[導讀] 從設計原理、結構特點等方面介紹了自行設計的用于測量發動機排氣量的流量測量儀表威力巴流量計。實際應用表明，因該流量計特殊的結構設計，使其具有測量精度高、可靠性好、耐壓、耐溫、防腐等優點。
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。