一款汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀的動(dòng)態(tài)特性研究與實(shí)驗(yàn)分析

摘要：汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀，是為了適應(yīng)汽油車在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)需要而研發(fā)設(shè)計(jì)的專用精密儀器。它采用注入一定的正壓或負(fù)壓的壓降法，國產(chǎn)全志T3芯片機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，儀器響應(yīng)快速、準(zhǔn)確，自動(dòng)化程度高。其零點(diǎn)漂移、穩(wěn)定性、可靠性、重復(fù)性都符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB18285-2018的相關(guān)要求，它為汽車燃油蒸發(fā)排放的檢測(cè)提供了重要手段。

關(guān)鍵詞：汽車燃油蒸發(fā)；壓降法；GB18285-2018；國產(chǎn)全志T3芯片；機(jī)電一體化設(shè)計(jì)

汽油是一種極易揮發(fā)的液體，而揮發(fā)的油氣中碳?xì)涑煞质黔h(huán)境污染的重要來源之一 ^[2]。由于汽車燃油蒸發(fā)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 EVAP 系統(tǒng)）泄漏所產(chǎn)生的油氣 ^[3]，以及車載油氣回收裝置和加油站油氣回收技術(shù)不能完全回收的油氣 ^[6]，因此汽車燃油蒸發(fā)排放污染物是汽油車造成化學(xué)、霧霾等環(huán)境污染的主要問題之一。我國在《汽油車污染物排放限值及測(cè)量方法（雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法）》（GB18285-2018）第 10.1.2 條第二款要求 ^[1]：規(guī)范汽油車燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)檢驗(yàn)操作，加強(qiáng)汽油車排放控制，減少蒸發(fā)排放，防治大氣臭氧污染。

因此，有必要對(duì)燃油蒸發(fā)排放進(jìn)行研究和測(cè)試，而研制相應(yīng)的精確測(cè)量?jī)x器設(shè)備可以為控制燃油蒸發(fā)排放污染物的研究提供有利依據(jù)。開發(fā)一款檢驗(yàn)“燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)”^[4] 的儀器，檢測(cè)更低燃油蒸發(fā)排放，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，具有十分重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通過比較分析幾種檢測(cè)泄露的方法，儀器最終采用密閉室法和壓降法兩者結(jié)合的技術(shù)，具有自動(dòng)檢漏和自動(dòng)測(cè)量功能。

本文將最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于儀器開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)儀器操作方便、測(cè)量準(zhǔn)確、工作可靠。

1 汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀檢測(cè)原理和方法

汽車燃油蒸發(fā)檢測(cè)有以下兩種基本方法：流量法和壓降法。流量法是向被檢測(cè)系統(tǒng)持續(xù)注入一定目標(biāo)值的壓力并檢測(cè)流量，當(dāng)壓力達(dá)到目標(biāo)值后，若壓力源有流量進(jìn)入被檢測(cè)系統(tǒng)，則有泄漏；反之。則無泄漏。壓降法是向被檢測(cè)系統(tǒng)注入一定的正壓或負(fù)壓，然后停止注入壓力并觀察壓力是否有變化，如果壓力變化，說明有泄漏；如果壓力不變，說明無泄漏 ^[5]。

汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀采用高精度表壓壓力傳感器對(duì)車輛加油口和油箱蓋進(jìn)行壓力損失動(dòng)態(tài)測(cè)試，即壓降法。加油口和油箱蓋壓力損失測(cè)試可同時(shí)進(jìn)行，也可單一進(jìn)行。

首先油箱蓋壓力檢測(cè)，可以采用流量法和壓降法進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)《廣東省汽油車燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)檢驗(yàn)操作指南（試行）》，本文采用壓降法動(dòng)態(tài)測(cè)試壓力損失，首先在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)（23 ℃，101.35 kPa）下，卸下受檢車輛的油箱蓋安裝到燃油蒸發(fā)測(cè)試儀上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀自動(dòng)對(duì)油箱蓋加壓至 7 000±250 Pa，測(cè)試儀軟件自動(dòng)記錄 10 s 測(cè)試過程中的壓力動(dòng)態(tài)損失，如果壓力損失超過 1 500 Pa，則測(cè)試結(jié)果不合格。

其次加油口壓力檢測(cè)，按照規(guī)定，測(cè)試儀對(duì)油箱直接加壓到 3 500±250 Pa 的初始?jí)毫Γ侔凑諊鴺?biāo) GB18285-2018 的相關(guān)要求對(duì)壓力損失進(jìn)行判斷。首先，在初始?jí)毫ο?，測(cè)試儀進(jìn)行 10 s 的連續(xù)壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，證明壓力穩(wěn)定性，不存在較大的燃油蒸發(fā)泄漏，壓力損失不得超過 1 250 Pa，如果超過了這個(gè)值，應(yīng)當(dāng)再嘗試兩次進(jìn)行檢測(cè)。其次，在通過 10 s 的壓力連續(xù)監(jiān)測(cè)后，才能進(jìn)行 120 s 的壓力損失測(cè)試，在 20~120 s 測(cè)量期間， 測(cè)試儀如果在任意時(shí)刻測(cè)得的壓力超過以下公式 1 計(jì)算結(jié)果 ^[1]，可對(duì)壓力測(cè)試做出快速通過的決定，否則測(cè)試儀要持續(xù)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè) 120 s 后停止加壓，如果壓力損失不超過 1 500 Pa，則加油口壓力測(cè)試結(jié)果合格。

2 汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)

汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)包括四大部分：空氣壓縮機(jī)；氣源處理器；制氮機(jī)；壓力檢測(cè)控制系統(tǒng)。具體設(shè)計(jì)如圖 1 所示：

其中壓力檢測(cè)控制系統(tǒng)不僅實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)燃油蒸發(fā)的壓力損失；同時(shí)檢測(cè)大氣參數(shù)：環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度。

3 汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)

本文硬件包括系統(tǒng)管理層和系統(tǒng)接口層，主要論述人機(jī)交互界面和壓力檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)了一種基于國產(chǎn)全志 T3 芯片的多通道檢測(cè)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸，具體設(shè)計(jì)如圖2 所示：

系統(tǒng)管理層即壓力檢測(cè)控制系統(tǒng)硬件包括：T3 芯片主板、人機(jī)界面、報(bào)警系統(tǒng)、RS232 串口通訊、USB 通訊、WiFi 通信。其中，人機(jī)界面完成人機(jī)交互，報(bào)警系統(tǒng)警告檢測(cè)壓力過大，RS232 串口和 USB 通訊方便汽車檢測(cè)站連接 PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，WiFi 通信傳輸實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)接口硬件包括：氮?dú)膺M(jìn)口、油箱蓋和加油口通道壓力傳感器、環(huán)境溫度、濕度、壓力傳感器。

全志 T3 芯片為汽車級(jí)芯片，能適應(yīng)嚴(yán)酷的工作環(huán)境，是全志在智能工控領(lǐng)域的一款高性能、超高效處理器。T3 采用 ARM Cortex-A7 架構(gòu)，較高的硬件電路的集成度，不僅增強(qiáng)了硬件系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，而且極大簡(jiǎn)化了測(cè)試儀的設(shè)計(jì)難度。T3 運(yùn)行頻率高達(dá) 1.2 GHz，配備 Mali400 MP2 圖形處理器及多種顯示接口，并具有豐富的行業(yè)應(yīng)用接口，適合應(yīng)用于檢測(cè)儀器等工控行業(yè)。T3 配套使用的 PMIC 支持外部電源、USB、鋰電池三種供電方式，并集成了供電路徑選擇和鋰電池充放電管理功能，可以實(shí)現(xiàn)硬件電路的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)采用 Android 嵌入式操作系統(tǒng) + 應(yīng)用程序架構(gòu)。軟件主要在 T3 芯片主板完成，利用 ARM 實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力信號(hào)接收、解析、通訊和存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)反映壓力信號(hào)的特性，并且把測(cè)量結(jié)果通過 WiFi 通信實(shí)時(shí)傳送到相關(guān)監(jiān)測(cè)部門。應(yīng)用程序的人機(jī)界面在鍵盤驅(qū)功、觸摸屏驅(qū)動(dòng)和圖形 GUI 的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)用戶和測(cè)試儀的交互式管理，主要完成壓力檢測(cè)實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理等功能。其中圖形 GUI 包括：顯示圖層驅(qū)動(dòng)、顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)、背光驅(qū)動(dòng)、enhance 驅(qū)動(dòng)和 capture 驅(qū)動(dòng)。

測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)包括兩大部分：壓力信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)；油箱蓋適用車型。其中壓力信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)是系統(tǒng)重點(diǎn)，所有的壓力測(cè)量、分析和處理都在這個(gè)模塊完成，它包括加壓、減壓、自檢、測(cè)量等多種功能。油箱蓋適用車型分 12 種類型，分別以阿拉伯?dāng)?shù)字表示。具體如表 1：

5 實(shí)驗(yàn)分析

本文設(shè)計(jì)的汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀為：佛山翰創(chuàng)檢測(cè)儀器有限公司 MKE5001 型。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見下圖 4，測(cè)量誤差小于 ±0.2%。

（1）本實(shí)驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)佛山翰創(chuàng) MKE5001 型汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)性能，主要是測(cè)量精確度和測(cè)量效率，測(cè)量結(jié)果不僅達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

（2）佛山翰創(chuàng) MKE5001 型測(cè)試儀，全部采用國產(chǎn)芯片，擁有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)保方面具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（3）佛山翰創(chuàng) MKE5001 型測(cè)試儀在系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、整體性能方面達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，目前產(chǎn)品在小批量試產(chǎn)階段。

6 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用型汽車燃油蒸發(fā)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案，對(duì)儀器的檢測(cè)原理和方法、測(cè)試步驟、總體設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)做了完整說明，并簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了汽油車蒸發(fā)排放的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。對(duì)儀器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證表明，其操作便捷、性能穩(wěn)定，測(cè)試準(zhǔn)確度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，并且自動(dòng)化程度較高，能夠達(dá)到減少測(cè)試人員勞動(dòng)強(qiáng)度和難度的設(shè)計(jì)目的。目前因條件所限，后續(xù)應(yīng)盡可能在惡劣試驗(yàn)環(huán)境測(cè)試燃油蒸發(fā)測(cè)試儀的可靠性，同時(shí)探究能夠在野外沒有市電供電情況下的測(cè)量系統(tǒng)。

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（本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）