基于重量的汽车油量测量系统理论模型

2013-05-15郝源隆

机械工程与自动化 2013年3期

张叶，郝源隆

（晋中职业技术学院，山西晋中 030600）

0 引言

目前，大多数汽车上油量表都采用了三刻度式（E、1／2、F）仪表或八段数码管显示剩余油量所占油箱体积的比例。该仪表只能使驾驶者定性地了解燃油使用状况和剩余燃油数量，毫无精确度可言。在安装、维修以及行进过程中油量测量系统中零部件卡死现象随时都有可能发生，这给驾驶者的行车安全带来很多麻烦，是安全驾驶的常见隐患之一。同时，浮子式油量表在经过陡峭路面时，由于车身振动，油量指针也随之振动，不能正确显示油量。本文重点阐述如何改进油量测量系统，更加精确、可靠地反映油箱残余油量，为驾驶者提供更加实用的燃油检测系统。

1 传统油量测量方式分析

目前，大部分汽车采用浮子式的油位传感器，其原理是在油箱内设有一个浮子，一端连接一根金属杆，金属杆的尾部经由一个可移动的接点连接到一个滑线变阻器的滑动端，进而将信号传输到仪表盘的油量表上，浮子位置变化的机械信号通过滑线变阻器转化为电信号，从而进入信号处理系统，最后从油量表输出剩余油量所占油箱体积的比例信息，驾驶员通过经验估计油箱中的油还能跑的公里数，做出是否需要加油的判断。这样的测量方式存在很多缺陷：①机械式测量方式中的关键部件浮子容易出现卡死现象；②汽车油箱外形为适应空间要求多设计为不规则的形状，会大大影响浮子测量的准确性；③汽车行驶在颠簸路面时，由于油箱同汽车车身是刚性连接，燃油随同油箱发生剧烈颠簸，虽然目前汽车设计时多采取了增加隔板设计减缓燃油液面波动的措施，但浮子依旧会受到影响，最终会出现指针抖动或反馈信息不准确的现象；④由于目前国内汽车维修市场没有形成周期性清洗油箱的保养习惯，油箱内沉淀的杂质会对浮子的测量产生影响。

近年来，随着汽车微电子技术的发展，提出了使用压力计基于重量来进行油量计量，但设计多偏于电路系统的设计，在机械设计上仍然有改进的空间。如有些设计中提出在油箱底部中央安装一个压力计，这在汽车平路行驶时完全可以检测油量，但当汽车斜坡行驶时，出现了力的分解，这时的测量数值就会失真。此外，油箱一般为双金属杠固定，双金属杠承受了油箱的全部压力，压力计的安装应充分考虑到这一点。

2 基于重量的油量测量系统的设计

2.1 油量测量系统总体设计思想

本设计一共分为信号采集模块、信号处理模块、控制模块和信号输出模块4个模块，如图1所示。信号采集模块主要由安装在油箱底部的4个压力计构成；信号处理模块主要是A／D转换模块及信号放大器；控制模块将对数据进行计算处理；输出模块主要包括仪表的总成、输出油箱存油量以及百公里耗油等统计数据。本设计中需要采集原车辆ECU控制系统中的坡度角度、加速度、速度和行驶里程等参数。

图1 油量测量系统结构框图

2.2 系统硬件设计

2.2.1 压力计的选择与安装

油箱是用两根钢带缠绕焊接在车架上的，由于吃重的点不在油箱的重心而在支撑的两根钢带上，因此将同种型号的4个压力计分别布置于每根钢带的两端。

压力计的选择应充分考虑所测值的波动范围以及工作环境的恶劣程度，压力传感器需耐冷耐热、抗腐蚀能力强。本设计采用冠标科技OMEGA公司生产的LC302－100型称重压力传感器，是超微型圆柱状压力传感器，直径仅为Φ19 mm，高度仅为13 mm，灵敏度高，共振频率高，内部有温度补偿，结构牢固，适合于小空间处安装。8507C－2压力计参数见表1。

表1 8507C－2压力计参数

2.2.2 A／D转换器

由于压力的变化相对于时间的变化并不是很明显，因此对于A／D转换器的选择要求并不高。本设计采用美国MAXIN公司生产的ICL7135，该芯片具有抗干扰能力强、价格低廉等优势。

2.2.3 汽车ECU模块

测量系统中直接使用汽车的ECU系统进行编程即可。在早期的车辆控制系统中，一个模块只能处理一个特定的功能，随着车型的增加，新型的由分配式功能、控制区域网络通讯及可重新编程的控制模块组成的新的电气系统已被广泛应用。在实验条件下，可以使用单片机控制系统进行模拟。

2.3 油量重量计算数学模型

汽车在运行过程中，油箱的受力复杂，要想准确地反映油箱内的油量，需要将压力计传输回的数据通过数学模型进行处理，然后才能输出准确的数值。

静态下，根据力的平衡原理，4个压力计的合力即为油箱的重力，油量即等于总的合力减去油箱本身的质量。汽车平路行驶时，根据力的平衡原理，处理方式同上；汽车在陡坡行驶中，由于汽车发动机产生的拉力与垂直向下的重力产生了合力，因此在压力计上显示的是合力的数值，而不是油箱的重力，所以需要对原始数据进行处理，即采用汽车加速度、速度、坡度等数值建立数学模型进行校正。

2.4 系统软件分析

在实际中，由于只是增加了压力计的输入值，可以直接使用汽车仪表的ECU，数据采用串行输入方式，随着时钟频率对数据端口进行不断地扫描，及时更新数据。进入ECU后，在程序中使用数学模型对4个压力计的数据进行处理。计算完成后，进入输出模块，使用刻度仪表输出，将油箱重量作为仪表零点，从而直接输出计算结果，得到精确的油量数值。