（机械电子工程专业论文）超声波汽车不解体油耗分析仪现场应用研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y fy 1 8 4 2 9 5 ”3 “ s t u d yo na p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i c n o n s e p a r a t e do i l - - c o n s u m i n ga n a l y s i s i n s t r u m e n t b ys o n gy u n f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry u a n p e i x i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 t i i d 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。 学位论文作者签名： 日期： 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以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 摘要 超声波汽车不解体油耗分析仪现场应用研究 摘要 近几年来，汽车工业特别是轿车行业有了突飞猛进的发展，例如2 0 0 5 年，全国汽 车产量已达9 6 5 万辆，由于全球高新技术的日新月异以及人们对保护环境与节约能源的 更加关注，各种油耗检测设备就应运而生，但是其中大部分为解体式油耗检测技术，主 要为容积法和质量法。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，不解体油耗分析系统的开发研究 是交通部重大科技攻关项目之一，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，本论文的目的就是研制出一套不解体油耗检测系统。 本论文首先对不解体油耗检测的技术进行了研究，通过对超声波检测技术的理论研 究，得出了适合于不解体油耗检测的技术超声波检测技术。从检测的实际情况出发， 得出了适合于不解体油耗检测的超声波传感器选用及安装方案。根据实际需要，我们设 计了以反拖型汽车底盘测功机为基础的检测平台，通过对汽车在测功机上的模拟道路行 驶，进行即时检测，满足了检测的现场需要。 同时通过大量的实验对超声波流量计的性能进行了测试，并对误差进行了分析与修 正；提出了流量计系数法和误差曲线修正方法。 在进行汽车油耗性能试验时，需测取的参数有流量、转数等信号，这些若以人工读 取表计的方法，不仅耗时费力，而且在人工读数及记录过程中易产生各种误差，试验的 精度难以得到保证。为此本课题研究开发了以p c 为硬件平台、并利用虚拟仪器技术开 发了上位机的软件系统，以l a b v i e w 软件为开发平台，配合必要的传感器、信号调理 器和数据采集卡组成的多通道油耗检测虚拟仪器系统。该系统在计算机上通过软件控制 数据采集、数据分析并显示结果，通过这些设计能满足用户的检测需要。 关键词：汽车油耗检测；l a b v i e w ；不解体油耗检测；虚拟仪器系统；超声波传感器； 时差法；流量计 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d yo na p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i cn o n s e p a r a t e d o i l c o n s u m i n ga n a l y s i si n s t r u m e n t a b s t r a c t i nt h el a s tf e wy e a r s ，c a ri n d u s t r yp r o g r e s sb yl e a p sa n db o u n d s ，f o re x a m p l e ，i n 2 0 0 5 ，n a t i o n a la u t o m o t i v ey i e l da l r e a d ya p p r o a c h9 , 6 5 0 ，0 0 0 ，s om a n yk i n do ft h e e q u i p m e n t so fo i lc o n s u m i n ge m e r g ei n t h a tt i m e s b u ta m o n gt h e mb i gp a r ti s 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 gt e c h n i q u e ，m a i nf o rc a p a c i t ym e t h o dw i t h q u a n t i t y m e t h o d ，t h e p e o p l ep a y a t t e n t i o nt o p r o g r e s s i v et e c h n i q u e i n w o r l d ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de c o n o m ye n e r g y ，b u tt h ea p p l i c a t i o no ft h e m e a s u r i n gq u i p m e n t sb a s e do 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 ds t r u c t u r ea n di 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 y p u ta t t e n t i o nt on 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 gt e c h n i q u e t h ep u r p o s eo ft h e d i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h ea 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 i n gm e a r 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 su 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 a sa l s os t u d i e dh e r e f r o mt h ec o m p a r i s o nw e c 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 et h a ti s f i tf o rn 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 a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fp r a c t i c a l i t y ，w ed e s i g n e dm e a s u r i n gb e d r o c kb y a u t o m o t i v ec h a s s i sd y n a m o m e t e r s w es a t i s f i e dt h ed e m a n do fm e a s u r i n gl o c a t i o nb y t h ec a rw a sd r i v e di na u t o m o t i v ec h a s s i sd y n a m o m e t e r s a tt h es a m et i m e ，p u to nt h ee r r o ra n a l y s i sa n di t sc o r r e c t i o n t h ef u n c t i o no ft h e u 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 ee r r o rw a sa n a l y z e da n d c o r r e c t e d ，t o o a tt h ep r o c e e d i n go fa u t o m o t i v eo i l c o n s u m i n ge x p e r i m e n t s ，w en e e dm e a s u r e t h ep a r a m e t e ra b o u tn u m b e ro ft i r et u r n i n g , w e i g h t e t c i fg e t t i n gt h e s es i g n a lw i t h t h em a n u a lm e t h o di n c l u d ee x p e r i m e n t ，n o to n l yw a s t i n gt i m ea n de n e r g y ，b u ta l s o m a k i n gk i n do fe r r o ra n dm i s t a k ee a s i l yi nm a n u a lr e a d i n ga n dr e c o r d i n gp r o c e s s ，t h e a c c u r a c yo fe x p e r i m e n ti sh a r dt ob eg u a r a n t e e d f o rt h i sr e s e a r c hw ed e v e l o p p e dt h i s s y s t e mo fn 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 gb yp c a st h eh a r d w a r ea n dd e s i g n e d v i r t u a li n s t r u m e n ta ss o f t w a r et h a ti sm a i n l yl a b v i e w ，m a t c h i n gw i t hs e n s o r , s y s t e m s i g n a la d j u s t e da n dd a qc a r d t h a ts y s t e mc o n t r o l st h ec o l l e c t i o no fd a t a , t h e a n a l y s i sd a t aa n dm a n i f e s t i n gr e s u l ta tc o m p u t eb ys o f t w a r e t os a t i s f yt h ed e m a n d o f t h ec u s t o m e r ，w ed e s i g nt h et h ed a t a b a s es y s t e mt h a tc a ns a v ea n ds e a r c ht h ed a t ao f o i l c o n s u m i n ga c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r dr e q u e s to fc a ro i l - c o n s u m i n g i i i k e yw o r d s ：t h ea u t o m o b i l e o fo i l - c o n s u m i n gm e a s u r i n g ；l a b v i e w i n s t r u m e n ts y s t e m ：n o n s e p a r a t e d0 i l c o n s u m i n g t 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 ；f l o w m e t e r i v m e a s u r i n g ；u l t r a s o n i c ；v i r t u a l f l o w m e t e r lilliliilllillllllilllliliillillilili 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 油耗检测的国内外研究状况1 1 2 解体式油耗分析仪的研究状况2 1 2 1 油耗分析仪的分类2 1 2 2 解体式油耗仪的检测方法研究3 1 2 2 1 容积式油耗仪3 1 2 2 2 质量式油耗仪。3 1 3 汽车燃油台架检测4 1 3 1 台架检验方法5 1 3 2 台架法中常见的两种检测油耗的方法5 1 4 论文的主要目标及工作。5 第二章汽车油耗检测的理论基础7 2 1 汽车油耗检测系统道路模拟部分工作原理。7 2 1 1 利用反拖型汽车底盘测功机模拟道路实验工作原理7 2 1 2 基于测功机系统下的等速油耗检测8 2 1 3 汽车底盘测功机结构8 2 1 4 反拖型汽车底盘测功机基本性能参数1 0 2 2 激光测流量的理论基础1 0 2 2 1 激光多普勒效应。1 0 2 2 2 激光多普勒流速计1 1 2 3 超声波测量流量的理论基础1 1 2 3 1 超声波的类型。1 2 2 3 1 1 纵波1 2 v 东北大学硕士学位论文目录 2 3 1 2 横波1 2 2 3 1 3 表面波1 3 2 3 1 4 板波1 3 2 3 2 超声波流量计的声学原理1 3 2 3 3 超声波测流量的主要测量方法1 4 2 3 3 1 时差法1 4 2 3 3 2 相差法1 6 2 3 3 3 频差法1 6 2 3 3 4 超声束位移法1 7 2 3 3 5 超声多普勒法1 8 第三章油耗检测现场应用系统总体设计。2 1 3 1 油耗检测系统总体设计2 1 3 2 超声波流量计及转数传感器的选用及设计2 1 3 2 1 超声波流量计探头参数的选择。2 2 3 2 1 1 声压强度传播理论2 2 3 2 1 1 换能器指向特性2 2 3 2 1 2 超声波倾斜入射到平界面上的反射与折射2 3 3 2 1 3 探头结构与波形转换问题2 3 3 2 2 超声波的激发与接收。2 5 3 2 3 超声波流量计、传感器的选用及安装。2 6 3 3 关于数据采集卡的选用及设计。3 0 3 3 1d a q 1 i 3 ( 1 3 3 2 数据采集基本理论3 1 3 4 工控机的选择3 2 第四章超声波流量计性能测试、误差分析与修正方案3 3 4 1 性能测试实验3 3 4 1 1 零流量测试实验3 3 4 1 2 质量法测试实验3 4 4 1 2 1 实验原理分析3 4 v i 东北大学硕士学位论文目录 4 1 2 2 实验环境的确定3 4 4 1 2 3 实验数据3 5 4 1 3 标准流量计对比法实验3 6 4 1 3 1 实验环境的确定3 6 4 1 3 2 实验原理分析3 6 4 1 3 3 实验数据采集3 8 4 2 系统误差分析4 1 4 3 误差产生的原因分析4 4 4 3 1 管径参数对误差的影响。4 4 4 3 2 管径参数对传感器距离的影响。4 6 4 3 3 超声波流量计的内部误差。4 8 4 3 3 1 流体动力学修正4 8 4 3 3 1 1 速度分布不均引起的超声波射线轨迹的变化4 8 4 3 3 1 2 线平均速度与面平均速度之差引起的误差4 8 4 3 3 2 温度变化引起的测量误差5 0 n 4 3 3 3 结论5 1 4 4 流量计的修正方案5 1 赫 4 4 1 流量计系数法5 1 4 4 2 误差曲线修正法5 3 第五章油耗检测系统软件设计5 5 5 1 软件设计方案5 5 5 1 1l a b v i e w 开发环境5 5 5 1 2l a b v i e w 软件的设计思想5 5 5 2 软件流程的设计5 6 5 3 基于串口通信的流量数据采集5 6 5 3 1r s 2 3 2 通信协议5 6 5 3 2r s 2 3 2 串行接口接线图5 8 5 4 系统检测程序总体设计5 9 5 4 1 软件各模块设计部分5 9 v i i 东北大学硕士学位论文目录 5 4 1 1 启动模块设计。5 9 5 4 1 2 转数部分模块6 0 5 4 1 3 油耗量输出部分6 1 5 4 1 4 百公里油耗检测部分6 1 5 4 2 基于数据采集卡部分的信号采集软件设计6 1 5 4 2 1 数据采集卡测量电脉冲的原理。6 2 5 4 2 2 本课题基于数据采集卡的程序模块编写6 3 5 4 2 3 本课题的串口编程方法“ 5 4 2 4 基于上位机的串行通讯接口编程部分6 4 5 4 3l a b v i e w 与超声波流量计的串口程序通讯实现6 4 5 4 3 1 数据存储模块6 6 第六章结论6 7 参考文献6 8 致谢7 0 v i i i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早珀。了匕 1 1 油耗检测的国内外研究状况 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 的汽油和柴油。随着我国汽车保有量的逐年增加，意味着石油消耗的增长，1 9 9 6 年我国汽油产量的7 6 7 9 6 和柴油产量的2 6 6 用于汽车，而我国石油产量增长较 慢。自1 9 9 6 年成为纯石油进口国后，1 9 9 6 年虽然生产1 5 5 亿吨，但仍进口2 5 0 0 万吨，到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 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。在这种情况下，汽车制造厂商对政府指定的法规十分重视，并采取了 各种措施使产品适应法规的限制。 美国先于1 9 7 5 年制定了1 9 7 8 - 1 9 8 5 年轿车油耗法规，后于1 9 7 8 年又制定 了总质量为3 8 吨以下的轻型货车的油耗法规。法规对汽车生产企业平均燃油量 做出了规定。我国也于1 9 8 4 年颁布了国家标准g b 4 3 5 2 8 4 载货汽车运行燃料 消耗量和g b 4 3 5 3 8 4 载客汽车运行燃料消耗量，使汽车运行燃料消耗量有 了标准的计算方法。而交通部于1 9 9 0 年第1 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的检测评价具有重要意义。 汽车的燃料消耗量除了与燃烧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，不仅可以诊断燃烧系的技术状况，而且可以诊断发动 机及整车的技术状况，国外一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 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， - 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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 过的时间，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。 就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表等并用诸 优点，因而能固定安装在汽车等车辆上，随车辆的道路实验长期使用，考核其燃 料消耗量。 1 2 解体式油耗分析仪的研究状况 1 2 1 油耗分析仪的分类 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 耗仪种类繁多，按测量方法可分为：容积式油耗仪、重量式油耗仪、流量式油耗 仪、流速式油耗仪。大多数油耗仪都能连续、累计测量，但测试的流量范围和流 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，即将油耗仪传感器串 接在燃料系供油管路上进行测量。 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。 车用油耗仪的类型有多种，常见的有容积式和质量式。容积式车用油耗仪如 按传感器结构不同，可分为膜片式、量管式和活塞式三种。膜片式车用油耗仪又 有单油室和双油室之分，量管式车用油耗仪又有单量管式和双量管式之分，活塞 式车用油耗仪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。容积式车用油耗仪如按计量显示仪表分，可 一i 分为电磁计数器式和有运算能力的数字显示式两种。目前，后者已发展成微机控 制的智能化仪表。 一在常见的车用油耗仪中，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比1 。 - 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 解体式油耗仪的检测方法研究 s 1 2 2 1 容积式油耗仪口1 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： 其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，燃油在油泵压力作用下推动活塞运动，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口的位置。曲轴旋转一周， 各缸分别排油一次。 信号转换机构装在曲轴的另一端，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，经过内部运算处理后，即 可显示出流经的燃油量。 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 2 2 2 质量式油耗仪嘲 质量式油耗传感器由称量装置、计数装置和控制装罱组成，在测量消耗 一定质量进一步的的燃油所需的时间后，即可算出单位时间内发动机的燃油 消耗量。称量装置通常利用台秤改制，量程为l o k g ，称量误差为o 1 。 称量装置的秤盘上装有油杯，燃油经电磁阀加入油杯。电磁阀的开闭由装在 平衡块上的行程限位器拨动两个微型限位开关来控制。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和装在棱形指针上的光源组成，光电 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 二极管装在活动滑块上，滑块通过齿轮齿条机构移动，齿轮轴与鼓轮相连， 计量的燃油量通过转动鼓轮从刻度盘上读出。计量开始时，光源的光束射在 光电二极管上，光电二极管发出信号，使计数器开始计数，随着油杯中燃油 的消耗，指针移动。当光束射到光电二极管上时，光电二极管发出信号，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。 1 3 汽车燃油台架检测 测定汽车燃料经济性的试验方法有多种。根据对各种使用因素的控制程度， 试验方法可分为以下几类：不加控制的道路试验；控制的道路试验；道路循环试 验( 包括等速油耗、加速油耗、制动油耗、怠速油耗等) ；在室内实验，如汽车底 盘测功机( 即转鼓试验台) 上的循环试验。 对各个影响因素都不加以控制的试验方法，称为“不加控制的道路试验”。试 验条件中，对被试车辆的维护、调整规范及所用燃料、润滑材料的规格有明确的 规定。由于各种使用因素的随机变化，要获得分散度小的数据是困难的。为此， 必须用车队进行长距离( 1 0 0 0 0 一- 1 6 0 0 0 k m ) 的试验，才能获得可信度较高的数据。 这种试验反映了车辆类型、道路条件、交通量、装载质量以及气候等因素对汽车 燃料消耗的影响，可用于全面地评价汽车的使用燃料经济性，是一种非常接近实 际情况的试验。但试验持续时间很长，试验费用巨大，所以很少采用。我国过去 汽车运输企业采用“使用油耗试验”就是一种“不加控制的道路试验”：即在某地区 的某汽车运输部门中，把试验车辆投入实际使用，在运行中认真记录汽车行驶里 程与油耗量，最后确定平均油耗量。这种试验结果能较好地反映车队的实际情况， 但难以真正做到准确地测量，同时也浪费时间。因此，它仅适合车型单一的运输 企业使用。 汽车完全按规定的车速时间规范进行的道路试验方法被称为道路循环试 ? 验。实验规范中规定换档时刻、制动时间，以及行车速度、加速度、制动减速度 一? 等数值。等速行驶油耗试验和怠速油耗试验是这类试验中两种最简单的循环试验 方法。等速行驶百公里油耗试验是一种被广泛采用的最简单的道路循环试验。它 不能全面反映汽车运行燃料经济性，只能作为一种比较性的相对指标。等速燃料 经济性试验缺乏有关动力性要求的检验指标，容易造成试验汽车动力性要求与燃 料经济性匹配不合理的现象；它也不能反映汽车实际行驶中频繁出现的加速、减 速等工况。 4 东北大学硕士学位论文笫一章绪论 在室内试验可不受外界气候条件的限制；由于能控制试验条件，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。汽车底盘测功机 测量油耗的重复性好，这种方法日益受到重视。本课题就是对该方法实现进行的 研究，以下介绍汽车燃油的台架检测方法。 1 3 1 台架检验方法 采用路试方法受到很多条件限制，而汽车燃油消耗量在底盘测功机上进行台 架试验暂无国家标准。因此为了方便、快速，参照g b 厂r 1 2 5 4 5 9 0 汽车燃油 消耗量试验方法的要求评价汽车燃油经济性，便于汽车综合性能检测站开展车 辆技术等级评定工作，可通过台架试验方法来模拟道路试验，即在底盘测功试验 台上模拟道路等速行驶油耗测试方法。 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。 1 3 2 台架法中常见的两种检测油耗的方法 其一为质量法，即采用质量式油耗传感器在底盘测功试验台上进行油耗检 测。另一种容积法，即采用行星活塞式油耗传感器在底盘测功试验台上进行油耗 检测。当汽车驶上底盘测功试验台后拆卸燃油管路，接上油耗传感器，排除油路 中的空气泡，然后在底盘测功试验台上进行加载，使加载量符合该车在路试状态 下的各种阻力，然后进行油耗检测。 1 4 论文的主要目标及工作 油耗仪是进行汽车发动机燃烧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一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。 下面是要完成的主要工作： ( 1 ) 寻求适合于不解体油耗检测的技术； ( 2 ) 通过实验测试流量计的性能： 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 对流量计的误差进行分析，并提出修正方案，实现对流量计的误差修正； ( 4 ) 通过汽车检测线现场测功机、不解体油耗仪检测复合方法研究，建立能 够应用于实际检测路径和评价标准。 6 东北大学硕士学位论文第二章汽车油耗检测的理论基础 第二章汽车油耗检测的理论基础 2 1 汽车油耗检测系统道路模拟部分工作原理 汽车不解体油耗检测系统的原理如图所示，首先通过反拖型汽车底盘测功 机模拟汽车在道路上的行驶状态，然后通过超声波流量计和转数传感器测出 流量和汽车行驶的公里数来计算出百公里油耗情况。 图2 1 汽车不解体油耗检测系统的原理图 f i g2 1t h es k e t c hm a po ft h es y s t e mo fo f fc o l l s u m e i n g 2 1 1 利用反拖型汽车底盘测功机模拟道路实验工作原理 汽车底盘测功机是进行汽车性能试验的一种十分重要的设备，近年来由于 计算机控制技术和机械制造的紧密结合，底盘测功机的性能不断得到提高，在汽 车和交通行业得到越来越广泛的应用。 判断汽车性能的传统法是采用道路试验，它要求严格的道路条件和气候条 件且试验时间较长。汽车底盘测功机采用滚筒替代路面，用加载的方法模拟道路 阻力，用飞轮模拟车辆的惯性，以便用室内试验的方法代替道路试验。它可以快 速、准确地测量车辆动力性、经济性以及对整车性能进行诊断，广泛用于汽车制 造、维修和检测部门。在发达国家底盘测功机已普及到大多数修理企业，由于价 格和国产测功机性能不够完善等原因，我国汽车行业测功机的保有量还很低。 近年来汽车的平均运行速度和运距大幅度提高，车辆在运行中必须保持良好 的技术状况，底盘测功机对加强维修质量的监督、便于车主了解车辆的技术状况 是一种很有效的手段，我国交通管理部门已规定在a 级汽车性能检测站中必须 配备底盘测功机，目前对车辆动力性、经济性的检测的国家标准正在制订中。 7 ，o 东北大学硕士学位论文第二章汽车油耗检测的理论基础 图2 2 反拖型汽车底盘测功机 f i g2 2a u t o m o t i v ec h a s s i sd y n a m o m e t e r s 2 1 2 基于测功机系统下的等速油耗检测 汽车燃油消耗量的检测一般在实验路段上进行，但道路实验所受的限制条件 多，采用汽车底盘测功机模拟道路实验测量车辆的燃油消耗量是一种快捷、简便 的方法。油耗测量：由底盘测功机模拟道路阻力和迎风阻力，测量不同车速下的 油耗，并绘出车速油耗曲线 4 1 。 2 1 3 汽车底盘测功机结构 底盘测功机主要有机架、滚筒装置、功率吸收装置、测量与控制装置、飞轮 组、指示装置及一些附件构成。滚筒是底盘测功机的主要构件，一般来说滚筒的 直径越大越接近路面，试验精度也越高。但滚筒太大会造成价格大幅度上升，一 般修理企业大多采用直径在3 0 0 毫米左右的双滚筒形式。功率吸收装置用来对车 辆产生行驶阻力，是底盘测功机的基本部件。早期的功率吸收装置采用水利涡轮 式，现在双滚筒形式测功机已普遍采用电涡流测功器，它可以通过调节激磁电流 改变阻力矩，以便准确地模拟汽车外部阻力。电涡流测功器将吸收汽车的能量变 为热量，因此就需要用水或空气作为介质把热量导出，根据介质的不同涡流可分 为水冷和风冷两种形式，采用背部水冷式涡流机测量精度较高，但安装不方便， 故现在常用的底盘测功机大多采用风冷方式。 图2 3 电涡流机 t h e2 3e l e c t r i c i t yv o r t e xm a c h i n e 8 东北大学硕士学位论文 第二章汽车油耗捡测的理论基础 测量与控制装置是现代底盘测功机的关键部件，设备的测量精度和功能很 大程度上取决于这一部分。好的控制装置可以准确地模拟车辆行驶时的各种阻力 和惯性力，可以自动控制整个测量过程，测量出底盘功率输出特性曲线和进行非 稳定工况的试验，甚至测量出底盘的阻力消耗曲线。 飞轮组是用来模拟车辆惯性的装置。一般来说，一定惯量的飞轮只能模拟一 类对应车型的惯性能量，但由于现代车辆的类型十分复杂，车辆的转动惯量在使 用中不断变化等因素，很难采用大量的飞轮来对不同的车型匹配。在测功机只有 一只飞轮的情况下，通过制定相应的数学模型对测量结果进行修正，也可以得到 相当精确的试验结果，这样可以大幅度减低造价。此外，测功机还可以增加一些 附件如反拖电机、油耗计、废气仪、差速锁等装置，以扩大测功机的使用功能。 汽车底盘测功机的机械结构如图所示。整体布局采用平行直线布局，便于力的传 递和安装。 2 3 4 5 1 、电涡流机2 、飞轮3 、滚筒4 、连轴器 5 反拖电机6 传感器 图2 4 汽车汽车底盘测功机结构 f i g2 4 t h es t r u c t u r eo fa u t o m o t i v ec h a s s i sd y n a m o m e t e r s 9 东北大学硕士学位论文g - 章汽车油耗检测的理论基础 2 1 4 反拖型汽车底盘测功机基本性能参数 1 、最大吸收底盘功率：2 5 0 k w 2 、最大吸收牵引力：8 0 0 0 n 3 、最大激磁电压电流：1 9 2 v 2 0 a 4 、最大允许轴荷：1 0 0 0 0 k g 5 、最高允许车速：高速型可达1 2 0 m 利用不解体的方式对燃油的消耗量进行测量，经过分析与调研，得出结论， 只能通过不接触的方式对管内流量进行测量。目前，能够对液体进行非接触式测 量的方式只有激光方法和超声波的方法。以下将分别进行讨论。 2 2 激光测流量的理论基础 2 2 1 激光多普勒效应 当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射( 或反射) 的光的频率将发 生改变，这种现象称为多普勒效应。相应地，将散射( 或反射) 的光的频率与光 源光频率的差值称为多普勒频移晦1 。对于如图2 5 所示的激光测速系统，激光光 源s 与受光点p ( 即反射表面) 之间有相对运动，由于反射表面运动速度而引起 光波频率漂移，此时，多普勒频移 厶。v c o s o ( 2 1 ) 。 a 式中y 反射表面运动速度；a 光源光波波长； 0 物体运动速度方向与激光传播方向夹角。 周笋胄增加频率减少 图2 5 多普勒效应 f i g 2 5 t h ee f f e c to fd u o p u l e 1 0 - 东北大学硕士学位论文第二章汽车油耗检测的理论基础 由上式可知，若能测得多普勒频移厶，。则可求得物体运动速度v 。 2 2 2 激光多普勒流速计 激光多普勒流速计原理如图2 6 所示砸1 。由激光器发射出的单色平行光，经 透镜聚集到被测流体内。由于流体中存在着运动粒子，一些光被散射，散射光与 未散射光之间产生频移，它与流体速度成正比。图中散射光由透镜收集，未散射 光由透镜收集，最后在光电倍增管中进行混频后输出交流信号。该信号输入到频 率跟踪器内进处理，获得与多普勒频移厶相应的模拟信号，从测得的丘值可得 到粒子运动速度，从而获得流体流速。 图2 6 激光多普勒流速计原理图 f i g