柴油機缸體上水孔流量測量方法對比

劉震濤，孫朝暉，孫正，黃瑞，俞小莉

（浙江大學 動力機械及車輛研究所，浙江 杭州，310027）

柴油機缸體上水孔流量測量方法對比

劉震濤，孫朝暉，孫正，黃瑞，俞小莉

（浙江大學 動力機械及車輛研究所，浙江 杭州，310027）

針對柴油機缸體上水孔的流量測量方法進行不同測量方案的對比研究。通過搭建精度模擬試驗臺對測量誤差進行研究，利用流場影響模擬試驗臺對流場影響進行研究，為驗證對比研究結果，進行上水孔實機測量試驗及試驗與仿真的對比研究。研究結果表明：在整個流量范圍內電磁式、渦輪式的流量平均誤差較小，各測量方法的流量誤差隨著流量及管徑的減小而增大，電磁式及孔板式的變化較為明顯，流量相對誤差甚至超過 5%。各測量方法對流場的影響隨流量的增大而增加，電磁式和渦輪式影響較小。各上水孔流量最大相對誤差在2.5%以下，平均相對誤差在1.5%以下，且上水孔壓力損失范圍與趨勢和模擬試驗的結果也基本一致，證明測量方案的對比研究結論是有效的。

柴油機；缸體上水孔；流量測量方法；流場；實機試驗

柴油機是一種復雜的動力機械，其冷卻系統(tǒng)關系到柴油機的熱應力、熱變形和磨損等問題［1］，隨著現(xiàn)代社會對高強度柴油機需求的增大，整機冷卻效果對于柴油機性能的影響越來越明顯，因此，研究適當?shù)睦鋮s水流量及精確的流場分析成為柴油機研究中的重要環(huán)節(jié)［2-3］。由于柴油機冷卻系統(tǒng)的結構非常復雜，而且主要封閉在缸蓋和缸體內部，不易觀察和測量［4］。對柴油機而言，上水孔部位的冷卻水流量是表征內部流動情況的重要指標，可通過上水孔流量求得單缸的冷卻水流量，從而對單缸或者多缸流動分析及流場進行計算。王書義等［5］采用不同測試方法進行了流量測量，屈盛官等［6-7］在此基礎上結合數(shù)值計算使得流動測試技術更加成熟。然而，對于不同的流量測試方法所產(chǎn)生的效果區(qū)別以及對原機流場的影響卻少有人進行研究。由于柴油機內部結構和測量環(huán)境的復雜性，要保證上水孔流量測試精度比較困難，如果流量失準就沒有意義，同樣，如果對原機流場造成了較大破壞，得出的流量也沒有意義。因此，研究柴油機缸體上水孔冷卻水流量的精確測量方法及其對比研究，對工程應用具有指導意義，有助于實現(xiàn)上水孔流量測量的最優(yōu)化，指導柴油機水套結構的優(yōu)化設計和試驗研究［8］。

1 流量測量方法研究

常用流量測量方法包括差壓式、速度式、容積式、質量式和電磁式［9］等幾類。差壓式測量方法通過測量壓差變化來確定流體流量；速度式通過測量管道內流體速度來測量流量；容積式利用標準容積連續(xù)定排量測量后，累積相加得流量；質量式通過測量得到流體質量流量；電磁式根據(jù)感應電勢的變化得到流體速度，進而求得管道內流量。參考以往研究和文獻分析，由于容積式流量計對流體物性要求高，流體泄露及氣體混入都會使精度發(fā)生大的變化［10］，而且體積較為龐大，質量式流量計易形成零點漂移，易受流體含氣量影響［11］，再考慮到上水孔的安裝限制，因此，較少應用在其測量過程中。常用的上水孔流量測量方式主要集中于差壓式、速度式及電磁式這3類之中。

首先分析柴油機上水孔的相關參數(shù)及其影響因素。從宏觀上來說，上水孔參數(shù)包括孔徑、流速、流量等，取決于具體的柴油機機型；從微觀上來說，又包括湍流度、流動方向等，取決于具體的柴油機水套結構，不同的內部設計對上水孔流動狀態(tài)影響很大［12］。因此，選取4種典型的車用柴油機進行建模，根據(jù)實機運行時企業(yè)實測流量，通過仿真手段得到上水孔的流量范圍和流動狀態(tài)，結合孔徑和安裝因素進行篩選，從以上3類方案中共篩選出5種具體測量方法，包括皮托管式、孔板式、電磁式、渦輪式和渦街式，然后對它們的測量精度以及對原流場的影響進行對比分析。

1.1 精度對比試驗

由于真實柴油機體上測量空間過于狹小，而且環(huán)境因素比較復雜，為了便于進行精度分析，各測量方法的精度對比試驗在外部環(huán)境中進行，保證測量管徑與上水孔口徑相同，同時保證流速范圍和流動狀態(tài)與仿真一致，試驗臺框架如圖1所示。

圖1 精度對比試驗臺示意圖Fig.1 Diagram of accuracy comparison test bench

冷卻水由定容水槽中流出，通過變頻電機及水泵加壓，至所需的流量范圍后通過穩(wěn)流段來調整和穩(wěn)定流動狀態(tài)，然后通過待測流量計（包括上述的5種流量計：皮托管式、孔板式、電磁式、渦輪式和渦街式）來進行測量，采用高精度稱量計來測量冷卻水的質量流量（稱量計設有自動計時裝置，可進行累加及求平均，試驗時冷卻水密度可認為恒定），換算得到體積流量作為基準值，各待測流量計的測試值均與基準值比較得到各自的相對誤差。多余的冷卻水通過溢流閥和回水管道返回水槽，使整個過程實現(xiàn)閉式循環(huán)。此外，為了與實際上水孔口徑保持一致，通過變徑裝置可以改變測量管的管徑，最大限度地模擬真實發(fā)動機測量環(huán)境，試驗的步驟如下。

1） 由于選取的 4種柴油機的上水孔口徑分別為6，8，10和15 mm，先取8 mm作為基準管徑，根據(jù)仿真結果，在其他參數(shù)不變的情況下，將冷卻水流量（以基準值為標準）從3.0 L/min增加到24.0 L/min，步長為3.0 L/min，得到各流量計的測量結果。在每一條件下重復進行多次試驗，至少獲得10組以上的流量進行誤差分析，剔除其中個別明顯的不規(guī)則流量，計算剩余數(shù)據(jù)的算術平均值、均方差和標準差，得到的流量測量值本身的平均偏差（均方根誤差）均在±0.1%以內，計算各流量條件下測量得到的流量算術平均值與基準值的相對誤差，鑒于流量平均誤差基本在1.5%以上，可以認為測量值本身偏差不會對比較結果產(chǎn)生較大的影響，各測量方法的流量相對誤差測量以及對比曲線如圖2所示。

圖2 各測量方法流量相對誤差Fig.2 Relative error of flow of all methods

由圖2（a）可見：各流量計的最大誤差均產(chǎn)生在冷卻水流量為3.0 L/min時，其相對誤差基本隨著流量的減小而逐漸增大。這可能是因為流量太小而接近標定量程范圍的極限或者導致管道中殘存氣泡，從而降低了精度。由圖2（b）可見：在整個流量范圍內，電磁式、渦輪式和渦街式測量方法的流量平均誤差較小，孔板式、皮托管式測量方法的流量相對誤差和最大誤差都較高。

2） 根據(jù)仿真結果，選取6.0 L/min作為基準流量，在其他參數(shù)不變的情況下，按照15，10，8和6 mm的順序將管徑依次減小，研究各測量方法在管徑變化時所受到的影響。結果顯示：隨著管徑的減小，各流量計的相對誤差都在增大，電磁式和孔板式的變化較明顯，當管徑為6 mm時誤差已超過5%。為尋找原因，將一段試驗管路更換為透明管路后重新試驗，發(fā)現(xiàn)當管徑小于10 mm后管內有很多小氣泡殘留，同時截流后造成的流動狀態(tài)變化比較明顯，可能降低了電磁式和孔板式流量計的精度，建議在小管徑、小流量的測試環(huán)境下優(yōu)先排除。

1.2 流場影響對比試驗

測量方法對原流場的影響同樣表征著測量結果的可信度，為進行對比研究，首先要把測量方法對流場的影響量化，擬用安裝流量計后所造成的流體壓力損失來表現(xiàn)。同樣由于機體測量空間過于狹小，因而壓力損失對比試驗也在外部環(huán)境中進行，試驗臺框架如圖3所示。

圖3 壓力損失對比試驗臺示意圖Fig.3 Pressure loss comparison test bench schematic

冷卻水由定容水槽中流出，通過變頻電機及水泵加壓，用高精度的流量計測量冷卻水流量作為基準值，基準管徑與精度對比時一樣為 8 mm，通過穩(wěn)流段來調整和穩(wěn)定流動狀態(tài)，然后通過待測流量計（由于電磁流量計無壓力損失，所以只包括其余4種）和回水管道返回水槽。在待測流量計前后裝有水壓傳感器，測得的壓差通過變送器處理后輸出。在其他參數(shù)不變的情況下，將冷卻水流量（以基準值為標準）從3.0 L/min增加到24.0 L/min，步長為3.0 L/min，各流量計的壓力損失結果如圖4所示。

圖4 各測量方法壓力損失對比Fig.4 Pressure loss comparison of all methods

由圖4可見：各測量方法的壓力損失隨著流量增大近似呈現(xiàn)線性或指數(shù)增長，其中孔板式的壓力損失最大，表明使用孔板式流量計對原流場的破壞最嚴重，渦街式和皮托管式的壓力損失曲線較接近，渦輪式的壓力損失最小，電磁式無壓力損失。因此，在各方法精度接近的情況下，建議優(yōu)先考慮后2種傳感器。

2 實機驗證試驗

經(jīng)過各測量方法的分析后，還需要進行實機測量試驗，通過實機試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比來驗證對比研究結果的可靠性。選擇與仿真模型一致的（上水孔徑為8 mm）某型6缸重型柴油機作為試驗機型。

2.1 試驗方案設計

圖5所示為上水孔分布示意圖。首先進行測量方法選型，試驗對象為6缸機，每缸共有7個上水孔，各孔分布如圖5所示（以缸蓋火力面為底面），右上角上水孔編號為1，順時針旋轉分別為2～7號上水孔。

由于試驗機型的企業(yè)實測數(shù)據(jù)建立在標準工況下，因此，實機測量試驗也采用標準工況。在測量方法選型之前，先進行實機流場及上水孔流量仿真，利用企業(yè)已有的三維發(fā)動機模型，使用Hypermesh軟件進行網(wǎng)格劃分，將流體域及固體域網(wǎng)格作為一個整體，使用ANSYS軟件中的Fluent模塊進行耦合計算。設置好各壁面及邊界條件，入口為速度入口，出口為壓力出口，進行三維湍流穩(wěn)態(tài)流場計算，得到缸體冷卻水套內冷卻液流場分布、壓力損失等信息［13-14］，根據(jù)企業(yè)數(shù)據(jù)設定試驗用六缸機的總流量為324.0 L/min，由仿真結果得到標準工況下各上水孔流量變化范圍為4.2～12.6 L/min。

圖5 上水孔分布示意圖Fig.5 Diagram of water hole distribution

根據(jù)對比研究結果，從精度方面考慮，在該流量范圍內，電磁式、渦輪式和渦街式流量計效果較好，然而在小管徑和小流量的情況下，管內可能有氣泡殘留，根據(jù)之前流量，可能會明顯降低電磁式流量計的精度，加上試驗機型上水孔的結構緊湊而且數(shù)目很多，電磁式流量計安裝和調試過程較為復雜，受到一定的限制，因此將之排除。從流場影響方面考慮，電磁式和渦輪式流量計的壓力損失最小。經(jīng)過綜合考慮后，選擇渦輪式流量計來測量上水孔流量，用來對比仿真結果。

選取渦輪流量計作為測量用傳感器后，采用該測量方法對原機流場影響進行仿真。為評估方案的合理性提供依據(jù)，對每個采購的渦輪流量計都進行了壓力損失測量，再根據(jù)出廠時的標定點進行修正，得到各流量計的壓力損失-流量關系曲線。將流量計及安裝裝置添加到模型中形成新流場，通過 Fluent模塊的UDF功能，將各流量計的壓力損失-流量關系編入算例中的測量段，模擬真實渦輪流量計的壓力損失，采用k-e湍流模型進行穩(wěn)態(tài)計算。結果表明：加裝渦輪流量計對各缸流量的影響均小于0.7%，對各上水孔流速的影響均小于 1%，說明對原流場的影響較小，測試方案的合理性得到了驗證，進而通過該模型計算各上水孔加裝流量計后造成的壓力損失。

流量計安裝方案如圖6所示。將測量板放入機體和缸蓋之間，流量傳感器從中打孔進入，信號通過屏蔽電纜傳導出來，經(jīng)變送器處理后，通過數(shù)據(jù)采集設備上傳到計算機中。

圖6 流量計安裝示意圖Fig.6 Diagram of flowmeter installation

整個試驗臺框架如圖7所示?？偭髁渴褂酶呔入姶帕髁坑嬤M行測量，布置在水泵進口前，同時，每缸出水口均布置1個高精度電磁流量計來測量單缸總流量。在柴油機進出水口各布置1個水壓傳感器來測量壓差。變頻電機和水泵布置在發(fā)動機進水口前，測量板內部加裝42個渦輪流量計，測量各上水孔流量。在試驗過程中，控制試驗條件與仿真保持一致，即保證六缸機總流量為324.0 L/min。

圖7 實機測量試驗臺示意圖Fig.7 Diagram of real machine measurement test bench

2.2 試驗結果分析

實機測試得出流量數(shù)據(jù)后，為驗證仿真模型和結果的可靠性，應先比較單缸的總流量數(shù)值，比較對象包括每一缸7個上水孔流量的加權值、每一缸出水口處電磁流量計的測試值以及仿真得出的每一缸總流量，結果如圖8所示。

由圖8可見：加權值、測試值和仿真值三者之間非常接近，最大相對誤差為3.4%，驗證了仿真模型和高精度流量計測試值的可靠性。對所有上水孔流量測量值都進行過誤差分析，得到的流量測量值本身的最大偏差（極限誤差）均在±0.2%以內，將各上水孔流量的算術平均值與仿真得出的流量進行對比，計算出它們的相對誤差，并標明最大相對誤差出現(xiàn)的上水孔位置，結果如圖9所示。

圖8 各缸總流量對比Fig.8 Total flow comparison for each cylinder

圖9 各缸上水孔流量相對誤差對比Fig.9 Relative flow error comparison of water holes in each cylinder

由圖9可見：流量最大相對誤差有些反常，第1缸、第4缸和第5缸的最大誤差甚至超過10%，經(jīng)調查后發(fā)現(xiàn)這是個別流量計損壞和由于機體銹蝕而被部分堵塞所致，換上正常流量計同時在冷卻水中噴灑除銹劑后重新測試，這些部位的流量相對誤差都下降到了 4%以下。然而，每一缸上水孔的最大流量誤差集中出現(xiàn)在7號位置，包括1-7，2-7，4-7，5-7和6-7，為尋找原因，對比企業(yè)柴油機水套圖紙后發(fā)現(xiàn)，實機缸蓋水套結構在7號上水孔附近與仿真模型不一致，可能出現(xiàn)了部分流動死區(qū)，因此，將仿真模型按照實機結構進行修改，重新計算后將結果進行比較，結果如圖10所示。

圖10 各缸上水孔流量相對誤差修正對比Fig.10 Relative flow error comparison of water holes in each cylinder after correction

由圖10可見：此時所有上水孔流量最大相對誤差在 2.5%以下，平均相對誤差在 1.5%以下，考慮到實機測量環(huán)境的復雜性，對比之前精度對比試驗中渦輪流量計的測試結果，二者還是比較一致的，說明精度對比研究結果是可靠的。

由于柴油機上水孔測量空間限制，無法實測每孔的壓力損失。之前已證明仿真模型和流量仿真結果的可靠性，故采用修改后的模型計算各上水孔裝流量計后造成的壓力損失進行對比，任取一缸為例（本次抽取第3缸），仿真結果如圖11所示。

圖11 單缸各上水孔壓力損失仿真結果Fig.11 Pressure loss simulation chart for water holes of single cylinder

由圖11可見：仿真得出的第 3缸所有上水孔3-1～3-7的壓力損失在 0.5～1.1 kPa之間，其流量在6.0～11.4 L/min之間，而且流量較大的上水孔其壓力損失也較大，各上水孔的壓力損失與流量之間呈現(xiàn)正相關，基本與之前流場影響對比試驗中測得的壓力損失范圍和趨勢一致，說明流場影響對比研究的結果是可靠的。

3 結論

1） 在其他條件不變的情況下，改變流量和管徑進行精度對比測量試驗。結果表明：在整個流量范圍內電磁式、渦輪式和渦街式流量計的流量平均誤差較小，但各測量方法的流量相對誤差隨著流量及管徑的減小而增大，電磁式及孔板式流量計流量變化比較明顯，在管徑為6 mm時相對誤差甚至超過5%。

2） 在其他條件不變的情況下，改變流量進行流場影響對比試驗，用壓力損失將對原流場的影響量化。結果表明：各測量方法的壓力損失隨流量的增大近似呈現(xiàn)線性或指數(shù)增長，其中電磁式流量計無壓力損失，渦輪式流量計壓力損失較小。

3） 各上水孔流量測量結果的最大相對誤差在2.5%以下，平均相對誤差在1.5%以下，上水孔壓力損失范圍、趨勢和對比試驗結果也基本一致，證明對比研究的結論有效。

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（編輯 陳愛華）

Comparison studies on flow measurement methods for cylinder water hole in diesel engine

LIU Zhentao， SUN Zhaohui， SUN Zheng， HUANG Rui， YU Xiaoli

（Institute of Power Machinery & Vehicular Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Several comparative studies on flow measurement methods for Diesel cylinder water hole were finished. An accuracy comparison test bench and a flow field effect comparison test bench were established. To verify the results， real machine measurement experiments and the comparison between simulation and experiment were carried out. The results show that the electromagnetic method and turbine method have relatively low average error through the whole flow range；the errors of all methods become greater when flow & caliber decrease， especially for electromagnetic method and pore-plate method whose relative error even exceed 5%. The flow field effects of all methods become greater when the flow increases （approximately followed by linear of index）； the effects of electromagnetic method & turbine method are smaller than others. The maximum flow measurement relative error was lower than 2.5% and the average relative error is lower than 1.5%. The pressure loss range and variation tendency are basically consistent with simulation tests. Comparative results are proved to be effective.

diesel engine； cylinder water hole； flow measurement method； flow field； real machine experiment

TK427

A

1672-7207（2016）05-1760-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.040

2015-05-27；

2015-09-23

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2012AA111709） （Project（2012AA111709） supported by the National High-Tech Research and Development Program （863 Program） of China）

黃瑞，助理研究員，從事發(fā)動機熱管理相關研究；E-mail： hrss@zju.edu.cn