基于喷油脉宽测试法的汽车油耗智能测试技术

1、第30卷第18期农业工程学报 V ol.30 No.18 176 2014年9月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2014 基于喷油脉宽测试法的汽车油耗智能测试技术付百学1,2,胡胜海2(1. 黑龙江工程学院汽车与交通工程学院,哈尔滨 150050;2. 哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨 150001摘 要:针对汽车油耗测试存在的问题,采用单片机控制技术,通过直接测试喷油器喷油脉宽测试汽车油耗,研制汽车油耗智能测试仪器。根据汽车发动机喷油器喷油控制原理,确定汽车油耗测试方法。基于油耗测试原

2、理构建汽车油耗测试系统的数学计算模型,并在标准状态下对该数学模型进行修正。根据油耗测试系统的功能要求,选定汽车油耗测试控制系统的单片机型号,确定汽车油耗测试控制系统各组成模块的功能,编写了喷油脉冲信号采集系统和汽车油耗测试系统主程序。结合汽车油耗测试样机和汽车测功试验台,搭建油耗测试样机试验系统,对试验数据进行处理分析,汽车油耗测试样机的相对误差可达到0.46%;喷油器特性参数受发动机转速变化影响较大,会影响到汽车油耗测试精度,需要对发动机不同转速条件下的喷油器特性参数进行修正,可进一步提高汽车油耗测试精度。该研究可为研制高精度、智能型汽车油耗测试仪器提供参考。关键词:汽车;油耗;测试;电喷发

3、动机;测试仪器;研发;试验中图分类号:U279.3 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2014-18-0176-07付百学,胡胜海. 基于喷油脉宽测试法的汽车油耗智能测试技术J.农业工程学报,2014,30(18:176-182.Fu Baixue, Hu Shenghai. Automobile fuel consumption intelligent testing technology based on fuel injection pulse-width test methodJ. Transactions of the Chinese Society of Agricul

4、tural Engineering (Transactions of the CSAE, 2014, 30(18: 176-182. (in Chinese with English abstract0 引 言汽车油耗测试方法分直接测试法和间接测试法1-2。直接测试法通过计量一定时间内汽车消耗的燃油体积或质量得到汽车油耗3-4,需拆开发动机油路接入油耗仪,使用不便,且存在安全隐患,影响油耗测试精度5;间接测试法以碳平衡法为主,测试精度较高6-7,但测试设备昂贵,体积大,无法移动,取样口需要与发动机排气管密封连接,实际应用受到限制8。目前,电喷发动机油耗测试一般采用专用的电喷油耗传感器9-10,

5、或采用2套普通流量传感器配合使用11-12。其测试原理大致相同,都需要将流量传感器串接到发动机油路中,操作繁琐,且传感器信号滞后较大13-14;由于电喷发动机的喷油压力大,回油量多15,且油温较高,易造成连接在传感器上的回油管软化胀爆16-17。为此,直接测试喷油收稿日期:2013-09-09 修回日期:2014-09-20基金项目:黑龙江省科技攻关计划资助项目(GZ07A503,黑龙江工程学院博士基金项目(2014BJ15作者简介:付百学(1967,男,汉族,哈尔滨人,工学博士,教授,主要从事汽车电控技术、汽车测试技术研究。哈尔滨市,黑龙江工程学院,150050。Email:fbxns 器喷

6、油脉宽,结合喷油器喷油特性,由单片机进行处理,获得喷油量,进行汽车油耗不解体智能测试18-19。1 油耗测试原理及数学计算模型1.1 汽车油耗测试原理电喷发动机采用电磁喷油器直接向各缸进气门附近或进气总管喷油。喷油器电磁线圈的一端接12 V电源的正极,另一端接发动机电子控制单元(electronic control unit,ECU中的驱动电路,发动机ECU以方波脉冲的形式控制驱动电路中功率晶体管的导通和截止,即控制喷油器线圈通电开始时刻和通电持续时间,从而控制喷油器的喷油时刻和喷油量20-21。油耗测试系统以单片机为核心,外围电路包括喷油脉冲信号采集模块、转速信号处理模块、按键模块、电源模块

7、、显示模块、打印模块和数据通讯模块(RS232C等,见图1。油耗测试系统直接采集由发动机ECU发出的喷油脉冲信号,经滤波、整形后送入单片机,检测出一定时间内喷油器的累计喷油时间和喷油次数,得到喷油器的喷油脉冲宽度,确定发动机燃油消耗质量和喷油脉宽之间的关系。农业信息与电气技术第18期 付百学等:基于喷油脉宽测试法的汽车油耗智能测试技术 177 注:VT 1为驱动电路中的功率晶体管;VT 2为喷油脉冲信号采集电路中的功率晶体管;R 1、R 2、R 3、R 4为电阻,;C 为电容,F ;U 2A 、U 2B 、U 2C 为二极管导通电压,V ;D 为稳压管,V 。Note: VT 1 refer

8、to the power transistor in the drive circuit; VT 2 refer to the power transistor in fuel injection pulse signal acquisition circuits; R 1, R 2, R 3, R 4 refer to the resistance, ; C refer to the capacitance, F; U 2A , U 2B , U 2C refer to the diode turn-on voltage, V; D refer to the V oltage regulat

9、or tube, V .图1 发动机油耗测试系统电路原理图Fig.1 Engine fuel consumption testing system of circuit schematic diagram1.2 汽车油耗测试数学计算模型喷油器单次喷油量的计算22:2(n n f a q A g P P t = (1式中:q 为喷油器单次喷油量,g ;n 为喷油器喷嘴流量系数;A n 为喷油器喷嘴截面积,m 2;g 为重力加速度,m/s 2;为燃油密度,kg/m;P f 为喷油器喷油压力,Pa ;P a 为进气压力,Pa ;t 为喷油器针阀开启时的持续时间,ms 。型号确定的喷油器,n 和A n

10、 为定值23。油压调节器保持喷油器前后压差(P f P a 恒定,燃油密度变化的影响可通过后续标准状态下修正加以解决,喷油器每次喷油量仅与喷油器针阀开启时间成正比,即测定喷油器喷油时间,便可测定喷油器的喷油量24-25。若发动机采用的喷油器特性相同且喷油均匀,则该发动机在任一工况下油耗的数学计算模型为26:11nj j Q i k t = (22(n n f a k A g p p = (3式中:Q 1为发动机在任一工况下油耗,g ;i 为喷油器数量;j 为喷油器喷油脉冲数;t j 为喷油器喷油脉冲宽度,ms ;k 为喷油器特性参数,取决于喷油器的结构参数,与发动机的变化工况有关。为了确定Q

11、1与t j 之间的关系,还需对k 进行试验标定。按上述方法计算出汽车油耗后,还应在标准状态下进行油耗校正:12311231nj j Q C C C Q C C C i k t =(4110.0025(20C T =+ (5210.0021(100C P =+ (6 310.8(0.86C =+(柴油机 (7式中:Q 为校正后的汽车油耗,g/s ;C 1为环境温度校正系数;C 2为大气压力校正系数;C 3为燃油密度校正系数;P 为试验时的大气压力,Pa ;T 为试验时的环境温度,。2 油耗测试控制系统2.1 单片机油耗测试系统采用AT89C55 8位单片机,256B RAM ,20k Flash

12、 程序存储器,数据存储器采用非易失性RAM ,能长期保存测量数据。32个I/O 端口,3个16位定时器,8个中断源,时钟频率高达20 MHz ,闪烁存储器允许在线电擦除、电写入或使用通用编程器对其重复编程;其功耗低、性能好,主要完成数据地采集、运算、显示、打印及通讯等功能。2.2 模块功能1喷油脉冲信号采集模块对喷油器驱动电压信号进行滤波、检波,并使用施密特触发器对信号整形,送入单片机进行A/D 转换。2转速信号处理模块对转速传感器的脉冲信号经阻容滤波,控制三极管导通后将脉冲信号送入单片机。3按键模块用于切换测控电路,选择测量并显示瞬时油耗、平均油耗和累计油耗。4电源模块采用汽车专用的低压差正

13、电压稳压器,将12 V 蓄电池电压降压并稳压为5 V ,对单片机和显示器供电。5显示模块采用液晶显示器,实时显示测试农业工程学报 2014年178数据。6打印模块通过打印机接口外接微型打印机,进行数据打印输出。7RS232C 可实现与其他计算设备通讯,扩展系统功能。2.3 喷油脉冲信号采集系统 喷油器喷油脉冲信号是油耗测试系统最主要的测试参数,采集该信号并进行处理后,可最大限度地还原发动机ECU 的喷油控制脉冲,在喷油器连接器连线处可采集到该信号,参见图127-28。当ECU 控制信号为低电平时,VT 1的发射极与集电极不导通,喷油器端子2处于高电平,喷油器停止喷油;VT 2的基极处于高电平,

14、其发射极与集电极导通,U 2A 的端子1处于低电平,经过2次翻转后得到低电平,输入单片机的端子INT0。当ECU 控制信号为高电平时,三极管VT 1的发射极与集电极导通,喷油器端子1处于低电平,喷油器开始喷油;三极管VT 2的基极处于低电平,其发射极与集电极不导通,电压反向器U 2A 的端子1处于高电平,经过2次翻转后得到高电平,输入单片机的端子INT1。 由于喷油器线圈电感作用,喷油器每次喷油结束时会出现一个约70 V 的尖脉冲,采用12 V 稳压二极管D过滤该脉冲。另外,发动机振动以及汽车行驶中的抖动,会对方波信号的采集产生干扰,采用RC 电路去除干扰,配合电压反向器对采集信号进行整形、滤

15、波、限幅,以得到平整的方波输入单片机,见图2。 a. 原始波形a. Original waveform b. 整形方波 b. Plastic square wave注:t 1、t 2、t j 为喷油器喷油脉冲宽度,ms ;j 为喷油器喷油脉冲数。 Note: t 1, t 2, t j refer to the injector fuel injection pulse width ,ms; j refer to the fuel injector fuel injection pulse number.图2 喷油脉冲信号及整形方波Fig.2 Injection pulse signal an

16、d plastic square信号采集电路与单片机之间用光电隔离器(4N25连接,可去除其他电气信号产生的干扰。4N25结构见图3,端子1和5接5 V 电压作为比较电压,端子2、4分别为信号采集电路的输入、输出端。当端子2的信号为低电平时,发光管导通发光,光电管接收到光信号随之导通,端子4输出高电平;当端子2的信号为高电平时,发光管没有压降不发光,光电管不导通,端子4输出低电平。可见,光电隔离器的输出端为信号采集电路输出信号的翻转。注:1.接5 V 作为比较电压,2.接信号采集电路的输入端,3.搭铁, 4.光电隔离器(4N25的输出端,5.接5 V 作为比较电压。Note: 1-join 5

17、 V as comparing voltage; 2-join input terminals of the signal acquisition circuit; 3-ground; 4-output terminals of optoelectronic isolator (4N25; 5-join 5 V as comparing voltage.图3 光电隔离器4N25结构Fig.3 Structure of optoelectronic isolator 4N25信号采集电路输出信号经过4次翻转,送到单片机中的信号为原始采集信号。将处理过的采集信号送入单片机的外中断口,利用单片机的外

18、中断和定时器溢出中断的配合,确定一定时间内的喷油脉宽。2.4 汽车油耗测试系统主程序汽车油耗测试系统主程序见图4,通过外中断INT0测量喷油脉冲宽度,其数据送入单片机,计算和显示测量时间、瞬时流量、累计油耗和平均油耗。图4 汽车油耗测试系统主程序Fig.4 Main program of engine fuel consumption test system主程序运行时,对I/O 、定时器/计数器、中断控制寄存器等初始化,通过INT0外中断和T/C0溢出中断得到外围采集系统的输入信号,进行分析判断后,结合单片机内的预存数据,计算喷油器的喷油量;根据汽车运行状态和控制按键信息,计算汽第18期付百

19、学等:基于喷油脉宽测试法的汽车油耗智能测试技术 179车油耗。INT0外中断子程序用于计量有效喷油脉宽。当采集的信号送入单片机后,判断是否为高电平,若为高电平,则T/C0计数器开始计数;若为低电平,则T/C0计数器停止计数,并将计数值存入RAM,下次为高电平时,则在此计数值的基础上继续计数,从而得到一定时间内喷油脉冲的有效宽度。T/C0定时器溢出子程序配合INT0外中断子程序对采集信号进行计量,当达到设定溢出时间(1 s时,取出有效喷油脉宽值存入RAM,用于后续分析与计算。3 样机试验与数据处理分析3.1 试验方法油耗测试仪样机见图5,油耗测试仪样机试验系统见图6。试验在汽车测功试验台上进行,

20、示波器用于监测喷油器脉冲信号波形;解码器用于监测发动机喷油器单次喷油脉宽,以验证油耗测试仪的测试精度29-30。 图5 油耗测试仪样机Fig.5 Prototype of fuel consumption testing equipment图6 油耗测试仪样机试验系统Fig.6 Experimental system of fuel consumption testingequipment prototype连接仪器设备,启动发动机,待发动机运行稳定后进行试验;将测功机设定为定时测量模式,并控制油耗测试仪与其同步测量;达到预定测量时间时,读取油耗测试仪显示的1缸“喷油时间”、“喷油次数n”,同

21、时记录测功机测出的油耗和发动机转速。喷油器特性参数k的标定:喷油脉冲宽度(t是指喷油器针阀每次开启时的持续时间,根据和n计算,即t =/n。根据测试规定时间内(如60 s的n、及发动机油耗Q(由测功机测试得到,可标定出喷油器特性参数:1/(njjk Q i t=(8 3.2 数据处理固定发动机节气门开度,在发动机不同转速下进行测试,每组试验时间设定为60 s。试验数据及处理见表1,表中数据为在不同转速下测试3次的平均值,Q L为发动机台架测得油耗,g;Q S为油耗测试仪测得油耗,g。保持发动机转速不变(取发动机转速为3 500 r/min,改变发动机节气门开度,喷油器特性参数与发动机节气门开度

22、的变化关系见表2。表1 不同转速条件下试验数据与处理Table 1 Test date analysis and process under different speed台架数据Bench data油耗测试仪数据Fuel consumption meter data处理数据Process the data发动机转速Engine peed/ (rmin-1油耗Fuelconsumption Q L/g喷油时间Injectiontime /ms喷油次数Number ofinjection n油耗Fuel consumptionQ S/g喷油脉宽Fuel injectionpulse width

23、t/ms喷油器特性参数Fuel injector characteristicparameters k (10-3油耗相对误差Fuel consumptionrelative error/%700 66.21 5868 398 66.42 14.74 2.820 +0.32 1000 69.52 6249 500 69.34 12.50 2.781 0.26 1500 79.31 7138 748 79.43 9.54 2.777 +0.15 2000 93.82 8 943 1 002 93.60 8.93 2.622 0.232500 115.41 11 310 1 253 115.18

24、9.03 2.551 0.203000 145.82 14 489 1 501 145.45 9.65 2.516 0.253500 181.23 18 368 1 749 180.39 10.50 2.466 0.464000 231.82 23 618 2 001 232.59 11.80 2.454 +0.334500 313.21 32 642 2 252 313.98 14.50 2.399 +0.255000 390.82 41 748 2 506 389.56 16.66 2.340 0.32注:发动机节气门开度为80%;每组试验时间为60 s。Note: Engine thro

25、ttle opening is 80%; testing time of each set is 60 s.农业工程学报 2014年180表2 不同节气门开度条件下试验数据与处理 Table 2 Test date process under different throttle opening台架数据 Bench data油耗测试仪数据 Fuel consumptionmeter data发动机节气门开度 Engine throttleopening /%油耗 Fuel consumption Q L /g 喷油时间Injection time / ms 喷油次数 Number of inj

26、ection n喷油器 特性参数 Fuel injector characteristic parameters k (10-310 55.73 5 652 386 2.465 20 63.36 6 423 498 2.466 30 71.30 7 234 739 2.464 40 88.42 8 968 996 2.465 50 108.37 10 986 1 228 2.466 60 137.72 13 968 1 492 2.465 70 173.28 17 567 1 702 2.466 80 226.64 22 967 1 997 2.467 90 315.20 31 968 2 2

27、31 2.465 100403.7440 9642 4952.464注:发动机转速为3 500 rmin -1。 Note: Engine speed is 3 500 rmin -1.3.3 结果分析1汽车油耗相对误差可控制在0.46%以内。2喷油脉宽随发动机转速升高而减小,在 2 000 r/min 之后,喷油脉宽随转速升高而有所增增加。说明发动机转速变化,会引起喷油器喷油脉宽的大小发生变化。实时测量喷油器喷油脉宽,通过积分计算,可精确计算喷油器喷油量,从而提高汽车油耗测试精度。3喷油器特性参数随发动机转速的升高而减小,原因是发动机负荷不变,进气歧管处的空气压力随着发动机转速的升高而减小,

28、使喷油器喷油压力减小。为提高汽车油耗测试精度,根据表1数据,可采用线性回归法,对喷油器特性参数进行修正。4由表2可知,发动机负荷变化时,喷油器特性参数基本不变,即发动机负荷变化对汽车油耗测试精度几乎不产生影响。对于进气温度、冷却液温度、蓄电池电压等多种影响喷油量和喷油脉宽测量精度的因素,可在软件设计中采用数学模型进行修正,以减小检测量与实际喷油量之间的误差,提高测量精度。4 结 论1基于直接测试喷油器喷油脉宽原理,结合喷油器喷油特性,构建了汽车油耗测试数学计算模型,测量喷油器喷油脉宽,即可计算出汽车油耗。2设计的喷油脉冲信号采集系统,使喷油脉冲信号处理实时化,动态特性好,对于瞬变工况测量具有优

29、越性。3研发的汽车油耗测试仪器相对误差可达到0.46%,而目前市场上使用的电子油耗测试仪器相对误差大都在1%以上,可为开发高精度、随车油耗快速检测仪器提供借鉴。4发动机喷油器特性参数k 的值取决于喷油器的结构参数,还与发动机的变化工况有关。进行汽车油耗测试时,针对不同汽车,需要对喷油器特性参数k 实时标定,以消除k 值变化对汽车油耗测试产生的影响。参 考 文 献1 付百学,胡胜海. 发动机失重法智能油耗测试技术J.中国机械工程,2011,22(7:793-797.Fu Baixue, Hu Shenghai. Intelligent fuel consumption testing techn

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57、ed on fuel injection pulse-width test method Fu Baixue1,2, Hu Shenghai2 (1. Department of Automobile and Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China; 2. Department of Mechanical and Electrical, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China Abstract: With the rapid growth of automobile ownership in China, the control of automobile fuel consumption is not only an energy problem, but also an environmental one. The carbon balance method is a major, indirect way of testi