柴油機實驗室油耗測量系統(tǒng)的方案設計與仿真

苗會，張翼，張?zhí)杰姡堈?，馮占闖，劉彩明

(1．中北大學機械與動力工程學院，山西太原030051;2．中國北方發(fā)動機研究所，山西大同037036)

燃油消耗率是衡量發(fā)動機本身燃油經濟性的最重要的指標，其測量精度直接影響發(fā)動機的性能設計指標［1－5］。為了設計高精度的燃油消耗測量系統(tǒng)，需要系統(tǒng)地研究燃油消耗測量精度的影響因素及影響方式。針對發(fā)動機油耗測量系統(tǒng)精度的影響因素，國內外均有研究。其中，影響精確度的因素主要有:燃油溫度［6］、燃油壓力、燃油黏度［6］、燃油中的雜質和氣泡［7］、油泵輸油過程中產生的波動、電磁閥通斷電的及時性、各閥門開閉時油路中燃油的波動等;影響經濟性好壞的因素主要有:系統(tǒng)的簡易程度，系統(tǒng)占用空間大小，系統(tǒng)各元件成本，操作和維修的方便性等。奧地利AVL 公司和德國Technogerma 公司分別推出的KAMA4000 型和COMET1760 型油耗測量系統(tǒng)就考慮到了被測燃油溫度、壓力、密度和氣泡等因素對系統(tǒng)的影響。徐東［2－3］、張增建等［6］和尹琪等人［7］也提到燃油溫度、黏度和氣泡等對測量系統(tǒng)精度的影響。因此建立油耗測量系統(tǒng)的數學模型，分析系統(tǒng)中各因素對系統(tǒng)的影響是很必要的。其中實現系統(tǒng)燃油溫度的精確控制［8－9］，是設計高精度燃油消耗測量系統(tǒng)的重要手段。

首先，根據影響系統(tǒng)精確性和經濟性的因素對柴油機實驗室油耗測量系統(tǒng)進行了方案設計;其次利用AMESim 軟件搭建了油耗測量系統(tǒng)方案的仿真模型，并對熱交換過程中的冷熱水溫度和混合調節(jié)閥閥體位置與系統(tǒng)燃油出口溫度的影響、管路壓力對系統(tǒng)測量精確度的影響進行了分析。

1 油耗測量系統(tǒng)的方案設計

1.1 設計指標

該燃油消耗測量系統(tǒng)的設計指標如表1 所示。

表1 油耗測量系統(tǒng)的設計指標

1.2 設計方案

通過對影響系統(tǒng)精確度和經濟性的因素進行分析，在系統(tǒng)中分別設計了處理燃油溫度、燃油壓力、燃油中的雜質和氣泡等影響精確度因素的措施。并且在保證系統(tǒng)精度的前提下對系統(tǒng)進行了簡化，確保系統(tǒng)操作的方便性。該系統(tǒng)能夠通過溫度傳感器和壓力傳感器對燃油的溫度和壓力進行實時檢測，并將檢測到的信息及時傳遞給混合調節(jié)閥的信號接收裝置，進而通過混合調節(jié)閥精確控制冷水和熱水支路的開度，使燃油的溫度控制在所需范圍以內。油耗測量系統(tǒng)的設計方案如圖1 所示。

圖1 油耗測量系統(tǒng)方案

1.3 系統(tǒng)組成及工作原理

該油耗測量系統(tǒng)主要由測量系統(tǒng)、回油系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)三部分組成。

(1)測量系統(tǒng)

組成。由球閥1、壓力表和壓力傳感器2、粗過濾器4、油泵7、旁通閥5、安全閥6、溫度傳感器8、質量流量計10、混合調節(jié)閥16 及電磁閥13 組成。

工作原理。燃油在油泵的泵油作用下通過油耗測量系統(tǒng)進油口和球閥開關到達過濾器，經過濾器過濾之后的干凈燃油經油泵加壓后流經溫度傳感器、壓力傳感器和質量流量計之后分別流入冷水換熱器和熱水換熱器。經過換熱之后達到溫度要求的燃油經過溫度傳感器、壓力傳感器和球閥開關，到達發(fā)動機的進油口。燃油在液壓泵、質量流量計、熱交換器、發(fā)動機和回油口之間形成循環(huán)。循環(huán)過程中，消耗的燃油由質量流量計測量獲得。

(2)熱交換系統(tǒng)

組成。由球閥23 和27、調壓閥22 和26、壓力表和壓力傳感器20 和25、溫度傳感器21 和24、冷水支路熱交換器14 及熱水支路熱交換器15 組成。

工作原理。熱交換器之后安裝的溫度傳感器和壓力傳感器所測量的溫度和壓力作為混合調節(jié)閥調節(jié)熱水和冷水支路開度大小的校正因子，從而保證燃油系統(tǒng)的出口溫度在所需要的范圍之內。若溫度值不在所需范圍時，則通過混合調節(jié)閥控制熱交換器熱水和冷水支路的開度，經過冷熱水間的換熱，使最終燃油達到所需要的溫度。當燃油的溫度高于所需溫度范圍時，混合調節(jié)閥會將冷水支路的開度加大、熱水支路的開度減小，此時熱交換器內的冷水將會與熱的燃油進行熱量交換實現冷卻，最終使燃油溫度達到要求;當燃油溫度低于所需溫度范圍時，工作過程與之相反。

(3)回油系統(tǒng)

組成。由球閥33、壓力表和壓力傳感器32、溫度傳感器31、調壓閥30 及油氣分離器11 組成。

工作原理。從發(fā)動機燃油系統(tǒng)回流的燃油通過回油口、球閥開關、壓力傳感器、溫度傳感器、調壓閥到達測量系統(tǒng)質量流量計之后的主油路上。安裝在主油路上的油氣分離器可以將回流燃油中的氣泡從燃油中分離出來，并通過控制電磁閥開關將分離的氣體排出油耗測量系統(tǒng)，減少氣泡對系統(tǒng)測量精度的影響，而油氣分離器中分離出的燃油返回燃油系統(tǒng)的主油路，從而燃油在回油系統(tǒng)和測量系統(tǒng)之間形成循環(huán)。

2 油耗測量系統(tǒng)的仿真分析

2.1 模型建立

根據油耗測量系統(tǒng)的設計方案，在AMESim 軟件的熱液壓庫和信號庫中找到相應的元件符號［10－11］，先對測量系統(tǒng)進行建模，然后對回油系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)建模。建模過程中，根據元件對系統(tǒng)的影響程度對系統(tǒng)的模型圖進行了簡化，簡化之后的模型圖如圖2所示。

圖2 油耗測量系統(tǒng)AMESim 模型圖

2.2 子模型選擇

由于該燃油系統(tǒng)涉及溫度對系統(tǒng)的影響，在AMESim 軟件的子模型分配模式下，為油耗測量系統(tǒng)元件分配子模型時均采用熱液壓模型。分配子模型就是為模型的每一個元件分配一個或幾個數學或者物理方程。根據元件序號，模型中主要元件的子模型分配如表2 所示。

表2 部分元件的子模型

2.3 參數設置

完成建模和分配子模型之后，根據實際系統(tǒng)元件參數對系統(tǒng)模型進行參數設置，其中測量系統(tǒng)中的介質為柴油，熱交換系統(tǒng)中的介質為水，環(huán)境溫度為25 ℃。具體參數如表3 所示。

表3 參數設置表

系統(tǒng)仿真時，為了清晰地看出系統(tǒng)穩(wěn)定后的狀態(tài)，仿真時間設定為200 s;考慮到系統(tǒng)可能會有振蕩，間隔時間設置為0.1 s，這樣能更加直觀的從曲線上看出振蕩情況。其中，混合調節(jié)閥閥體位置與冷熱水支路開度的對應關系如表4 所示。

表4 混合調節(jié)閥閥體位置與冷熱水支路開度的對應關系

2.4 油耗測量系統(tǒng)的仿真分析

2.4.1 冷熱水溫度對燃油溫度的影響分析

換熱系統(tǒng)中冷水溫度為5 ～10 ℃，熱水溫度為60 ～80 ℃，混合調節(jié)閥閥體位置1.5 mm 時，冷熱水溫度對油耗測量系統(tǒng)出口燃油溫度的影響如圖3所示。

圖3 冷熱水溫度對燃油系統(tǒng)出口溫度的影響

從總體來看，隨著冷水和熱水溫度的升高，油耗測量系統(tǒng)出口的燃油溫度逐漸升高，符合熱力學原理，證明了模型的正確性。在熱水溫度為80 ℃、冷水溫度為10 ℃時，燃油溫度達到最大值30.858 7℃;在熱水溫度為60 ℃、冷水溫度為5 ℃時，達到最小值25.855 6 ℃。并且燃油溫度從最小值線性過渡至最大值。當冷水溫度恒定時，燃油溫度隨著熱水溫度的升高而升高;當熱水溫度恒定時，燃油溫度隨著冷水溫度的升高而升高。此時混合調節(jié)閥閥體位置為1.5 mm，當常溫燃油流經換熱器時，通過混合調節(jié)閥閥體位置控制冷熱水支路開度分別為0.7 和0.3，燃油與冷水支路的換熱量大于與熱水支路的換熱量，所以最終燃油溫度的變化主要取決于冷水的溫度。

2.4.2 混合調節(jié)閥閥體位置對燃油溫度的影響分析

換熱系統(tǒng)中冷水溫度設定為5 ℃，熱水溫度設定為60 ～80 ℃，而混合調節(jié)閥閥體位置在0 ～5 mm 變化，則熱水溫度分別為60、65、70、75 和80 ℃時，燃油系統(tǒng)出口溫度隨混合調節(jié)閥閥體位置變化的影響曲線如圖4 所示。

圖4 混合調節(jié)閥閥體位置對燃油溫度的影響

從圖4 可以看出:系統(tǒng)出口燃油溫度隨著混合調節(jié)閥閥體位置的增大而逐漸升高。這是因為隨著混合調節(jié)閥閥體位置的增大，冷水支路的開度逐漸減小、熱水支路的開度逐漸增大，燃油流經換熱器時與熱水支路的換熱量大于與冷水支路的換熱量，所以隨著與熱水換熱量的增大，燃油溫度逐漸升高。在閥體位置為0 時，各種情況下系統(tǒng)出口燃油溫度均為17.5 ℃，由于閥體位置0 處，熱水支路關閉，冷水支路全開，而冷水溫度均為5 ℃，所以燃油與相同溫度的冷水進行換熱，溫度值是相同的。當閥體位置保持某一位置不變時，隨著熱水溫度的升高，燃油溫度也逐漸升高，與圖3 結論相符。通過圖4 可以知道:在每種情況下，都可以通過調節(jié)混合調節(jié)閥閥體位置來實現對系統(tǒng)出口燃油溫度值的精確控制。

2.4.3 管路壓力對系統(tǒng)測量值的影響

為了研究管路壓力對油耗測量系統(tǒng)測量值的影響，通過采用AMESim 軟件的批處理功能，獲得管路壓力分別為0.2、0.3、0.4、0.5 和0.6MPa 時，對系統(tǒng)流量的測量值影響的變化曲線，如圖5 所示。

圖5 管路壓力對系統(tǒng)質量流量的影響

從圖5 可以看出:壓力增大前后的流量變化曲線趨于平衡時的反應時間均為0.1 s，平衡時的流量值均為0.095 832 kg/s。但是每種情況的起始流量值都不一樣，管路壓力越大，起始流量值也越大，而且每種情況的起始流量均為負值，表示與燃油的流向相反，是因為流量計前后壓力值不一致，燃油壓力大的一側向壓力小的一側回流。但是由于油泵的泵油作用，對燃油產生的正向壓力要大于管路回流時產生的壓力差，所以出現短暫回流之后又馬上趨于平衡。管路壓力會使系統(tǒng)燃油在流量計處產生短暫回流，但對系統(tǒng)燃油的測量精度不會產生影響。

3 結論

(1)針對柴油機實驗室油耗測量系統(tǒng)進行了方案設計，并且通過AMESim 軟件建立了系統(tǒng)仿真模型，再現了系統(tǒng)的每個組成部分，為系統(tǒng)整體或局部的研究提供了便利手段。

(2)換熱系統(tǒng)中，冷熱水溫度變化引起的燃油溫度變化，從最小值到最大值是呈線性過渡的，可以通過調節(jié)混合調節(jié)閥閥體位置來實現對系統(tǒng)出口燃油溫度值的精確控制。管路壓力會使系統(tǒng)燃油產生短暫回流，但對系統(tǒng)燃油的測量精度不會產生影響。

［1］張翠云，黃鍵．智能型快速油耗測試儀的設計［J］．福建農林大學學報:自然科學版，2006，35(5):549－550．

［2］徐東．浮球式發(fā)動機油耗儀的設計［J］．內燃機，2008(4):13－15．

［3］徐東．容積式油耗儀測量精度影響因素的分析［J］．現代機械，2011(5):60－62．

［4］陳同玲，王培玲，臧少武，等．容積式自選量程油耗儀的設計［J］．儀器儀表學報，2001，22(1):88－91．

［5］裘正軍，何勇．發(fā)動機瞬時油耗測量系統(tǒng)的設計［J］．農業(yè)機械學報，2002，33(1):124－129．

［6］張增建，傅茂林．發(fā)動機瞬態(tài)油耗測量系統(tǒng)研制［J］．天津大學學報:自然科學與工程技術版，2001，34(4):550－553．

［7］尹琪，范建軍，鄔靜川．內燃機差壓式機油耗測量系統(tǒng)［J］．上海交通大學學報，2000，34(4):449－452．

［8］韓玉純，余欲為，譚杰．內燃機車多功能油耗儀的研制［J］．鐵道機車車輛，2006，26(2):26－28．

［9］張濤，孫立軍，王軍，等．內燃機車隨車油耗儀的研究［J］．儀器儀表學報，2005，26(2):152－156．

［10］付永領，齊海濤．LMS imagine．Lab AMESim 系統(tǒng)建模和仿真實例教程［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2011．

［11］付永領，祁曉野．LMS Imagine．Lab AMESim 系統(tǒng)建模和仿真參考手冊［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2011．