內燃機械燃油流量計
本文通過內燃機械燃油流量計研制與開發(fā)作為創(chuàng)新課題，實現了機車燃油時實消耗計量統計，填補了天津 港裝卸機械燃油計量的空白，該流量計將無線智能管理卡和單片機技術相結合應用于燃油計量系統，并形成隨車計 量單元，司機通過簡單的刷IC卡，系統就可計算出此時間段所消耗的油量，為方便計量和燃油的節(jié)約提供了科學保 障。
一、燃油流量計系統結構
燃油流量計的設計：包括下位機（是指直接控制設備獲 取設備狀況的PIC單片機）和上位機（人可以直接發(fā)出操控 命令的計算機）兩大部分。
下位機部分：主要由控制單元和計量裝置組成；其中控 制單元包含計量系統的控制中心，其核心是P1C單片機，系 統內部集成了電源模塊，短路保護電路，AD采樣電路，狀 態(tài)指示電路及無線通訊模塊等。以及控制中心安裝在機車的 駕駛室內。其中計量裝置包括副油箱和計量油泵安裝在機車 的駕駛室外部。
上位機部分：主要由可連接在計算機USB接口上 WM-16U型讀寫卡器組成。
二、燃油流量計下位機部分的工作原理及研制重點
下位機由智能操作器（內置非接觸IC卡讀寫卡器、檢測控制操作單元)、計量控制泵、副油箱總成、連接電纜、連接 油路等組成。
下位機工作原理：當司機上車打開電源開關后，系統上 電初始化并進入工作狀態(tài)，司機刷IC卡上崗工作，系統記錄 此刻副油箱的初始液位，系統實時檢測副油箱的油位，當油 位過低時，啟動抽油泵工作，油位達到設定高度時，停止抽 油泵。計量系統通過韋根傳感器測量出抽輸油泵打入副油箱 的油量，當司機刷丨C卡下崗后，系統根據此時的液位及保存 的數據計算出消耗的油量，并將數據通過無線通訊傳輸到司 機的IC卡中。
下位機主要技術參數：
計量油泵；工作電壓為24V,功率80W。其轉速 是1400轉每分鐘,可以提供8L/m燃油。計量誤差小于1%。 而機車在***大功率下的耗油量是4.5L/min。
副油箱；尺寸大小是30cmX12.5cmX15cm, 容量是3.5L。
研制的重點主要從以下幾個方面體現：
(1)計量控制泵；其采用控制計量泵和檢測副油箱油量 上限、下限及燃油油位信號由PIC單片機獨立完成。副油箱 油量上限、下限及燃油油位信號采用開關型霍爾傳感器和線 性霍爾傳感器完成。保證供油系統的安全和可靠。
(2)副油箱供油系統的確定；由于不同的工程機械所配 的柴油機的功率不同，在主油箱為副油箱供油的同時必須保 證柴油機的***大輸出功率下所需要的油量。這就要求副油箱 供油油泵的流量=保證柴油機的***大輸出功率下所需要的油 量+在< 1min內副油箱充滿油的油量。（4,500ML/min +3,500ML/min=油泵的額定供油量)。經過大量實驗，***終 設定副油箱供油油泵的流量為8L/min。（圖1帶有計量泵的 副油箱）
圖1帶有計量泵的副油箱
(3)油耗計量方法:經過理論分析和現場機車工作狀況, 油耗計量分四種狀態(tài)進行計量。
上下崗時液位恰好在上下限之間，且上崗液位高于下崗液位時，油泵沒有工作時；記上崗時液位為X1，下崗時 液位X2，則總耗油量Y=X1-X2。
上下崗時液位恰好在上下限之間，且上崗液位高于下 崗液位時，期間油泵工作時；先假設油泵未工作，記上崗時液位為XI,下崗時液位X2,則上崗后從副油箱原有油量中 消耗的油量為X1-X2;再假設油泵工作時，副油箱的液位始 終保持下崗時液位X2。當副油箱內液位從X2下降達到下限 時，油泵開始工作（計量泵注入油量速度遠大于發(fā)動機消耗 油量的速度)，副油箱液位在達到上限后，油泵雖停止工作， 但發(fā)動機仍消耗油量直到下崗時液位X2,即此時副油箱中的 油量不起作用，僅相當于普通油路。而單片機通過韋根德傳 感器記錄的油泵轉動總圈數就是油泵從主油箱經過副油箱消 耗的油量X3,即副油箱耗油量為X1-X2,主油箱經過副油 箱后消耗的油量X3,獲得總耗油量Y= X3+(X1-X2)。
上下崗時液位恰好在上下限之間，且上崗液位低于下 崗液位時，期間油泵工作時；油泵工作時，先假設副油箱的 液位始終保持下崗時液位X2。當副油箱內液位從X2下降達 到下限時，油泵開始工作（計量泵注入油量速度遠大于發(fā)動 機消耗油量的速度)，副油箱液位在達到上限后，油泵雖停止 工作，但發(fā)動機仍消耗油量直到下崗時液位X2,即此時副油 箱中的油量不起作用，僅相當于普通油路。而單片機通過韋 根德傳感器記錄的油泵轉動總圈數就是油泵從主油箱經過副 油箱消耗的油量X3,在假設油泵未工作，上崗液位為X1< 下崗液位X2,多出來的油量是從主油箱里通過油泵泵入的， 即從主油箱多泵入X2-X1油量未消耗而存到了副油箱中。
消耗的總油量應為主油箱經副油箱消耗的油量X3再減 去多余的滯留在副油箱中的油量（X2-X1)即Y=X3- (X2-X1)= X3+X1-X2。
上下崗時油泵恰好工作，上崗刷卡同時，單片機記錄 此時副油箱液位為上崗液位仍為XI,下崗時液位仍為X2, 然后按XI、X2大小分別有2, 3種情況，分析如上，仍有 耗油總量Y= X3+X1-X2。
(4)機車安全保障；為了保證機車安全運行，在系統進 行自檢時，如果智能車載油量計量檢測系統或柴油機油路出 現故障，系統控制儀發(fā)出提示和報警，并將控制儀退出油量 計量檢測系統。
下位機系統如圖2所示。
三、燃油流量計上位機部分的工作原理及研制的重點 上位機工作原理：選擇一定的時間段后，司機可以通過 手中的IC卡，與連接在上位機計算機USB接口上的無線讀 卡器，導出員工和車輛的歷史耗油量記錄包括員工姓名、車 輛的對應用油量、上崗時間、下崗時間和刷卡時間信息到微軟辦公軟件Excel中，從而進行數據的保存與打印員工和車 輛的用油量詳單。從而對裝卸生產單耗管理考核提供依據。
研制的重點主要從以下幾個方面體現：
所需設備
選用的非接觸式丨C卡為容量為8K的PHILIPS M1卡； 讀寫卡器采用完美公司的WM-16U型讀寫卡器。此外，還 需要設備有上位機電腦一臺，打印機一臺。
上位機的組成部分
油耗數據的獲得與保存
用VB軟件編寫程序，Access數據庫軟件保存數據。獲 得耗油量數據并保存到數據庫。實現VB與Excel的無縫連 接。用戶可從軟件導出檢索出的記錄到Excel中，從而可以 根據需要打印相關信息。
檢索與管理
油耗數據保存在數據庫中，需要對各員工的所有用油量 明細和各車輛的所有耗油量明細進行檢索。
卡片管理
卡片分為兩類：班長卡和員工卡?？ㄆ芾砟K用來初 始化各班長卡和員工卡。對人員、車輛的調動進行登記。
員工和車輛用油的詳單導出
選擇一定的時間段，可以導出員工和車輛的歷史耗油量 記錄信息到微軟辦公軟件Excel中，從而進行數據的保存與 打印。其中數據信息包括員工或車輛的對應用油量、上崗時 間、下崗時間和刷卡時間。
分類統計與打印
對于員工和車輛的歷史耗油量根據需要分別進行統計。
利用得到的統計結果分析，評價各員工的耗油量情況，從而 對公司的預算與管理提供依據。
上位機連接示意圖，見圖3
如圖所示，WM-16U型讀寫卡器連接在上位機USB 口 上，它是通過USB接口來模擬串口的。由于需要打印員工和 車輛的用油量詳單，匯總記錄信息等，所以上位機需配備有 打印機。
四、IG卡的使用
下位機部分每臺車對應一個讀卡器；員工每人對應一張 IC卡。員工上下崗都需要刷IC卡登記，從而記錄其本次的用油情況。之后，員工需要在上位機電腦處刷IC卡，IC卡 上的記錄將讀取到電腦中。進一步的統計、檢索和管理工作 將在上位機部分的電腦上進行。丨C卡的使用框圖見圖4，
五、成果水平
燃油流量計解決了以柴油為能源的車載油耗計量問 題，為方便計量和管理內燃機械以及能源的節(jié)約提供了保計 量障。而且結構簡單，計量準確可靠，成本低廉，安裝方便， 屬于國內。
燃油流量計采用容積和脈沖相結合的方法，能夠適 用于惡劣的工作環(huán)境，保障了計量的準確性，屬于國內。
燃油流量計采用無線智能管理丨C卡和單片機技術 相結合，計量手段先進可靠，信息傳送方便快捷，屬于國內 。
***后一次機車靜態(tài)檢測計量平均誤差僅為0.155%o,與查找到的相關產品計量誤差為2%»-3%»比較計量 值更加準確。
六、濟效益分析與計算
1.直接經濟效益分析與計算
(1)購置費用節(jié)約：研制與開發(fā)的內燃機械燃油流量計 每臺成本1,500元，而市場類似產品如：隱蔽式車輛加油顯 示器、車輛加油顯示器等較低價位每臺售價8,000元左右， 單臺節(jié)約購置費（8,000元-1,500元）=6,500元，天津港 現有內燃機械設備1,700余臺，從事著港口的生產和裝卸任 務，如每年以10%的速度推廣，預計年可直接節(jié)約購置費用 (1,700 臺X10%X6,500 元）=111 萬元。
(2)天津港現有內燃機械設備1,700余臺，每年消耗 柴油量5萬t,經成功研制內燃機械燃油流量計，實現了一人一電子卡，上下車進行刷卡，計算機自動統計個人實際燃 油消耗，個人節(jié)油意識大大增強，以及對操作司機的操作節(jié) 能考核控制及通過流量計的科學統計管理，操作能源單耗預 計下降5%,如每年以1,700臺X10%安裝了流量計統計計 算，年消耗柴油量5萬t的10%為5,000t計算，全年將預 計節(jié)約5,000tX5%X (7,650元/t) =191萬元。年合計直 接經濟效益（111萬元+191萬元）=302萬元。
2.間接經濟效益分析
由于實現了_人_電子卡，上下車進行刷卡，計算 機自動統計個人實際燃油消耗，個人消耗一目了然，為集團 公司開創(chuàng)了燃油消耗計量管理新途徑。
為集團機車燃油定額消耗管理提供了計量保證，真 正實現了科學規(guī)范油耗及個性化管理，并在集團范圍內有廣 泛的推廣前景和經濟管理應用價值。
此項目的完成可科學考核每個人的用能情況，吃大 鍋飯的現象被打破，個人節(jié)油意識大大增強，每個司機的節(jié) 油操作水平將大大提高。
由于實現了一人一電子卡，使單車幾個人為一小組 的油耗統計及考核徹底打破，實現了既能開吊車又能開鏟車 進行交叉作業(yè)多面手的培養(yǎng)，減少了閑置人員。
該項目已申報發(fā)明型專利，填補了將無線智能 管理卡和單片機技術相結合應用于燃油計量系統，形成隨車 計量單元的國內空白。較好地體現了自主創(chuàng)新從管理理念走 向實踐的創(chuàng)新模式，對今后科學規(guī)范管理、有效降低公司成 本、加快技術進步，提高公司經濟效益等方面有著十分重要 的意義。
七、結論
經過4年的研究和大量的實驗，內燃機械燃油流量計經 受了高溫、低溫、高濕、高污染、路面的高顛簸等惡劣條件 的考驗運行正常。并在節(jié)能技能大賽中得到了應用，誤差控 制在1%以內。