大功率柴油機(jī)全地域進(jìn)氣質(zhì)量流量的測(cè)量

付禮程，王憲成，張更云，和 穆

（1.防化研究院，北京 102205；2.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072）

進(jìn)氣流量測(cè)量的方法有很多，一般可分為4類：壓差式、容積式、速度式和質(zhì)量流量測(cè)量［1］；而質(zhì)量流量的測(cè)量包括直接式、間接式和補(bǔ)償式。目前，在柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室中通常采用孔板流量計(jì)［2］測(cè)量進(jìn)氣質(zhì)量流量，結(jié)果較為準(zhǔn)確；在實(shí)車上廣泛采用熱線風(fēng)速儀［3－4］和熱膜 流量計(jì)［5－6］測(cè)量進(jìn)氣質(zhì)量流 量，熱線風(fēng)速儀和熱膜流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是頻響快，可基本滿足柴油機(jī)實(shí)際工況下反應(yīng)速度的要求。裝甲車輛動(dòng)力艙空間狹窄，進(jìn)氣量大，進(jìn)氣質(zhì)量流量傳感器無法實(shí)車安裝。本研究利用大氣壓力、環(huán)境溫度與空氣密度、黏度之間的關(guān)系，用補(bǔ)償方式消除不同地區(qū)空氣密度和黏度變化的影響，并通過測(cè)量進(jìn)氣通道兩端進(jìn)氣阻力，實(shí)現(xiàn)裝甲車輛全地域進(jìn)氣質(zhì)量的測(cè)量。

1 進(jìn)氣質(zhì)量流量補(bǔ)償式測(cè)量模型的建立

選取空氣濾清器絲網(wǎng)后內(nèi)腔至三叉管入口的氣體實(shí)際流通管道進(jìn)行研究，其實(shí)際結(jié)構(gòu)見圖1?，F(xiàn)將其簡(jiǎn)化為氣體在大直徑管道D1流動(dòng)至小截面管道D2，簡(jiǎn)化后流通管道見圖2，圖中1，2兩處為壓力測(cè)量點(diǎn)。

對(duì)于空氣在管道的流動(dòng)建立如下假設(shè)［7］：1）空氣是干燥、均勻、黏性、不可壓縮（馬赫數(shù)Ma＜0.3）流體；2）空氣在此管道內(nèi)流動(dòng)損失主要由兩部分組成：空氣在濾清器濾塵絲網(wǎng)后的空腔內(nèi)流動(dòng)，由于管道截面突然縮小產(chǎn)生局部阻力損失；在膠皮管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的沿程阻力損失。

選取圖2中1—1和2—2有效截面以及直徑為De2的管壁作為控制面，在1，2點(diǎn)處建立黏性流體總流的伯努利方程：

式中：ze1為1點(diǎn)處的高度；ze2為2點(diǎn)處的高度；pe1為1點(diǎn)處的壓力；pe2為2點(diǎn)處的壓力；ue1為1點(diǎn)處的流速；ue2為2點(diǎn)處的流速；ρ0為空氣的密度；g為重力系數(shù)；λe為沿程阻力系數(shù)；ξe為局部阻力系數(shù)；le為膠皮管長度；de為膠皮管的內(nèi)徑。其中，ze1＝ze2，ue1＝0。

根據(jù)黏性不可壓縮流體的連續(xù)性方程可得：

式中：Ae1為1點(diǎn)處流道的截面積；Ae2為2點(diǎn)處流道的截面積；Qe為氣體體積流量。

氣體質(zhì)量流量為

式中：Ge為進(jìn)氣質(zhì)量流量。

氣體流動(dòng)的雷諾數(shù)為

式中：Re為雷諾數(shù)；v0為運(yùn)動(dòng)黏度。

某型裝甲車輛柴油機(jī)Ge∈（0.20，1.24），由式（4）得Re∈（1.4×105，8.7×105），氣體流動(dòng)在湍流管區(qū)。根據(jù)布拉修斯（Blasius）［1］給出沿程阻力系數(shù)為

由式（3）至式（5）得：

將式（6）按泰勒公式展開得：

式中：a0，a1和a2為待定系數(shù)。

管道阻力件截面突然縮小的局部阻力系數(shù)為

由式（1），式（2），式（7）和式（8）得：

環(huán)境條件隨海拔變化規(guī)律一般采用國際標(biāo)準(zhǔn)大氣資料數(shù)據(jù)［8］（見表1）。

表1 不同海拔高度下大氣狀況

通過對(duì)空氣密度與大氣壓力進(jìn)行最小二乘法擬合，得到關(guān)系式為

式中：p0為大氣壓力。

同時(shí)，依據(jù)文獻(xiàn)［8］提供的在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下運(yùn)動(dòng)黏度與環(huán)境溫度數(shù)據(jù)（見表2），進(jìn)行最小二乘法擬合得：

表2 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下干空氣溫度與運(yùn)動(dòng)黏度關(guān)系

2 進(jìn)氣質(zhì)量流量測(cè)量模型標(biāo)定

模擬實(shí)車進(jìn)氣通道，利用抽氣裝置模擬實(shí)車柴油機(jī)進(jìn)氣，測(cè)量進(jìn)氣通道兩端進(jìn)氣阻力，進(jìn)行模型標(biāo)定試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)大氣壓力為86.65 k Pa，環(huán)境溫度為23℃，試驗(yàn)臺(tái)架見圖3。試驗(yàn)設(shè)備主要包括空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)、某型空氣濾清器1套、實(shí)車膠皮連接管、實(shí)車三通管、測(cè)壓管、孔板流量計(jì)、差壓傳感器、大氣壓力傳感器、溫度計(jì)等。

進(jìn)氣質(zhì)量流量測(cè)量模型標(biāo)定試驗(yàn)步驟：1）按實(shí)車裝配圖將試驗(yàn)臺(tái)架連接完整；2）空氣流量按照標(biāo)定空氣流量的60%開始進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至100%；3）在一定的空氣流量下，試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)1 min后記錄阻力和其他數(shù)據(jù)；4）標(biāo)定試驗(yàn)從低流量至高流量，再從高流量至低流量，測(cè)量2次；當(dāng)2次測(cè)量的進(jìn)氣阻力在2.94 k Pa以下時(shí)相差不大于5%，在2.94 k Pa以上時(shí)相差不大于3%時(shí)，取2次進(jìn)氣阻力的算術(shù)平均值。

共進(jìn)行了9組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。隨著進(jìn)氣質(zhì)量流量的增大，在相同流通截面積條件下，2個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)氣阻力隨之增大，由于空氣從測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)2產(chǎn)生局部阻力損失和沿程阻力損失，所以測(cè)點(diǎn)2進(jìn)氣阻力大于測(cè)點(diǎn)1。同時(shí)，在標(biāo)定工況進(jìn)氣質(zhì)量流量為1.24 kg／s時(shí)，測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)1進(jìn)氣阻力差最大為3.35 k Pa，表明此處能量損失最大。

選 取 進(jìn) 氣 質(zhì) 量 流 量 分 別 為 1.24 kg／s，0.993 kg／s和0.745 kg／s 3組數(shù)據(jù)，代入式（9）中，求得系數(shù)a0＝－23.49，a1＝－70.16，a2＝－25.58。因此，某型裝甲車輛進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)算式為

式中，ρ0和v0由式（10）及式（11）求得。

選取圖4中的其他組數(shù)據(jù)，通過測(cè)量模型計(jì)算進(jìn)氣質(zhì)量流量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3，計(jì)算值最大誤差為1.07%。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 進(jìn)氣質(zhì)量流量測(cè)量模型實(shí)車應(yīng)用

分別在北京與拉薩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原位空轉(zhuǎn)及駕駛訓(xùn)練進(jìn)行了進(jìn)氣質(zhì)量流量的實(shí)車測(cè)試。測(cè)量系統(tǒng)為自行開發(fā)的進(jìn)氣質(zhì)量流量測(cè)量系統(tǒng)［9］。測(cè)量系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)處理器以及顯示屏，采集的數(shù)據(jù)包括大氣壓力、環(huán)境溫度、空氣濾清器后壓力（測(cè)點(diǎn)1）、壓氣機(jī)前壓力（測(cè)點(diǎn)2）等。測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖5。

3.1 北京地區(qū)實(shí)車原位空轉(zhuǎn)試驗(yàn)

按照某型裝甲車輛操作要求起動(dòng)柴油機(jī)，預(yù)熱后（水溫T1≥40℃、油溫T2≥40℃），穩(wěn)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r／min，保持變速箱擋位為空擋，穩(wěn)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，每間隔200 r／min對(duì)柴油機(jī)參數(shù)進(jìn)行1組測(cè)試，每組測(cè)試時(shí)間為1 min，直至最高轉(zhuǎn)速2 000 r／min，然后轉(zhuǎn)速由高至低降為600 r／min，測(cè)試所得的壓力數(shù)據(jù)取2次平均值。進(jìn)氣質(zhì)量流量估算結(jié)果見圖6。進(jìn)氣質(zhì)量流量隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增加，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r／min時(shí)達(dá)到最大值，進(jìn)氣質(zhì)量流量的計(jì)算結(jié)果與柴油機(jī)實(shí)際進(jìn)氣質(zhì)量流量變化規(guī)律相符。

3.2 拉薩地區(qū)實(shí)車駕駛訓(xùn)練試驗(yàn)

按照裝甲車輛駕駛訓(xùn)練規(guī)范，車輛選擇在沿河灘較大的環(huán)形跑道進(jìn)行駕駛訓(xùn)練。跑道上設(shè)有土嶺、壕溝、限制路等障礙，總駕駛時(shí)間約為18 min，其進(jìn)氣質(zhì)量流量分布見圖7。此次駕駛訓(xùn)練中，進(jìn)氣質(zhì)量流量在0.24～0.76 kg／s之間波動(dòng)，與劇烈變化的實(shí)際訓(xùn)練工況相符。

4 結(jié)論

a）基于黏性流體總流伯努利方程，采用補(bǔ)償方式消除空氣密度和黏度變化的影響，建立了某型裝甲車輛進(jìn)氣質(zhì)量流量測(cè)量模型；

b）對(duì)進(jìn)氣質(zhì)量流量測(cè)量模型進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明測(cè)量模型的最大誤差為1.07%，測(cè)量模型可進(jìn)行實(shí)車應(yīng)用；

c）分別在北京地區(qū)和拉薩地區(qū)進(jìn)行了實(shí)車應(yīng)用，結(jié)果表明，在北京地區(qū)原位空轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，進(jìn)氣質(zhì)量流量隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增加，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r／min時(shí)達(dá)到最大值0.62 kg／s，在拉薩地區(qū)駕駛訓(xùn)練中，進(jìn)氣質(zhì)量流量在0.24～0.76 kg／s之間波動(dòng)，符合柴油機(jī)實(shí)際進(jìn)氣質(zhì)量設(shè)計(jì)要求。

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