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东北大学硕士学位论文摘要 基于神经网络的超声波不解体油耗分析 摘要 近年来，随着石油能源的短缺和汽车燃料费用的增加，人们越来越关注汽车 燃料的经济性，由此各种油耗检测设备就应运而生。尽管解体式油耗检测技术已 较为完善，但是，由于此种检测设备结构复杂，拆装困难，其应用受到了一定的 限制，因此不解体式测量方法越来越受到人们的关注。不解体油耗分析仪开发研 究是交通部科技攻关项目，此项目包括从方案确定、硬件设计、信号处理到软件 编程等很多内容，本论文研究课题是前述实际攻关项目的一部分，其主要工作内 容就是研究一种不解体油耗检测技术，建立相应的超声波油耗测值修正数学模型， 以确保油耗测试分析的精度。 本论文首先对不解体油耗检测的技术进行了研究，在超声波测流量的基本原 理基础上，研究、总结出适合于不解体油耗检测、分析的技术一一超声波检测技 术，及基于神经网络的油耗数据修f 的一整套方案。 通过对超声波传感器工作原理的研究，从检测的实际情况出发，提出适合于 不解体油耗检测的超声波传感器选用方案。并采用适合于不解体油耗检测的超声 波检测方法一一时差法。 通过超声波测流量的方法的研究，对超声波流量计测试误差影响因素进行分 析，得m 了影响超声波流量测量精度的影响因素，并通过试验数据做出影响因素 和流量测量精度的关系曲线。 论文的重点放在不解体油耗检测的误差分析与修j f 方法研究上。通过大量的 实验对超声波流量测量洪差进行分析。在总结各种主要的误差修正方法特点的基 础上，提出用神经网络模型来修正超声波流量测值的方法。建立超声波油耗测量 神经网络修正的数学模型，其中包括神经网络结构设计、参数选择、训练方式选 择以及实验验证等，最终建立最优的超声波油耗测量神经网络模型。 最后，利用v is u a lc + + 和m a t l a b 软件编制了超声波油耗测量修正系统的上位 机软件，实现了数据的输入、修正和输出等功能。 关键词：不解体油耗检测：超声波；流量计；b p 神经网络；数据修正 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y s i so fn o n s e p a r a t e do i lc o n s u m p t i o nb y u l t r a s o n i cb a s e do nn e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e f i c i e n c yo fo i le n e r g ya n dt h ei n c r e a s e m e n to fc a rf u e l f e e ，p e o p l em o r ea n dm o r ef o c u so nt h ee f f i c i e n c eo ff u e l ，s ov a v i o u so i l - c o n s u m i n g m e a s u r i n ge q u i p m e n t sa p p e a r e d a l t h o u g hs e p a r a t e do i l c o n s u m i n gm e a s u r i n g t e c h n i q u eh a sd e v e l o p e dv e r yw e l l ，t h ea p p l i c a t i o no ft h em e a s u r i n gq u i p m e n t sb a s e d o ni tw a sl i m i t e dac e r t a i ne x t e n tb e c a u s eo ft h e i r c o m p l i c a t e d s t r u c t u r ea n d i n c o n v e n i e n td i s a s s e m b l y c u r r e n t l y , p e o p l ei n c r e a s i n g l yp u ta t t e n t i o nt on o n s e p a r a t e d o i l c o n s u m i n gm e a s u r i n gt e c h n i q u e t h ep u r p o s eo ft h ed i s s e r t a t i o ni s t os t u d yt h e a p p l i c a t i o no ft h en o n s e p a r a t e do i l - c o n s u m i n gt e c h n i q u e a tf i r s t ，t h en o n s e p a r a t e do i l c o n s u m n i n gm e a s u r i n gt e c h n i q u ew a ss t u d i e di nt h e t h e s i s l a s e rm e a s u r i n gt e c h n i q u ea n du l t r a s o n i cm e a s u r i n gt e c h n i q u ew e r ea l s os t u d i e d h e r e f r o mt h e c o m p a r i s o n o fl a s e ra n du l t r a s o n i c t e c h n i q u e s v i r t u e sa n d d i s a d v a n t a g e s ，w ec a nd r a wt h eb e t t e rm e a s u r i n gt e c h n i q u e t h e nf r o mt h ea c t u a lc o n d i t i o n ，w ep u tf o r w a r do n em e t h o dc a l l e dt i m e d i f f e r e n c e m e t h o d ，w h i c hi s s u i t e df o ru l t r a s o n i cm e a s u r i n go fn o n s e p a r a t e do i l c o n s u m i n g m e a s u r e w ea l s od r a wt h ea p p l i c a t i o np r o j e c to fu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rt h a ti sa d a p t e d f o rn o n s e p a r a t e do i l c o n s u m i n gm e a s u r i n gf r o mt h er e s e a r c ho fu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r t h e o r y t h ef u n c t i o no ft h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e rw a st e s t e dt h r o u g he x p e r i m e n ta n dt h e e r r o rw a sa n a l y z e da n dc o r r e c t e d ，t o o t h ef l o w m e t e rc o e f f i c i e n tm e t h o da n dt h e c o r r e c t i o nm e t h o do fe r r o rc u r v ew e r ep u tf o r w a r d t h ee m p h a s e so ft h ed i s s e r t a t i o na r ep u to nt h ee r r o ra n a l y s i s a n di t s c o r r e c t i o n t h r o u g hl o t so fu l t r o s o n i cm e a s u r ee x p e r i m e n t sw ea n a l y s i st h ee r r o r b a s e d o nt h em a i nm e t h o d so f t e nu s e d ，w ef i n dt h em e t h o do fd a t af i x i n gf o ru l t r a s o n i c f l o w m e t e rb a s e do nt h en e u r a ln e t w o r k ，a n dm a k et h em a t h m a t i cm o d e lf o ri t ，i n c l u d e t h es t r u c t u r ed e s i g n 、p a r a m e t e r sc h o i c e 、p l a nf a s h i o na n dt h ee x p e r i m e n t st e s t a tl a s t ，t h es o f l w a r e si nt h et o pc o m p u t e rf o ru l t r a s o n i cf l o w m e t e rb yu s i n gv i s u a l c + + a n dm a t l a bp r o g r a ml a n g u a g e w h i c hi n c l u d ed a t ai n p u t 、f i x i n ga n do u t p u t f u r l c t j o i l i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：n o n s e p a r a t e do i l c o n s u m i n gm e a s u r i n g ；u l t r a s o n i c ；f l o w m e t e rt r a n s d u c e r t i m ed i f f e r e n c em e t h o d ；d a t af i x i n g i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 、 ， 学位论文作者签每：1 矽收 日 期：，“卸硼 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早 三百t 匕 1 1 油耗检测的国内外研究现状 汽车不解体油耗检测是交通部在2 0 0 4 年急需立项的课题，也是随着我国汽车 拥有量的增加，能源费用的增长及城市污染的加重必须攻克的技术难题，同时汽 车百公里油耗检测已列为汽车安全性能检测线和综合性能检测线必检项目，因而 汽车不解体油耗超声波检测课题研究意义重大。 近年来，随着石油能源的短缺和汽车燃料费用的增加，人们越来越关注汽车 燃料的经济性，由此各种、油耗检测设备就应运而生。尽管解体式油耗检测技术己 较为完善，但是，由于此种检测设备结构复杂，拆装困难，、其应用受到了一定的 限制。目前，不解体式测量方法越来越受到人们的关注，超卢波不解体油耗分析 仪开发研究是交通部重大科技攻关项目的预研，此项目针对当前解体式油耗检测 中的缺点，寻找一种新的油耗检测方法一一不解体油耗检测方法，以及该方法的 实验方案设计、油耗数据修正以及软件实现等诸多内容。 能源是发展生产和提高生活水平的物质基础。汽车的主要能源是石油产品中 的柴油和汽油。随着我国汽车拥有量的增加，意味着石油消耗的增跃，1 9 9 6 年我 国汽油产量的7 6 7 ；f h 柴油产量的2 6 6 用于汽车，而我国石油产量增长缓慢自 1 9 9 6 年成为纯石油进口国之后，虽然当年年产1 5 5 亿吨，但仍进口2 5 0 0 万吨， 2 0 0 0 年进口3 0 0 0 万吨。石油能源短缺迫使人们关注汽车燃料经济性，而汽车燃料 费用约占汽车运输成本的1 1 3 以上。为了节约燃料，许多国家都制定了限制汽车油 耗的法规，以法令的形式强制促进燃料经济性的提高。如美国和日本早在7 0 年代 中期和后期就指定了轿车的油耗法规，欧洲各国也都相继规定了节油比例。在这 种情况f ，汽车制造厂商对政府指定的法规卜分重视，并采取了各种措施使产品 适应法规的限制旧l 。 汽车的燃料消耗量除了与燃料系的技术状况有直接关系外，还与曲柄连杆机 构、配气机构、润滑系、冷却系、传动系、行驶系、转向系和制动系等有关，是 一个综合性评价参数。该参数对于调试发动机( 特别是化油器) 有重要参考价值，其 测量精度直接影响发动机的性能指标。除此之外，在汽车检测站用油耗计检测汽 车油耗在使用中的变化，不仅可以渗断燃料系的技术状况，而且可以诊断发动机 及整车的技术状况，国外些运输企业甚至把油耗计作为诊断汽车是否需要维修 的有效工具。 对汽车燃油经济性的评价，一般是通过汽车燃油消耗量试验来确定的，它是 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 用以评价在用汽车技术状况与维修质量的综合性参数，也是诊断和分析汽车故障 的重要参考。检测汽车燃油消耗量常通过燃油消耗检测仪测定燃油消耗量的容积 或质量来表示。在汽车检测站通过汽车道路试验，更多是在底盘测功试验台上模 拟路试来检测其燃油消耗量。 检测燃料消耗量时，可以采用测定其容积、质量、流量、流速和压力等方法， 其中容积法和质量法较常用，特别是容积法应用的更为广泛。发动机台架实验时 容积法和质量法的做法，是测定发动机消耗一定燃料体积或一定燃料质量时所经 过的时问，然后由燃料量和时间计算单位时间的燃料消耗量。汽车道路实验或整 车在底盘测功实验台上检测燃料消耗量时，则是测定汽车通过一定路程时消耗的 燃料量和通过的时间，然后由燃料量、路程和时间，计算实验车速下单位里程燃 料消耗量、百公里燃料消耗量、百吨公里燃料消耗量或每升燃料行驶的里程。 汽车测定燃料消耗量时，需采用车用油耗计。这种测量装置具有体积小、重 量轻、使用方便、不易损坏、能以蓄电池为电源和可装在车内与里程计等并用诸 优点，因而能固定安装在汽车等车辆上，随车辆在道路实验长期使用，考核其燃 料消耗量p ，4 1 。 1 2 车用油耗分析仪分类介绍 汽车的燃料消耗量是用油耗仪( 包括油耗传感器和两次仪表) 来测量的。而油耗 计种类繁多，按测量方法可分为：容积式油耗计、重量式油耗计、流量式油耗计、 流速式油耗计。大多数油耗计都能连续、累计测量，但测量的流量范围和流量误 差各不相同。按是否将供油管路断开可分为解体式油耗仪和不解体式油耗仪。目 前国内的汽车油耗检测仪都是采用解体式测量方式，即将油耗计传感器串接在燃 料系供油管路上进行测量。 解体式油耗仪是进行汽车发动机性能参数测试的专用仪器，它通过测量发动 机消耗一定燃料所需时间或者车辆行驶定里程所需的燃油量来计算燃油消耗 率，燃料消耗率是衡量发动机经济性能的一项重要指标。对于耗油量的参数检测， 不仅要保证有足够的精度，而且还要对汽车的正常运转不造成任何的影响。但是， 现有的汽车油耗检测仪都是解体式测量方式，即将油耗仪传感器串接在燃料系供 油管路上进行测量，这样就容易给汽车发动机造成排气困难，也就是所谓的“气 堵”，严重时，还会造成汽车主输油管道的泄漏。 解体式油耗仪一般由传感器和计量显示仪表组成，二者分开制造，采用电缆 连接。 车用油耗计的类型有多种，常见的有容积式和质量式。容积式车用油耗计如 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 按传感器结构不同，可分为膜片式、量管式和活塞式三种。膜片式车用油耗i , t + 有 单油室和双油室之分；量管式车用油耗计又有单量管式和双量管式之分：活塞式 车用油耗计又有单活塞式和四活塞式之分。在上述类型中，以采用膜片式、单活 塞式和四活塞式的传感器为多见。容积式车用油耗计如按计量显示仪表分，可分 为电磁计数器式和有运算能力的数字显示式两种。目前，后者己发展成微机控制 的智能化仪表。在常见的车用油耗计中，采用膜片式传感器和单活塞式传感器的， 多以电磁计数器作为计量显示仪表：采用四活塞传感器的，多以具有运算功能的 数字显示式作为计量显示仪表 3 1 。 1 2 1 解体油耗分析仪基本原理 1211 容积式油耗仪的检测原理 容积式油耗传感器有容量式和定容式两种，容量式油耗传感器通过累计发动 机工作中所消耗的燃料总容量，用时间和里程来计算油耗量。它可以连续测量， 其结构有行星活塞式、往复活塞式、膜片式、油泡式等，现以行星活塞式油耗传 感器为例予以说明。 行星活塞式流量检测装置是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流量变为曲轴的旋转运动，它是由十字形配置的四个活 塞和旋转曲轴构成，其工作原理如图1 1 所示。 燃油在泵油压力作用f 推动活塞运动，再由活塞运动推动曲轴旋转，曲轴旋 转一周即四个活塞各往复运动一次，完成一个进排油循环。活塞在油缸中处于进 油行程还是排油行程，取决于活塞相对于进排油1 ：3 的位置。图2 f a l 表示活塞1 处 于进油行程，从其曲轴箱来的燃油通过p 3 推动活塞1 下行，并使曲轴作顺时针旋 转，此时活塞2 处于排油行程终了，活塞3 处在排油行程中，燃油从活塞3 上部 通过p 。从排油口e 1 排出，活塞4 处于进油终了。当活塞和曲轴位置如图2 f b ) 所 示，活塞1 进油终了，活塞2 处于进油行程，通道p 4 导通，活塞3 排油终了，活 塞4 处于排油行程，燃油从p 2 经排油口e 2 排出。同理，可描述位置( c ) 、( d ) 各活 塞的进排油状态。如此反复在燃油泵油压力的作用下，就可完成定容量、连续泵 油的作用。曲轴旋转一周，各缸分别排油一次，其排油量可用下式确定。 v = 4 r d 32 2 h 4 = 2 h r r d 2 ( 1 1 ) 式中v 一四缸排油量； 4 - - 代表四个油缸： r e d 2 4 一代表某一活塞截而积； 2 2 倍制的曲轴偏心距，即活塞行程。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 信号转换机构如图1 2 所示，装在曲轴的另一端，由主动磁铁、从动磁铁、转 轴、光栅板、发光二极管、光敏管、电缆插座及壳体等组成。主动磁铁装在曲轴 上，从动磁铁装在转轴上，转轴通过轴承支承在壳体内，转轴的上端固定有转动 光栅板，在固定光栅上、下方有发光二极管和光敏管。当曲轴转动时，由于一对 永久磁铁的吸引作用，转轴及其上的转动光栅也随之转动，通过发光二极管光敏 管的光电作用，把曲轴的转动变成光电脉冲信号送入计量显示仪，经过内部运算 油耗检测的国内外研究状况处理后，即可显示出流经的燃油量。 1 4 活塞5 曲轴6 连杆p l p 4 油道e t e 4 排油几 图1 1 行星活塞式传感器工作原理图 f i g 1 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp l a n e tp i s t o nt r a n s d u c e r 另外，膜片式车用油耗仪的传感器是通过油室内膜片的变形来测量燃油量的。 当油室内膜片变形使容积由大变小时，造成的容积差就是油室的排油量。该排油 量是一个定值，由电磁计数器记录排油次数，即可测得流经的燃油量。但这种油 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 耗仪在使用中膜片产生塑性变形不可避免，致使计量精度发生变化，因而需经常 校准。而活塞式车用油耗仪的传感器是通过活塞在油缸内移动一次，排出固定的 燃油体积，由记录器记录油缸排油次数，来实现对流经的燃油量进行测量。但其 结构相对复杂，加工精度和装配精度要求较高，且对燃油的清洁度要求也较高。 1 信号端子2 转动光栅3 转速脉冲变换部4 流量转速变换部 5 活塞6 磁性联轴竹7 固定光栅8 光敏管l e d ( 对嚣) 图12 信号转换机构 f i g1 2t h em e c h a n i s mo fs i g n a lc o n v e r s i o n 1 2 1 2 质量式油耗仪的检测原理 质量式油耗传感器由称量装置、计数装置和控制装置组成，见图1 3 所示。在 测量消耗一定质量进步的的燃油所需的时f 叫后，即可按下式算出单位时问内发 动机的燃油消耗量。 g = 3 6 w t( 1 2 ) 式中：w 一燃油质量； f 一测量时间； g 一燃油消耗量。 称量装置通常利用台秤改制，量程为i o k g ，称量误差为土o 1 。称量装置的 秤盘上装有油杯1 ，燃油经电磁阀4 加入油杯。电磁阀的开闭由装在平衡块上的行 型b 大学硕士学位论文 第一章绪论 程限位器7 拨动两个微型限位开关5 和6 来控制。光电传感器给出油耗始点和终 点信号，它由两个光电二极管8 、9 和装在棱形指针上的光源1 0 组成，光电二极 管8 为固定式，光电二极管9 装在活动滑块上，滑块通过齿轮齿条机构移动，齿 轮轴与鼓轮1 2 相连，计量的燃油量通过转动鼓轮1 2 从刻度盘| 二读出。计量开始 时，光源1 0 的光束射在光电二极管8 上，光电二极管发出信号，使计数器1 3 开 始计数，随着油杯中燃油的消耗，指针移动。当光束射到光电二极管9 上时，光 1 油杯2 出油管3 加油管4 电磁阀5 、6 限位开关7 限位器 8 、9 光电二极管1 0 光源1 1 鼓轮机构1 2 鼓轮1 3 计数器 图1 3 质量式油耗仪的检测原理 f i g1 3t h et e s t i n gp r i n c i p l eo fm a s so i l m e a s u r i n gi n s t r u m e n t 电= 极管9 发出信号，使计数器停止计数。上述质量式油耗仪有一个系统误差， 即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。此项系统误差必须根据汽车耗油量及油杯液面高度变化 进行修正。 东北k 聿硕士学位论丈第一章姥论 1 2 2 不解体油耗分析仪的研究状况 利用不解体的方式对燃油消耗量的测量是近几年本领域研究最活跃的课题， 通过不接触的方式对管内的流量进行测量的理论繁杂，方法众多。现在解体测油 耗的方法已经比较成熟，国内使用的都是解体式油耗检测设备，但是，由于其结 构复杂，拆装困难，应用受到了一定的限制，因此，有必要研究一种新的油耗检 测方法。目前，国际上也都是采用解体测油耗，不解体油耗测量技术还处在起步 的阶段，国内外在这方面的研究都比较少。因此，本课题的研究应该说是具有一 定的开创性的 6 。 1 3 汽车百公里油耗评估 在当前和今后相当长的一段时期，汽车燃料仍将以石油产品为主。由于汽车 运输的油耗占汽车运输成本的2 0 以上，根据我国公路法的规定，公路养路费用 将采取征收燃油附加费用的办法，燃料成本会大幅度增加。据统计，平均燃料费 增加3 7 5 4 4 5 ，甚至高达6 0 以卜。 节约燃料就意味着汽车运输成本的降低，经济效益的提高。显而易见，研究 汽车燃料经济性对汽车节能的意义重大，例如，同1 9 7 0 年相比，1 9 9 3 年美国汽车 平均油耗下降了3 3 。为此，世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并 成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。 1 3 1 汽车燃料经济性评价指标 汽车燃料经济性，是指汽车以最少的燃料消耗完成单位运输工作量的能力。 目前世界上评论汽车燃油经济性一般用耗油量或油行程来表示。对于耗油量的表 示法，数值越小，燃油经济性越好；对于油里程表示法，数值越大，燃油经济性 越好( 换算关系：l 加仑= 4 5 4 6 l ，1 英里= 16 0 9 k m ) 。 汽车发动机燃料经济性通常用有效燃料消耗率g ，或有效效率仇评价。但它们 均不能反映发动机在具体汽车上的功率利用情况及行驶条件的影响。所以，它们 不能直接用于评价汽车燃料经济性。 为了评价汽车的燃料经济性，常选取单位行程的燃料消耗量( l 1 0 0 k m ) 或单位 运输工作的燃料消耗量( l 1 0 0 t k m ) 作为评价指标。前者用于比较相同容量的汽车燃 料经济性，也可用于分析不同部件( 如发动机、传动系等) 装在同一种汽车上对汽车 燃料经济性的影响；后者常用于比较和评价不同容载量的汽车燃料经济性。其数 值越大，汽车的经济性越差。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 汽车燃料经济性也可用汽车消耗单位量燃料所经过的行程k m l 作为评价指 标，称为汽车经济性因数。例如，美国采用每加仑燃料能行驶的英里数，即m p g 或m i l e u s g a l 。其数值越大，汽车的燃料经济性越好。 由于汽车在使用过程中，载荷和道路条件对汽车燃料的消耗影响很大，也可 采用燃料消耗量q ( 单位为l l o o k m ) 与有效载荷g 。( 单位：t ) 之间的关系曲线，评价 在不同道路条件下汽车燃料经济性，称之为平均燃料运行消耗特性 7 。 1 3 2 汽车燃油经济性实验方法 汽车的燃油经济性有两种测定法：一是行驶试验法；另一种是在平坦道路上 和一定条件下进行等速油耗试验。等速百公里油耗汽车在无坡度的平坦好路上以 等速行驶时的油耗为等速百公里油耗。所谓等速还要计入以不同车速等速行驶的 情况，不同车速的等速行驶，百公里油耗是不同的。 选择一段无坡度的平坦水泥路面或沥青路面，汽车以最高挡分别以不同车速 ( 每隔1 0 k m h 的车速取一个点) 等速行驶完这段路程，往返一次取平均值( 消除风和 坡度影响1 ，记下油耗量，即可获得不同车速下汽车百公里油耗，即所谓等速百公 里油耗。将每个车速段的耗油量用点连起来，就发现是一条开口向上的抛物线， 最凹点就是耗油量最低的车速段，也就是”经济车速”。 等速行驶百公里油耗试验是一种在我国广泛采用的最简单的道路循环试验。 试验时，汽车用最高档等速行驶，从车速2 0 k m h 开始，以车速1 0 k m h 的整倍数， 直至该档最高车速的8 0 ，至少测定5 点。通过5 0 0 m 测量段，测定耗油量和时 间，每种车速往返试验各两次，两次试验之间的时间间隔( 包括使车速达到预定的 稳定车速所需的助跑时问) 应尽可能地缩短，以保持稳定的热状况。往返共四次试 验结果的油耗量差值不应超过土5 ，取四次试验结果的平均值为等速行驶的耗油 量。 等速行驶燃料经济性不能全面考核汽车运行燃料经济性，它只能作为一种相 对比较性的指标。因为等速燃料经济性试验缺乏有关动力性要求的检验指标，容 易造成试验汽车的动力性要求与燃料经济性匹配不合理的现象；此外，等速行驶 燃料经济性不能反映汽车实际行驶中频繁出现的加速、减速等非稳定行驶工况。 我国针对载货汽车、城市公共汽车和乘用车提出了相应的燃料经济性试验规 范。载货汽车“六工况燃料测试循环”方法见表1 1 和图1 4 。试验过程是，用仪器 记录行程一车速一时间曲线，检查试验参数。在每个试验单元中，车辆终速度偏 差应小f + 3 o k m h ，其它工况速度偏差士1 5 k m h ，要求控制六工况的总行驶误差小 于土1 5s 。完成一个单元试验后，尽可能迅速地调头，从相反方向重复试验。累计 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 进行四个单元试验，将此六工况循环循环的累计耗油量折算成算术平均百公里耗 油量测定值。 6 0 5 0 4 0 图1 4 六工况测试循环图 f i g1 4 t h em a po fs i xi n s t a n c et e s t i n g 表1 1 丁况循环试验参数表 t a b l e1 1t h ep a r a m e t e rt a b l eo ft h es i xi n s t a n c ec i r c l e 在本课题中我们用底盘测功机模拟汽车行驶工况。用汽车测功器测量的油耗 有以下优点：在室内试验可不受外界气候条件的限制；能控制试验条件，周围环 境影响的修正系数可以减到最少；若能控制室温，则可对不同气温条件的汽车工 况进行模拟试验；室内便于控制行驶状况，故能采用符合实际的复杂循环；可以 同时进行燃料经济性与排气污染试验；能采用多种测量油耗的方法，如质量法、 体积法与碳平衡法。我们在这里采用的是质量法。 与其它方法相比，由于用汽车底盘测功器测量油耗的重复性好，能反映实际 行驶时复杂的交通情况，能采用多种测量油耗方法，还能同时进行废气污染的测 量，所以这种方法日益受到重视。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 汽车百公里油耗计算方法 为 根据每小时燃料消耗量g ，( k g h ) ，可利用式( 1 3 ) 确定燃料消耗量q ( l 1 0 0 k i n ) q ：9 8 1 g r “。y 盱急删 式中：u 。一车速，k m h ； r 一燃料密度，汽油可取6 9 6 7 15 n l ；柴油可取7 9 4 8 1 3 n l p 一发动机有效功率，k w ； g e 一发动机有效油耗率，g ( k w h l 。 将式( 1 4 ) 代入式( 1 3 ) ，可得 必2 根据汽车功率平衡方程式为 忍2 吉慷+ b + p w + 弓) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 芝2 赤卜簪+ 矧 n ， 将式( 1 6 ) 代入式( 1 5 ) ，可得汽车燃料消耗方程式为 酪= 一3 6 7 2 r r y 卜等+ 詈剖 式中：r r 一传动系机械效率； g 一汽车总重力( 单位n ) ，g = m g ； 谚一道路阻力系数： d 一空气阻力系数； a 一汽车迎面面积； 一汽车旋转质量换算系数。 汽车燃料方程式表明其燃料消耗量与影响因素f 发动机燃料经济性、 ( 1 8 ) 汽车结构 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 参数、行驶条件等) 的关系。它全面地表述了汽车燃料经济性。 在汽车研究和开发中，常要在试验样车制成前，根据发动机台架试验得到的 油耗曲线与汽车功率平衡图，对汽车进行燃料经济性估算，其中最简单和最基本 的就是估算汽车等速行驶时的油耗。 由功率平衡图及负荷特性可找出行驶时发动机的油耗。由发动机台架试验可 以得到某发动机使用负荷特性。使用负荷特性给出了在发动机某一转速n 。时，不 同有效功率只( 或负荷率) 下的有效油耗率g 。曲线。负荷率，是指在某一相同转速 下油门部分打开时发动机发出的功率与全开时( 最大) 功率之比，通常以百分数表 卅弋。 若汽车以u ，等速在平路上行驶，发动机应输出功率应等于汽车阻力功率p 。 此时，发动机负荷率u 为 若对应车速u 。的发动机转速为n 。 定有效油耗率g 。 d 7 二_ 1 0 0 晤 ( 1 9 ) 则根据n 。和u 便能在负荷特性曲线上确 肚一3 6 0 0 r t 卜等2 11 5 卫g 剖d t l 。 j， “：0 3 7 7 _ f i e f l k l 0 式巾：i 。一变速器相应档位的速比； i 。一主减速器速比。 u rp 、g 。和川弋入式( 1 5 ) ，即可求出速度u 。时汽车百公里油耗。 若每隔1 0 k m h 求出相应的百公里油耗，便可做出汽车等速百公里油耗曲线 幺一n 。 按同样的步骤也可作出汽车在有坡度i 的道路上行驶时的等速泊耗曲线。 目前厂家提供的负荷特性常是在发动机没有带附件的条件下测得的，因此， 应对计算所得到的等速油耗予以修正。 本课题的目的是研究汽车油耗检测的高精度方法，而汽车油耗检测现在都用 百公里油耗测试来进行，因此有必要把超声波油耗检测装置结合汽车底盘测功机 及测厚仪进行大量的油耗检测实验，为本课题的实际应用做好准各p 1 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 论文的主要工作及研究目标 当前不解体油耗测量技术很不成熟，主要是油耗测量精度达不到实用要求， 并且存在结构复杂和拆帐困难等缺点。本论文的主要工作就是在总结前人工作的 基础上，探求一种有效提高油耗测量精度的方法。本论文将主要完成以下几方面 的工作： ( 1 ) 研究不解体油耗测量的基本原理。采用超声波原理来进行流量测量。在 此原理基础上，比较超声波测量流量的各种方法的测量效果，从而确定最优的测 量方法。 ( 2 ) 超声波流量测量实验方案的设计制定。包括实验装置的选择及安装，具 体实验方法的制定和实施。 ( 3 ) 通过大量的实验对测得的数据进行分析。分析影响超声波测量精度的因素 以及各个影响因素和流量测量精度的关系，为油耗测量的神经网络修正模型的建 立提供依据。 ( 4 ) 总结各种主要的超声波油耗测量修正方法的特点，在此基础上，提出一种 新的油耗测量修正模型- - b p 神经网络模型。研究神经网络的基本原理及其在函数 逼近方面的应用，建立神经网络数学模型。并对神经网络模型的修正效果进行分 析，比较各种神经网络训练算法的修正效果，确定最优算法，最终建立超声波油 耗神经嘲络修正模型。 ( 5 ) 为超声波不解体油耗神经网络校正系统编制上位机软件。软件实现数据 接收、校正、输出等功能。 查些奎兰翌主兰竺笙圭苎三主丝生鉴兰堑型兰茎竺竺垄竺堡墨塑 第二章超声波油耗测量实验研究及 误差分析 利用不解体方式测量燃油消耗量是近几年来非常活跃的课题，通过非接触方 式测量流量的理论繁杂，方法众多，因此在进行实验之前有必要介绍一下不解体 油耗测量的理论依据，由于超声波测流量的理论基础不是本文论述的重点，因此 只在这里做简单的介绍。为了分析影响超声波流量计精度的因素，我们需要对超 声波流量计进行大量的和全面的实验。这里我们对超声波流量计进行了质量法检 定实验以及标准流量计标定实验。 2 1 超声波流量计的声学原理研究 超声波是超声振动在介质中的传播，超声波是在弹性介质中传播的机械波。 与声波在弹性介质中的传播类同，区别是超声波的频率高于2 0 k h z 。超声波的方 向性好：穿透能力强；能量高；遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的 转换。基于以上特点，超声波经常被用于检测和测量方面。 超声波流量计的基本原理是测量超声脉冲顺流和逆流时速度之差来反映流体 流速，从而测得流量【8 ，9 1 。 当超声波在流动的媒质中传播时，超声波速度与静止媒质的传播速度有所不 同，其变化值与媒质流速有关。因此根据超声波速度的变化可以求出媒质流速， 超声波流量计就是根据这一原理制成的。 f 1 f 2 u 图2 1超声波流量计原理示意图 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cf l o w m e t e r 假如超声波传播方向与介质运动方向相同，则传播速度加快，反之则传播速 东北大学硕士学位论文 第二章超声波油耗测量实验研究及误差分析 度降低。图2 1 就是超声波流量计原理示意图。在被测管道中，装两个超声波发射 换能器量和足以及两个接收换能器，和以，鼻和e ：与管道的夹角为目，管径 为d ，流体由左向右流动，速度为“，此时由e 到j 。超声波传播速度为： c i = c + j c o s 口( 2 1 ) 由鼻到，超声波传播速度为： c 2 = c 一“c o s ( 2 2 ) 以上两式中，c 为被测介质中超声波的传播速度。 将式( 2 1 ) 减式( 2 2 ) ，得： “2 专c 二o s 参 ( 2 _ 3 ) z 当日一定时，通过两个超声波传播速度差可以求出流速，继而可求出管道内液 体的流量。 测量两个超声波传播速度一般有时差法、相差法、频差法、超声束位移法和 超声多普勒法等几种方法。各种方法适用的具体情况有所不同，这里我们采用最 常用的流量测量方法一时差法 9 1 。 2 2 超声波流量计测试误差影晌因素分析 2 2 1 压力对超声波流量计流量测量的影响 i角b 么 分 2 j三蚕! l 剧 一u 。一h 彳 一一；拶 一簪 图2 2 超声射线轨迹 f i g 2 2 t h et r a c ko fu l t r a s o n i cr a y 一1 4 东北大学硕士学位论文第二章超声波油耗测量实验研究及误差分析 超声波流量计的测量原理见图2 2 ，其中f 为超声发射器，j 为超声接受器。 当管中流体静止时，超声波射线在流体中的轨迹为p b ，其速度为岛，当流体流 动时，超声波在流体中任一点的速度c ：。等于静止流体声速c ：与流体速度“的矢量 和。即i ：。= c 一2 + i 。由于流速沿管道截面分布不均，“沿超声波射线各点不l 司，因 此超声波射线在流动液体的轨迹为一曲线p 一b 。速度龆的分布越不均匀，曲线曲 率越大。在超声波流量汁的计算中，假设流速沿射线均匀分布，即合成后的超声 波射线仍为直线( 图2 2 中的船7 虚线) 。这必然引起误差，其误差大小与速度分布 的均匀程度有关，紊流的速度分布较层流均匀，所以紊流引起的此项误差小于层 流。而流体的流动是和流体的压力有关系的，因此压力是影响超声波流量计测量 精度的一个因素。在本文的实验部分中我们会用实验结果来说明压力对流量测量 精度的影响。 、 通过以上沦述我们发现超声波射线轨迹的变化与压力有关系，因此我们把压 力作为本课题流量修正所使用的b p 神经网络数学模型的输入层的一个参数。 另外，线平均速度与面平均速度之差也能引起超声波流量测量误差。时差法 通过测量超声波脉冲顺流传播和逆流传播的时间差来进行流量的测量( 见图21 ) 。 设f 、j 交替发射和接收超声波，顺流时超声波传播的时间为t 。，逆流时超声波传 播的时间为t ：，则： t = 岩c 羔c o s 竹 亿。，l = i + f( 2 4 ) + “ d is i n 0 t 2 = j + f ( 2 5 ) c 、一“c o s 式中 d 一管径； 臼一超声波射线与管道轴线之间的夹角； “流体在超声波射线上的平均速度； f 超声波在声导中的传播时问与电路延迟时间之和。 出：f 2 一f l ：2 d c 广t g o “( 2 6 ) c 2 超声波流量计的计算方程为 “：三熊出 f 2 7 1 2 d q = “- a f 2 8 1 由于过流断面速度分布不均，其线平均速度与面平均速度不同，用线平均速 度乘断面面积取得流量必然引起误差，此误差不容忽略，必须修正，12 1 。 查! ! 奎兰翌圭芏竺笙查 第二章超声波油耗测量实验研究及误差分析 2 2 2 温度变化引起的测量误差 由超声波流量计的计算方程可知，流量与声速c ：的平方成正比，而声速随温 度的变化而变化，由此产生的误差比较大，必须进行修正。 目前对温度的修正主要依靠流量修正系数来进行温度补偿。温度为t 时，被 测媒质的声速温度系数为： c 2 2 c 2 0 ( 1 + b t )( 2 9 1 式巾c ：。一丁为o 。c 时的声速值； b 一被测媒质的声速温度系数。 随着微型计算机的应用，声速修正比较简单，键盘输入温度值，按上式求出。 代入流量公式即可。 温度变化可引起油液粘度变化，粘度变化引起雷诺数r ，变化，而r 。的变化又 可引起流量系数k 变化。 q = k u t a ( 2 1 0 1 式中女一流量修正系数( t ：丝) ； “ “。一面平均速度。 油液粘度随温度变化的关系为： v = v e 2 ( 7 一) 式中 v 温度为，时油液的运动粘度； 1 0 温度为矗时的运动粘度； 旯粘温指数， = o 0 3 5 0 0 5 2 。 以上y a n 3 2 液压油为例，若温度变化范围为o 8 0 。c 范围为5 1 9 3 c s t ，两种温度下的雷诺之比为： ( 2 1 1 ) 则油液运动粘度变化 r e 塑_ o ：3 9 (212)r 曙o 一 ， 由此引起的k 值及最后流量误差是很可观的，此误差直接影响测量精度，因此 必须根据不同的温度对流量进行修正f 1 3 】。 2 2 3 油管外径的误差对油耗测量的影晌 在实验中发现测量误差远远大于流量计所标定的误差，下面对此误差大的原 冈进行分析。 使用超声波流量计测量液体体积的数学公式是： 东北大学硕士学位论文第二章超声波油耗测量实验研究及误差分析 q = v a f ( 2 1 3 ) 式中y 一流体流速； a 一管内横截面积； t 一时间。 影响流量测量准确度的主要因素有： ( 1 1 超声波流量计+ 本身的误差巧b o ( 2 ) 被测管段内横截面积的误差测量以。 下面进行分析计算： ( 1 ) 超声波流量计的误差占b j 。是由流速测量误差和时问累计误差两部分合成。这部分误差是超声波流量 计生产工艺和制造精度所决定的。经计量检定机构检定后确定修正值大小和准确 度等级。用户根据使用要求选用。这里，我们选用的超声波流量计是f l u x u s a d m7 2 0 7 ，其测量精度为o 5 。 ( 2 ) 被测管段内横截面面积误差测量以 内经d 在现场无法直接测量，只能通过测量管外径和管壁厚度，输入超声波 流量计，由超声波流量计内置运算器处理。内横截面积的准确程度取决于管外壁 和管壁厚的测量准确度。 d = d 一2 br 2 1 4 ) 式中d 一一管外壁厚( m m ) ； b 一一管壁厚度( m m ) 。 横截面积为 1 4 = 二蒯2( 2 1 5 ) 对以上两式求导，并根据误差