基于噴油脈寬測試法的汽車油耗智能測試技術(shù)_圖文

1、第30卷第18期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 V ol.30 No.18 176 2014年9月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2014 基于噴油脈寬測試法的汽車油耗智能測試技術(shù)付百學(xué)1,2,胡勝海2(1. 黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院,哈爾濱 150050;2. 哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150001摘 要:針對汽車油耗測試存在的問題,采用單片機(jī)控制技術(shù),通過直接測試噴油器噴油脈寬測試汽車油耗,研制汽車油耗智能測試儀器。根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)噴油器噴油控制原理,確定汽車油耗測試方法?；谟秃臏y試原

2、理構(gòu)建汽車油耗測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)計算模型,并在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。根據(jù)油耗測試系統(tǒng)的功能要求,選定汽車油耗測試控制系統(tǒng)的單片機(jī)型號,確定汽車油耗測試控制系統(tǒng)各組成模塊的功能,編寫了噴油脈沖信號采集系統(tǒng)和汽車油耗測試系統(tǒng)主程序。結(jié)合汽車油耗測試樣機(jī)和汽車測功試驗(yàn)臺,搭建油耗測試樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng),對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,汽車油耗測試樣機(jī)的相對誤差可達(dá)到0.46%;噴油器特性參數(shù)受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化影響較大,會影響到汽車油耗測試精度,需要對發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速條件下的噴油器特性參數(shù)進(jìn)行修正,可進(jìn)一步提高汽車油耗測試精度。該研究可為研制高精度、智能型汽車油耗測試儀器提供參考。關(guān)鍵詞:汽車;油耗;測試;電噴發(fā)

3、動機(jī);測試儀器;研發(fā);試驗(yàn)中圖分類號:U279.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1002-6819(2014-18-0176-07付百學(xué),胡勝海. 基于噴油脈寬測試法的汽車油耗智能測試技術(shù)J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,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 言汽車油耗測試方法分直接測試法和間接測試法1-2。直接測試法通過計量一定時間內(nèi)汽車消耗的燃油體積或質(zhì)量得到汽車油耗3-4,需拆開發(fā)動機(jī)油路接入油耗儀,使用不便,且存在安全隱患,影響油耗測試精度5;間接測試法以碳平衡法為主,測試精度較高6-7,但測試設(shè)備昂貴,體積大,無法移動,取樣口需要與發(fā)動機(jī)排氣管密封連接,實(shí)際應(yīng)用受到限制8。目前,電噴發(fā)動機(jī)油耗測試一般采用專用的電噴油耗傳感器9-10,

5、或采用2套普通流量傳感器配合使用11-12。其測試原理大致相同,都需要將流量傳感器串接到發(fā)動機(jī)油路中,操作繁瑣,且傳感器信號滯后較大13-14;由于電噴發(fā)動機(jī)的噴油壓力大,回油量多15,且油溫較高,易造成連接在傳感器上的回油管軟化脹爆16-17。為此,直接測試噴油收稿日期:2013-09-09 修回日期:2014-09-20基金項(xiàng)目:黑龍江省科技攻關(guān)計劃資助項(xiàng)目(GZ07A503,黑龍江工程學(xué)院博士基金項(xiàng)目(2014BJ15作者簡介:付百學(xué)(1967,男,漢族,哈爾濱人,工學(xué)博士,教授,主要從事汽車電控技術(shù)、汽車測試技術(shù)研究。哈爾濱市,黑龍江工程學(xué)院,150050。Email:fbxns 器噴

6、油脈寬,結(jié)合噴油器噴油特性,由單片機(jī)進(jìn)行處理,獲得噴油量,進(jìn)行汽車油耗不解體智能測試18-19。1 油耗測試原理及數(shù)學(xué)計算模型1.1 汽車油耗測試原理電噴發(fā)動機(jī)采用電磁噴油器直接向各缸進(jìn)氣門附近或進(jìn)氣總管噴油。噴油器電磁線圈的一端接12 V電源的正極,另一端接發(fā)動機(jī)電子控制單元(electronic control unit,ECU中的驅(qū)動電路,發(fā)動機(jī)ECU以方波脈沖的形式控制驅(qū)動電路中功率晶體管的導(dǎo)通和截止,即控制噴油器線圈通電開始時刻和通電持續(xù)時間,從而控制噴油器的噴油時刻和噴油量20-21。油耗測試系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,外圍電路包括噴油脈沖信號采集模塊、轉(zhuǎn)速信號處理模塊、按鍵模塊、電源模塊

7、、顯示模塊、打印模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊(RS232C等,見圖1。油耗測試系統(tǒng)直接采集由發(fā)動機(jī)ECU發(fā)出的噴油脈沖信號,經(jīng)濾波、整形后送入單片機(jī),檢測出一定時間內(nèi)噴油器的累計噴油時間和噴油次數(shù),得到噴油器的噴油脈沖寬度,確定發(fā)動機(jī)燃油消耗質(zhì)量和噴油脈寬之間的關(guān)系。·農(nóng)業(yè)信息與電氣技術(shù)·第18期 付百學(xué)等:基于噴油脈寬測試法的汽車油耗智能測試技術(shù) 177 注:VT 1為驅(qū)動電路中的功率晶體管;VT 2為噴油脈沖信號采集電路中的功率晶體管;R 1、R 2、R 3、R 4為電阻,;C 為電容,F ;U 2A 、U 2B 、U 2C 為二極管導(dǎo)通電壓,V ;D 為穩(wěn)壓管,V 。Note:

8、 VT 1 refer 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 ol

9、tage regulator tube, V .圖1 發(fā)動機(jī)油耗測試系統(tǒng)電路原理圖Fig.1 Engine fuel consumption testing system of circuit schematic diagram1.2 汽車油耗測試數(shù)學(xué)計算模型噴油器單次噴油量的計算22:2(n n f a q A g P P t = (1式中:q 為噴油器單次噴油量,g ;n 為噴油器噴嘴流量系數(shù);A n 為噴油器噴嘴截面積,m 2;g 為重力加速度,m/s 2;為燃油密度,kg/m³P f 為噴油器噴油壓力,Pa ;P a 為進(jìn)氣壓力,Pa ;t 為噴油器針閥開啟時的持續(xù)時間,ms

10、 。型號確定的噴油器,n 和A n 為定值23。油壓調(diào)節(jié)器保持噴油器前后壓差(P f P a 恒定,燃油密度變化的影響可通過后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下修正加以解決,噴油器每次噴油量僅與噴油器針閥開啟時間成正比,即測定噴油器噴油時間,便可測定噴油器的噴油量24-25。若發(fā)動機(jī)采用的噴油器特性相同且噴油均勻,則該發(fā)動機(jī)在任一工況下油耗的數(shù)學(xué)計算模型為26:11nj j Q i k t = (22(n n f a k A g p p = (3式中:Q 1為發(fā)動機(jī)在任一工況下油耗,g ;i 為噴油器數(shù)量;j 為噴油器噴油脈沖數(shù);t j 為噴油器噴油脈沖寬度,ms ;k 為噴油器特性參數(shù),取決于噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù),與

11、發(fā)動機(jī)的變化工況有關(guān)。為了確定Q 1與t j 之間的關(guān)系,還需對k 進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定。按上述方法計算出汽車油耗后,還應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)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 =+(柴油機(jī) (7式中:Q 為校正后的汽車油耗,g/s ;C 1為環(huán)境溫度校正系數(shù);C 2為大氣壓力校正系數(shù);C 3為燃油密度校正系數(shù);P 為試驗(yàn)時的大氣壓力,Pa ;T 為試驗(yàn)時的環(huán)境溫度,。2 油耗測試控制系統(tǒng)2.1 單片

12、機(jī)油耗測試系統(tǒng)采用AT89C55 8位單片機(jī),256B RAM ,20k Flash 程序存儲器,數(shù)據(jù)存儲器采用非易失性RAM ,能長期保存測量數(shù)據(jù)。32個I/O 端口,3個16位定時器,8個中斷源,時鐘頻率高達(dá)20 MHz ,閃爍存儲器允許在線電擦除、電寫入或使用通用編程器對其重復(fù)編程;其功耗低、性能好,主要完成數(shù)據(jù)地采集、運(yùn)算、顯示、打印及通訊等功能。2.2 模塊功能1噴油脈沖信號采集模塊對噴油器驅(qū)動電壓信號進(jìn)行濾波、檢波,并使用施密特觸發(fā)器對信號整形,送入單片機(jī)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。2轉(zhuǎn)速信號處理模塊對轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號經(jīng)阻容濾波,控制三極管導(dǎo)通后將脈沖信號送入單片機(jī)。3按鍵模塊用于切換測

13、控電路,選擇測量并顯示瞬時油耗、平均油耗和累計油耗。4電源模塊采用汽車專用的低壓差正電壓穩(wěn)壓器,將12 V 蓄電池電壓降壓并穩(wěn)壓為5 V ,對單片機(jī)和顯示器供電。5顯示模塊采用液晶顯示器,實(shí)時顯示測試農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2014年178數(shù)據(jù)。6打印模塊通過打印機(jī)接口外接微型打印機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)打印輸出。7RS232C 可實(shí)現(xiàn)與其他計算設(shè)備通訊,擴(kuò)展系統(tǒng)功能。2.3 噴油脈沖信號采集系統(tǒng) 噴油器噴油脈沖信號是油耗測試系統(tǒng)最主要的測試參數(shù),采集該信號并進(jìn)行處理后,可最大限度地還原發(fā)動機(jī)ECU 的噴油控制脈沖,在噴油器連接器連線處可采集到該信號,參見圖127-28。當(dāng)ECU 控制信號為低電平時,VT 1的發(fā)射

14、極與集電極不導(dǎo)通,噴油器端子2處于高電平,噴油器停止噴油;VT 2的基極處于高電平,其發(fā)射極與集電極導(dǎo)通,U 2A 的端子1處于低電平,經(jīng)過2次翻轉(zhuǎn)后得到低電平,輸入單片機(jī)的端子INT0。當(dāng)ECU 控制信號為高電平時,三極管VT 1的發(fā)射極與集電極導(dǎo)通,噴油器端子1處于低電平,噴油器開始噴油;三極管VT 2的基極處于低電平,其發(fā)射極與集電極不導(dǎo)通,電壓反向器U 2A 的端子1處于高電平,經(jīng)過2次翻轉(zhuǎn)后得到高電平,輸入單片機(jī)的端子INT1。 由于噴油器線圈電感作用,噴油器每次噴油結(jié)束時會出現(xiàn)一個約70 V 的尖脈沖,采用12 V 穩(wěn)壓二極管D過濾該脈沖。另外,發(fā)動機(jī)振動以及汽車行駛中的抖動,會對

15、方波信號的采集產(chǎn)生干擾,采用RC 電路去除干擾,配合電壓反向器對采集信號進(jìn)行整形、濾波、限幅,以得到平整的方波輸入單片機(jī),見圖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 為噴油器噴油脈沖寬度,ms ;j 為噴油器噴油脈沖數(shù)。 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.圖2

16、噴油脈沖信號及整形方波Fig.2 Injection pulse signal and plastic square信號采集電路與單片機(jī)之間用光電隔離器(4N25連接,可去除其他電氣信號產(chǎn)生的干擾。4N25結(jié)構(gòu)見圖3,端子1和5接5 V 電壓作為比較電壓,端子2、4分別為信號采集電路的輸入、輸出端。當(dāng)端子2的信號為低電平時,發(fā)光管導(dǎo)通發(fā)光,光電管接收到光信號隨之導(dǎo)通,端子4輸出高電平;當(dāng)端子2的信號為高電平時,發(fā)光管沒有壓降不發(fā)光,光電管不導(dǎo)通,端子4輸出低電平。可見,光電隔離器的輸出端為信號采集電路輸出信號的翻轉(zhuǎn)。注:1.接5 V 作為比較電壓,2.接信號采集電路的輸入端,3.搭鐵, 4.光

17、電隔離器(4N25的輸出端,5.接5 V 作為比較電壓。Note: 1-join 5 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.圖3 光電隔離器4N25結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of optoelectronic isolator 4N25信號采集電路輸出信號經(jīng)過4次翻轉(zhuǎn),送到

18、單片機(jī)中的信號為原始采集信號。將處理過的采集信號送入單片機(jī)的外中斷口,利用單片機(jī)的外中斷和定時器溢出中斷的配合,確定一定時間內(nèi)的噴油脈寬。2.4 汽車油耗測試系統(tǒng)主程序汽車油耗測試系統(tǒng)主程序見圖4,通過外中斷INT0測量噴油脈沖寬度,其數(shù)據(jù)送入單片機(jī),計算和顯示測量時間、瞬時流量、累計油耗和平均油耗。圖4 汽車油耗測試系統(tǒng)主程序Fig.4 Main program of engine fuel consumption test system主程序運(yùn)行時,對I/O 、定時器/計數(shù)器、中斷控制寄存器等初始化,通過INT0外中斷和T/C0溢出中斷得到外圍采集系統(tǒng)的輸入信號,進(jìn)行分析判斷后,結(jié)合單片機(jī)

19、內(nèi)的預(yù)存數(shù)據(jù),計算噴油器的噴油量;根據(jù)汽車運(yùn)行狀態(tài)和控制按鍵信息,計算汽第18期付百學(xué)等:基于噴油脈寬測試法的汽車油耗智能測試技術(shù) 179車油耗。INT0外中斷子程序用于計量有效噴油脈寬。當(dāng)采集的信號送入單片機(jī)后,判斷是否為高電平,若為高電平,則T/C0計數(shù)器開始計數(shù);若為低電平,則T/C0計數(shù)器停止計數(shù),并將計數(shù)值存入RAM,下次為高電平時,則在此計數(shù)值的基礎(chǔ)上繼續(xù)計數(shù),從而得到一定時間內(nèi)噴油脈沖的有效寬度。T/C0定時器溢出子程序配合INT0外中斷子程序?qū)Σ杉盘栠M(jìn)行計量,當(dāng)達(dá)到設(shè)定溢出時間(1 s時,取出有效噴油脈寬值存入RAM,用于后續(xù)分析與計算。3 樣機(jī)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理分析3.1 試驗(yàn)

20、方法油耗測試儀樣機(jī)見圖5,油耗測試儀樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)見圖6。試驗(yàn)在汽車測功試驗(yàn)臺上進(jìn)行,示波器用于監(jiān)測噴油器脈沖信號波形;解碼器用于監(jiān)測發(fā)動機(jī)噴油器單次噴油脈寬,以驗(yàn)證油耗測試儀的測試精度29-30。 圖5 油耗測試儀樣機(jī)Fig.5 Prototype of fuel consumption testing equipment圖6 油耗測試儀樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Experimental system of fuel consumption testingequipment prototype連接儀器設(shè)備,啟動發(fā)動機(jī),待發(fā)動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn);將測功機(jī)設(shè)定為定時測量模式,并控制油耗測試儀與其同

21、步測量;達(dá)到預(yù)定測量時間時,讀取油耗測試儀顯示的1缸“噴油時間”、“噴油次數(shù)n”,同時記錄測功機(jī)測出的油耗和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。噴油器特性參數(shù)k的標(biāo)定:噴油脈沖寬度(t是指噴油器針閥每次開啟時的持續(xù)時間,根據(jù)和n計算,即t =/n。根據(jù)測試規(guī)定時間內(nèi)(如60 s的n、及發(fā)動機(jī)油耗Q(由測功機(jī)測試得到,可標(biāo)定出噴油器特性參數(shù):1/(njjk Q i t=(8 3.2 數(shù)據(jù)處理固定發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度,在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行測試,每組試驗(yàn)時間設(shè)定為60 s。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理見表1,表中數(shù)據(jù)為在不同轉(zhuǎn)速下測試3次的平均值,Q L為發(fā)動機(jī)臺架測得油耗,g;Q S為油耗測試儀測得油耗,g。保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變(取發(fā)動機(jī)

22、轉(zhuǎn)速為3 500 r/min,改變發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度,噴油器特性參數(shù)與發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度的變化關(guān)系見表2。表1 不同轉(zhuǎn)速條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理Table 1 Test date analysis and process under different speed臺架數(shù)據(jù)Bench data油耗測試儀數(shù)據(jù)Fuel consumption meter data處理數(shù)據(jù)Process the data發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速Engine peed/ (r·min-1油耗Fuelconsumption Q L/g噴油時間Injectiontime /ms噴油次數(shù)Number ofinjection n油耗Fue

23、l consumptionQ S/g噴油脈寬Fuel injectionpulse width t/ms噴油器特性參數(shù)Fuel injector characteristicparameters k (×10-3油耗相對誤差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

24、 93.60 8.93 2.622 0.232500 115.41 11 310 1 253 115.18 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

25、2.340 0.32注:發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度為80%;每組試驗(yàn)時間為60 s。Note: Engine throttle opening is 80%; testing time of each set is 60 s.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2014年180表2 不同節(jié)氣門開度條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理 Table 2 Test date process under different throttle opening臺架數(shù)據(jù) Bench data油耗測試儀數(shù)據(jù) Fuel consumptionmeter data發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度 Engine throttleopening /%油耗 Fuel consump

26、tion Q L /g 噴油時間Injection time / ms 噴油次數(shù) Number of injection n噴油器 特性參數(shù) 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

27、 702 2.466 80 226.64 22 967 1 997 2.467 90 315.20 31 968 2 231 2.465 100403.7440 9642 4952.464注:發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3 500 r·min -1。 Note: Engine speed is 3 500 r·min -1.3.3 結(jié)果分析1汽車油耗相對誤差可控制在0.46%以內(nèi)。2噴油脈寬隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高而減小,在 2 000 r/min 之后,噴油脈寬隨轉(zhuǎn)速升高而有所增增加。說明發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化,會引起噴油器噴油脈寬的大小發(fā)生變化。實(shí)時測量噴油器噴油脈寬,通過積分計算,可精確計算噴油器噴

28、油量,從而提高汽車油耗測試精度。3噴油器特性參數(shù)隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而減小,原因是發(fā)動機(jī)負(fù)荷不變,進(jìn)氣歧管處的空氣壓力隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而減小,使噴油器噴油壓力減小。為提高汽車油耗測試精度,根據(jù)表1數(shù)據(jù),可采用線性回歸法,對噴油器特性參數(shù)進(jìn)行修正。4由表2可知,發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化時,噴油器特性參數(shù)基本不變,即發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化對汽車油耗測試精度幾乎不產(chǎn)生影響。對于進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、蓄電池電壓等多種影響噴油量和噴油脈寬測量精度的因素,可在軟件設(shè)計中采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正,以減小檢測量與實(shí)際噴油量之間的誤差,提高測量精度。4 結(jié) 論1基于直接測試噴油器噴油脈寬原理,結(jié)合噴油器噴油特性,構(gòu)建了汽車油耗測試

29、數(shù)學(xué)計算模型,測量噴油器噴油脈寬,即可計算出汽車油耗。2設(shè)計的噴油脈沖信號采集系統(tǒng),使噴油脈沖信號處理實(shí)時化,動態(tài)特性好,對于瞬變工況測量具有優(yōu)越性。3研發(fā)的汽車油耗測試儀器相對誤差可達(dá)到0.46%,而目前市場上使用的電子油耗測試儀器相對誤差大都在1%以上,可為開發(fā)高精度、隨車油耗快速檢測儀器提供借鑒。4發(fā)動機(jī)噴油器特性參數(shù)k 的值取決于噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù),還與發(fā)動機(jī)的變化工況有關(guān)。進(jìn)行汽車油耗測試時,針對不同汽車,需要對噴油器特性參數(shù)k 實(shí)時標(biāo)定,以消除k 值變化對汽車油耗測試產(chǎn)生的影響。參 考 文 獻(xiàn)1 付百學(xué),胡勝海. 發(fā)動機(jī)失重法智能油耗測試技術(shù)J.中國機(jī)械工程,2011,22(7:79

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