1 前言

 

    在發動機性能研究、排放計量方面，排氣流量是需要測量的關鍵參數之一。但是，由于發動機排氣的特性，排氣流量的直接測量是個比較困難的問題。通常情況下，排氣量可以用進氣流量加上油耗量來反映，但嚴格來說，這樣的排氣測量沒有考慮到發動機的漏氣量，因而是不精確的；特別是在研究發動機相繼增壓、廢氣再循環、發動機廢氣稀釋測量排放量時，一般必須直接測量出排氣量，所以要用到排氣流量計。

 

    發動機排氣流量的測量必須考慮以下問題：首先發動機排氣是高溫排氣，且排氣溫差較大，最高溫度（全速全負荷時）可能高達800°C以上，而在怠速時溫度可能只有150°C左右；其次，發動機排氣量測量時不能產生過大的阻力，因為如果排氣阻力增加將直接增加發動機的排氣推動功，使得發動機油耗率升高，功率下降，排溫升高，排放變差，改變了發動機的排氣現狀，這樣測得的排氣量就失去了意義；第三，發動機排氣中存有較強的酸性物質和顆粒物等，可能會腐蝕流量計并可能造成流量計或流量計測壓孔堵塞；此外，由于發動機排氣的不連續性，造成排氣存在較大的壓力脈動，特別是非增壓發動機排氣或增壓器前的排氣尤其如此。

 

    本文研究設計的威力巴（Werabar）流量計，是一種專門用于測量發動機排氣量的新型的、精度較高的流量測量儀表。

 

    2 威力巴流量傳感器原理

 

    威力巴流量計的工作原理仍然是差壓原理。在排氣管道中裝入威力巴傳感器，當流體流過傳感器時，在其前部（迎流方向）產生一個高壓分布區，在其后部產生一個低壓分布區，如圖1所示。

 

 

 

圖1 威力巴流量計工作原理

 

    傳感器在高壓區開設有按一定規則排列的多對取壓孔（一般為3對），分別測量流體每點上的壓力，在其端部迎流方向測得流體的全壓力即高壓值P1（包括每點的動壓力又稱速度壓力和靜壓力的平均值）。低壓區的取孔在其側壁（順流方向），僅測得流體的多點靜壓力的平均值，即低壓值P2。將P1和P2分別引入差壓變送器，得到差壓ΔP=P1-P2，ΔP反映了流體平均速度壓力，即平均速度的大小，以此可推算出流體的流量。

 

    設流動為不可壓縮無粘性流體的穩定流動，駐點處流體的伯努利方程為：

 

    

 

    由此可以得該點的流速為：

 

    考慮到實際測量情況與理論上的差別，引入流量系數α（數值由實驗確定）對上式進行修正：

 

    

 

    其中（1-ε）為可壓縮性流體系數。

 

    體積流量公式

 

    

 

    式中：Q為工作狀態下體積流量m3/h；K為流量系數，其值與傳感器結構、流體流動狀態、管徑大小等有關，由實驗求得；C為氣體膨脹系數，其值與氣體壓力、流速、體積比、差壓大小等有關，由實驗求得；ΔP為差壓KPa；ρ為被測流體在工作狀態下的密度kg/m3。

 

    3 威力巴流量傳感器的特性

 

    3.1 設計特點

 

    （1）威力巴流量傳感器采用不銹剛耐磨防腐金屬制作，具有特殊截面形狀，如圖2所示。高壓孔位于探頭前部；低壓孔位于探頭側后兩邊，在流體與探頭的分離點以前。探頭前部的金屬表面，進行了粗糙化處理。根據空氣動力學原理，流體流過粗糙表面，形成一個穩定的紊流邊界層，有利于提高低流速狀態的測量精度，使得流體在低速時，探頭仍可獲得穩定精確的差壓信號，從而增大量程比。

 

 

 

圖2 威力巴流量計傳感器結構

 

    （2）如上述設計的威力巴流量傳感器具有顯著的防堵效果。在流量傳感器剛投入運行時，流體在管道靜壓的作用下，開始進入探頭的高壓孔內腔，很快形成了壓力平衡狀態；當壓力平衡狀態形成后，流體因遇到進口處的高壓而繞行，不再進入高壓孔，而朝探頭的兩邊分流漸開離去，在探頭的后部形成一種渦流。一般情況下，顆粒雜質在渦街牽引力的作用下，集中在探頭的后部。由于低壓孔在探頭的兩側以及流體分離點的尾跡的前部，這樣在低壓孔處避開雜質聚集區，實現了本質防堵，避免了渦流產生的信號波動。因此，威力巴流量傳感器從根本上防止了堵塞，并由此產生一個非常穩定的差壓信號。

 

    （3）在大管徑氣體測量時，可以采用十字形傳感器結構，并且增加取壓孔的數量，克服由于整流不良造成的精度降低。

 

    3.2 管道永久壓損小

 

    由于采用了插入式結構，速度傳感器置于管道中心位置，并使其占用的流通截面積盡量小，所以該傳感器所產生的壓力損失非常小。

 

    3.3 耐高溫耐腐蝕

 

    該排氣流量計采用316不銹鋼材料一體化生產，耐高溫、耐腐蝕。

 

    4 威力巴流量計主要技術指標

 

    威力巴流量計由威力巴傳感器、差壓變送器和流量積算儀組成，可與控制系統或計算機聯網，實現流體流量測量與控制。可同時測量管道內流體的差壓、壓力、溫度等信號，實現現場LCD顯示和組態功能；同時顯示瞬時累計流量、差壓、溫度、流速等參數。測量精度可達±0.5%。通常情況下采用前7D、后3D保證測量精度。    

 

    5 威力巴流量計在排氣測量中的應用

 

    本文設計的威力巴流量計，在汽油機三元催化劑老化試驗臺中的應用如下。

 

    三元催化器老化試驗臺的系統圖如圖3。在發動機催化器老化試驗臺中，設計要求有二個催化器同時進行試驗，要保證按一定的空速比進行試驗，并要計算排放量，為了進行對比試驗，二條管路要求流量平衡。為了人為增加排氣溫度，加速老化過程，對排氣進行了補氣等措施，所以必須進行排氣流量的測量。

 

 

 

圖3 車用催化器老化試驗臺架評價裝置總體示意圖

 

    在本試驗臺中采用了二臺威力巴流量計，流量計的規格為DN50管徑，采用常壓大氣臨界文丘里管標定試驗臺進行標定。標定條件：環境壓力101.3kPa，環境相對濕度70%，壓差傳感器量程0~1kPa，壓差傳感器精度0.1%。標定結果見表1、圖4。

 

 

 

圖4 威力巴流量計標定結果

 

表1 威力巴流量計標定結果

 

    

 

    6 結論

 

    由于發動機排氣流量測量中的特殊問題，一直以來排氣流量的精確測量是一個難于解決的問題，本文采用威力巴流量計進行發動機高溫排氣流量測量，取得了較好的效果。