油管路，对被测车辆损害较大，且检测时间较长， 不便于应用在检测线上。因此，寻求开发新的汽车燃油耗检测技术以适应社会发展 鹃需要，蛊是摆在广大科技工俸者藤蓠瓣一顼重大谍题。实践证臻，瘸碳平衡建 立的汽车油耗快速检测系统测量汽车发动机燃油消耗撬，裁缩短检测时阕、减小对 车辆的损害，提高车辆的检测速度。 1 。1 汽车油耗检测装置现状 燃渡消耗量是评价汽滴机经济性羽萋要指标，是汽油机的重要测量参数之。 因此，燃浊港耗量瓣测量是内燃槐性熊试验的重要组成部分，其测量糖度查接影璃 汽油机实际性能指标、各项技术参数确定和主要附件的选配及调整等。目前，内燃 杌台架试验多属于稳态工况，仍沿用传统的质量法或体积法测量发动机燃油消耗量。 隧着汽车技术飞速发震，瓣箕测试韵，手段也瘟嚣步发装。 目前的油耗仪多为体积式的【1 卜1 3 l ，日本小野公司的f p - 2 1 4 型活塞式流量传感爨， 武汉理t 大学硕士学位论文 最低采样时间为0 i s ，最小油量分辨率为l m l ，传感器量程为0 3 、 1 2 0 i _ h 。涡轮流量 仪具有瞬时测量和累计功能，得到广泛应用，可测量0 0 5 1 2 0 0 l d m i n 的液体流量， 在标定条件下，精度可达_ - l - o 5 ，响应时间2 1 0 m s 。中小功率汽油机燃油流量小， 一般在1 0 - - , 3 0 0 0 m l m i n ，超出涡流流量计下限，为此国内研制出不同大小的涡轮以 满足汽油机小流量测量的需要。以上两种流量仪均用于汽车道路试验，只能测量体 积流量。 美 p i e r b u r g 仪器公司的流量计为涡轮流量仪的改进型，流量范围可从1 l h 起， 响应时间为2 0 0 m s ，精度可达0 1 。奥地利的a v l 公司研制的台架试验中发动机燃 油耗的精确测量仪，在油量2 5 9 时精度较高，台架试验测量范围为o 1 5 0 k g h ，尽管 该油耗仪可进行动态测试，但由于仍是静态燃油测量秤的改进，动态响应时间大于 2 0 0 m s 。目前，国内有关燃油消耗测量设备的报道较少，只有一些专利。 1 2 开发新型油耗检测仪的意义 汽车作为现代化的交通工具，在社会生活中起着异常重要的作用。自七十年代 以来，汽车的保有量逐年增加，而作为汽车用油来源的石油，其储量是有限的。 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；1 9 9 1 年1 0 月颁布的交通部2 9 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 、c 三级检测站，都应具备燃油消耗量 检测的能力，这更加体现了对车辆经济性指标的重视。 因此，为配合燃油消耗的检测，开发一种更方便、更有效的汽油机燃油消耗量 检测设备，已成当务之急。 1 3 油耗快速测量实验国内外研究情况 美国、日本等发达国家在7 0 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 耗是完全可行的，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仅局限于 实验室中，难以在实际中广泛应用。 在国内，由于技术上的落后，对汽车燃油经济性的检测重视较晚，直到1 9 9 1 年 2 武汉理工人学硕r j ：学位论文 1 0 月1 日交通部才颁布实施了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也均为容积法和重量法。而多参数尾气分析 仪，我国9 0 年代中期才开始引进。少数几个大的科研单位虽然从国外引进了一些相 关的设备，但主要使用在测量汽车的尾气排放，用碳平衡法原理测油耗，还没有引 起重视。 1 4 论文的主要研究情况 随着汽车燃料经济性检测日益受到重视，车辆全自动室内检测的逐步推广，以 及汽车不解体检测越来越受到青睐，迫切需要一种间接快速的油耗测量方法。因此， 在尾气分析及测量手段快速发展的有利条件下，本着为追求其实用性宁可降低精度 要求的原则，在利用较简单测量设备的基础上开发一种油耗快速检测仪的可行性及 实用性作了大量的试验研究。 传统的燃油消耗量的测量方法的基本形式相同，即将测试仪器串接到汽车发动 机供油系统中，因而在对汽车燃料消耗量测定时必需拆卸其供油管路，对被测车辆 损害较大，且检测时间较长，不便于应用在检测线上。系统针对传统油耗测量的弊 端，做出了改进，为了克服传统油耗测量装置的缺点，本实验系统采用了新型的设 计方案，解决了如下问题：不用燃油流量测量方法测量油耗；无须修改油路；无油 管管径问题。本油耗检测装置，除了可以检测汽车的油耗以外，还可以检测汽车在 行驶中所排放尾气的成分和浓度，进而进一步检测汽车的性能，这是传统油耗检测 装置所不具备的。 3 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章油耗检测仪的原理及设计方案 汽车燃油消耗量通常用燃油消耗检测仪测量燃油消耗的容积或质量来测定。传 统的燃油消耗量的测定方法有容积法、重量法、流量计法、流速计法等。这些测量 方法的基本形式相同，即将测试仪器串接到汽车发动机供油系统中，因而在对汽车 燃料消耗量测定时必需拆卸其供油管路，对被测车辆损害较大，且检测时间较长， 不便于应用在检测线上。因此，寻求开发新的汽车燃油耗检测技术以适应社会发展 的需要，一直是摆在广大科技工作者面前的一项重大课题。实践证明，用碳平衡法 建立的汽车油耗快速检测系统测量汽车发动机燃油消耗量，能缩短检测时间、减小 对车辆的损害，提高车辆的检测速度。 2 1测量系统的依据 2 1 1 碳平衡原理 简单地说，碳平衡法是根据质量守恒定律，汽( 柴) 油经过发动机燃烧后，排气 中碳质量总和与燃烧前的燃油中碳质量总和相等【4 】。 汽油主要是由c 、h 化合物组成的混合物，燃烧后生成不同量的c o 、c 0 2 、 h c 、1 - 1 2 0 ( 汽) 、n o z 等，汽油中氢的平均含量为1 4 1 2 ，碳的平均含量为8 5 7 1 ， 其平均的分子式可以表示为c 7 “日。m ，汽油完全燃烧时的表达式如下： g m n 艄“+ 丝勃+ 磷婀1 4 甑：7 l 峨。警跏瑙婀1 4 + 丝瓢 汽油不完全燃烧时的表达式如下： 。吼控艄峥+ 缁碍争= 7 1 4 0 9 等h , p + 3 3 5 碍争 不论燃烧状况如何，尾气中的c o 、c 0 2 、h c 中c 元素的总量对应着所消耗汽 油中的碳量。因此通过对尾气中的c o 、c 0 2 、h c 及其容积排放的分析，得到排气 中单位里程( 或时间) 内的碳元素量，再与所用汽油中碳元素含量相比即可得出汽 车燃油消耗量，这就是碳平衡原理。 美国、日本采用的定容取样废气分析法和欧洲“囊式”废气分析法采用式( 2 - 1 ) 计算燃油消耗量。 4 武汉理工大学硕上学位论文 g q ( 1 + i - 1 c ) 5 3 3 x 1 0 3 ( c o s + c o + h c 1 0 4 ) ( 2 - 1 ) 式中：酝在0 、7 6 0 m m h g 时，干燥废气的体积l ； g 燃烧中氢与碳的质量比； c 0 2 , c o 在废气中的容积百分比浓度； h c ：碳氢化合物浓度，p p m ( 百万分比浓度) 。 p 可根据在t9 c 和b m m h g 时测得的容积踟导出： 毗丽2 7 3 等 协2 ， 式中p w ：在t 。c 时，水的饱和蒸汽压，m m h g ，可查表得出。 美国环保局曾在同一实验室用同一种方法对一台6 9 l 的汽车进行试验，用碳平 衡法测量3 0 次，其测量结果的标准偏差为2 6 ，说明采用碳平衡法同样具有很好的 重复性。 用碳平衡法原理测量燃料消耗量时，有如下假设条件： ( 1 ) 废气中的碳仅包含在c o 、h c 和c 0 2 之中。因为分析仪测不出其他的碳氢氧 化物，而且碳微粒亦未考虑； ( 2 ) 废气中的c o 、h c 、和c 0 2 仅来自燃料中； ( 3 ) 废气中的含碳量等于试验时所消耗的碳量，即不考虑汽化损失、燃油在曲轴 箱机油中的沉积物和碳氢化合物等。 根据g b t 1 2 5 4 5 9 0 汽车燃料消耗量试验方法规定，等速行驶燃料消耗量试 验路段长度为5 0 0 米，因而只要测出试验路段内被测车辆排放出的尾气总量( 标准状 态下的干燥气体体积) ，乘以尾气中各种含碳化合物的浓度，即为尾气中的含碳体 积总量。由于在标准状态下，1 摩尔气体的体积都是2 2 4 升，可得到尾气中含碳摩尔 数及含碳质量( 摩尔数乘以碳原予量) ，汽油单位体积含碳量相比，即可计算出被 测车辆行驶5 0 0 米所消耗的汽油量，进而计算出百公里油耗。 被测车辆行驶5 0 0 米排出尾气中所含碳的质量如式( 2 3 ) 所示。 g 一酱+ + ) ( 2 - 3 ) 式中g ：被测车辆行驶5 0 0 1 4 出尾气中所含碳的质量，k g ； q ：标准状态( 1 大气压、0 。c ) 下试验用车行驶5 0 0 米时所排尾气的干体 积，l ： v c o 、：分别为尾气中c d 、c 0 2 、们的体积百分比含量。 因此被测车辆的等速百公里油耗为： 5 武汉理工大学硕e 学位论文 g 。2 4 铂q d 芝+ + ) 1 0 0 h ( 2 - 4 ) 式中：g 被测车辆的等速百公里油耗，u l o o k m 。 h ：汽油单位体积含碳量，k g n 。 碳平衡法测量汽车的燃油消耗已在国外许多国家采用，我国对轻型汽车燃油消 耗的测量方法和限值要求也是采用碳平衡法。该方法用于汽车的燃油消耗测量是可 信的。本项目是利用汽车检测站，现有的底盘测功机和尾气分析仪，加装尾气采集 管路和高精度流量仪，因此测试系统的开发涉及到硬件系统( 气体成分分析传感器、 气体流量传感器) 及其控制、软件系统( 测试数据分析处理，燃油消耗和排放性能 计算) 【6 】。 2 1 2 燃油品质对测量精度的影响 汽车的燃料主要是汽油和柴油，它们都是由几百种烃分子组成的，其化学成分 是非常复杂的。化学成分改变会影响到燃油燃烧化学反应模型的精度。但燃油( 指 汽油和柴油) 的碳和氢的含量比的变化幅度在1 0 以内( 在1 6 6 - 2 0 4 之间) ，对 燃油消耗测量分析精度带来的误差在2 以内。不同的油品燃油密度也会有所不同， 但偏差也在2 以内。 燃油包含不同比例的烷。不同烷类中，碳与氢的含量比例不同，氧化它需要的 氧气就不同。完全燃烧不同标号的燃油，产生的二氧化碳成分略微不同。假定两种 燃油，一种全为辛烷，另一种全为庚烷，下面计算二氧化碳含量的区别。 辛烷分子式为c 8 h 1 8 ，分子量1 2 8 + 1 1 8 = 1 1 4 ，氧化后二氧化碳分子数为8 ；庚 烷分子式为c 7 h 1 6 ，分子量1 2 7 + 1 1 6 = 1 0 0 ，氧化后二氧化碳分子数为7 。在质量 为m 的燃油中，如果全为辛烷，分子数为m 1 1 4 ，燃烧后得到二氧化碳分子数为 m 1 1 4 8 ；如果全为庚烷，分子数为m 1 0 0 ，燃烧后得到二氧化碳分子数为m 1 0 0 * 7 。 得到的二氧化碳分子数的比值( 辛烷庚烷) 为1 1 4 1 0 0 8 9 1 0 1 3 2 。对于同一标 号的燃油，它有规定的烷成分分布，如果分布的中心在辛烷附近偏离一个碳，完全 氧化它，得到的二氧化碳含量差别约为1 3 2 。而同标号的燃油烷成分分布中心偏 离不到0 5 个碳。就是说，我们有理由认为，对于同一标号的燃油，尾气中气体量 偏差在2 以内。因此，燃油品质对碳平衡法测油耗的准确度影响不大，在工程可 接受的范围内。 因此对于同一种标号的燃油，我们可以认为它们都有相同的密度，单位体积内 含碳量也是一个定值，只需对每种标号的燃油进行含碳量的测定，在系统测试时根 6 武汉理t 大学硕士学位论文 据车辆所使用的燃油型号进行选择即可。汽油单位体积含碳量与汽油密度之间的关 系式如下： h ；0 8 4 7 2 9 x d( 2 5 ) d 为汽油密度，h 为单位体积含碳量。 2 1 3 尾气体积和成分浓度的确定 根据式( 2 - 4 ) 所示的油耗计算公式，我们还需要知道汽车尾气的体积总量( 干 燥气体的总量) 和尾气各成分的体积浓度。 汽油作为碳氢化合物，在燃烧产生c 0 2 、c o 、h c 的同时，生成大量的水蒸 汽，要准确地计算尾气中干气体的体积就必须扣除尾气中水蒸气的含量。若尾气是 潮湿的、为水蒸气所饱和的气体，则气体体积换算成标准状况按式( 2 6 ) 进行。 q ；q t x 2 7 3 1 6 x ( 7 p - 一p 1 ) ( 2 - 6 ) 。 1 0 1 3 2 5 x 1 0 3x t 式中：q 尾气换算成2 7 3 1 6 k 、1 0 1 3 2 5 x 1 0 s p a 时的干燥气体体积，单位为l ； g 为气体在温度t 时的体积，由气体流量传感器测得；单位为l ； p 为大气压强，单位为p a ； p 1 为尾气在温度t 饱和时的水蒸气压，单位为p a ； t 为尾气的温度，单位为k 。 尾气各成分的体积浓度用的汽车尾气分析仪是n h a - 5 0 0 废气分析仪， n h a 5 0 0 废气分析仪用不分光红外吸收法原理测量机动车排放废气中的一氧化碳、 碳氢化合物和二氧化碳的成分和浓度。 2 1 4 试验环境对测量精度的影响 测试环境的温度和压力对排气成分中c o 、c 0 2 、h c 的浓度测试是没有任何影 响的，测量浓度后要转换为标准气体下的状态，测试环境的温度和压力和标准气体 的温度和压力有很大的差别，因此在系统中应该对汽车排放的气体的温度和压力值 加以测量，试验中使用温度和压力传感器进行测量【5 1 ，可以提高测量结果的精度。 2 1 5 系统总的测量公式 根据公式( 2 - 4 ) 一( 2 6 ) ，可以得出汽车油耗的测量公式为： g=鼍麓涨+)x丽1002240 1 3 2 5x t08 4 7 3 x d ( 2 - 7 ) 1 1 矿 、。u 2 。“。7 7 武汉理工大学硕士学位论文 式中：a t 为气体在温度t 时的体积，由气体流量传感器测得【8 】【1 0 】，单位为l ； p 为大气压强，单位为p a ； p 1 为尾气在温度t 饱和时的水蒸气压，单位为p a ； t 为尾气的温度，单位为k ； v c o 、分别为尾气中c o 、c 0 2 、h c 的体积百分比含量； d 为汽油密度。 公式的计算结果表示的是被测车辆的等速百公里油耗。 2 2 油耗检测仪的设计方案 2 2 1 燃油消耗量的两种常见方案 ( 1 ) 容积法1 9 1 采用行星活塞式油耗传感器在底盘测功机试验台上进行油耗检测，测定一定体 积燃油的消耗时间。容积式油耗传感器通过累计发动机工作中所消耗的燃油总量， 用时间或里程来计算油耗量。容积式油耗传感器的流量检测装置由流量变换机构及 信号转换机构组成。流量变换机构是将一定容积的燃油量变为曲轴的旋转运动，它 由十字形配置的四个活塞和旋转曲轴构成。 ( 2 ) 质量法 用质量式油耗传感器在底盘测功机试验台上进行油耗检测，是测定消耗一定质 量燃油所需的时间。质量式油耗传感器由称量装置、计数装置和控制装置组成，该 质量式油耗仪的缺点是在测量时油杯中油面高度发生变化，伸入油杯中的油管浮力 的反作用力也变化，造成称量时的系统误差【驯【2 1 1 。 虽然容积法、质量法具有较高的精度，但都需要拆卸被检车辆原来的油路， 因而给实际检测带来不便。将燃油耗仪串入到发动机的燃油供给系统，普遍存在以 下问题： 1 ) 安全问题，尤其汽油挥发造成污染和易燃安全隐患。 2 ) 油耗仪串入到油路中后会影响到发动机燃油的供给，影响燃油消耗的测试精 度，如测试管路中的气泡、泄漏。 3 ) 油耗仪的安装连接十分不便，首先必须弄清不同车型的油路，连接管路的孔 径和长度也有可能不匹配，当有回油管路时的安装更加麻烦。 4 ) 单车测量过程时间长，影响了检测线所有检测车辆检测时间。 在实际应用中，不论对车辆检测部门还是车辆修理部门，仪器使用方便性是至 关重要的，因为只有使用方便才能提高效率，从而提高效益。在车辆检测日益自动 8 武汉理工大学硕一i - 学位论文 化的今天，原有油耗测量方法的使用不便性严重制约了它在实际中的应用，人们希 望能研制出不用拆卸原油路即可进行油耗测量的新仪器。 2 2 2 本实验系统所采用的设计方案 为了克服传统油耗测量装置的缺点，本实验系统采用了新型的设计方案，解决 了如下问题：不用燃油流量测量方法测量油耗；无须修改油路；无油管管径问题。 此系统主要应用在汽车检测站中，将车辆停在底盘测功机上加载，使其模拟汽 车满载等速行驶阻力功率，将连接软管与被测车辆的排气管相连，尾气通过稳压箱 稳压稳定之后，通过系统测量部分，系统测量部分的运行通过计算机来控制。本系 统以碳平衡原理为基本依据，以计算机为控制平台，利用传感与检测技术、 p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机技术、串行通信技术，实现了一种新型快速测量油耗的技术。 根据油耗的计算公式( 2 4 ) ，我们需要知道几个未知量：尾气的体积( 干燥气 体的体积) 、含碳气体的浓度( c 0 2 、c o 、h c ) 、尾气的温度和压力、汽油单位体 积的含碳量。尾气的体积可以采用流量传感器测量，含碳气体的浓度使用具有( c 0 2 、 c o 、h q 分析能力的尾气分析仪进行测量，通过尾气分析仪的接口传送给计算机， 尾气的温度和压力分别采用温度传感器和压力传感器进行测量，汽油单位体积的含 碳量可以根据公式( 2 5 ) 计算，汽油的密度根据不同标号的油测量，在测量油耗时 根据车辆的燃油选择合适的汽油标号即可。 系统的示意图如图2 1 所示： 图2 1 实验系统示意图 9 武汉理工大学硕士学位论文 本实验系统以m i c r o c h i p 公司推出的p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机作为控制器展开外围测 量电路，用p c 机控制整个测量的过程。主要使用p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的a d 转换模块 和u s a r t 通信模块以及c c p 捕捉模块，a d 转换模块用于将温度传感器和压力传感 器所输出的模拟的连续变化的模拟电压信号转换成单片机能够识别的数字信号【1 3 】 1 1 引，使用p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的运算功能对电压信号进行运算处理得到温度和压力值 并存储在单片机的存储单元，c c p 捕捉模块用于采集流量传感器的输出信号，测量 气体的流量，尾气分析仪用不分光红外吸收法原理测量机动车排放废气中的一氧化 碳、碳氢化合物和二氧化碳的成分浓度，具有r s 2 3 2 串行通讯输出接口。p c 机和 p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机以及尾气分析仪使用r s 2 3 2 串口通信传递命令和数据，这样几个 未知量经过p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机和尾气分析仪采集和处理运算后，就可以通过r s 2 3 2 串口通信传送给p c 机，由p c 机完成对油耗的计算并打印。 控制检测系统的组成框图如图2 2 所示： c o h c c 0 2 测量 图2 2 控制检测系统原理框图 系统工作原理是：气体流量传感器及尾气分析仪通过连结软管与排气管连，温 度传感器和压力传感器置于气体流量传感器中【引，气体流量计为涡轮式，可测量瞬 时气体流量；经过稳压处理后的尾气将很快达到平稳状态，因此可以测出每一试验 时间气体的总流量，温度传感器和压力传感器可以测量尾气的温度和压力，气体流 量传感器的输出信号为周期性的脉冲信号，可以由p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的c c p 捕捉模 l o 武汉理t 大学硕士学位论文 块将信号采集处理，温度传感器和压力传感器的输出值都是电压值，可以由 p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的a d 转换模块将信号采集处理；尾气分析仪采样信号通过自带 r s 2 3 2 接口与计算机通信，为了获得更高的精度，在试验时间内可以测出c o 、h c 、 c 0 2 等成分的三次瞬时状态值，然后取平均值；所有的测量数值都通过r s 2 3 2 串行 通信传送给计算机，计算机接收到数据后，根据油耗计算公式( 2 7 ) 对各个已获得 的参数进行分析计算，即可得到油耗的测量结果。 2 3 油耗检测仪系统的组成 根据碳平衡法模型及相关参数，用碳平衡法进行油耗测量试验时，需直接测量 的量有：尾气中c o 、c 0 2 、h c 的体积含量、尾气的体积、温度、压力。尾气成 分浓度采用具有c o 、c 0 2 、h c 分析能力的气体分析仪测量；尾气的流量、温度、 压力分别由流量传感器、温度传感器、压力传感器测量；为了进一步了解汽车性能， 监测汽车尾气成分浓度是否超标，加入了氧浓度测量模块，氧浓度测量通过氧浓度 传感器来检测；同时为进一步验证碳平衡法模型，确定测试系统应由两部分组成： 尾气测量部分和油耗实际测量部分。尾气测量部分的测试仪器包括：流量计、废气 分析仪、温度传感器、压力传感器、氧浓度传感器等。为消除尾气气流波动，提高 测试精度，设置了稳压箱。油耗实际测量部分测试仪器包括：油耗传感器及油耗仪 显示仪表等。 因此整个油耗测量系统的组成如下：以p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机为核心的采集计算电 路、具有c o 、c 0 2 、h c 分析能力的气体分析仪测量、流量传感器、温度传感器、 氧浓度传感器、压力传感器、p c 机的控制计算界面以及油耗实际测量部分。 2 3 1p l t 2 1 6 f 8 7 7 a 单片机测量模块 m i c r o c h i p 公司推出的p i c 系列8 位单片机内核正是基于哈佛结构【4 3 1 ，在其整 个8 位机家族中分i e 中高三档，对应的内部指令宽度分别是1 2 1 4 1 6 位，1 2 位指 令宽度的低档单片机结构简单，价格低廉，适应于一些控制任务相对简单的低端消 费产品，代表型号如p i c l 6 c 5 系列的p i c l 6 c 5 4 c 和p i c l 6 c 5 7 c 等。1 4 位指令宽 度的中档单片机是目前型号最丰富的一个系列，其片内功能模块种类齐全，价位适 中，应用领域极其广泛，代表型号如p i c l 6 f 7 系列的p i c l 6 f 7 3 7 4 7 6 7 7 ，p i c l 6 f 8 7 系列的p i c l 6 f 8 7 7 a 等。1 6 位指令宽度的高档单片机在命名上以p i c l 8 开头，整个 内核有了很大的提高，一般用于较高端的产品设计。 武汉理t 大学硕士学位论文 本测量系统所使用的p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机就是p i c 中档单片机的一个典型。它 的引脚图如图2 3 所示： p d i p1 4 0p i n i m c l r v d p o r 加a n 0 一 r a l a n - + r a ：洲2 _ i r e f q c v r e f ， r a 3 ，a n 3 像e f + r m 八。c k l ，c o u t + r a 5 ，a n 4 ，s s ，c 2 0 l 丌- - - + r e 0 ，r d ，a n 5 一 r e l 脚r ，a n 6 - - - - r e 2 f c s ，a n 7 + v ， v s s 0 6 c 1 ，c l k i n ， o s c 2 ，e l k o l r 一 r c q 厂r 1o s 0 丌1c 的- r c l 厂r 1o s 贮c p 2 r c 2 ，o c p l r c 3 i f s c ；( ，s c l r d q 炉s p o 一 r d l ，p s p r b 7 ，p g d _ r b 6 ，p g c r b 5 r b 4 r b 拼p g m _ _ ，r 8 2 _ r b l r b 伽 r r - - - 一v d d - 一v $ s r 0 7 ，p s p 7 _ r 0 6 p s p 6 _ + r 0 5 t p s p 5 + r d 4 p s p 4 _ r c 7 r x ，d t r c 6 厂t x ，c k 一r c 日s d o - r c 4 ，s d l ，s d a r 0 卯s p 3 一r 0 2 ，p s p 2 图2 3p i c l 6 f 8 7 7 a 的引脚图 它的优点如下： 1 ) 低功耗。静态电流一般为2 m a ，睡眠状态下最低可小于1 。在节能和本安方 面有比较大的优势。 2 ) t 作电压范围宽，可在2 0 巧5 v 电压范围内工作。 3 ) 速度快。工作频率最高可达2 0 m h z ，每个指令周期仅2 0 0 n s ，有多种时钟模 式。引入指令执行流水线机制，指令顺序执行时1 条指令只需1 个指令周期，程序 分支跳转指令需2 个指令周期。 4 ) 有a ，b