【正文】 1 第 1 章 緒 論 引言 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車數(shù)量的不斷增加，而且石油資源需求快速激增，使能源供需矛盾日益突出。 我國(guó) 20xx 年中國(guó)石油表觀消費(fèi)量為 40, 萬(wàn)噸，僅次于美國(guó)，預(yù)計(jì) 20xx 年將達(dá)到 億噸。 20xx 年中國(guó)汽車產(chǎn)銷分別為 萬(wàn)輛和 萬(wàn)輛 , 成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國(guó)， 20xx 年的汽車保有總量已達(dá)到 7619 萬(wàn)輛，由汽車消耗的燃料占我國(guó)燃料消耗總量的 40%左右。 全套圖紙，加 153893706 汽車的主要能源是石油產(chǎn)品中的汽油和柴油。我國(guó)的石油消耗在過(guò)去 20 年里以每年5%的速度增加。目前，快速增長(zhǎng)的石油消耗造成的能源等問(wèn)題己經(jīng)出現(xiàn)。短缺的石油供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來(lái)石油需求間的矛盾突出，而燃油消耗快速增加成為首要因素。權(quán)威統(tǒng)計(jì)顯示 ，機(jī)動(dòng)車消耗了全國(guó)石油總產(chǎn)量的 85%，柴油總產(chǎn)量的 42%。預(yù)計(jì)到 20xx 年底達(dá)到 — 億噸。而國(guó)內(nèi)年產(chǎn)量?jī)H能達(dá)到 — 2億噸，供需缺口為 — 億噸。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。同時(shí)汽車燃油消耗是衡量汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，是車輛技術(shù)等級(jí)評(píng)定的關(guān)鍵項(xiàng)。燃油經(jīng)濟(jì)性好，可以降低汽車的使用費(fèi)用、節(jié)省石油資源、降低發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的有害氣體的排放量，起到防止全球變暖的作用。因此，對(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行檢測(cè)是十分重要和必要的。 對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)，一般是通 過(guò)汽車燃油消耗量測(cè)量來(lái)確定的，它是用以評(píng) 2 價(jià)在用汽車技術(shù)狀況與維修質(zhì)量的綜合性參數(shù)，也是診斷和分析汽車故障的重要參考，因此汽車燃油消耗量是汽車的重要性能之一。 因?yàn)樗瞧嚨闹饕阅苤?，所以?zhǔn)確、迅速地對(duì)汽車燃油消耗量進(jìn)行檢測(cè)并作出評(píng)價(jià)，這是非常關(guān)鍵的。國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)定使用的是油耗計(jì)測(cè)定方法。傳統(tǒng)的油耗計(jì)對(duì)于化油器的汽油機(jī)燃油消耗的測(cè)量較為簡(jiǎn)單，但是，隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格和汽車電子技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，汽油機(jī)的化油器已被電控燃油噴射系統(tǒng) (EFI)所取代，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)量的對(duì)象已全部 變成了電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)。電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)由于需要處理多余燃油的回流問(wèn)題，使其對(duì)油耗的測(cè)量變得復(fù)雜。所以，相關(guān)的測(cè)量方法和儀器的研究受到了更多的關(guān)注。 研發(fā)車輛油耗檢測(cè)儀，提高油耗檢測(cè)精度，擴(kuò)大儀器測(cè)量范圍，是實(shí)現(xiàn)油耗儀產(chǎn)品更新?lián)Q代的要求，也是科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的需要。 基于容積法的汽車油耗檢測(cè)儀器 能精確檢測(cè)汽車油耗，可以對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性有一個(gè)正確的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè) ，可為研制低油耗車提供依據(jù)；對(duì)營(yíng)運(yùn)車輛油耗檢測(cè)評(píng)價(jià)，可為其維護(hù)、維修提供依據(jù)；對(duì)于維修企業(yè)，也可用于判定維修質(zhì)量；還可用于教學(xué)、研究單位進(jìn)行其工作規(guī)律研究。 由此可見， 汽車油耗不僅關(guān)系到環(huán)保節(jié)能更是汽車前沿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。 由此 研制能快速、準(zhǔn)確測(cè)量汽車在各種工況下油耗的儀器，也已成為一項(xiàng)重要課題。 國(guó)內(nèi)外的油耗儀研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)內(nèi)外研究狀況 國(guó)外 汽車油耗儀的研究狀況 國(guó)外汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，比較重視環(huán)保與節(jié)能。其車輛油耗檢測(cè)技術(shù)較先進(jìn)，投入的人力和財(cái)力也較多，并大量采用了傳感技術(shù)和微電腦技術(shù)，正在大力開發(fā)研制智能型油耗檢測(cè)裝置，其功能、測(cè)試項(xiàng)目、精度、顯示方式都在不斷發(fā)展與完善之中，成本逐漸趨向合理。目前，國(guó)外有關(guān)燃油 消耗測(cè)量設(shè)備的報(bào)道較少，只有一些專利。 燃油消耗量是評(píng)價(jià)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，也是汽油機(jī)的重要測(cè)量參數(shù)之一。因此，燃油消耗量的測(cè)量是內(nèi)燃機(jī)性能試驗(yàn)的重要組成部分，其測(cè)量精度直接影響汽油機(jī)實(shí)際性能指標(biāo)、各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)確定和主要附件的選配及調(diào)整等。目前，內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)多屬于穩(wěn)態(tài)工況，仍沿用傳統(tǒng)的質(zhì)量法或體積法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量。隨著汽車技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)其測(cè)試的手段也應(yīng)同步發(fā)展。目前的油耗儀多為體積式的，日本小野公司的 FP214 型活塞式流量傳感器，最低采樣時(shí)間為 ，最小油量分辨率為 1ml，傳感器量程 為 ～ 120L/h。渦輪流量?jī)x具有瞬時(shí)測(cè)量和累計(jì)功能，得到廣泛應(yīng)用，可測(cè)量 ～ 3 1200L/min 的液體流量，在標(biāo)定條件下，精度可達(dá)177。 %，響應(yīng)時(shí)間 2～ 10ms。中小功率汽油機(jī)燃油流量小，一般在 10～ 3000mL/min，超出渦流流量計(jì)下限，為此國(guó)內(nèi)研制出不同大小的渦輪以滿足汽油機(jī)小流測(cè)量的需要。以上兩種流量?jī)x均用于汽車道路試驗(yàn)，只能測(cè)量體積流量。美國(guó) Pierburg 儀器司的流量計(jì)為渦輪流量?jī)x的改進(jìn)型，流量范圍可從1L/h 起，響應(yīng)時(shí)間為 200ms，精度可達(dá)177。 %。奧地利的 AVL 公司研制的 臺(tái)架試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗的精確測(cè)量?jī)x，在油量 25g 時(shí)精度較高，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量范圍為 0～ 150kg/h，盡管該油耗儀可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試， 但由于仍是靜態(tài)燃油測(cè)量秤的改進(jìn)， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大于 200ms。目前，國(guó)外有關(guān)燃油消耗測(cè)量設(shè)備的報(bào)道較少，只有一些專利。 美國(guó)、日本和歐洲各國(guó)汽車油耗、 C02排放的測(cè)試循環(huán)和測(cè)量設(shè)備各不相同，測(cè)試范圍也不全一致，但都是模擬汽車實(shí)際道路運(yùn)行狀況下，多工況法汽車油耗測(cè)試方法，主要限制產(chǎn)量較大的輕型 (包括微型 )車輛。歐洲法規(guī)或指令只規(guī)定了 M1類車的測(cè)試方法，且近十多年來(lái)不斷變化。早期是 分別測(cè)量低速城市工況 (即 ECE15工況 )油耗和 90、 120km/h的等速油耗 。93年開始采用城市工況和城郊高速工況 (EUDC)的復(fù)合工況油耗，在排放實(shí)驗(yàn)室用碳平衡法而不是用油耗儀直接測(cè)量 。20xx年開始采用冷啟動(dòng)而不是原來(lái)的熱啟動(dòng)狀態(tài)下的工況法來(lái)測(cè)量油耗，以求更真實(shí)測(cè)量汽車實(shí)際油耗的排放。以歐洲為例， 1995年歐洲轎車平均 C02排放量 (采用模擬實(shí)際的冷啟動(dòng)后工況法測(cè)試循環(huán) )為 185 g/km， 20xx年降低至 169 g/km， 20xx年將進(jìn)一步降低至 140 g/km(相當(dāng)于汽油車百公里油耗為 ，也是在 1995年的基礎(chǔ)上減低了約 25%)。美國(guó)是分別測(cè)量模擬市區(qū) (平均車速 )和高速公路 (平均車速 )運(yùn)行狀態(tài)的工況法油耗，加權(quán)平均后作為汽車名義油耗。日本測(cè)量的是 10— 15工況 (平均車速 )運(yùn)行下的平均油耗。不僅如此，美國(guó)還規(guī)定了汽車制造公司的平均油耗 (CAfE)限值，不滿足該限值則視差距大小處以數(shù)額不等的罰款 。日本則規(guī)定了不同質(zhì)量的汽車油耗標(biāo)準(zhǔn)表，歐洲則規(guī)定 Ml類車型式認(rèn)證時(shí)必須測(cè)試油耗，確認(rèn)汽車廠的申報(bào)值并向社會(huì)公布。 國(guó)內(nèi)汽車油耗檢測(cè)技術(shù)研究狀況 在現(xiàn) 代以科技為主導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)中， 研究與開發(fā)新型智能油耗軟件是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)油耗產(chǎn)品升級(jí)換代的要求，是科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的需要。以前我國(guó)主要采用普通式汽車油耗計(jì)檢測(cè)油耗，隨著時(shí)代的變遷，科技的日新月異，這類油耗計(jì)精度低、功耗大、適用范圍較窄、可靠性不大、抗干擾性不強(qiáng)等一系列弊端逐漸突顯出來(lái)，并函待改善。 在國(guó)內(nèi)，由于技術(shù)上的落后，對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的檢測(cè)重視較晚，直到 1991 年 10月 1 日交通部才頒布實(shí)施了涉及車輛燃油消耗檢測(cè)的法規(guī) — 《汽車運(yùn)輸業(yè)綜合性能檢測(cè) 4 站管理辦法》，規(guī)定采用的測(cè)量方法為容積法和重量法。少數(shù)幾個(gè)大的科研 單位雖然從國(guó)外引進(jìn)了一些相關(guān)的設(shè)備，但主要使用在測(cè)量汽車的尾氣排放，用碳平衡法原理測(cè)油耗，但是由于碳平衡法精確計(jì)量排氣流量比較困難，快速可靠的密封連接也十分困難很難，而且將測(cè)量誤差控制在 5%以內(nèi)。所以國(guó)內(nèi)沒(méi)有達(dá)到實(shí)用階段，還沒(méi)有引起重視。 目前我國(guó)主流中檔轎車的 C02排放量為 200~220g/km(相當(dāng)于汽油車百公里油耗為~)，考慮到眾多的國(guó)產(chǎn)在用車，我國(guó)城市的燃油消耗 /C02排放水平應(yīng)該更高。我國(guó)急需借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)制實(shí)施汽車多工況法油耗測(cè)試方法，作為汽車廠公布油耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一測(cè)試基準(zhǔn)，并 在每輛汽車上標(biāo)明其名義油耗，引導(dǎo)用戶比較選擇。另外，針對(duì)我國(guó)實(shí)際狀況，應(yīng)盡快發(fā)布一個(gè)汽車油耗 (C02排放 )限值標(biāo)準(zhǔn)，一方面可以鼓勵(lì)經(jīng)濟(jì)型汽車的發(fā)展，另一方面這也是我國(guó)汽車進(jìn)入家庭和汽車工業(yè)快速健康發(fā)展的必然要求。 油耗儀器多為體積式的。應(yīng)用的比較早的是車用油耗計(jì)，如國(guó)產(chǎn)的 GD30型車用油耗計(jì)，由傳感器和電磁計(jì)數(shù)器兩部分組成，其傳感器為容積膜片式，適用于汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。 但是，使用中膜片不可避免地產(chǎn)生塑性變形，致使計(jì)量精度發(fā)生變化，因而需經(jīng)常校正， 因而給實(shí)際檢測(cè)帶來(lái)不便。 國(guó)內(nèi)研制的 FC20xx發(fā)動(dòng)機(jī)自 動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，它主要用于各種類型的柴油機(jī)、汽油機(jī)、天然氣、液化氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)，同時(shí)它可以與國(guó)內(nèi)外各種不同的水力、電渦流、電力測(cè)功機(jī)配套，用于控制和測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、燃油 /燃?xì)庀牧俊囟?、壓力、流量等各種不同類型的參數(shù)。此儀器集成了許多功能模塊，智能油耗儀是它的一個(gè)子系統(tǒng)。主要用于測(cè)量各種汽油機(jī)，柴油機(jī)、電噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。油耗儀采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，油耗測(cè)量和顯示儀表集于一體，可獨(dú)立完成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的測(cè)量。FC系列智能油耗儀采用先進(jìn)的 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有網(wǎng)絡(luò)特性，使多臺(tái)測(cè)試儀器可 以聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)保留了標(biāo)準(zhǔn)的 RS232串行接口。能在環(huán)境較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)正常工作，即使在電磁閥完全失靈的情況下，燃油也不會(huì)溢出，保證使用的安全，特別適用一大回油量的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)。儀器測(cè)量時(shí)間范圍是 1～ 200S,測(cè)量結(jié)果以 4位浮點(diǎn)數(shù)的形式顯示。具有零點(diǎn)標(biāo)定和滿度標(biāo)定功能，可進(jìn)行單次測(cè)量、循環(huán)測(cè)量、超量程測(cè)量。每次測(cè)完油耗后，數(shù)據(jù)輸出到 CAN總線上。測(cè)量精度 %。這種儀器主要用于臺(tái)架試驗(yàn) [5]。 AM2018 燃油消耗測(cè)試儀 (通稱油耗儀 )，是一種以單片計(jì)算機(jī)為核心的智能化儀器，并采用國(guó)際上流行的軟膜輕觸開關(guān)面 板，使儀器的可靠性與外觀都有很大的提高。該儀器可測(cè)定各類發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的消耗量、瞬時(shí)流量；可進(jìn)行定容積、定重量、定時(shí)間等參數(shù)的測(cè)量及控制；可用于汽車道路實(shí)驗(yàn)，如等速油耗、加速油耗、百公里油耗等多種道路 5 試驗(yàn)。該儀器具有數(shù)據(jù)存貯和處理的功能，能直接顯示打印計(jì)算結(jié)果。兩路傳感器可同時(shí)工作，特別適應(yīng)于有回油管路的測(cè)試；配接的傳感器采用獨(dú)特的兩路編碼技術(shù)，在小流量、油路脈動(dòng)情況下，具有測(cè)量精度高，工作穩(wěn)定可靠之優(yōu)點(diǎn)。這種儀器既可用于臺(tái)架試驗(yàn)又可用于道路試驗(yàn)。 JDSZEP13型汽車油耗計(jì)量?jī)x 是動(dòng)態(tài)測(cè)試并顯示汽車行駛 中的瞬時(shí)油耗、累計(jì)油耗測(cè)量?jī)x器，由油耗儀主機(jī)和 CPU 顯示器兩部分組成，為公交車輛、客運(yùn)車輛、貨運(yùn)車輛及工程車輛等進(jìn)行精確的油耗統(tǒng)計(jì)與油料定額管理、為駕駛員提高節(jié)油操作技能、為國(guó)家推動(dòng)節(jié)能減排戰(zhàn)略，提供了一個(gè)有效的油耗測(cè)試手段，使節(jié)能減排有據(jù)可依。 發(fā)展趨勢(shì) 傳統(tǒng)的汽油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，汽油是經(jīng)過(guò)化油器后和空氣混合而進(jìn)入汽缸的，只要把流量傳感器串接在油路上即可測(cè)出燃油消耗量，方法較為簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度比較低，而且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量、不能記錄數(shù)值等很多弊端。 由于電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性能，已逐步取代傳統(tǒng)的化 油器。取而代之的是采用流量傳感器和單片機(jī)的智能油耗檢測(cè)技術(shù)，并且能通過(guò)顯示器和打印機(jī)對(duì)外輸出。 基于容積法的汽車智能油耗檢測(cè)儀器能對(duì)汽車進(jìn)行不同工況的油耗數(shù)據(jù)測(cè)量，以及汽車行駛的等速油耗、加速油耗、便工況油耗及百公里油耗測(cè)量，尤其是瞬時(shí)油耗的測(cè)量，而且精度較高。將先進(jìn)的智能傳感技術(shù)和智能儀表應(yīng)用與液體流量檢測(cè)與顯示，集機(jī)、電、液于一體，提高檢測(cè)與顯示精度和檢測(cè)的自動(dòng)化程度，滿足生產(chǎn)需要。由于單片機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用，微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，加上傳感器的微型化、多功能化、集成化和智能化的發(fā)展，控制功能的不斷完善，因而 目前國(guó)內(nèi)外各國(guó)都在研究與開發(fā)微電腦油耗儀，并進(jìn)一步向智能化方向發(fā)展。 課題研究目的和意義 作為汽車的主要性能之一，準(zhǔn)確、迅速地對(duì)汽車燃油消耗量進(jìn)行檢測(cè)并作出評(píng)價(jià)，這是非常關(guān)鍵的。國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)定使用的是油耗計(jì)測(cè)定方法。目前國(guó)內(nèi)常用的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)量方法還是油耗儀測(cè)量方法，這些油耗測(cè)量?jī)x表種類繁多，使用方法和測(cè)量精度也各有優(yōu)劣。傳統(tǒng)的油耗計(jì)對(duì)于化油器的汽油機(jī)燃油消耗的測(cè)量較為單一，但是，隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格和汽車電子技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，汽油機(jī)的化油器已逐漸被電控燃油噴射系統(tǒng) (EFI)所取代，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)量的對(duì)象已全部變成了電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)。電控噴射發(fā)動(dòng)機(jī)由于需要處理多余燃油的回流問(wèn)題，使其對(duì)油耗的測(cè)量變得復(fù)雜。所以，相關(guān)的測(cè)量方法和儀器的研究受到了更多的關(guān)注。 6 目前測(cè)定燃料消耗率 (簡(jiǎn)稱耗油率 ) 的方法通常有容積法、重量法、流量計(jì)法和流速計(jì)法等。常規(guī)的容積法和重量法的測(cè)量精度較高 ,但不能測(cè)量瞬時(shí)耗油率 , 只適用于內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定工況下燃油消耗率的測(cè)定。流量計(jì)法和流速計(jì)法可以測(cè)量瞬時(shí)耗油率 , 但由于單位時(shí)間燃油的流量很小 , 因此測(cè)量精度較低。測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)各工況下的耗油率不僅可 以判斷其經(jīng)濟(jì)性 , 同時(shí)也有助于診斷燃油系統(tǒng)的缺陷和故障。本文設(shè)計(jì)了基于失重法的智能油耗測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)功能強(qiáng)、測(cè)量精度高、使用方便 , 而且能夠?qū)δ壳按蠖鄶?shù)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，并且能夠直觀的反映出瞬時(shí)油耗情況，從而為檢測(cè)和診斷汽車故障以及內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。 研究與開發(fā)汽車油耗智能檢測(cè)儀器，能夠提高油耗檢測(cè)的精度，降低檢測(cè)儀器的使用功耗，提高儀器的抗干擾能力，擴(kuò)大儀器的測(cè)量范圍。對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)汽車的油耗性能，節(jié)約燃油和能源，減少車輛對(duì)環(huán)境的污染等具有重要意義。研究與開發(fā)新型智能油耗檢測(cè)軟件 也是實(shí)現(xiàn)油耗儀產(chǎn)品升級(jí)換代的要求，也是科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的需要。 基于容積法的油耗檢測(cè)裝置可以精確檢測(cè)汽車油耗，可為研制低油耗車提供依據(jù)；對(duì)營(yíng)運(yùn)車輛油耗檢測(cè)評(píng)價(jià)