1 前言

 

    在发动机性能研究、排放计量方面，排气流量是需要测量的关键参数之一。但是，由于发动机排气的特性，排气流量的直接测量是个比较困难的问题。通常情况下，排气量可以用进气流量加上油耗量来反映，但严格来说，这样的排气测量没有考虑到发动机的漏气量，因而是不精确的；特别是在研究发动机相继增压、废气再循环、发动机废气稀释测量排放量时，一般必须直接测量出排气量，所以要用到排气流量计。

 

    发动机排气流量的测量必须考虑以下问题：首先发动机排气是高温排气，且排气温差较大，最高温度（全速全负荷时）可能高达800°C以上，而在怠速时温度可能只有150°C左右；其次，发动机排气量测量时不能产生过大的阻力，因为如果排气阻力增加将直接增加发动机的排气推动功，使得发动机油耗率升高，功率下降，排温升高，排放变差，改变了发动机的排气现状，这样测得的排气量就失去了意义；第三，发动机排气中存有较强的酸性物质和颗粒物等，可能会腐蚀流量计并可能造成流量计或流量计测压孔堵塞；此外，由于发动机排气的不连续性，造成排气存在较大的压力脉动，特别是非增压发动机排气或增压器前的排气尤其如此。

 

    本文研究设计的威力巴（Werabar）流量计，是一种专门用于测量发动机排气量的新型的、精度较高的流量测量仪表。

 

    2 威力巴流量传感器原理

 

    威力巴流量计的工作原理仍然是差压原理。在排气管道中装入威力巴传感器，当流体流过传感器时，在其前部（迎流方向）产生一个高压分布区，在其后部产生一个低压分布区，如图1所示。

 

 

 

图1 威力巴流量计工作原理

 

    传感器在高压区开设有按一定规则排列的多对取压孔（一般为3对），分别测量流体每点上的压力，在其端部迎流方向测得流体的全压力即高压值P1（包括每点的动压力又称速度压力和静压力的平均值）。低压区的取孔在其侧壁（顺流方向），仅测得流体的多点静压力的平均值，即低压值P2。将P1和P2分别引入差压变送器，得到差压ΔP=P1-P2，ΔP反映了流体平均速度压力，即平均速度的大小，以此可推算出流体的流量。

 

    设流动为不可压缩无粘性流体的稳定流动，驻点处流体的伯努利方程为：

 

    

 

    由此可以得该点的流速为：

 

    考虑到实际测量情况与理论上的差别，引入流量系数α（数值由实验确定）对上式进行修正：

 

    

 

    其中（1-ε）为可压缩性流体系数。

 

    体积流量公式

 

    

 

    式中：Q为工作状态下体积流量m3/h；K为流量系数，其值与传感器结构、流体流动状态、管径大小等有关，由实验求得；C为气体膨胀系数，其值与气体压力、流速、体积比、差压大小等有关，由实验求得；ΔP为差压KPa；ρ为被测流体在工作状态下的密度kg/m3。

 

    3 威力巴流量传感器的特性

 

    3.1 设计特点

 

    （1）威力巴流量传感器采用不锈刚耐磨防腐金属制作，具有特殊截面形状，如图2所示。高压孔位于探头前部；低压孔位于探头侧后两边，在流体与探头的分离点以前。探头前部的金属表面，进行了粗糙化处理。根据空气动力学原理，流体流过粗糙表面，形成一个稳定的紊流边界层，有利于提高低流速状态的测量精度，使得流体在低速时，探头仍可获得稳定精确的差压信号，从而增大量程比。

 

 

 

图2 威力巴流量计传感器结构

 

    （2）如上述设计的威力巴流量传感器具有显著的防堵效果。在流量传感器刚投入运行时，流体在管道静压的作用下，开始进入探头的高压孔内腔，很快形成了压力平衡状态；当压力平衡状态形成后，流体因遇到进口处的高压而绕行，不再进入高压孔，而朝探头的两边分流渐开离去，在探头的后部形成一种涡流。一般情况下，颗粒杂质在涡街牵引力的作用下，集中在探头的后部。由于低压孔在探头的两侧以及流体分离点的尾迹的前部，这样在低压孔处避开杂质聚集区，实现了本质防堵，避免了涡流产生的信号波动。因此，威力巴流量传感器从根本上防止了堵塞，并由此产生一个非常稳定的差压信号。

 

    （3）在大管径气体测量时，可以采用十字形传感器结构，并且增加取压孔的数量，克服由于整流不良造成的精度降低。

 

    3.2 管道永久压损小

 

    由于采用了插入式结构，速度传感器置于管道中心位置，并使其占用的流通截面积尽量小，所以该传感器所产生的压力损失非常小。

 

    3.3 耐高温耐腐蚀

 

    该排气流量计采用316不锈钢材料一体化生产，耐高温、耐腐蚀。

 

    4 威力巴流量计主要技术指标

 

    威力巴流量计由威力巴传感器、差压变送器和流量积算仪组成，可与控制系统或计算机联网，实现流体流量测量与控制。可同时测量管道内流体的差压、压力、温度等信号，实现现场LCD显示和组态功能；同时显示瞬时累计流量、差压、温度、流速等参数。测量精度可达±0.5%。通常情况下采用前7D、后3D保证测量精度。    

 

    5 威力巴流量计在排气测量中的应用

 

    本文设计的威力巴流量计，在汽油机三元催化剂老化试验台中的应用如下。

 

    三元催化器老化试验台的系统图如图3。在发动机催化器老化试验台中，设计要求有二个催化器同时进行试验，要保证按一定的空速比进行试验，并要计算排放量，为了进行对比试验，二条管路要求流量平衡。为了人为增加排气温度，加速老化过程，对排气进行了补气等措施，所以必须进行排气流量的测量。

 

 

 

图3 车用催化器老化试验台架评价装置总体示意图

 

    在本试验台中采用了二台威力巴流量计，流量计的规格为DN50管径，采用常压大气临界文丘里管标定试验台进行标定。标定条件：环境压力101.3kPa，环境相对湿度70%，压差传感器量程0~1kPa，压差传感器精度0.1%。标定结果见表1、图4。

 

 

 

图4 威力巴流量计标定结果

 

表1 威力巴流量计标定结果

 

    

 

    6 结论

 

    由于发动机排气流量测量中的特殊问题，一直以来排气流量的精确测量是一个难于解决的问题，本文采用威力巴流量计进行发动机高温排气流量测量，取得了较好的效果。