基于重量的汽車油量測量系統(tǒng)理論模型

張 葉，郝源隆

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引言

目前，大多數(shù)汽車上油量表都采用了三刻度式（E、1／2、F）儀表或八段數(shù)碼管顯示剩余油量所占油箱體積的比例。該儀表只能使駕駛者定性地了解燃油使用狀況和剩余燃油數(shù)量，毫無精確度可言。在安裝、維修以及行進(jìn)過程中油量測量系統(tǒng)中零部件卡死現(xiàn)象隨時(shí)都有可能發(fā)生，這給駕駛者的行車安全帶來很多麻煩，是安全駕駛的常見隱患之一。同時(shí)，浮子式油量表在經(jīng)過陡峭路面時(shí)，由于車身振動(dòng)，油量指針也隨之振動(dòng)，不能正確顯示油量。本文重點(diǎn)闡述如何改進(jìn)油量測量系統(tǒng)，更加精確、可靠地反映油箱殘余油量，為駕駛者提供更加實(shí)用的燃油檢測系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)油量測量方式分析

目前，大部分汽車采用浮子式的油位傳感器，其原理是在油箱內(nèi)設(shè)有一個(gè)浮子，一端連接一根金屬桿，金屬桿的尾部經(jīng)由一個(gè)可移動(dòng)的接點(diǎn)連接到一個(gè)滑線變阻器的滑動(dòng)端，進(jìn)而將信號傳輸?shù)絻x表盤的油量表上，浮子位置變化的機(jī)械信號通過滑線變阻器轉(zhuǎn)化為電信號，從而進(jìn)入信號處理系統(tǒng)，最后從油量表輸出剩余油量所占油箱體積的比例信息，駕駛員通過經(jīng)驗(yàn)估計(jì)油箱中的油還能跑的公里數(shù)，做出是否需要加油的判斷。這樣的測量方式存在很多缺陷：①機(jī)械式測量方式中的關(guān)鍵部件浮子容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；②汽車油箱外形為適應(yīng)空間要求多設(shè)計(jì)為不規(guī)則的形狀，會(huì)大大影響浮子測量的準(zhǔn)確性；③汽車行駛在顛簸路面時(shí)，由于油箱同汽車車身是剛性連接，燃油隨同油箱發(fā)生劇烈顛簸，雖然目前汽車設(shè)計(jì)時(shí)多采取了增加隔板設(shè)計(jì)減緩燃油液面波動(dòng)的措施，但浮子依舊會(huì)受到影響，最終會(huì)出現(xiàn)指針抖動(dòng)或反饋信息不準(zhǔn)確的現(xiàn)象；④由于目前國內(nèi)汽車維修市場沒有形成周期性清洗油箱的保養(yǎng)習(xí)慣，油箱內(nèi)沉淀的雜質(zhì)會(huì)對浮子的測量產(chǎn)生影響。

近年來，隨著汽車微電子技術(shù)的發(fā)展，提出了使用壓力計(jì)基于重量來進(jìn)行油量計(jì)量，但設(shè)計(jì)多偏于電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在機(jī)械設(shè)計(jì)上仍然有改進(jìn)的空間。如有些設(shè)計(jì)中提出在油箱底部中央安裝一個(gè)壓力計(jì)，這在汽車平路行駛時(shí)完全可以檢測油量，但當(dāng)汽車斜坡行駛時(shí)，出現(xiàn)了力的分解，這時(shí)的測量數(shù)值就會(huì)失真。此外，油箱一般為雙金屬杠固定，雙金屬杠承受了油箱的全部壓力，壓力計(jì)的安裝應(yīng)充分考慮到這一點(diǎn)。

2 基于重量的油量測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 油量測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

本設(shè)計(jì)一共分為信號采集模塊、信號處理模塊、控制模塊和信號輸出模塊4個(gè)模塊，如圖1所示。信號采集模塊主要由安裝在油箱底部的4個(gè)壓力計(jì)構(gòu)成；信號處理模塊主要是A／D轉(zhuǎn)換模塊及信號放大器；控制模塊將對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理；輸出模塊主要包括儀表的總成、輸出油箱存油量以及百公里耗油等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中需要采集原車輛ECU控制系統(tǒng)中的坡度角度、加速度、速度和行駛里程等參數(shù)。

圖1 油量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 壓力計(jì)的選擇與安裝

油箱是用兩根鋼帶纏繞焊接在車架上的，由于吃重的點(diǎn)不在油箱的重心而在支撐的兩根鋼帶上，因此將同種型號的4個(gè)壓力計(jì)分別布置于每根鋼帶的兩端。

壓力計(jì)的選擇應(yīng)充分考慮所測值的波動(dòng)范圍以及工作環(huán)境的惡劣程度，壓力傳感器需耐冷耐熱、抗腐蝕能力強(qiáng)。本設(shè)計(jì)采用冠標(biāo)科技OMEGA公司生產(chǎn)的LC302－100型稱重壓力傳感器，是超微型圓柱狀壓力傳感器，直徑僅為Φ19 mm，高度僅為13 mm，靈敏度高，共振頻率高，內(nèi)部有溫度補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)牢固，適合于小空間處安裝。8507C－2壓力計(jì)參數(shù)見表1。

表1 8507C－2壓力計(jì)參數(shù)

2.2.2 A／D轉(zhuǎn)換器

由于壓力的變化相對于時(shí)間的變化并不是很明顯，因此對于A／D轉(zhuǎn)換器的選擇要求并不高。本設(shè)計(jì)采用美國MAXIN公司生產(chǎn)的ICL7135，該芯片具有抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)勢。

2.2.3 汽車ECU模塊

測量系統(tǒng)中直接使用汽車的ECU系統(tǒng)進(jìn)行編程即可。在早期的車輛控制系統(tǒng)中，一個(gè)模塊只能處理一個(gè)特定的功能，隨著車型的增加，新型的由分配式功能、控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通訊及可重新編程的控制模塊組成的新的電氣系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)條件下，可以使用單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

2.3 油量重量計(jì)算數(shù)學(xué)模型

汽車在運(yùn)行過程中，油箱的受力復(fù)雜，要想準(zhǔn)確地反映油箱內(nèi)的油量，需要將壓力計(jì)傳輸回的數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理，然后才能輸出準(zhǔn)確的數(shù)值。

靜態(tài)下，根據(jù)力的平衡原理，4個(gè)壓力計(jì)的合力即為油箱的重力，油量即等于總的合力減去油箱本身的質(zhì)量。汽車平路行駛時(shí)，根據(jù)力的平衡原理，處理方式同上；汽車在陡坡行駛中，由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的拉力與垂直向下的重力產(chǎn)生了合力，因此在壓力計(jì)上顯示的是合力的數(shù)值，而不是油箱的重力，所以需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即采用汽車加速度、速度、坡度等數(shù)值建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校正。

2.4 系統(tǒng)軟件分析

在實(shí)際中，由于只是增加了壓力計(jì)的輸入值，可以直接使用汽車儀表的ECU，數(shù)據(jù)采用串行輸入方式，隨著時(shí)鐘頻率對數(shù)據(jù)端口進(jìn)行不斷地掃描，及時(shí)更新數(shù)據(jù)。進(jìn)入ECU后，在程序中使用數(shù)學(xué)模型對4個(gè)壓力計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)算完成后，進(jìn)入輸出模塊，使用刻度儀表輸出，將油箱重量作為儀表零點(diǎn)，從而直接輸出計(jì)算結(jié)果，得到精確的油量數(shù)值。

3 結(jié)語

本理論模型是對汽車油量測量精確化的一種探析，在國內(nèi)市場上，該產(chǎn)品還處于起步階段，有待于集中更多的資源進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。完善本設(shè)計(jì)，還需要在數(shù)據(jù)處理的模型上進(jìn)行深入的研究，以建立更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)還需要有針對性地進(jìn)行車型試驗(yàn)及對比，以收集更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］ 楊希.一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的汽車燃油測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.汽車技術(shù)，2007（11）：30－31.

［2］ 徐景波.汽車總線技術(shù)［M］.北京：中國人民大學(xué)出版社，2011.