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渦街流量計測定各種轉速下柴油機脈動進氣流的流量

2019-09-25    

   內燃機的燃油控製和廢氣再循環等係統都需要對進氣流量進行的測量,但由於活塞式內燃機進氣管內的流動為脈動流,測量係統不可避免地存在氣流脈動的慣性誤差以及脈動壓力的傳輸誤差,因此很難準確地測定出這類裝置的進氣流量。目前,雖然對脈動流的測量進行了一些較深入的研究[1、2],但主要的方法仍然是在被測裝置和流量計之間放置一個大容積穩壓箱以抑製氣流的脈動,使之在流量計的安裝部位能夠形成較為穩定的流動,這種方法隻適合在實驗室條件下應用。對於車用內燃機來說,由於空間限製,不能安裝大容量穩壓箱,隻能進行直接測量。但直接測量結果存在較大的誤差,需要進行修正。文獻[3]給出了孔板流量計和渦輪流量計的修正係數,但未給出*適合車用內燃機脈動進氣流測量[4]的熱線(熱膜)流量計和渦街流量計的修正係數。本文用渦街流量計測定各種轉速下柴油機脈動進氣流的流量,用誤差方法對測量數據進行分析和處理,得到渦街流量計的修正係數。                   
      1 脈動係數——穩定流和脈動流的劃分
      脈動流強度用脈動係數表示,定義為大流量Qmax與小流量Qmin的差值的一半與平均流量Qev的比值,即        
      根據文獻[3],用Ip=0.03作為劃分穩定流和脈動流的界限值。當Ip>0.03時為脈動流,流量的測量會產生係統誤差,要用適當的修正係數進行修正。修正係數與流量計的類型、脈動流的強度和波形等諸多因素有關,沒有統一的經驗公式,隻能由試驗得到。
      2 試驗設備和方法
      2.1 試驗設備和儀器
      試驗是在發動機試驗台架上進行的。所用柴油機型號為6120A,轉速範圍為600~2000r/min,總排量為9.5 X 10-3m3。采用LUGB型渦街流量計,規格為Ф=100mm,量程為100~1000m3/h,精度為1%。由自行設計的以80C196KB單片機為核心的數據采集和控製係統完成數據采集。另外,還設計安裝了容積為1m3帶阻尼管的穩壓箱[5],用於測量發動機各轉速時的實際進氣流量Qo。
      2.2 數據采集方法
      在管道中插入一個柱狀物,流體流經柱狀物時,在柱狀物兩側產生有規則的旋渦,稱為卡門渦街。當管道雷諾數為2X104~7X106 時,卡門渦街發生頻率與流速成正比,檢測頻率就可求得流速,進而計算出流量
Q=3600εf  (2)
      式中 ε——流量計儀表常數,m3/次
              f——旋渦頻率,Hz
      初步試驗發現,在脈動強度較大時,與流量計配套的流量積算器顯示的流量示值波動很大。分析認為,主要原因是脈動強度較大時,旋渦的脫落變得不規則,旋渦發生頻率變動較大,導致流量示值波動很大。若直接檢測單位時間內的旋渦的個數,則沒有合適的數據處理方法將異常的頻率剔除。因此,試驗中采集記錄各個旋渦的周期Ti,將異常周期經適當處理後,用求積分平均值的方法計算一段時間內的平均流量
      式中N——旋渦個數
     3 試驗結果及分析
      3.1 剔除異常旋渦周期減小隨機誤差
      圖1是實測的旋渦周期。由圖1可以發現,某些旋渦周期很小,若直接計算流量,將導致流量很大,因此,需要對很小的旋渦周期作適當處理。正常情況下,相鄰數據之間的變動應在一定範圍之內,超出正常範圍的數據應視為異常值。為此,將采樣數據相鄰兩點之間的差值的*值累加,再對總累加值平均後得到采樣數據兩點之間的平均變動值△。若兩個采樣點Ti和Ti+1之間變動值∣Ti-Ti+1∣> a△(a值可根據信號的具體情況設定,本文取a=3),則認為Ti+1為異常值。剔除異常值後,用式(3)依次計算相同時間間隔內的平均流量,結果顯示平均流量波動不大,對柴油機所有的工況,流量隨機誤差均小於2%。這使下麵的係統誤差分析和修正係數計算成為可能。圖2是按上述方法處理異常旋渦周期後得到的轉速為1000r/min時的平均流量Qev和隨機誤差。
      3.2 係統誤差與脈動係數的關係
      在不安裝穩壓箱的情況下,測量的發動機各轉速時的脈動進氣流量稱為指示流量。指示流量的平均值稱平均指示流量,簡稱平均流量Qev。為了確定渦街流量計測量柴油機脈動進氣流量時的係統誤差,特別安裝了大容積的穩壓箱,對脈動進氣流濾波。在保持Ip< 0.03的條件下,測定發動機各轉速時的進氣流量,該穩定流條件下測得的流量稱為實際流量Qo。渦街流量計測脈動流時的流量係統誤差B為
      圖3示出了發動機各轉速時的實際流量和平均指示流量,圖4示出了發動機各轉速時的流量脈動係數和係統誤差。
      很明顯,在不安裝穩壓箱的情況下,柴油機進氣的脈動強度隨轉速變化,低轉速時脈動強度大,隨著轉速的升高,脈動強度逐漸減小。流量係統誤差隨脈動強度變化,脈動強度大則係統誤差也大。在此要特別指出的是文獻[3]中給出的孔板流量計和渦輪流量計的係統誤差均為正值,而渦街流量計測量柴油機脈動進氣流時的流量係統誤差為負值,即平均指示流量小於對應轉速時的實際流量。這個結果似乎是錯誤的,因為脈動使得氣流流動不穩定,好像應該產生較多的旋渦,指示流量應該變大。恰恰相反,真實的情況是周期性的脈動抑製了旋渦的脫落[6-9]。在周期性脈動的作用下,旋渦發生體後剪切層中的旋渦以小的振幅不規則地攝動,攝動使得大旋渦破碎變小,同時伴隨著產生多個小旋渦,雖然旋渦總數增加,但旋渦群從剪切層中脫落出來的強度減弱。當旋渦脫落強度減弱到一定程度時,壓電晶體傳感器將檢測不出該旋渦的脫落,從而導致了平均指示流量小於實際流量。仔細地調整流量計放大電路中交流電壓放大器的放大倍數和施密特觸發器的靈敏度將有助於減小流量係統誤差,當然不能完全消除。
      將上述結果整理後重新畫在圖5中。圖中給出了係統誤差與脈動係數之間的關係,同時也給出了所謂流量修正係數與脈動係數之間的關係,流量修正係數Fp為
      顯然,流量修正係數與係統誤差關係為
Fp=1+B      (6) 
      根據流量修正係數與脈動係數之間的關係,變速工況下的流量控製係統即可根據實測的脈動係數得到相應的流量修正係數,對流量進行修正。
      (1)采樣係統采集記錄渦街流量計旋渦周期,剔除異常旋渦周期後,用求積分平均值的方法計算得到的平均流量的隨機誤差小於2%。
      (2)周期性的脈動抑製了旋渦的脫落,平均指示流量小於對應轉速時的實際流量,平均指示流量應根據相應的流量修正係數進行修正。
      (3)得出了渦街流量計的流量修正係數與脈動係數之間的關係。