交通运输工具行驶效率实时指示方法及其装置 一、技术领域：
本发明涉及一种交通运输工具用指示装置，特别是一种可广泛应用于各种机动车、电动自行车、列车、地铁列车、轮船、潜艇和飞机等各种交通运输工具上，可实时指示交通运输工具行驶效率的装置。
二、背景技术：
交通运输工具是以移动为目的，以能量消耗为代价，单位能耗行驶的距离就是交通运输工具的行驶效率(或用单位距离的能耗来表示)。通常交通运输工具说明书中有经济时速这一指标，指出在经济时速下的百公里耗油量，用于指导驾驶员行驶。但是，经济时速是在一个特定情况下的指标，同型号交通运输工具中存在着个体差异，就是同一辆交通运输工具中，受轮胎气压、发动机的状况等交通运输工具状况、发动机输出减速比、所用能源品种标号质量、载重重量、行驶环境状况等许多因素影响，最节能的时速是变化的，经验丰富的驾驶员也无法准确把握。现有交通运输工具的仪表盘通常安装有行驶速度表、油量(能量)表、行驶里程表等指示装置，但是驾驶员根据这些指示还是无法准确地将交通运输工具控制在最高效率下运行。只能通过油量表和行驶里程表大约计算出相当长一段行驶距离和较长时间内的平均行驶效率，对指导驾驶员进行节能驾驶缺乏实际意义。
本发明的目的，在于提供一种可实时指示交通运输工具行驶效率的方法及其装置，用于指示驾驶员或控制自动巡航装置在需要时将交通运输工具控制在最高效率下运行，以节省能源消耗和减少环境污染。
三、发明内容：
本发明装置，由行驶距离传感器①、能量消耗传感器②、运算部件③、显示部件④和电源部件⑤组成。本发明的实现，是通过行驶距离传感器①和能量消耗传感器②，采集到实时的交通运输工具行驶距离S和能量消耗E送给运算部件③；经运算部件③根据η＝S/E或η＝E/S计算出以单位能耗行驶的距离或单位距离消耗的能量表示的实时行驶效率η送给显示部件④；由模拟和/或数字显示部件④实时指示交通运输工具地行驶效率，指示驾驶员或控制自动巡航装置按最节能的方式行驶。
显示刷新周期可以按单位能量消耗、单位行驶距离或单位时间的方式进行。指示的精度和实时性取决于行驶距离传感器①、能量消耗传感器②、运算部件③和显示部件④的精度、实时性和最小计量单位。
交通运输工具行驶效率的指示单位可以是百公里耗油X升(L/100Km)或每升油行驶X公里(Km/L)及其换算单位，或者是百公里耗电X千瓦时(KWh/100Km)或每千瓦时行驶X公里(Km/KWh)及其换算单位。其中能量消耗单位除了用升(L)还可以用公斤(Kg)及其换算单位。
前面提到，行驶效率用单位能耗行驶的距离或单位距离消耗的能量表示。单位能耗行驶的距离比较符合效率的含义，是数值越大效率越高。单位距离消耗的能量，是数值越小效率越高，如：百公里耗油X升，比较符合目前公众的使用习惯。但是，当发动机正在运转而车辆停止时，实时行驶距离为0，出现除以0的状态。运算部件③在计算行驶效率时，要做适当处理。
由于实际应用情况多种多样，无法穷举，以下举一些例子配合说明本发明的各组成部分：
行驶距离传感器①在陆上交通运输工具中，可以使用霍尔、光电、电磁或开关等各种传感器，安装于交通运输工具的变速器、传动轴、车轮轮毂、速度里程表软轴传动输出端或其它与行驶距离成正比的适当位置。水上、水中或空中交通运输工具上，可以使用水或空气流过距离传感器。并将采集到的行驶距离的实时信号送给运算部件③，使其获得交通运输工具行驶距离实时信息。
能量消耗传感器②的选用要根据交通运输工具使用的能源来选择。使用燃油的用被动式或主动式液体流量传感器；被动式液体流量传感器安装于油箱到发动机油路上的适当位置；主动式液体流量传感器，直接从ECU(交通运输工具的电子控制部件或发动机控制部件)获取燃油消耗量，或者通过检测由ECU控制的一个或多个燃油喷射器电磁线圈的通电时间，间接获取燃油消耗量。使用燃气的用气体流量传感器，安装于燃气存储器到发动机气路上的适当位置。使用电力的可以用电压和电流传感器，安装于电源到电动机的适当位置，测得电源输出的电压和电流，经运算部件③计算出消耗的能量。无论采用哪种能量消耗传感器它的采样值必须与能量消耗成正比，并将采样值送给运算部件③。
运算部件③根据行驶距离传感器①送来的行驶距离S的实时信号和能量消耗传感器②送来的能量消耗E的实时信号，计算出行驶效率η，η＝S/E或η＝E/S，并将行驶效率通过显示部件④指示出来。运算部件③包含相应的电平转换和其它接口电路与行驶距离传感器①、能量消耗传感器②和显示部件④连接；需要时使用A/D、D/A电路对行驶距离传感器①和能量消耗传感器②输入的信号以及向显示部件④输出的信号进行模/数、数/模转换；运算部件③中的运算功能用运算放大器电路、单片机(计算机)电路或者其组合电路实现。利用单片机(计算机)中的定时器作为时间传感器，获得对时间的采样，用于有关时间的计算。运算部件③可以安装于交通运输工具的仪表盘或其它适合的位置。
显示部件④将运算部件③输出的模拟和/或数字计算结果，用LCD、LED、CRT、荧光管或指针式指示表等有源或无源零部件或者其组合，按模拟和/或数字方式显示。显示部件④安装于交通运输工具的仪表盘或其它便于驾驶员观察的位置。
电源部件⑤输入端与交通运输工具自带的电源连接，由它提供输入电源。通过线性或开关稳压电源稳压后，电源部件⑤输出端根据需要与行驶距离传感器①、能量消耗传感器②、运算部件③和显示部件④连接，为它们提供相应电压的电源。
本发明装置可以实时指示驾驶员或自动巡航装置进行节能驾驶，能够明显降低能耗、减少环境污染，并且增强驾驶员的节能意识，产生显著的经济效益和社会效益。本发明装置成本低、工艺简单，不影响交通运输工具的安全性和使用寿命，具有很高的实用价值和推广价值。
2001年1月～3月期间，举办的风神杯“一升油”极限挑战赛。八场分赛区的冠军累计行驶94.15公里，第六名(其中一场第六名退出，取第五名成绩)累计行驶80.15公里，冠军组比第六名组节能(94.15－80.15)/80.15＝17.5％：冠军组的平均耗油量为8/94.15＝0.085升/公里，第六名组的平均耗油量为8/80.15＝0.0998升/公里，比冠军组每公里多耗油0.0148升。
在本发明装置的指示下，普通驾驶员就可以控制车辆达到较理想的行驶效率，获得相当于冠军组的成绩。而没有本发明装置的指示，普通驾驶员可能还达不到第六名组的成绩，因为第六名也都是经验丰富的节能驾驶员。因此，根据本发明装置的指示，预计驾驶节能效果为20％左右。
如果某辆轿车，一年行驶2.5万公里，使用93#无铅汽油每升约2.98元，每年可节省油费25000公里×0.0148升/公里×2.98元/升＝1103元，如果这辆车使用10年可以节省1万多元。对于营运性的出租车，使用90#无铅汽油每升约2.75元，每天行驶500公里，每年可节省油费500公里/天×350天×0.0148升/公里×2.75元/升＝7123元。
福州市现有机动车30万辆以上，以每辆车平均每年行驶3万公里计算，每年省油30万辆×3万公里/辆×0.0148升/公里＝1.332亿升，每升油按2.8元计算每年节省3.73亿元的油费。如果在全国、全世界各种交通运输工具中推广，每年节省的油费将是一个天文数字。在能源日益紧张、讲究节能和环保的今天，本发明装置的推广应用将产生巨大的经济效益和社会效益。
四、附图说明：
图1是本发明装置的示意图。
图2是实施例一的示意图。
图3是实施例二的示意图。
图4是实施例三的示意图。
图5是实施例四的示意图，图5中R是电流传感器的采样电阻。
图6是实施例五的示意图。
五、具体实施方式：
以下列举五个实施例对本发明做进一步说明。实施例一是用于现有电喷车改装的方案，实施例二和实施例三是用于电喷车改进型新车的方案。实施例四是应用于电动车的例子。实施例五是应用于带有自动巡航装置的高档轿车的例子。实施例一～实施例三都是应用于安装了电子控制燃油喷射(以下简称电喷)装置的汽车，因此，先介绍它们共同的能量消耗检测原理、特点和效果：
有关电喷装置的介绍请参考人民交通出版社出版的《汽车化油器及电控汽油喷射系统》的第十章“电子控制汽油喷射”和机械工业出版社出版的《桑塔纳2000型轿车结构》的第五章“电喷系统”。有关燃油喷射器的介绍请分别参考两书的295页～298页和87页。根据喷射点，电喷装置分为独立喷射和多点喷射。以下提到的公式q＝Q(Ti－Tv)/60，请参考《汽车化油器及电控汽油喷射系统》的296页。其中，q是动态喷射量，Q是静态喷射量，Ti是燃油喷射器电磁线圈的通电时间，Tv是无效时间，Tv针对特定的燃油喷射器是一个常量。
前面举例说明了使用燃油的交通运输工具可以用被动式液体流量传感器作为能量消耗传感器。在中国专利87108201、91231215.7和93239148.6中公开的流量计可以作为被动式能量消耗传感器使用，但是在实施例一～实施例三的实际应用情况下，都存在实时性差、分辨率低、结构复杂、成本高等问题。在这三个实施例中，使用主动式液体流量传感器，从根本上解决了使用通常的被动式流量计存在的这些问题。
其中能量消耗传感器②是这样实现的：根据电喷装置的工作原理可知，燃油的喷射量决定于燃油喷射器针阀的冲程、喷口的面积和燃料压力与喷嘴出口处压力的压差。这些参数决定后，静态喷射量Q是一个常量，动态喷射量q是由ECU控制的燃油喷射器的电磁线圈的通电时间Ti决定，即q＝Q(Ti－Tv)/60。所以，燃油喷射器实质上就是受ECU控制的燃油定量给送装置。ECU根据发动机上的各种传感器采集到发动机的工作状况，控制燃油的喷射量。因此，运算部件③直接通过ECU或者通过检测由ECU控制的一个或多个燃油喷射器电磁线圈的通电时间，就可以主动地获取燃油消耗量，而不是通过流量计被动地检测燃油消耗量。用这种方法检测燃油消耗量，可达到理想的实时性、较高的分辨率和精度，并且结构简单、可靠性高、成本低。
如果需要高精度、定量地指示行驶效率，可能需要提高燃油消耗量的测量精度。可以对喷嘴喷出前的燃油温度用温度传感器进行检测。根据测量的温度对检测到的体积喷射量进行温度补偿，转换成标准温度下的体积或质量喷射量，便于定量指示。还可以用压力传感器检测燃料压力与喷嘴出口处压力的压差，对检测到的喷射量进行补偿。由于电喷系统存在离散性，如有必要还要进行标定。如果是精度要求不高的定量指示或者只要定性地指示行驶效率，就没有必要做这些补偿和标定。
在这三个实施例中，由于不使用通常的被动式流量计，节省几百元的成本，使每套装置原器件和材料成本只需几十元。并且实时性好、分辨率和精度较高，结构和生产工艺简单、可靠性高，在电喷型交通运输工具上实施容易。2000年，世界汽车销量达到5000万辆以上，中国轿车销量达到60万辆以上。电喷车占有较高的比重，因为环保和排放达标的原因比例还在逐年上升。因此，这三个实施例具有很高的实用价值和推广价值。
实施例一：在原有电喷型轿车——桑塔纳2000GLI上，加装本发明装置的一个实施例，本方案适用于现有车辆的改装，图2是本实施例的示意图。
行驶距离传感器①：在此车中，已经装有行驶距离传感器①。在汽车行驶时，带动变速器中的磁钢作圆周运动，通过霍尔转速传感器产生与行驶距离成正比的脉冲数。将此信号送入运算部件③的行驶距离传感器接口电路，就可实现对行驶距离的实时检测。
能量消耗传感器②：通过相应接口电路，检测受ECU控制的一个或者多个燃油喷射器的电磁线圈，获得对应通电时间Ti送给运算部件③；运算部件③根据公式q＝Q(Ti－Tv)/60计算出实时的燃油消耗量；或者根据实验建立的Ti和燃油消耗量对照表求得实时的燃油消耗量。桑塔纳2000GLI的AFE型发动机电控汽油喷射系统中有4个燃油喷射器。从这4个燃油喷射器的电线插座上或ECU插座的对应插针上，引出4对连线，接到能量消耗传感器②的4套电平转换和整形电路组成的接口电路1～接口电路4。
运算部件③：由80C196KB单片机、单片机外围电路和相应接口电路组成。由行驶距离传感器①送来的信号接入运算部件③的电平转换和整形电路组成的接口电路，接口电路的输出接入80C196KB单片机的外部中断引脚(EXTINT)。通过中断程序记录脉冲数，获得行驶距离(S)的信息。
从能量消耗传感器②送来的4路信号，接入80C196KB单片机的高速输入器的4个引脚(HSI.0～HIS.3)，测得4个信号的脉冲宽度Ti1～Ti4也就是4个燃油喷射器电磁线圈的通电时间。根据公式q＝Q(Ti－Tv)/60计算出实时的燃油消耗量(E)；或者根据实验建立的Ti和燃油消耗量对照表求得实时的燃油消耗量(E)。
运算部件③根据公式η＝S/E，由80C196KB单片机计算出的行驶效率η(单位：公里/升)，通过80C196KB单片机外围输出接口电路，连接显示部件④3位8段LED数码管，控制它的显示，或者通过80C196KB单片机的模拟输出脉宽调制器(PWM)，经积分电路转换为模拟电压，接入显示部件④5V模拟指针式电压表进行指示。
显示部件④使用3位8段LED数码管或5V模拟指针式电压表或两者同时指示。模拟式显示部件④的指示是全量程指示或局部量程指示，局部量程指示的起始刻度不是0，将较高行驶效率下的局部量程予以放大。即保留了模拟指示直观的优点，又提高了指示精度。
电源部件⑤的输入端与本车的蓄电池连接，经过LM2575-5开关稳压集成电路或7805线性稳压集成电路，电源部件⑤的输出端与能量消耗传感器②和运算部件③连接，为其提供+5V电源。行驶距离传感器①原来已有供电，输出的是有源信号，无需电源部件⑤提供电源。显示部件④使用的3位8段LED数码管和/或5V模拟指针式电压表都是无源元件，直接由运算部件③的显示接口电路驱动，无需电源部件⑤提供电源。
实施例二：在原有电喷型轿车——桑塔纳2000GLI上，为加装本发明装置，在原ECU的基础上，增加一个通讯接口电路和向此接口输出有关燃油喷射量参数的程序。这样，比实施例一节省4对连线和4套接口电路，降低了成本，改善了工艺性。本方案适用于改进型新车，图3是本实施例的示意图。
能量消耗传感器②：通过在ECU和运算部件③之间建立通讯接口，使运算部件③可以读取ECU的计算结果，直接获取实时的燃油消耗量，或者直接获取一个或者多个燃油喷射器电磁线圈的通电时间Ti；运算部件③根据公式q＝Q(Ti－Tv)/60计算出实时的燃油消耗量；或者根据实验建立的Ti和燃油消耗量对照表求得实时的燃油消耗量。其它部分请参考实施例一，此处不再赘述。
实施例三：在原有电喷型轿车——桑塔纳2000GLI上，为加装本发明装置，对此车的原ECU进行改进，使ECU包含运算部件③的功能。这样，比实施例二节省了一套单片机系统、一套通讯接口电路和通讯线路以及电源部件⑤，进一步降低成本，改善工艺性。本方案适用于改进型新车，图4是本实施例的示意图。
能量消耗传感器②：实质上就是ECU的运算部件③中的一段程序，由此程序读取ECU的计算结果，直接获取实时的燃油消耗量，或者直接获取一个或者多个燃油喷射器电磁线圈的通电时间Ti；运算部件③根据公式q＝Q(Ti－Tv)/60计算出实时的燃油消耗量；或者根据实验建立的Ti和燃油消耗量对照表求得实时的燃油消耗量。其它部分请参考实施例一，此处不再赘述。
实施例四：在直流电动汽车上，加装本发明装置的实施例。图5是本实施例的示意图，图5中R是电流传感器的采样电阻。
在电动交通运输工具上，通过能量消耗传感器②的交流或直流电压传感器、交流或直流电流传感器和时间传感器，测得电源电压U、电源电流I和时间t；或者通过它的电功率传感器和时间传感器，测得电功率P和时间t；或者它就是电能消耗传感器，测得电功耗W；能量消耗传感器②将测得的信号送给运算部件③，运算部件③根据E＝W＝UIt或者E＝W＝Pt或者E＝W计算出能量消耗E。
在本例中，能量消耗传感器②由直流电压传感器、直流电流传感器和时间传感器组成，分别测得电源电压U、电源电流I和时间t，根据E＝W＝UIt计算出能量消耗E。
直流电压传感器由接口电路和电压A/D转换电路组成，接口电路由两个分压电阻将电源电压分压到A/D转换电路的量程范围内，接到80C196KB单片机的ACHO引脚，由80C196KB单片机的内部A/D转换电路进行检测，将测得电压乘以两个分压电阻的分压比，计算出电源电压U。
直流电流传感器由接口电路和电流A/D转换电路组成，接口电路由运算放大器电路实现，将采样电阻R上的电压UR线性放大到A/D转换电路的量程范围内，接到80C196KB单片机的ACH1引脚，由80C196KB单片机的内部A/D转换电路进行检测，将测得电压除以运算放大器电路的放大倍数得到UR。再根据公式I＝UR/R，计算出电源电流I。时间传感器由80C196KB单片机中的定时器实现。其它部分请参考实施例一，此处不再赘述。
实施例五：在带有自动巡航装置的高档轿车上，加装本发明装置的实施例，图6是本实施例的示意图。
有些高档轿车具有自动巡航的功能，驾驶员可以设定车速，只要控制方向盘，无需踩着油门踏板，轿车就会按设定的车速行驶，踩下刹车踏板就可以解除自动巡航状态。这样，运算部件③计算出的行驶效率，除了通过显示部件④指示外，还可以通过通讯接口电路控制自动巡航装置按最节能的方式行驶。
自动巡航装置原来是通过自动调整油门，按设定车速进行闭环控制，实现自动匀速行驶。同样原理，在原有自动巡航装置中增加自动节能行驶控制程序和通讯接口电路，使它也可以根据运算部件③送来的实时行驶效率信息，通过自动调整油门，按最高行驶效率进行闭环控制，实现交通运输工具自动节能行驶。其它部分请参考实施例一，此处不再赘述。