新型电控容积式发动机油耗仪设计

黄展华，黄 键，张庆永

(华侨大学机电学院，福建厦门 361021)

汽车燃油消耗量是汽车燃油经济性的重要评价指标，国内外很多专家学者都对其测量方法作了大量的研究。采用直接测量燃油消耗体积的方法称为容积法，目前容积式油耗仪主要有旋转活塞式［1］、腰轮式、椭圆齿轮式、螺旋转子式等形式，其特点是采用不同形式的燃油流量传感器进行油耗测量。

本文旨在开发一种具有较高精度且无需流量传感器亦可实现实时油耗检测的新型容积式油耗仪。

1 油耗测量原理及可行性分析

1.1 油耗仪设计的总体思路

采用2个小型计量容器为发动机“接力”供油;采用2组光电传感器实时监测这2个计量容器中燃油的油面位置，并转化为实时燃油消耗量信号。

1.2 油耗仪装置设计

油耗仪装置设计如图1所示。采用光电管测量2个计量管的油面信号;采用电磁阀5，10，11控制2个计量管的充油和供油次序;采用单片机系统对电磁阀5，10，11进行控制。

1.3 油耗测量原理

如图1所示，电磁阀11作为总阀控制整个油路的充油;通过控制电磁阀10可以控制对2个计量管的充油次序;通过控制电磁阀5可以控制2个计量管的供油次序;光电管4用于检测2个计量管的油面信号。

图1 体积式油耗仪原理图

在油耗仪运行的过程中，2个计量管交替地对发动机进行供油。运行过程为:当某一计量管向发动机供油时，其液面开始下降;当供油计量管中液面下降到其下油面时，切换换向阀5，另一计量管便开始供油;同时，切换换向阀10，打开开关阀11，对原供油管进行充油;当充油计量管中液面上升到上油面时，关闭开关阀11，充油过程结束;如此交替地进行。整个过程中，单片机系统实时接收2个计量管上光电管的脉冲信号，转化为油耗信号并实时显示。

需要说明的是，油耗仪要求对计量管的充油速度要高于计量管的供油速度，这可以通过将外置油箱置高的方式实现。

1.4 油路排气原理

系统在开机准备阶段时，即在发动机启动前，需将油路中的空气排净。首先，打开开关阀11，导通换向阀10，切断换向阀5，这样外置油箱1就可以给计量管2充油;然后，手动控制排气阀9的开度，此时，外置油箱中的油也会经过排气阀流到油箱8中，这样就可以排出计量管2与换向阀5之间的油路中的空气;当计量管2中的油面上升到上油面时，关闭开关阀11，此时计量管2中的油就会经过排气阀流到油箱8中，排出残留在计量管2与换向阀5之间的油路中的空气;当计量管2中的油面下降到下油面时，打开开关阀11，再给计量管4充油;当计量管2中油面再次到达上油面时，再对第二个计量管进行同样的排气过程;如此往复进行;当观察到油路中的空气都已排尽时，手动关闭排气阀9，排气过程结束。排气流程如图2所示。

2 油耗系统硬件电路设计

2.1 单片机的选取

油耗仪的4个按键都采用中断的方式进行处理，选用Microchip公司的PIC18F4520单片机作为主控芯片，其上有2个外部中断、1个RB口中断，定时器T0也可构造1个外部中断，可以满足使用要求。

图2 排气流程图

2.2 控制系统硬件电路设计

采用或门收集这2组光电管的脉冲信号，再送给单片机处理。控制系统电路原理如图3所示。

3 油耗系统的标定

采用1 000ml的量筒标定每个光电管脉冲对应的油耗量，实物系统及标定系统如图4所示。

图3 控制系统原理图

图4 实物系统及标定系统

4 油耗系统的误差分析

a．系统在测量开始和结束时，由于2组光电管检测液面变化的不连续性，导致首尾2个脉冲的不完整，会引起最大为3个脉冲的误差。这个误差可以通过在计量管上布置尽量多的光电管来降低;在进行长距离油耗的测量过程中(如百公里油耗的测量)，这3个脉冲的误差的影响就很小。

b．本装置采用SMC公司的VX33电磁阀，电磁阀的响应频率为60Hz，响应时间为16ms［2］，由此可见，电磁阀响应时间带来的误差较小。

c．在实车上试验的过程中，存在路况等因素的影响，汽车将上下颠簸，计量管中的浮子也将会有一定的抖动，这种抖动将产生相应的误差，通过硬件及软件消抖的方式可以在一定程度上改善抖动带来的影响。

d．系统装配精度引起的误差，这方面的误差可以通过提高系统加工精度来降低。

5 结束语

经过一段时间的试验，证明在静态试验的条件下，本油耗仪可以很好地满足对发动机油耗的测量，使用方便，工作可靠。用1 000ml的量筒对油耗仪的精度进行检验，结果显示，在800ml的量程下，测量精度大于99%。另外，本油耗仪结构简单，与其他类型的油耗仪相比，无需流量传感器，具有明显的经济性。

［1］ 余志生．汽车理论［M］．北京:机械工业出版社，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．