Система измерения расхода топлива на транспортных средствах в условиях эксплуатации и ее аппаратурная реализация

На практике основную часть расходов, связанных с эксплуатацией транспортного средства (ТС), составляют расходы на топливо. В связи с этим информация о режиме расходования топлива, объемах заправок, текущем объеме топлива является весьма ценной и используется для ведения статистической и оперативной отчетности, определения себестоимости перевозок и других видов транспортных работ, осуществления режима экономии потребляемых нефтепродуктов и т. д.

По методу определения различают два вида расхода топлива: фактический и нормированный. При расчете расхода топлива конкретным ТС необходимо учитывать большое количество разнообразных эксплутационных параметров. При этом существует ряд параметров, — контролировать которые достаточно сложно. Поэтому такие параметры, как профиль дороги, качество дорожного покрытия, рисунок и состояние протектора автомобильных шин, погодно-климатические условия, техническое состояние ТС и т. д., учитываются достаточно редко. На практике используются только основные: пробег автомобиля, масса груза, сезонные изменения расхода топлива. В результате вычисление расхода топлива по нормативным документам не всегда дает точные результаты. Практика показывает, что несоответствие расчетного расхода топлива фактическому может достигать 10% для легковых и до 70% для грузовых ТС. В связи с чем разработка и внедрение в эксплуатацию систем контроля фактического расхода топлива является актуальной задачей.

Измерение фактического расхода топлива на ТС осуществляется с использованием расходомеров или уровнемеров, как правило состоящих из двух основных модулей — первичного преобразователя (датчика) и модуля регистрации, обработки, хранения и передачи данных. До недавнего времени задача фактического контроля не получила широкого распространения, хотя определенные работы велись. Основная причина этого — сложность аппаратурной реализации второго функционального модуля, т. е. аппаратуры регистрации, хранения и дистанционной передачи данных.

Измерение текущего расхода топлива и вычисление на его основе суммарного объема израсходованного топлива при помощи расходомера, встраиваемого в топливную систему ТС, характеризуется высокой стоимостью, требованиями к чистоте топлива, зависимостью показаний от физико-химических свойств топлива и рядом других факторов, которые сдерживают распространение данного способа контроля расхода топлива.

Альтернативным способом является измерение расхода топлива с использованием уровнемеров, измеряющих уровень топлива в баке ТС. Расход топлива рассчитывается исходя из габаритных размеров бака и значений измеренного уровня топлива. При этом в качестве датчика может использоваться серийный (предусмотренный конструкцией автомобиля) датчик, либо устанавливается специальный датчик уровня топлива. Информация обрабатывается модулем контроля. Данный способ позволяет осуществлять контроль расхода топлива без внесения конструктивных изменений и является наиболее простым и дешевым с точки зрения реализации, т.к. для получения результата требуется лишь укомплектовать автомобиль модулем контроля. Это наиболее дешевый и простой путь решения задачи контроля расхода топлива, который находит все большее распространение.

Актуальность исследования определяется необходимостью осуществления контроля за фактическим расходам топлива ТС в условиях эксплуатации с использованием недорогих систем, определяющих его расход на основе результатов измерения уровня топлива в баке ТС.

Целью настоящей работы является исследование и разработка аппарат-но-методического комплекса для решения важной научно-технической задачи — создания эффективной и экономичной системы измерения фактического расхода топлива на основе уровнемеров.

Достижение поставленной цели требует решения следующих научно-технических задач:

• на основе анализа существующих методов измерения уровня топлива оценить технические характеристики серийных датчиков грузовых ТС и возможность их использования для решения задачи контроля фактического расхода топлива;

• разработать методику достоверного контроля фактического расхода топлива при использовании уровнемеров в условиях изменяющегося наклона топливного бака;

• аппаратурная реализация системы измерения и контроля фактического расхода топлива на основе разработки программного обеспечения и электронного блока в виде модуля измерения уровня топлива.

Объектом исследования являются средства и методы измерения расхода топлива, включающие существующие системы контроля уровня топлива грузовых ТС.

В процессе эксплуатации ТС уровень топлива в баке меняется за счет плескания топлива и изменения угла наклона ТС. Это вызывает появление погрешности определения расхода. Для компенсации данной погрешности необходимо исследовать модель распределения топлива в замкнутом объеме топливного бака, в условия переменного угла наклона ТС.

На процесс формирования сигнала с датчика уровня топлива на практике влияет большое количество факторов, поэтому результаты измерений искажаются. Для получения достоверных результатов измерений требуется цифровая обработка сигнала.

Научная новизна исследований и полученных результатов заключается в том, что при решении поставленных задач и цели создания эффективной и экономичной системы измерения фактического расхода топлива на основе уровнемеров впервые:

• разработана методика компенсации погрешности измерения фактического расхода топлива при проведении измерений в условиях переменного угла наклона топливного бака ТС;

• разработана методика, позволяющая эффективно обрабатывать результаты измерений уровня топлива с использованием серийного датчика уровня топлива автомобиля «КамАЗ»;

• разработана и осуществлена аппаратурная реализация системы измерения и контроля фактического расхода топлива с использованием серийного датчика уровня топлива, позволяющая повысить достоверность измерений за счет использования современных информационных технологий.

Практическая значимость работы.

• Осуществлена практическая оценка и модернизация существующей системы измерения расхода топлива автомобилей КАМАЗ с использованием программных и аппаратурных средств на основе реализации оптимальных алгоритмов и схемотехнических решений, позволяющих контролировать фактический расход топлива ТС.

• Разработана и внедрена система измерения и контроля расхода топлива на 50 ТС марки «КамАЗ», «МАЗ» и «УРАЛ».

• Результаты исследований используются в ООО КБ «Навигационные технологии» при проектировании автоматических систем контроля параметров транспортных средств в условиях эксплуатации.

Апробация результатов исследования. Результаты работы доложены на двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов в г. Москве, на научной студенческой конференции, посвященной «Дню энергетика» в г. Казани в 2006 г., на двух всероссийских НТК в г. Н. Новгороде в 2007 г., на II международной научной конференции «Тинчу-ринские чтения» в г. Казани в 2007 г., на III международной научной конференции «Тинчуринские чтения» в г. Казани в 2008 г., всёроссийской научно-практической конференции с международным участием г. Йошкар-Оле в 2008 г. и на XIV международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых в г. Томске в 2008 г.

Публикации по теме исследований. Перечень основных публикаций по теме диссертации включает в себя две статьи, опубликованные в журналах рекомендованных высшей аттестационной комиссией, и 12 материалов докладов НТК.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований внедрены в ЗАО НПО «Техноцентр» и ООО КБ «Навигационные системы» в виде методических рекомендаций по минимизации погрешностей измерения уровня топлива с использованием аппаратурной реализации прибора контроля уровня топлива в реальных условиях эксплуатации транспортных средств.

На защиту выносится:

1. методика компенсации погрешности измерения фактического расхода топлива при проведении измерений в условиях переменного угла наклона топливного бака ТС в условиях пересеченной местности;

2. аппаратурная и программная реализация системы контроля расхода топлива в условиях эксплуатации ТС, основным элементом которой является модуль измерения уровня топлива в баке ТС, который подключается к серийным датчикам уровня топлива, предусмотренных конструкцией ТС.

Выводы по главе.

1. В процессе исследований установлено, что на точность измерения расхода топлива существенное влияние оказывают три основных фактора: нестабильность напряжения питания датчика уровня топливаизменение угла наклона топливного бака и положение ключа зажигания при проведении измерений уровня топлива в баке транспортного средства.

2. Разработанный прибор осуществляет: измерение амплитуды сигнала с датчика уровня топлива с точностью 4.88 мВизмерение напряжения бортовой сети ТС с точностью 31.23 мВизмерение угла наклона ТС с точностью 0.2°- контроль состояния ключа зажигания. Время измерения составляет 225 мкСек.

3. Для повышения достоверности измерения расхода топлива при обработке результатов измерения, полученных с помощью модуля контроля уровня топлива, использовались разработанные специализированные алгоритмы, позволяющие решать следующие задачи: вычислять расход топлива с учетом таблиц тарировокпроизводить цифровую фильтрацию результатов измерения уровня топлива, без искажения моментов заправок и сливов топливаидентифицировать факты заправок и сливов топлива, их объемов, а также вычислять фактический расход топлива за определенный период времени.

4. Завершением работы явилась практическая аппаратурная реализация системы измерения расхода топлива, суммарная погрешность которой определяется техническими характеристиками серийного датчика уровня топлива.

Заключение

.

В диссертационной работе решена актуальная проблема, позволяющая на практике с использованием разработанной системы измерения фактического расхода топлива для грузовых транспортных средств обеспечить решение задач контроля расхода топлива в условиях эксплуатации с учетом различных факторов. Основными результатами, полученными в процессе исследований, являются:

1. Установлено, что при решении задач транспортной логистики и экономии топлива, необходимо использовать значения фактического расхода топлива, т.к. его значения отличаются от значений нормированного на 10% для легковых и 70−80% для грузовых ТС. Кроме того, использование систем измерения уровня и расхода топлива первого уровня в составе автоматических систем контроля параметров транспортного средства является наиболее экономичным путем решения задачи контроля фактического расхода топлива транспортным средством в условиях эксплуатации.

2. Среднеквадратическое отклонение значений выходного сигнала сопротивления серийного датчика уровня топлива грузового транспортного средства, полученное с использованием аналитических выражений от результатов полученных экспериментальным путем составляет 1,69 Ом, что подтверждает адекватность аналитических выражений, описывающих работу датчика. Наибольшее влияние на результат измерения уровня топлива и вычисления значения его фактического расхода топлива оказывают следующие факторы:

• ориентация датчика, при этом, если датчик устанавливается под некоторым углом к вертикальной оси бака, то в этом случае появляется систематическая аддитивная погрешность измерения уровня топлива;

• степень нелинейности передаточной характеристики датчика уровня топлива (711Л зависящей от текущего угла поворота рычага а, которая определяется текущим значением уровня топлива Н. Для рассматриваемого датчика марки БМ-128 ее значение составило сг&bdquo-7 = 1,68%;

• отличие реальных топливных баков от прямоугольной формы.

На практике влияние указанных факторов на результат вычисления расхода топлива существенно уменьшается после проведения тарировки, в результате чего была установлена функциональная зависимость между сигналом с датчика Ud с объемом топлива От, находящимся в баке. Компенсация погрешности измерения расхода, вызванная изменением напряжения питания датчика Unwn, возможна при использовании выражения К11л =Ud/ Unum.

Частоты изменения амплитуды сигнала Ud, вызванные изменением уровня топлива в точке измерения, располагаются в диапазоне от 0 до 1.6 Гц. Все частоты, выходящие за пределы этого диапазона, являются помехами, которые необходимо фильтровать.

3. Анализ функциональных зависимостей Нх = f (Lx, aE) и Нх = /(Нж, аБ), устанавливающих степень изменения значения текущего уровня топлива Нх при изменении угла наклона бака аБ, показал следующее:

• при измерении уровня топлива в центре бака значение погрешности Яи минимально и начинает возрастать в случае перемещения уровнемера к боковым стенкам бака. Чем больше угол наклона емкости аБ и расстояние от центра бака, тем больше значение абсолютной погрешности измерения реального уровня Яи. При определенных условиях уровень топлива Нх, в указанном месте не изменяется при изменении угла наклона бака аБ;

• погрешность измерения реального уровня Яи зависит от геометрических размеров бака. При этом чем меньше значение отношения высоты бака к его длине, тем больше значение погрешности Яи.

• погрешность измерения реального уровня Яп зависит от степени заполнения бака топливом. При этом значение погрешности Ян увеличивается, если в баке находится незначительное количество топлива или когда он заполнен практически полностью.

Разработан алгоритм, позволяющий осуществлять вычисление реального уровня топлива Нж, значение которого является функцией пяти переменных Нж = /(НБ, ЬБ, Нх, Ьх, аБ), а также компенсацию погрешности измерения реального уровня топлива Яи при выполнении условия, когда о <�нх<�нБ.

4. Установлено, что на точность измерения расхода топлива существенное влияние оказывают три основных фактора: нестабильность напряжения питания датчика уровня топливаизменение угла наклона топливного бака и положение ключа зажигания при проведении измерений уровня топлива в баке транспортного средства.

В работе предложены методические рекомендации и способы уменьшения погрешности измерения расхода топлива, при использовании серийных датчиков уровня топлива грузовых транспортных средств, в основу которых положены фильтрация гармонических составляющих сигнала снимаемого с датчика уровня топлива, а также методы и алгоритмы цифровой обработки сигналов.

Для повышения достоверности измерения расхода топлива при обработке результатов измерения, полученных с помощью модуля контроля уровня топлива, использовались разработанные специализированные алгоритмы, позволяющие решать задачи: вычисление расхода топлива с учетом таблиц тарировокосуществление цифровой фильтрации результатов измерения уровня топлива, без искажения моментов заправок и сливов топливаидентификация фактов заправок и сливов топлива, их объемов, а также вычисление фактического расхода топлива за определенный период времени.

Завершением работы явилась аппаратурная реализация системы измерения расхода топлива, суммарная погрешность которой определяется техническими характеристиками серийного датчика уровня топлива.