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关于台架试验的容积式电喷油耗仪设计(1)
来源:摩托车技术  作者:佚名  2014-10-04 09:27:47

    摘要:随着摩托车工业的发展和公共环保意识的提高,国家对摩托车产品经济性和环保性能要求日渐严格,燃油消耗量检验已经纳入了国家对摩托车产品的技术管理内容,测量值的准确性直接关系到车辆能否达标。国家摩托车质量监督检验中心研制了一种容积式台架电喷油耗仪,该装置能够科学准确地刚量出车辆在台架上运行时的燃油消耗量,可以一边补给车辆运行所需的燃油,一边能在不影响发动机预运转的前提下实现测量,而且测量精度高、设计结构简单合理、自动化程度高,同时测量过程中的数据也可以根据需要通过控制器绘出油耗曲线显示在显示屏上,极大简化了企业及相关检验机构对检测设备及刚试手段的要求。

    燃油消耗量是考核车辆燃油经济性的重要参数,随着摩托车工业的发展和公共环保意识的提高,国家对摩托车产品经济性和环保性能要求日渐严格,燃油消耗量检验已纳人了国家对摩托车产品的技术管理内容,测量值的准确性直接关系到车辆能否达标,因此如何更加科学、合理地进行测量、评价应引起相关行业检测机构和企业的高度重视。
    国家摩托车质量监督检验中心研制了一种容积式台架电喷油耗仪,该装置能够科学准确地测量出车辆在台架上运行时的燃油消耗量,可以一边补给车辆运行所需的燃油,一边能在不影响发动机预运转的前提下实现测量,而且具有测量精度高、设计结构简单合理、自动化程度高等优点,同时测量过程中的数据也可以根据需要通过控制器绘出油耗曲线,显示在显示屏上,极大简化了企业及相关检验机构对检测设备及测试手段的要求。

    1 油耗仪总体技术方案
    1.1设计性能指标
    油耗仪设计性能指标如表1所示。

    1.2设计理论分析
    1.2.1设计方案及分析
    在常温常压下,利用传统的油耗仪测量车辆燃油消耗量时,由于电喷发动机燃油泵一般置于油箱内,燃油泵工作时通常会产生250~350 kPa的高压,导致有部分燃油从油耗仪容积量管上端口溢出,即使能够密封承压,还是会有少量燃油溢出,另外燃油泵产生的压力波动太大,导致容积量管的测量准确度也不高;还有一部分未喷入发动机燃烧室的燃油直接回流到油箱内,可这部分回流的燃油显然未经过油耗仪的测量,会导致燃油消耗量的测量非常不准确。要解决这些问题就必须做到:1)控制油耗仪容积量管上端的压力,减少波动;2)喷入到发动机燃烧室内的燃油量必须与油耗仪容积量管测量的燃油量相等。
    为了满足以上要求,采取以下方案:
    a)在容器量管与电喷发动机间设置1个稳油箱,燃油泵置于稳油箱内,发动机回油管的燃油流入稳油箱内;
    b)为保证喷入到发动机燃烧室内的燃油量与油耗仪容积量管测量的燃油量相等,在稳油箱中设置浮子与针阀,当喷入到缸内的燃油消耗使得稳油箱的油面下降时,浮子随之下移,针阀立即开启,油耗仪容器量管中的燃油自动等量地补充到稳油箱中,使稳油箱中的油面保持不变,从而达到测量实际燃油消耗量的目的;
    c)为减少回油管中的油压对稳油箱油面造成冲击和波动,在稳油箱内设置通气孔和隔板;为保证燃油不至于飞溅出稳油箱而影响燃油消耗量的测量准确性,增加通气孔的长度;而在设计隔板时也要保证稳油箱左右两腔相通,保持左右油面高度一致;
    d)在油耗仪容积量管中测量燃油消耗量时,采用高精度激光测距传感器与容积量管内反射浮球(板)测量技术,配合以电磁阀、手动阀、调压阀及稳油箱内浮子与针阀等装置予以控制,这样就可实现油耗仪系统对电喷发动机的可靠准确测量。

    1.2.2设计原理
    当车辆在台架上按照标准要求开始试验时,将容积式台架电喷油耗仪连接到发动机上,在实际使用时,燃油箱内的燃油直接通过稳油箱向电喷发动机喷油器供油,以保证发动机正常的预运转工作。当进入测量状态时,控制器立即切断油箱与稳油箱间的供油通道,同时接通量管与稳油箱间的供油通道,车辆运行时消耗定的燃油量使得稳油箱内的燃油液面下降,此时电喷发动机喷油器使用的是量管内的燃油,且此时在浮子及针阀组件和针阀座孔的配合作用下保证稳油箱内的燃油液面高度保持不变,达到在测量状态下发动机所消耗的燃油量数值与测量值(激光测距传感器所检测量管内燃油的液面高度差值对应的燃油量)相等的目的。由控制器根据激光测距传感器测量的液面高度差值数据(即量管内油位的初始位置和终止位置之间的差值),并依据相关的标定参数计算出燃油消耗量。
    这时,量管中减少的燃油量、稳油箱得到补充的燃油量(包括量管补充稳油箱中的燃油和发动机喷油器回流到稳油箱中的燃油)、发动机消耗的燃油量三者之间的关系是相等的,所以只要测量量管中减少的燃油量就能得到发动机消耗的燃油量。
    1.3设计理论计算
    按照1.2.2的这个设计思路,重点介绍油耗仪量管的容积和内径的设计以及激光测距传感器的选型等。
1.3.1油耗仪量管容积
    按照国标GB 15744- 2008中6.1条规定:摩托车的运行循环按照GB 14622-2007附录C中C.2的规定进行设置,按照附件CA中CA.2的市区循环进行;而6.4条规定:每1个连续运行循环的燃油消耗量作为1次测量值;6.5.1条规定:按照6.4连续3次测量燃油消耗量,取3次测量值的算术平均值作为最终测量结果。
    由此可见,按照工况法测量摩托车燃油消耗量至少需要运行6个市区循环,而1个完整的市区循环约为1 km;按目前摩托车的耗油情况,最大的耗油量一般为10 L/100 km,即100 mL/km。因此油耗仪的量管的容积至少为600 mL。

    1.3.2传感器选型
    由于油耗仪设计指标为:测量范围为0~600 mL,测量分辨率为0.01 mL;假设油耗仪的量管内径为:,最大油面高度为h,油耗仪量管高度测量分辨率为△h,则由体积公式可得:
 ,由此可得:    而目前所选用的高精度激光传感器,测量范围为0~200 mm,分辨率为2μm,完全能够达到测量精度要求。
1.3.3油耗仪量管内径计算
    由于所选激光传感器的测量范围为0~20 cm,而测量范围为0~600 mL,因此油杯半径:必须满足(为方便计算,单位统一为mm)
    而激光传感器的分辨率为2 pm,即2 X 10-3 mm,而测量分辨率为0.01 mL,因此油杯半径同时应满足:
    因使用的激光测距传感器为反射激光,测量范围为200 mm,测量夹角为10.20,又考虑到传感器安装方式以及反射光是否会被量管壁所遮挡而无法测量,因此量管内径必须满足传感器为反射激光漫反射和镜面反射2种情况下尺寸要求。当激光狈d距传感器为反射激光为漫反射时,如图1所示,则量管内径大小为:



当激光测距传感器为反射激光为镜面反射时,如图2所示,则量管内径大小为:



综合式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可得量管内径范围为:

    在此范围内内径r的值越小,分辨率越高,但考虑到加工工艺允许的最大误差为5%,因此将量管内径r定为3 6 mm,即可满足指标要求。page_break]

    2 油耗仪具体实施方案
    根据容积式台架电喷油耗仪的设计理论和原理,可以有4种不同的实施方案,具体如下所述。
    2.1实施方案1
    图3、图4及图5分别为实施方案1容积式台架电喷油耗仪结构简图、控制系统简图、控制面板简图。以下为容积式台架电喷油耗仪结构介绍:



    a)本实施方案中,量管为竖直向上且上端部为敞口的直管;供油量检测单元为激光测距装置,包括悬浮在量管内油液面上的反射浮板或反射浮球和设置在容器管正上方的激光测距传感器,激光测距传感器通过支架固定在量管的管壁上,并且量管为玻璃管或不锈钢管;测量控制系统包括控制面板、控制器以及设置在控制面板上且分别与控制器相接的按键和显示器;所有电磁阀、激光测距传感器均与控制器相接。

    b)稳油箱内安装有燃油泵,该燃油泵内部未设置调压器,燃油泵通过供油管6与电喷发动机喷油器相接,供油管6上装有外置调压器;若燃油泵内部设置有内置调压器,则不需要安装外置调压器。
    c)稳油箱与电喷发动机喷油器间接有回油管,回油管上装有手动阀,实际使用时若电喷发动机喷油器是无回路喷油器,则就无须安装回油管及手动阀。
    d)稳油箱左侧的油液液面上设置有浮子及针阀组件,供油管5的出油口上安装有针阀座孔,回油管的出油口接至稳油箱内部右侧,稳油箱中部设置有隔离板,将其内部分为左右2个相通的油腔且用于防止回油管输人的高压回流油液对稳油箱内部油液液面进行冲击。

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