基于超声波技术的汽车油耗测试影响因素分析

齐红

黑龙江省网络空间研究中心

摘 要：针对汽车油耗测试存在的问题，采用单片机控制技术和超声波技术进行汽车油耗测试技术研究。基于超声波时差法的汽车油耗测试数学计算模型，从温度变化对超声波流量传感器几何尺寸和超声波换能器最佳工作频率的影响、超声波流量传感器接收信号强度不均匀和不对称、超声波顺流和逆流传播历经时间测试误差、燃油在供油管路中流速分布等角度进行了综合分析，并提出了优化措施，可进一步优化汽车油耗测试数学计算模型，为研发高精度汽车油耗测试仪器奠定基础，更好地服务于汽车节能减排。

关键词：汽车油耗;影响因素;超声波;

作者简介：齐红(1968—),女，哈尔滨人，本科，高级工程师，研究方向：信息检测技术;

基金：黑龙江省自然科学基金项目(LH2019E114);

1汽车超声波油耗测试数学模型

汽车超声波油耗测试原理见图1,供油管路中燃油流速为V¯¯¯V¯i,超声波入射角为βi(i为声路序号),声路角为αi,声路长度为li,管路内径为d,超声波顺流传播从换能器A到换能器B历时t1i,超声波逆流传播从B到A历时t2i。

图1 超声波时差法汽车油耗测试原理 下载原图

在燃油管路待测截面上平行地布置多条声路，声路速度为平行条带内的平均流速，根据条带的权重系数(δi),采用加权求和法计算发动机供油管路中的燃油流量(Q)。

Q=d2∑i=1jδil2itg(αi)(1t1i−1t2i)         (1)Q=d2∑i=1jδili2tg(αi)(1t1i-1t2i)         (1)

式中：δi由规程PIC18和IEC41确定，针对Gauss-Jacobi积分方案

δi=11−r2i√⋅πj+1sin2iπj+1,i=1,2,⋯,j         (2)δi=11-ri2⋅πj+1sin2iπj+1,i=1,2,⋯,j         (2)

式中：j为声路数，个；ri为相对声路高度，mm; hi为声路高度，mm,hi=rid,ri=cosiπj+1hi=rid,ri=cosiπj+1

2汽车超声波油耗测试主要影响因素分析

2.1 温度变化的影响

(1)温度变化影响超声波流量传感器几何尺寸

测试汽车油耗时，需保持超声波流量传感器接触的被测管路表体的横截面和超声波换能器声程不变，但温度变化会引起管道横截面积变化，当管路内径有5%的误差时，会引起0.1%～0.15%的测试误差；温度变化还会导致超声波换能器声程变化，使换能器出现定位误差。为此，应选热胀冷缩效应较差的换能器表体材料，并采用定量分析法对换能器壳体几何尺寸进行温度补偿。

(2)温度变化影响超声波换能器最佳工作频率

如图2所示，温度升高，换能器最佳工作频率下降，温度在-25～65 ℃范围内时，换能器最佳工作频率与温度变化呈线性关系，温度超过65 ℃,最佳工作频率明显下降。换能器电压峰值随温度上升，先升高然后下降，-25 ℃时，换能器最佳工作频率约为208.5 kHz。随着温度上升，换能器最佳工作频率相应降低；当温度为65 ℃时，超声波换能器最佳工作率频率接近195 kHz, 此时换能器电压峰值最大。换能器工作在最佳工作频率点附近，电压幅值相对较高，超声波换能器性能得到充分发挥。

图2 温度变化对换能器工作性能的影响 下载原图

2.2 超声波流量传感器接收信号强度对称性与均匀性分析

燃油在供油管路中以层流或紊流状态流动时，超声波流量传感器顺流或逆流的接收信号强度存在非对称性和非均匀性。

(1)层流状态。

超声波顺流传播时，超声波沿中心线和以一定角度传播至接收面的时间差(Δtcs)为

Δtcs=l⋅(Vf(1−cosβ)−V¯¯¯i(1−0.5cos2β)V¯¯¯2icosβ)         (3)Δtcs=l⋅(Vf(1-cosβ)-V¯i(1-0.5cos2β)V¯i2cosβ)         (3)

超声波逆流传播时，超声波沿中心线和以一定角度传播至接收面的时间差(Δtcn)为

Δtcn=l⋅(Vf(1−cosβ)−V¯¯¯i(1−0.5cos2β)V¯¯¯2icosβ)         (4)Δtcn=l⋅(Vf(1-cosβ)-V¯i(1-0.5cos2β)V¯i2cosβ)         (4)

可见，Δtcs>Δtcn。

(2)紊流状态。

超声波顺流传播时，超声波沿中心线和以一定角度传播至接收面的时间差(Δtws)为

Δtws=l⋅(Vf(1−cosβ)+V¯¯¯i(1−0.825cos2β)V¯¯¯2icosβ)         (5)Δtws=l⋅(Vf(1-cosβ)+V¯i(1-0.825cos2β)V¯i2cosβ)         (5)

超声波逆流传播时，超声波沿中心线和以一定角度传播至接收面的时间差(Δtwn)为

Δtwn=l⋅(Vf(1−cosβ)+V¯¯¯i(1−0.825cos2β)V¯¯¯2icosβ)         (6)Δtwn=l⋅(Vf(1-cosβ)+V¯i(1-0.825cos2β)V¯i2cosβ)         (6)

可见，Δtws>Δtwn。

无论超声波传输方向与燃油流动方向是否一致，超声波至接收中心及其周边的时间都存在差异，使超声波流量传感器接收能量不集中，接收信号强度不对称和不均匀性，接收信号信噪比降低，影响收发信号处理。

改进超声波换能器压电元件设计，将压电元件和虚拟压电元件组合使用，通过实验对比分析，改进后接收信号的相对偏差由135%降至49%,接收信号强度的相对偏差由286%降至51%,有效地改进了接收信号时间差与强度的对称性和均匀性，提高信噪比，有助于提高汽车油耗测试精度，见图3。

图3 超声波接收信号数据对比 1为接收信号强度；2为接收信号时间差 ……改善前 ——改善后 下载原图

2.3 超声波顺流、逆流历经时间测试误差

设换能器A和换能器B从接收到驱动信号，到发射出超声波信号的过程中引入额外时间分别为tfa和tfb;从超声波到达换能器表面后传递出信号，给处理电路的转换过程中引入的额外时间分别tca和tcb;信号处理过程中，信号在两个电路通道延时而引入的额外时间分别为tya和tyb

t1i=liVf+V¯¯¯icosαi+tfa+tca+tya         (7)t2i=liVf+V¯¯¯icosαi+tfb+tcb+tyb         (8)t1i=liVf+V¯icosαi+tfa+tca+tya         (7)t2i=liVf+V¯icosαi+tfb+tcb+tyb         (8)

时间差为

Δt=2liV¯¯¯isinαiV2f+(tfb−tfa)+(tca−tcb)+(tya−tyb)         (9)Δt=2liV¯isinαiVf2+(tfb-tfa)+(tca-tcb)+(tya-tyb)         (9)

互换换能器位置，时间差为

Δt=2liV¯¯¯isinαiV2f+(tfa−tfb)+(tcb−tca)+(tyb−tya)         (10)Δt=2liV¯isinαiVf2+(tfa-tfb)+(tcb-tca)+(tyb-tya)         (10)

可见，互换超声波换能器，时间差不同，测量结果不同。

tya和tyb无法测量，采用对称电路使tya和tyb尽可能相等；切换电路通道，将两次测量结果相加，消除电路延迟影响。切换电路通道历时极短，温度不会骤变，tya和tyb变化可忽略，以此消除温度变化导致的电路延迟。将静态时测得的tfa和tfb、tca和tcb归零，实现不同测试条件或互换换能器引起的误差抵消。

2.4 燃油在供油管路中的流速分布

燃油流经供油管路截面的流速分布不均匀，需要测量燃油的面平均流速，基于流体力学理论，引入流量修正系数δq(δq=V¯¯¯iAV¯¯¯i,V¯¯¯iAδq(δq=V¯iAV¯i,V¯iA为面平均流速)对流速进行修正。

紊流状态下，燃油距轴线s处的沿轴线方向的面平均流速V¯¯¯V¯i(Si)与管路轴线对称，Prandtl的流速分布经验公式为

V¯¯¯i(Si)=Vmax(1−S2id2)  层流状态     (Re≤2320)V¯¯¯i(Si)=Vmax(1−|Si|d)1φ 紊流状态     (Re≥4000)⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪         (11)V¯i(Si)=Vmax(1-Si2d2)  层流状态     (Re≤2320)V¯i(Si)=Vmax(1-|Si|d)1φ 紊流状态     (Re≥4000)}         (11)

φ是供油管路中燃油雷诺数(Re)和管路壁面粗糙度(Ra)的函数。

光滑管的Prandtl方程

φ=21g(Raφ)−0.8         (12)φ=21g(Raφ)-0.8         (12)

粗糙管的Colebrook方程

φ=1.74−21g(Rad+18.7φRe)         (13)φ=1.74-21g(Rad+18.7φRe)         (13)

平均流速积分

V¯¯¯i=1l∫V¯¯¯i(S)dlV¯i=1l∫V¯i(S)dl;V¯¯¯iA=1A∫∫AV¯¯¯i(S)dA         (14)V¯iA=1A∫∫AV¯i(S)dA         (14)

则：

δq=V¯¯¯iAVi=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪34      层流1+0.2488R17e 过渡2φ2φ+1     紊流         (15)δq=V¯iAVi={34      层流1+0.2488Re17 过渡2φ2φ+1     紊流         (15)

层流状态下，瞬时燃油流速和汽车油耗可直接求得；紊流状态下，需要计算φ。燃油管路内表面的粗糙度的变化范围：0.5 μm≤Ra≤30 μm, 计算φ、δq,如表1所示；过渡状态下，需要采用插值法计算φ。

表1 δq和φ的关系 导出到EXCEL

3结束语

基于汽车超声波油耗测试原理，构建智能型汽车油耗测试数学模型，进行油耗测试影响因素分析。环境温度改变，超声波换能器最佳工作频率改变，换能器工作在最佳工作频率点附近，超声波换能器性能得到充分发挥；超声波流量传感器结构尺寸随环境温度变化而发生变化，需要合理选择材料，采用定量分析法进行温度补偿；通过改变换能器结构，可改善超声波流量传感器接收信号强度不均匀和不对称特性；采取换能器互换、合理布线等措施，可消除超声波顺流和逆流历经时间测试存在的误差；基于流体力学理论，引入流量修正系数，可消除燃油在供油管路中流速分布不均匀的影响。此外，检测阈值、噪声、供油管径伸缩、燃油清洁度等因素，也会影响到汽车油耗测试精度，有待于进一步分析与优化。

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