齊 紅

(黑龍江省網絡空間研究中心，黑龍江 哈爾濱 150050)

1 汽車超聲波油耗測試數學模型

圖1 超聲波時差法汽車油耗測試原理

在燃油管路待測截面上平行地布置多條聲路，聲路速度為平行條帶內的平均流速，根據條帶的權重系數(δi)，采用加權求和法計算發(fā)動機供油管路中的燃油流量(Q)。

(1)

式中：δi由規(guī)程PIC18和IEC41確定，針對Gauss-Jacobi積分方案

(2)

2 汽車超聲波油耗測試主要影響因素分析

2.1 溫度變化的影響

(1)溫度變化影響超聲波流量傳感器幾何尺寸

測試汽車油耗時，需保持超聲波流量傳感器接觸的被測管路表體的橫截面和超聲波換能器聲程不變，但溫度變化會引起管道橫截面積變化，當管路內徑有5%的誤差時，會引起0.1%～0.15%的測試誤差；溫度變化還會導致超聲波換能器聲程變化，使換能器出現定位誤差。為此，應選熱脹冷縮效應較差的換能器表體材料，并采用定量分析法對換能器殼體幾何尺寸進行溫度補償。

(2)溫度變化影響超聲波換能器最佳工作頻率

如圖2所示，溫度升高，換能器最佳工作頻率下降，溫度在-25～65 ℃范圍內時，換能器最佳工作頻率與溫度變化呈線性關系，溫度超過65 ℃，最佳工作頻率明顯下降。換能器電壓峰值隨溫度上升，先升高然后下降，-25 ℃時，換能器最佳工作頻率約為208.5 kHz。隨著溫度上升，換能器最佳工作頻率相應降低；當溫度為65 ℃時，超聲波換能器最佳工作率頻率接近195 kHz，此時換能器電壓峰值最大。換能器工作在最佳工作頻率點附近，電壓幅值相對較高，超聲波換能器性能得到充分發(fā)揮。

圖2 溫度變化對換能器工作性能的影響

2.2 超聲波流量傳感器接收信號強度對稱性與均勻性分析

燃油在供油管路中以層流或紊流狀態(tài)流動時，超聲波流量傳感器順流或逆流的接收信號強度存在非對稱性和非均勻性。

(1)層流狀態(tài)。超聲波順流傳播時，超聲波沿中心線和以一定角度傳播至接收面的時間差(Δtcs)為

(3)

超聲波逆流傳播時，超聲波沿中心線和以一定角度傳播至接收面的時間差(Δtcn)為

(4)

可見，Δtcs>Δtcn。

(2)紊流狀態(tài)。超聲波順流傳播時，超聲波沿中心線和以一定角度傳播至接收面的時間差(Δtws)為

(5)

超聲波逆流傳播時，超聲波沿中心線和以一定角度傳播至接收面的時間差(Δtwn)為

(6)

可見，Δtws>Δtwn。

無論超聲波傳輸方向與燃油流動方向是否一致，超聲波至接收中心及其周邊的時間都存在差異，使超聲波流量傳感器接收能量不集中，接收信號強度不對稱和不均勻性，接收信號信噪比降低，影響收發(fā)信號處理。

改進超聲波換能器壓電元件設計，將壓電元件和虛擬壓電元件組合使用，通過實驗對比分析，改進后接收信號的相對偏差由135%降至49%，接收信號強度的相對偏差由286%降至51%，有效地改進了接收信號時間差與強度的對稱性和均勻性，提高信噪比，有助于提高汽車油耗測試精度，見圖3。

圖3 超聲波接收信號數據對比1為接收信號強度；2為接收信號時間差……改善前 ——改善后

2.3 超聲波順流、逆流歷經時間測試誤差

設換能器A和換能器B從接收到驅動信號，到發(fā)射出超聲波信號的過程中引入額外時間分別為tfa和tfb；從超聲波到達換能器表面后傳遞出信號，給處理電路的轉換過程中引入的額外時間分別tca和tcb；信號處理過程中，信號在兩個電路通道延時而引入的額外時間分別為tya和tyb

(7)

(8)

時間差為

(9)

互換換能器位置，時間差為

(10)

可見，互換超聲波換能器，時間差不同，測量結果不同。

tya和tyb無法測量，采用對稱電路使tya和tyb盡可能相等；切換電路通道，將兩次測量結果相加，消除電路延遲影響。切換電路通道歷時極短，溫度不會驟變，tya和tyb變化可忽略，以此消除溫度變化導致的電路延遲。將靜態(tài)時測得的tfa和tfb、tca和tcb歸零，實現不同測試條件或互換換能器引起的誤差抵消。

2.4 燃油在供油管路中的流速分布

(11)

φ是供油管路中燃油雷諾數(Re)和管路壁面粗糙度(Ra)的函數。

光滑管的Prandtl方程

(12)

粗糙管的Colebrook方程

(13)

平均流速積分

(14)

(15)

層流狀態(tài)下，瞬時燃油流速和汽車油耗可直接求得；紊流狀態(tài)下，需要計算φ。燃油管路內表面的粗糙度的變化范圍：0.5 μm≤Ra≤30 μm，計算φ、δq，如表1所示；過渡狀態(tài)下，需要采用插值法計算φ。

表1 δq和φ的關系

3 結束語

基于汽車超聲波油耗測試原理，構建智能型汽車油耗測試數學模型，進行油耗測試影響因素分析。環(huán)境溫度改變，超聲波換能器最佳工作頻率改變，換能器工作在最佳工作頻率點附近，超聲波換能器性能得到充分發(fā)揮；超聲波流量傳感器結構尺寸隨環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化，需要合理選擇材料，采用定量分析法進行溫度補償；通過改變換能器結構，可改善超聲波流量傳感器接收信號強度不均勻和不對稱特性；采取換能器互換、合理布線等措施，可消除超聲波順流和逆流歷經時間測試存在的誤差；基于流體力學理論，引入流量修正系數，可消除燃油在供油管路中流速分布不均勻的影響。此外，檢測閾值、噪聲、供油管徑伸縮、燃油清潔度等因素，也會影響到汽車油耗測試精度，有待于進一步分析與優(yōu)化。