（光学工程专业论文）汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发.pdf

o+：。-1 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密凹。 学位论文作者签名：王认 山f f 年占月少日 指导教师签名：三 、 k if 年石月i 胡 汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发 d e v e l o p m e n to nv e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o ni n t e l l i g e n t a n dr a p i d t e s t i n gs y s t e m 姓 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 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烈。研制能够快速、准确测量汽车燃油消 耗的不解体检测系统，已成为一项重要的课题。 然而，我国在用车到综合性能检测站进行汽车燃油经济性检测时， 采用容积法和重量法虽然可以直接测量汽车燃油消耗量，但这些方法都 需要拆卸被检车辆的油路，实行解体检验给实际操作带来很大的困难。 为解决上述问题，本文利用碳平衡原理，根据油耗检测设备现有的技术 水平和发展趋势，采用先进的传感技术、单片机技术、网络数据库技术 和串口通讯技术，研制智能型燃油消耗测试系统，主要内容包括：建立 汽车排气开式稀释取样、流量计量和碳平衡法的油耗测量理论模型；设 计碳平衡法燃油消耗测试系统样机。 现有的燃油消耗测量技术都不同程度的存在着一些问题，直接影响 了油耗测量在检测线上的应用。因此，自主设计了流量测量模块来实现 稀释排气流量的精确计量，并采用变频器控制风机转速实现对稀释排气 流量的无级调节；结合流量计与标准文丘里管的比对试验，可以看出自 主设计的流量计具有很高的精度和稳定性，完全可以用于稀释排气流量 的测量；另外，基于红外不分光原理自主设计了含碳成分气体浓度测量 模块，并利用标准排放测试系统对气体分析仪进行了标定和比对试验。 针对该测试系统运用v b 2 0 0 5 、n im e a s u r e m e n ts t u d i o 和s q ls e r v e r 2 0 0 5 开发了系统控制软件，为用户提供了较好的人机交互界面，可以实 现传感器标定、远程控制系统、试验数据的网络通讯等功能。 最后，对该系统进行了验证性试验，分析了燃油消耗测量系统所采 汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发 用的理论的可行性，根据具体情况对理论模型进行了修正，建立的修正 模型呈现明显的线性关系，试验结果表明模型是正确的。系统的开发能 满足营运性车辆的燃油消耗检测与控制的目的，对汽车燃油消耗测量在 检测线上的推广应用以及国家相关油耗法规的强制执行有重要的意义。 关键词：碳平衡法，燃油消耗，测量模块，智能检测，网络通讯 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ec o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n go fo u rc o u n t r y sv e h i c l eo w n i n g ， g a s o l i n ea n dd i e s e ls u c hr e s o u r c e st h a tc a l l n o tb er e p r o d u c e dd e c r e a s e g r a d u a l l y t o g e t h e rw i t h t h ec o n s c i o u s n e s so fe n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n i n c r e a s i n gg r a d u a l l y , p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o no nt h ef u e lc o n s u m p t i o no f t h e v e h i c l e r e s e a r c h i n g o nt h e e q u i p m e n t st h a t c a l lm e a s u r ef u e l c o n s u m p t i o nq u i c k l ya n da c c u r a t e l yu n d e ra l lw o r k i n gc o n d i t i o n sh a sb e c o m e av e r yi m p o r t a n t t o p i c h o w e v e r , w h e nv e h i c l ea r et e s t e di nt h ef u e l - - e c o n o m yt e s t i n go fi n - u s e v e h i c l eo nt h ev e h i c l ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c et e s t i n gl i n e ，t h ef u e l c o n s u m p t i o n c a nb em e a s u r e db yv o l u m e t r i cm e t h o da n d g r a v i m e t r i cm e t h o d b u tt h eo i ld u c to ft h eb e i n gd e t e c t e dv e h i c l en e e dt ob ed i s m a n t l e dw i t ht h e s e m e t h o d s ，w h i c hc o u l dc a u s eal o to fi n c o n v e n i e n c et oa c t u a lo p e r a t i o n i n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e m st h a th a dh a p p e n e d ，t h i sa r t i c l er e f e r r e dt o f u e l c o n s u m i n gi n s t r u m e n t st e c h n o l o g yl e v e la n dd e v e l o p m e n tt r e n d ，a n d a d v a n c e ds e n s o rt e c h n o l o g yw e r ea d o p t e d b e s i d e s ，s i n g l ec h i pc o m p u t e r t e c h n o l o g y , n e t w o r kd a t a b a s et e c h n o l o g ya n ds e r i a l p o r tc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yw e r ei n c l u d e d ，w h i c hw e r eu s e f u lt od or e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tf u e l c o n s u m p t i o nt e s t i n gs y s t e mb a s e do nc a r b o nb a l a n c e t h em a i nc o n t e n t i n c l u d e se s t a b l i s h i n gt h e o r e t i c a lm o d e lo fc a l c u l a t i n gf u e l c o n s u m p t i o nb y c a r b o nb a l a n c em e t h o db a s e do nt h e o p e nt y p e d i l u t i o n s a m p l i n ga n d d i s c h a r g ec a l c u l a t e s ，d e s i g n i n gam a c h i n ec a l l e df u e lc o n s u m p t i o nt e s t i n g s y s t e mb a s e do nc a r b o nb a l a n c e t h ee x i s t i n gf u e lc o n s u m p t i o nt e s t i n gt e c h n o l o g yh a ss o m e p r o b l e m s i t a l s ol e a d st om e a s u r ef u e l c o n s u m p t i o nd i f f i c u l t l y t h e r e f o r e ，t h ef l o w m e a s u r e m e n tm o d u l ew a sd e s i g n e dt ot e s tt h ef l o wo fd i l u t e de x h a u s t a l s o ， t h ef r e q u e n c yc o n v e r t e rw a su s e dt oc h a n g et h es p e e do ft h ee l e c t r i cm o t o r , 汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发 w h i c hc a nf u l f i l ls t e p l e s sa d j u s t m e n to fd i l u t i o nc o e f f i c i e n te x h a u s t f r o mt h e c o n t r a s te x p e r i m e n tw i t hv e n t u r it u b e ，i ts h o w e dt h a tt h ef l o w - m e t e rh a da g r e a ta c c u r a c ya n ds t a b i l i t y , a n dc o u l db eu s e dt om e a s u r e t h ef l o wo fd i l u t e d e x h a u s t i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fn o n - d i s p e r s i v ei n f r a r e d ，a m o d u l ew a sd e s i g n e dt om e a s u r et h ec o n c e n t r a t i o no fg a sw h i c hc o n t a i nt h e e l e m e n to fc a r b o n a l s o ，s t a n d a r de x h a u s tt e s t i n gs y s t e mw a su s e dt oc a l i b r a t e a n dd oc o n t r a s te x p e r i m e n to nt h eg a sa n a l y z e r v b 2 0 0 5 ，n im e a s u r e m e n ts t u d i oa n ds o ls e r v e r2 0 0 5w e r eu s e dt o d e v e l o pc o n t r o ls o f t w a r eo ft h et e s t i n gs y s t e m i tp r o v i d e du s e r sw i t hab e t t e r h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i tc o u l dr e a l i z el o t so ff u n c t i o n ，s u c h 弱s e n s o r c a l i b r a t i o n ，r e m o t ec o n t r o l ，c o r r e s p o n d e n c eo ft e s t i n gd a t ai nt h en e t w o r ka n d s oo n f i n a l l y , t h ev e r i f y i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e du p a l s o ，t h ef e a s i b i l i t y 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 课题背景1 1 2 现有的汽车燃油消耗测量方法。2 1 3 课题研究的目的和意义4 1 3 1 基于开式稀释取样的碳平衡法测量燃油消耗的优点4 1 3 2 智能测量仪器的特点5 1 3 3 研究汽车燃油消耗智能检测技术的目的和意义6 1 4 碳平衡法测量汽车燃油消耗及智能检测技术的国内外研究状况7 1 5 论文的主要内容。9 第二章碳平衡法燃油消耗计算模型的建立及开式稀释取样系统的设计。一n 2 1 燃油消耗计算模型的建立。1 1 2 1 1 碳平衡法原理1 1 2 1 2 碳平衡法燃油消耗计算模型的建立。1 1 2 2 开式稀释取样系统的设计1 4 2 3 本章小结1 6 第三章燃油消耗测试系统的智能模块化设计 1 7 3 1 稀释排气流量测量模块1 7 3 1 1 流量计类型的确定1 7 3 1 2 锥形流量计的结构设计1 8 3 1 3 锥形流量计的流量计算理论模型1 9 3 1 4 智能流量测量模块主要部件的选型及电路板功能简介。2 1 3 1 5 锥形流量计的试验及数据分析2 8 3 2 稀释排气含碳成分气体浓度测量模块3 0 3 2 1 红外不分光法( n d m ) 测量原理3 0 3 2 2 气体分析仪的结构设计及其测量原理。3 4 3 2 3 气体分析仪主要部件的选型及电路板功能简介3 5 3 2 4 气体分析仪的试验及数据分析4 1 3 3 变频调速控制模块4 3 3 4 本章小结4 4 第四章燃油消耗测试系统控制软件的设计 4 1v b 2 0 0 5 、n im e a s u r e m e n ts t u d i o 和s q ls e r v e r2 0 0 5 简介4 5 4 1 1v b 2 0 0 5 简介。4 5 4 1 2n im e 娜e m e ms t u d i o 简介4 6 4 1 3s o ls e r v e r2 0 0 5 简介4 7 4 2 软件总体设计方案4 8 v 汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发 4 3 软件设计中关键技术的介绍4 9 4 3 1 传感器标定。4 9 4 3 2 气体分析单元标定5 0 4 3 3 串口通讯技术。5 1 4 3 4 系统的远程控制5 3 4 3 5 数据库访问技术。5 5 4 3 6 构建a s e n e tw e b 应用程序5 7 4 4 软件运行主要步骤6 1 4 5 本章小结6 1 第五章燃油消耗测试系统的试验及数据处理 5 1 试验方案6 2 5 2 试验设备6 2 5 2 1 底盘测功机6 2 5 2 2 油耗仪6 3 5 3 试验方法。6 3 5 3 1 燃油消耗测试步骤6 3 5 3 2 试验数据记录6 5 5 4 试验数据处理及分析。6 6 5 4 1 数据处理与分析6 6 5 4 2 试验数据分析结果。6 7 5 5 燃油消耗测试系统的适应性验证。6 8 5 5 1 系统计算模型的修正。6 8 5 5 2 系统的适应性验证6 8 5 6 本章小结6 9 第六章碳平衡法燃油消耗测试系统的误差分析 7 0 6 1 误差的类型与分析方法7 0 6 2 燃油消耗测试系统的试验误差分析7 1 6 3 本章小结7 3 第七章结论与展望 7 4 7 1 论文的研究结论7 4 7 2 展望7 4 致谢 参考文献 参加项目及发表的论文 v i 7 6 1 - 8 0 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着石油能源的紧缺和汽车造成的环境污染的加剧，控制汽车油耗、保护 交通环境已经成为交通运输可持续发展的迫切需要。另外，汽车油耗检测也是探 查汽车技术状况的关键。汽车节约能源对建设资源节约型、环境友好型交通行业 具有十分重要的意义，也是我国节能减排的重要组成部分。 2 0 世纪7 0 年代中期，国外对汽车燃油消耗量碳平衡测量法进行了大量的试 验研究【1 1 1 2 1 0 ，但由于当时尾气分析技术落后，采用定容取样法系统，设备复杂 昂贵，阻碍了该方法的推广应用。随着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，而碳平衡法测量汽车燃油消耗量具有不解体检测的优 点。我国政府也出台了一系列法规来调控汽车燃油消耗量，其中g b 厂r1 9 2 3 3 2 0 0 3 就明确规定对汽车燃油消耗量的测量必须采用碳平衡法进行。 因此，在尾气分析及测量手段快速发展的有利条件下，对采用较简单测量设 备的碳平衡法的可行性及实用性进行理论及应用上的研究是非常有必要的。本文 针对现有汽车综合性能检测站开展油耗检测存在的问题，开发了成本低、由简单 设备组成和能实现车辆在不解体情况下测量的燃油消耗智能快速测试系统 4 1 1 5 1 。 1 1 课题背景 2 0 0 9 年9 月，胡锦涛主席在联合国气候变化峰会上承诺：“中国将进一步把 应对气候变化纳入经济社会发展规划，并继续采取强有力的措施：一是加强节能、 提高能效工作，争取到2 0 2 0 年单位国内生产总值二氧化碳排放量比2 0 0 5 年下降 4 0 - 4 5 ；二是大力发展可再生能源和核能，争取到2 0 2 0 年非化石能源占一次 能源消费比重达到1 5 左右；三是大力增加森林碳汇；四是大力发展绿色经济， 积极发展低碳经济和循环经济，研发和推广气候友好技术。一 2 0 0 9 年1 2 月1 9 日召开的哥本哈根气候大会尽管最终没有达成有具体指标 的约束性协议，但“低碳经济 这个词汇以前所未有的冲击力震撼着世界各国的 经济和政治思维。目前，我国正处于自主减排的阶段，但是今后的减排压力一定 会越来越大，而且如果不跟进，就不能融入世界经济的主流。另外，我国国民经 济在飞速发展，对能源的需求、对环境的压力也会越来越大。因此，低碳经济迫 切需要各行各业从自我点滴做起，节能减排任重道远。 汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发 汽车作为能源消耗大户，在碳排放中占有率较高。最新的节能法第四十 六条就明确规定：“国务院有关部门制定交通运输营运车船的燃料消耗量限值标 准；不符合标准的，不得用于营运。国务院有关交通运输主管部门应当加强对交 通运输营运车船燃料消耗检测的监督管理。 数据显示，道路运输业是能源消耗大户。截至2 0 0 8 年底，我国道路营运车 辆的保有量为9 3 0 6 1 万辆，占全国机动车保有量的5 5 ，但所消耗的成品油占 全国机动车成品油耗总量的3 0 左右。我国机动车平均油耗比发达国家高 1 0 一2 5 ，其中，轿车油耗比日本高2 0 2 5 ，比欧洲高1 0 1 5 ，比美国高 5 2 0 ；特别是运输车辆，轻型载货车比国外同类车高2 5 以上，中型载货车 高1 1 倍以上。因此，我国道路运输车辆在节能减排方面大有潜力可挖。 目前，营运性车辆是燃油消耗的主力。交通部公路水路交通节能中长期 规划纲要提出：到2 0 1 5 年，营运货车单位运输周转量能耗与2 0 0 5 年相比下降 1 2 左右，营运客车单位运输周转量能耗下降3 左右；到2 0 2 0 年，营运货车单 位运输周转量能耗与2 0 0 5 年相比下降1 6 左右，营运客车单位运输周转量能耗 下降5 左右。然而，目前实施的g b1 8 5 6 5 营运车辆综合性能要求和检验方法 中，对营业性车辆燃料经济性提出的要求是：百公里燃料消耗量不得大于该车型 原厂规定的相应车速等速百公里燃料消耗量的1 1 0 。1 1 0 的考核指标，实质是 以该汽车车型的出厂油耗为基础。这项规定在实际运用中存在很多的问题，操作 性和准确性都较差，导致目前各检测机构对在用营运车辆的油耗检测无法落实。 1 2 现有的汽车燃油消耗测量方法 现有的油耗测量方法可以分为两类，即直接测量法和间接测量法。直接测量 法又可以分为质量法和体积法；而间接测量法主要是指碳平衡法。根据取样方式 的不同，碳平衡法又可以分为排气直采测量法和排气稀释采样测量法两种。 直接测量法是通过计量一定时间或里程内汽车所消耗的燃油体积或质量，得 到汽车的燃油消耗。如活塞式油耗仪就是一种容积式流量计网，具有较高的精度， 但该方法需要拆卸被检车辆原来的油路，将油耗仪串入到发动机的燃油供给系 统，存在诸多问题【4 】： ( 1 ) 安全问题，汽油挥发容易造成污染和易燃的安全隐患。 ( 2 ) 油耗仪串入到油路中后会影响到发动机燃油供给，影响燃油消耗的测试 2 江苏大学硕士学位论文 精度。 ( 3 ) 油耗仪的安装连接十分不便，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 ) 安装和测量过程时间较长，尤其是装有电控燃油供给系统的车辆。 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。在实际应用中，不论对车辆检测部门还是车辆维修部 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被检测车辆的原油路即可进行 油耗测量的新仪器。 碳平衡法被认为是间接、快速测量汽车油耗的有效方法之一。它是通过汽 车发动机燃油与空气燃烧前和燃烧后的碳质量平衡，得到汽车的燃油消耗。如 h o r i b a 的c v s 定容取样系统( 稀释采样) 及吉林大学开发的汽油车碳平衡法 测油耗系统( 直接采样) 7 1 。虽然基于直接采样的碳平衡法很好的解决了直接测 量带来的安全和连接的问题，但它同样存在着以下问题【8 】： ( 1 ) 排气中含有大量的水，气体在输送过程中会发生冷凝现象。 ( 2 ) 排气存在气压波动、且温度很高，精确计量排气流量还比较困难。普通 的涡街式、孔板式、涡轮式流量计在精度或寿命等方面都存在着不足， 因此很难保证对排气流量长期高精度测量。 ( 3 ) 发动机不同工况的排气流量变化范围很大，常规流量计的量程比很难满 足要求。 ( 4 ) 取样接头与排气管要实现密封联接。汽车排气管有大有小、温度较高， 快速且可靠的密封联接实现十分困难。 ( 5 ) 测量误差较大，很难将测量误差控制在5 以内。 c v s 定容取样装置如图1 1 所示，它是将发动机的全部排气用外部导入的清 洁空气进行稀释，用定容泵将稀释后的排气抽走，送入采样袋，再进行气体成分 测量。 3 汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发 l2345 1 滤清器2 稀释空气取样口3 、1 4 取样泵4 、1 3 流量控制器 5 、1 2 流量计6 、1 1 快速动作阀7 接头8 稀释空气取样袋 9 稀释排气取样袋1 0 接头1 5 滤清器1 6 稀释排气取样口1 7 混合室 图1 1c v s 定容采样装置示意图 f i g u r e1 1d i a g r a mo fc v s v o l u m es a m p l i n gd e v i c e c v s 法的特点是：能较好的模拟汽车尾气在空气中的扩散情况，测出排放物 的质量；能防止水蒸气和高沸点的碳氢化合物在取样系统中凝结，减少排气各成 分间的反应，取样气体组分比较稳定，测量误差小。但是，由于稀释后使待测气 体成分的浓度降低，因此需要高灵敏度、高性能的分析仪器【9 】。同时，所需设备 庞大、复杂、昂贵、对测试环境的要求高、取样口需要与排气管密封联接，使之 在检测线、生产线上很难普及，只适用于台架试验。 调查表明，我国交通系统的2 0 0 0 多家车辆检测站的在用车性能检测线，虽 然都有汽车燃油消耗直接测量仪，由于上述原因，该测试项目并没有真正开展。 1 3 课题研究的目的和意义 1 3 1 基于开式稀释取样的碳平衡法测量燃油消耗的优点 由于现有的油耗测量技术都不同程度的存在着一些问题，直接影响了油耗测 量在检测线上的应用。本文采用开式稀释取样系统，该系统具有以下优点嗍： ( 1 ) 只需要将排气管插入取样口即可，取样系统与机动车排气管间不需要 密封联接； ( 2 ) 当排气与空气的稀释比例足够( 一般稀释排气中c 0 2 浓度要低于3 ) 时，稀释排气在测试管路和仪器中输送时不会出现水冷凝现象； ( 3 ) 稀释后的排气温度比较低，一般可保证在1 0 0 以下，为精确测量稀 4 h 江苏大学硕士学位论文 释排气流量及其含碳成分浓度打下基础； ( 4 ) 稀释排气的气压波动和排气成分浓度波动大大降低； ( 5 ) 进入气体分析仪的稀释气样无须特殊处理( 如直接采样须冷凝去水和 过滤等) 。 由于直接测量法的缺点以及现有碳平衡法的局限性，难以实现对汽车油耗 的快速不解体测量，尽管国家规定汽车油耗测量是机动车辆综合性能检测的必检 项目，但实际难以落实，也就无法得到评价被检车辆综合性能的燃油经济性指标， 更使得相关检测项目成为虚设。为避免传统碳平衡法测油耗的缺点，开发一种适 用于车辆综合性能检测站的、可以实现汽车油耗的快速、实时、不解体检测的燃 油消耗测试系统显得非常必要。同时，研究汽车性能检测线燃油消耗测试新方法， 开发相关的测试设备，可以准确地反映车辆真实的经济性，为实现道路运输车辆 的节能减排提供必要的手段和强有力的支撑，切实保证节能法以及交通部令 的贯彻、实施。 1 3 2 智能测量仪器的特点 智能测量仪器是一个计算机测量系统，包括由传感器构成的信号采集与处理 ( 放大、整形) 、a d 转换器、微处理器( 单片机) 、具有人机对话功能的控制面 板和显示器、具有通讯功能的r s 2 3 2 接口、数据存贮器( 删) 、程序存储器 ( e p r o m ) 、d a 转换器、驱动器以及执行机构等。不同功能的智能仪器由不同 部件组合而成。 传统仪器与智能仪器的主要区别在于后者加入了微处理器【1 0 l 。从仪器的角度 看，其结构组成如图1 2 所示，其中传感器是非电量智能测量仪器的一个组成部 分。由图1 2 可以看出，微处理器含于电子仪器中，是整个仪器的组成部分之一。 然而，微处理器的加入决定了智能仪器的工作方式必然采用计算机的工作方式， 与传统仪器有很大差异。既然智能仪器采用计算机的工作方式，就需要设计出能 够监视和控制整个仪器正常工作的程序，通过它来协调仪器的各个部分，使仪器 实现正常的功能。这个程序就是智能仪器的软件，称之为监控程序。这种硬件、 软件配合的工作方式就是计算机的工作方式。智能仪器控制部分一般分两种情 况：一是微处理器接受控制面板输入的命令后，不需经过数模转换器，直接由接 口输出控制信息和数据信息，去控制一些执行机构，如具有与p c 机通讯功能的 5 汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发 r s 2 3 2 接口等；二是微处理器经过处理后输出的数字信息通过数模转换器和驱动 电路去驱动执行机构【1 1 】。 数 据 输 入 图1 2 智能仪器结构框图 f i g u r e l 2d i a g r a mo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ts t r u c t u r e 1 3 3 研究汽车燃油消耗智能检测技术的目的和意义 采用汽车燃油消耗智能检测技术开发的油耗智能测试系统是一种智能仪器 设备。研究与开发车辆智能燃油消耗检测系统，能够提高油耗检测的精度，降低 仪器的使用功耗，提高仪器的抗干扰能力，扩大仪器的测量范围。对于准确评价 汽车的油耗性能、节约能源、减少车辆对环境的污染、油耗检测设备的更新等具 有重要意义。研究与开发新型智能油耗测试系统也是实现油耗仪产品升级换代的 要求，同时也是科学技术日益发展的需要。 汽车的燃料经济性是汽车的重要性能之一，汽车燃油供给系统技术状况的好 坏直接影响着发动机的动力性、经济性、排放净化和可靠性，而且燃油供给系统 在使用中有较高的故障率。因此，车辆智能油耗检测系统是车辆检测、诊断及维 护的重要设备。 智能型油耗快速测试系统能够精确检测汽车油耗，可为研制低油耗车、营运 车辆油耗检测评价、维护和维修等提供依据；对于维修企业，可用于判定维修质 量，教学研究单位也可对其工作进行规律研究。因此，研究与开发车辆智能油耗 快速测试系统，能提高油耗检测精度，降低仪器的使用功耗，提高仪器的抗干扰 能力，扩大仪器的测量范围。对准确评价汽车的油耗性能，节约燃油和能源，减 少车辆对环境的污染等具有重要意义。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 碳平衡法测量汽车燃油消耗及智能检测技术的国内外研究状况 汽油( 柴油) 是内燃机的主要燃料，它的化学成分比较复杂，主要是各种碳 氢化合物的混合物。通过测定汽车在一定条件下运转时排气中的c 0 2 、c o 及h c 的排出量，利用其碳量与消耗燃油中的碳量守恒这一关系，通过定量分析，即可 得到燃油消耗量【1 2 1 1 3 1 。 美国环保局( e p a ) 在c f r 第4 0 卷的第6 0 0 部分中，规定了机动车燃料经 济性的测量方法。该法规采用了认4 城市行驶工况和h w t e t 公路行驶工况， 在转鼓试验台上对汽车测量油耗，用碳平衡法进行计算f 1 3 1 。计算公式如式( 1 1 ) ： q ：t 塑婴一 ( 1 1 ) ( 日c + 【( 志肿) + ( 0 4 2 9 c o + 0 2 7 3 c 0 2 ) 】 式中：q ：汽车油耗，m i l e u s g a l ； s g ：燃料相对密度，垧扎； h c ：燃料中氢和碳的质量比； c o 、c 0 2 、h c ：单位排放物质量，g m i l e 。 试验时采用标准汽油，i - i c = o 1 5 4 ，s g = 0 7 3 9 i 蟛l ，则上式可简化为： q ：型堡一 ( 1 2 ) 。 o 8 6 日c + 0 4 2 9 c o + 0 2 7 3 c o ，) 日本从1 9 7 3 年开始采用1 0 工况法测定油耗，从1 9 7 5 年开始，增设了1 1 工 况法。这两种工况法主要适用于以汽油或液化石油气为燃料，总质量在2 5 t 以下 的小型汽车( 不包括摩托车) 以及定员1 0 人以下的轻型客车、对总质量2 5 t 以 上或1 1 人以上的客车则采用6 工况法试验。1 0 工况法共进行6 个循环，第一循 环为试运转，采集后5 次循环的排放量，用碳平衡法计算油耗。从1 9 9 4 年1 0 月 用1 0 、1 5 工况法测定油耗【1 4 1 。 欧洲共同体已形成统一的试验规范，即联合国欧洲经济委员会( e c e ) 的 1 5 号法规( e c er 1 5 ) ，从1 9 8 2 年起执行，也是为排气控制制定的转鼓试验台规 范。该规范规定共进行4 次循环，然后用碳平衡法计算油耗。 另外，国际标准“道路车辆摩托车燃油消耗测量方法 中也给出了 7 汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发 一个采用碳平衡法的油耗计算公式【9 】： g ： ! q q 壁兰堡兰q ：垒鱼鱼 ( 1 3 ) i t = = 一 i j ， 0 4 2 9 c o 0 8 6 6 h c 0 2 7 3c 0 2 式中：g ：燃油消耗量，k m l ； d ：燃油密度，k g i , ； c o 、c 0 2 、h c 单位排放物的质量，g k i n 。 表1 1 为1 9 7 5 年美国联邦试验法( c v s c h ) 对碳平衡法、容积法、重量 法测量的燃油经济性进行了比较的试验结果，发现除去在冷起动工况下采用碳平 衡法可以获得与容积法、重量法相类似的精度【1 5 】。 表1 1 不同方法测量的燃油经济性比较 平均燃油经济性 车种测量方法标准偏差 ( r n i l e u s g a l ) 碳平衡法1 8 5 6o 2 5 8 2 3 l4 缸发动机汽车 容积法1 8 6 2 0 4 8 0 质量法 1 8 2 40 6 4 6 碳平衡法 1 0 6 80 1 7 2 5 7 5 l v 型8 缸汽车容积法1 0 9 60 1 8 3 质量法1 0 7 20 3 3 3 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。 综上可见，世界主要发达国家非常重视油耗控制和检测的问题，几十年前就 已经制定了相关法律和法规，并将碳平衡法计算油耗纳入规范，这说明碳平衡法 在汽车发达国家确实已经得到验证和应用。 我国于1 9 7 7 年首次发布了汽车油耗试验方法标准，1 9 9 0 年进行了第1 次修 订，其中规定等速油耗和多工况油耗试验在道路上进行。2 0 世纪9 0 年代后期， 我国参照联合国欧洲经济委员会8 4 号法规附录4 ，制订了乘用车油耗试验方法， 取代了原标准中的轿车部分，其中规定工况法油耗试验必须在实验室的底盘测功 8 江苏大学硕士学位论文 机上进行旧。但是，多年来我国仍主要在试车场进行等速油耗试验。2 0 0 3 年1 2 月1 日颁布的g b 厂r1 9 2 3 3 - - 2 0 0 3 轻型汽车燃料消耗量试验方法规定，在实 验室内测量汽车工况法排放的同时，通过碳平衡法计算出汽车油耗。碳平衡油耗 计算法是目前国际上通行的实验室内车辆工况法油耗试验方法，即通过对汽车尾 气中c 0 2 ，c o ，h c 含量的取样并进行计算来得到燃油消耗量。 近年来，我国对排放分析仪引进较多，许多单位进行了消化吸收，主要仪器 设备的生产技术也有引进。但对于国外所采用的c v s 取样系统研究很少，尚未 进行国产化开发，依靠引进，价格昂贵，难以推广，这是油耗及排放测试系统国 产化的薄弱环节。吉林大学汽车工程学院曾对碳平衡法测油耗进行过初步探讨，研 究了碳平衡法的理论模型，在汽油碳氢比确定方面提出了一些建议，验证了碳平衡 法的可行性阴【1 0 3 1 7 1 。 研究与开发新型智能油耗仪是实现油耗仪产品升级换代的要求，是科学技术日 益发展的需要。我国主要采用普通式汽车油耗计检测油耗，随着时代的变迁，科技 的日新月异，这类油耗计精度低、功耗大、适用范围较窄、可靠性不大、抗干扰性 不强等一系列弊端逐渐突显出来，并亟待改善。 国外汽车工业发达国家，比较重视环保与节能。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，正在大力开发研 制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，成本也将逐渐趋向合趔1 1 】。 1 5 论文的主要内容 离开了简便、快捷的油耗检测设备，道路运输车辆的油耗监管工作将无从谈起。 在排气成分分析及测量方法快速发展的有利条件下，本着追求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测量系统，缩短在 这一领域与发达国家的差距，为车辆燃油消耗测量提供一种更为方便、更为实用的 检测设备。 南通市汽车综合性能检测中心与江苏大学联合开展汽车燃油快速测量系统于 2 0 0 7 年申请并获得了江苏省交通科研计划项目“汽车燃油快速测量系统 。该项目目 前已经完成了原理性样机的研制、测控软件的开发，开展了大量实车比对试验，取 得了大量的数据。下一步需要在研制的原理性样机的基础上，在智能模块化、网络 9 汽车燃油消耗智能快速测试系统的开发 通讯、可靠性、操作方便性、外形外观等方面进一步开展创新工作，完善“汽车燃 油快速测量系统 ，使之满足g b 厂r1 8 5 6 6 营运车辆燃料消耗量检测评价方法的要 求，并大规模使用到交通部门汽车性能检测线上。 因此，确定本文的主要内容为： ( 1 ) 自主设计内锥流量计实现汽车稀释排气总量的精确计量。 ( 2 ) 选购先进的排气微量成分感应元件，自主设计气体采集和分析处理平台， 实现排气中含碳成分气体浓度的精确测量。 ( 3 ) 系统的智能模块化设计。如稀释排气流量测量模块、稀释排气含碳成分 气体浓度测量模块、变频调速控制模块等，均采用模拟信号本地数字化技 术，并通过串口与主控计算机进行数字通讯。 ( 4 ) 自主开发测试控制软件，实现试验过程、系统标定等自动完成。 ( 5 ) 基于v b n e t 技术、网络编程技术以及网络数据库技术，研究如何实现系 统的远程控制和测量数据的网络通讯。 ( 6 ) 进行相关试验研究，并进行误差分析。通过试验分析燃油消耗测试系统所 采用的理论的可行性，根据具体情况对理论模型进行修正，以提高其检测 精度。 ， 江苏大学硕士学位论文 第二章碳平衡法燃油消耗计算模型的建立及开式稀释取样 系统的设计 本章首先依据碳平衡原理，根据我国的实际情况建立了适用于检测站的燃 油消耗计算模型，并对模型各参数的确定方法进行了研究，分析了燃油品质对油 耗测量的误差影响。其次介绍了开式稀释取样系统的组成，并介绍了它的特点。 2 1 燃油消耗计算模型的建立 2 1 1 碳平衡法原理 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。碳原子在汽( 柴) 油车排气中主要以 二氧化碳、一氧化碳和碳氢化合物的形式存在【1 7 1 。 不管汽车按照什么循环进行油耗试验，假定汽车运行了l k m ，汽车平均油 耗为f e ( k i n l ) ，燃油密度为s g ( k g l ) ，燃油中碳质量比为c w f f ，那么， 消耗的汽油中碳质量- 1 0 0 0 x s g x c w f f x 唧( g ) ( 2 - 1 ) 按照汽车排放测试标准【1 8 1 1 9 i ，可测量出汽车按照运转循环运行lk m 后，排 气中二氧化碳、一氧化碳和碳氢化合物的排放量，分别以c 0 2 、c o 、h c 来表 示，其单位为曲n 。另外，c 0 2 、c o 和h c 中碳质量比率分别为0 2 7 3 、0 4 2