旋进流量计在发动机气道特性研究中的应用

    1 气道流动特性的评价方法

    气道流动特性指气道的流通能力或阻力特性产生涡流的能力。由于内燃机内存在涡流和滚流两种大尺度涡旋，所以一般对气道的涡流和滚流进行评价。在发动机运转时，气流是间歇的不稳定流动，很难在发动机上直接测定涡流和滚流强度，从而难以知道气道系统的好坏，目前，大都是在试验台上进行稳定流动的模拟试验，测量涡流强度及气道阻力，以此来评价气道的优劣。

    1.1 涡流评价方法

    在气道稳流试验台上评价涡流强度的方法有多种，但基本相近。为比较不同形状和尺寸气道的流动特性，一般采用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力，用无量纲涡流强度评价不同气门升程下气道形成涡流的能力。国内普遍采用Ricardo方法^[1]，其无量纲流量系数C_F定义为流过气门座实际空气流率与理论空气流率之比，计算公式为

    式中，Q为气体流量，m³/s；n为进气门数；V₀为理论进气速度，m/s；A 为气门座内截面面积，m²。

    平均流量系数为

    式中，α₁和α₂分别为气门开启和关闭的曲轴转角，rad。

    Ricardo无量纲涡流强度为

    
    
    式中，ω_R为叶片转速，r/min；B为缸径，m。

    1.2 滚流评价方法

    内燃机缸内滚流也是进气过程中形成的一种大尺度涡旋，只是方向与涡流不同，因此其强度仍可根据在给定气门升程下缸内滚流的角动量在整个进气过程中求积分得到。无量纲流量系数和滚流数均与Ricardo方法相同^[2]。定义为

    式中，N_t（a）为不同气门升程时的叶片风速仪转速，r/min；V_s为发动机排量，m³。；Q_（a）为不同气门升程时的气体流量，m³/s。

    2 流量计的作用及存在问题

    无论采用何种评价方法，气道流量都是评价气道性能所需的重要参数之一，所以在气道稳流试验台系统中（见第49页图1），流量计必不可缺且需进行合适的选择。流量计选得好，获取的流量值就准确，所得到的各种气道特性参数就精确；否则，误差较大。

    目前，大都采用孔板流量计或涡街流量计。孔板流量计的节流件——标准孔板，虽然结构易于复制，简单，牢固，使用期限长，价格低廉，但加上差压变送器和流量显示仪之后整套仪表就不便宜了；另外，它须购置如冷凝器、集气器、沉降器和隔离器等一些辅助设备；测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，精确度难以提高；范围度窄，一般仅为3:1~4:1；现场安装条件要求较高，应用标准文件（GB/T 2624或ISO 5167）中的流出系数和可膨胀性系数，令投用的节流装置与标准节流装置达到几何相似和动力学相似；流件前后的必需直管段较长；检测件与差压显示仪表之间引压管线为薄弱环节，易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障；孔板压损大。普通涡街流量计的现场仪表电路设计多电路板、多接插件和多电位器，工作可靠性下降；同时硬件结构复杂，检查和拆装困难，维修性很差；不适用于低流速、小口径的情况，旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，必须根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段（上游直管段长度为直径的15倍~40倍、下游段为直径的5倍）；仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈低。

    3 智能型旋进流量计的结构与工作原理

    3.1 组成结构

    智能型旋进流量计主要由壳体（文丘利管）、螺旋整流器、导流体、频率感测件（压电晶体）、微处理器、温度及压力传感器等部件组成，其结构如图2所示。

    3.2 工作原理

    流量计进口处的螺旋整流器迫使沿轴向流动的流体产生旋转运动，形成一个绕流道中心线旋转的旋涡（见图2）；在后部回流的作用下，该旋涡产生二次螺旋运动，即旋涡进动；二次螺旋进动的频率与流量成正比。如流量计形状设计得当，在很宽的流量范围内频率与流量成线性关系。产生的旋涡频率再经频率感测元件（压电晶体）检测、转换及前置放大器的放大、滤波和整形等一系列过程之后，旋涡频率就被转变成了与被测介质流速大小成正比的脉冲信号，然后再与温度和压力等检测信号一起被送往微处理器进行积算处理，最后在LCD上显示出标准状况下的瞬时流量、累计流量、温度、压力等测量结果。其工作原理框图如图3所示。

    3.3 特点

    无运动部件，无磨损，工作故障率低，机械维修量小；一体化设计，结构紧凑，安装方便，相同的传感器和电路部件适用于所有的测量介质和口径；传感器内部同时安装了温度和压力传感器，可检测出介质的温度与压力，并进行自动补偿和压缩因子自动修正。旋涡流旋转频率与介质流速成正比，线性度良好，测量精度高（示值的±0.5%），只需很短的前后直管段或完全不需要直管段，前直管的长度一般为直径的3倍，后直管段长度与直径相等；量程比宽达1:25。采用先进的微功耗电子技术，整机功耗低，既可由外电源供电运行，也可由电池供电运行。

    4 对比试验

    4.1 试验机型

    试验用YH465QE汽油机，是国内微型面包车采用的主要机型之一。其缸径为65.5mm，行程为78mm，压缩比9.4，单顶置凸轮轴，斜蓬顶燃烧室，2气门，气门问隙0.13mm~0.18 mm，气门座直径28mm，气门升程8mm，BTDC 20°CA进气门开启，ABDC 56°CA进气门关闭，BBDC 56°CA 排气门开启，ATDC 20°CA排气门关闭。

    4.2 试验方法

    用孔板流量计和旋进流量计在气道稳流试验台上做5次对比试验，测量气道在不同气门升程下的流量，计算出平均值和各测量值与对应平均值的相对差，最后对平均值和相对差进行比较。如果在相同升程下平均值吻合较好，则说明可以采用旋进流量计；在相同升程下，哪一种流量计的流量相对差绝对值大，哪一种流量计的测量误差就大。

    4.3 试验结果与分析

    表1和表2列出了采用孔板流量计及旋进流量计所测流量值和同一行程下各流量值与对应平均值的相对差，第51页表3示出了孔板流量计与旋进流量计同一气门升程流量平均值的比较。

    第51页表3说明孔板流量计和旋进流量计流量平均值相对差值相差不大，可以用旋进流量计进行测量。从表1中可以看出孔板流量计在小行程（1.5mm和3mm）小流量时，流量的相对平均值差值在-5.03%~+5.1%之间，误差范围大，其他行程流量相对平均值差值在-1.99%~+1.75%之间。从表2中能看出旋进流量计在小行程（1.5mm和3mm）小流量时，流量的相对平均值差值在-1.89%~+1.65%之间。其他行程流量相对平均值差值在-0.8%~+0.8%之间，误差范围比孔板流量计明显小的多。因此，旋进流量计在气道稳流试验中可以获得较高精度的流量，能够为准确研究气道流动特性提供可靠的保证。

表1 用孔板流量计所测流量值和同一行程下各流量值与对应平均值的相对差

表2 用旋进流量计所测流量值和同一行程下各流量值与对应平均值的相对差

表3 孔板流量计与旋进流量计同一气门升程流量平均值的比较

    5 使用情况

    在气道特性研究中，用旋进流量计进行了多次流量测量，准确的测量数据为正确评价气道性能提供了保证。但在使用过程中还有几点要注意。

    5.1 仪表选型

    在已经选定了智能式旋进旋涡流量计的情况下，对仪表规格及其配套元件的选择也至关重要。应把握住两条基本原则，一要保证使用精度，二要保证安全。必须落实3个选型参数，即最大、最小及常用瞬时流量（选定仪表的大小规格），被测介质的设计压力（选定仪表的公称压力等级），工作压力（选定仪表压力传感器的压力等级）。

    5.2 定期标校

    为了确保仪表测量结果的可靠与准确，必需在正式安装前和使用过程中定期将其送往具有检定能力及资质的部门进行全流量范围内的系统检定。

    5.3 工艺安装

    要严格按照要求进行安装，尽可能避免振动、高温环境及干扰元件（如压缩机、分离器、调压阀、大小头及汇管、弯头等），保持仪表前后直管段内壁光滑平直，保证被测介质为洁净的单相流体等。

    5.4 管理与维护

    定期检查计量工艺流程状态，发现问题及时整改；注意仪表长期工作的准确性和可靠性，定期查看电池状况，检查仪表系数及铅封，对仪表的测量腔体及其构件进行定期检查或清洗。

    6 结束语

    旋进流量计与孔板流量计和普通涡街流量计相比有很多优点，一是其前后直管段很短，可大大缩小气道试验台的结构尺寸，安装方便；二是提高了测量精度，扩大了测量范围；三是易于操作控制，实现数字化，便于对数据的读取、存储、打印和分析。这种流量计定会在工农业生产中发挥更大的作用。