黃展華，黃 鍵，張慶永

(華僑大學(xué)機(jī)電學(xué)院，福建廈門(mén) 361021)

汽車(chē)燃油消耗量是汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)其測(cè)量方法作了大量的研究。采用直接測(cè)量燃油消耗體積的方法稱(chēng)為容積法，目前容積式油耗儀主要有旋轉(zhuǎn)活塞式［1］、腰輪式、橢圓齒輪式、螺旋轉(zhuǎn)子式等形式，其特點(diǎn)是采用不同形式的燃油流量傳感器進(jìn)行油耗測(cè)量。

本文旨在開(kāi)發(fā)一種具有較高精度且無(wú)需流量傳感器亦可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)油耗檢測(cè)的新型容積式油耗儀。

1 油耗測(cè)量原理及可行性分析

1.1 油耗儀設(shè)計(jì)的總體思路

采用2個(gè)小型計(jì)量容器為發(fā)動(dòng)機(jī)“接力”供油;采用2組光電傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這2個(gè)計(jì)量容器中燃油的油面位置，并轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)燃油消耗量信號(hào)。

1.2 油耗儀裝置設(shè)計(jì)

油耗儀裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。采用光電管測(cè)量2個(gè)計(jì)量管的油面信號(hào);采用電磁閥5，10，11控制2個(gè)計(jì)量管的充油和供油次序;采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)電磁閥5，10，11進(jìn)行控制。

1.3 油耗測(cè)量原理

如圖1所示，電磁閥11作為總閥控制整個(gè)油路的充油;通過(guò)控制電磁閥10可以控制對(duì)2個(gè)計(jì)量管的充油次序;通過(guò)控制電磁閥5可以控制2個(gè)計(jì)量管的供油次序;光電管4用于檢測(cè)2個(gè)計(jì)量管的油面信號(hào)。

圖1 體積式油耗儀原理圖

在油耗儀運(yùn)行的過(guò)程中，2個(gè)計(jì)量管交替地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行供油。運(yùn)行過(guò)程為:當(dāng)某一計(jì)量管向發(fā)動(dòng)機(jī)供油時(shí)，其液面開(kāi)始下降;當(dāng)供油計(jì)量管中液面下降到其下油面時(shí)，切換換向閥5，另一計(jì)量管便開(kāi)始供油;同時(shí)，切換換向閥10，打開(kāi)開(kāi)關(guān)閥11，對(duì)原供油管進(jìn)行充油;當(dāng)充油計(jì)量管中液面上升到上油面時(shí)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)閥11，充油過(guò)程結(jié)束;如此交替地進(jìn)行。整個(gè)過(guò)程中，單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收2個(gè)計(jì)量管上光電管的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)化為油耗信號(hào)并實(shí)時(shí)顯示。

需要說(shuō)明的是，油耗儀要求對(duì)計(jì)量管的充油速度要高于計(jì)量管的供油速度，這可以通過(guò)將外置油箱置高的方式實(shí)現(xiàn)。

1.4 油路排氣原理

系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備階段時(shí)，即在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，需將油路中的空氣排凈。首先，打開(kāi)開(kāi)關(guān)閥11，導(dǎo)通換向閥10，切斷換向閥5，這樣外置油箱1就可以給計(jì)量管2充油;然后，手動(dòng)控制排氣閥9的開(kāi)度，此時(shí)，外置油箱中的油也會(huì)經(jīng)過(guò)排氣閥流到油箱8中，這樣就可以排出計(jì)量管2與換向閥5之間的油路中的空氣;當(dāng)計(jì)量管2中的油面上升到上油面時(shí)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)閥11，此時(shí)計(jì)量管2中的油就會(huì)經(jīng)過(guò)排氣閥流到油箱8中，排出殘留在計(jì)量管2與換向閥5之間的油路中的空氣;當(dāng)計(jì)量管2中的油面下降到下油面時(shí)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)閥11，再給計(jì)量管4充油;當(dāng)計(jì)量管2中油面再次到達(dá)上油面時(shí)，再對(duì)第二個(gè)計(jì)量管進(jìn)行同樣的排氣過(guò)程;如此往復(fù)進(jìn)行;當(dāng)觀(guān)察到油路中的空氣都已排盡時(shí)，手動(dòng)關(guān)閉排氣閥9，排氣過(guò)程結(jié)束。排氣流程如圖2所示。

2 油耗系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選取

油耗儀的4個(gè)按鍵都采用中斷的方式進(jìn)行處理，選用Microchip公司的PIC18F4520單片機(jī)作為主控芯片，其上有2個(gè)外部中斷、1個(gè)RB口中斷，定時(shí)器T0也可構(gòu)造1個(gè)外部中斷，可以滿(mǎn)足使用要求。

圖2 排氣流程圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

采用或門(mén)收集這2組光電管的脈沖信號(hào)，再送給單片機(jī)處理?？刂葡到y(tǒng)電路原理如圖3所示。

3 油耗系統(tǒng)的標(biāo)定

采用1 000ml的量筒標(biāo)定每個(gè)光電管脈沖對(duì)應(yīng)的油耗量，實(shí)物系統(tǒng)及標(biāo)定系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

圖4 實(shí)物系統(tǒng)及標(biāo)定系統(tǒng)

4 油耗系統(tǒng)的誤差分析

a．系統(tǒng)在測(cè)量開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，由于2組光電管檢測(cè)液面變化的不連續(xù)性，導(dǎo)致首尾2個(gè)脈沖的不完整，會(huì)引起最大為3個(gè)脈沖的誤差。這個(gè)誤差可以通過(guò)在計(jì)量管上布置盡量多的光電管來(lái)降低;在進(jìn)行長(zhǎng)距離油耗的測(cè)量過(guò)程中(如百公里油耗的測(cè)量)，這3個(gè)脈沖的誤差的影響就很小。

b．本裝置采用SMC公司的VX33電磁閥，電磁閥的響應(yīng)頻率為60Hz，響應(yīng)時(shí)間為16ms［2］，由此可見(jiàn)，電磁閥響應(yīng)時(shí)間帶來(lái)的誤差較小。

c．在實(shí)車(chē)上試驗(yàn)的過(guò)程中，存在路況等因素的影響，汽車(chē)將上下顛簸，計(jì)量管中的浮子也將會(huì)有一定的抖動(dòng)，這種抖動(dòng)將產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，通過(guò)硬件及軟件消抖的方式可以在一定程度上改善抖動(dòng)帶來(lái)的影響。

d．系統(tǒng)裝配精度引起的誤差，這方面的誤差可以通過(guò)提高系統(tǒng)加工精度來(lái)降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗(yàn)，證明在靜態(tài)試驗(yàn)的條件下，本油耗儀可以很好地滿(mǎn)足對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的測(cè)量，使用方便，工作可靠。用1 000ml的量筒對(duì)油耗儀的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，在800ml的量程下，測(cè)量精度大于99%。另外，本油耗儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與其他類(lèi)型的油耗儀相比，無(wú)需流量傳感器，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 余志生．汽車(chē)?yán)碚摚跰］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:69-70．

［2］ SMC．2，3 Port Valves for Fluid Control/VX［EB］［2012-07-01］． http://www．smcworld．com/doc/2008/e/webcatalog/docs/process/process23vx/process23vxfound34361．html．