用于測(cè)量電動(dòng)增壓器流量特性的文丘里管流量計(jì)設(shè)計(jì)

班智博，范振華，韓偉強(qiáng)*，唐國(guó)強(qiáng)

（1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 530000；2.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

柴油機(jī)較汽油機(jī)具有更高的熱效率和更低的燃油消耗率，此外柴油機(jī)CO 和HC 的排放相對(duì)于汽油機(jī)要少得多，因而被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械和發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域[1 ? 3]。但是，柴油機(jī)在突然加速或加載期間，進(jìn)氣量跟不上加油量的變化速率，導(dǎo)致缸內(nèi)可燃混合氣過濃、煙度排放加重[4 ? 6]。為改善柴油機(jī)瞬態(tài)煙度排放問題，加速時(shí)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣來增加進(jìn)氣量是一種有效途徑。針對(duì)這一策略，國(guó)內(nèi)外研究人員提出機(jī)械輔助增壓[7]、復(fù)合諧振增壓系統(tǒng)[8]和可變噴嘴渦輪增壓系統(tǒng)[9 ? 10]技術(shù)，但存在成本高、體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題[11 ? 12]。研究表明將電動(dòng)增壓技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)上，能夠滿足在不同加速工況下所需的進(jìn)氣量，改善柴油機(jī)的瞬態(tài)煙度排放[13]。

不同發(fā)動(dòng)機(jī)需要匹配不同流量特性的電動(dòng)增壓器，因此需要對(duì)電動(dòng)增壓器的流量特性進(jìn)行測(cè)量。流量的測(cè)量方法多種多樣，很多學(xué)者在試驗(yàn)中用不同方法測(cè)量流量。章偉等[14]采用孔板式流量計(jì)測(cè)量天然氣流量，提出了測(cè)量中準(zhǔn)確度的要求,分析了影響測(cè)量不確定度的因素和引起流量測(cè)量誤差的原因。周鵬[15]利用渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量，分析不同介質(zhì)對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量的影響，該研究對(duì)提高渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量的準(zhǔn)確度有利。天津大學(xué)姚春德等[16]采用熱線風(fēng)速儀測(cè)量壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的流量，探究了壓氣機(jī)質(zhì)量流量與增壓比的關(guān)系，為柴油機(jī)與電動(dòng)增壓器匹配提供依據(jù)。董良雄等[17]利用自行設(shè)計(jì)的熱膜式流量計(jì)測(cè)量船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的流量，結(jié)果表明該流量計(jì)能有效減少工況變化對(duì)測(cè)量精度的影響。但是，孔板式流量計(jì)和渦街式流量計(jì)不適合用于測(cè)量電動(dòng)增壓器的流量特性。熱線風(fēng)速儀和熱膜式流量計(jì)雖然適合用于測(cè)量電動(dòng)增壓器的流量特性，但存在體積偏大、成本偏高等問題。因此本文自行設(shè)計(jì)了一款文丘里管流量計(jì)，用于測(cè)量電動(dòng)增壓器的流量特性。

文丘里管流量計(jì)是一種節(jié)流流量計(jì)，利用節(jié)流裝置前后的壓差與平均流速和流量的關(guān)系，根據(jù)壓差測(cè)量值計(jì)算出流量。文丘里管流量計(jì)具有流動(dòng)損失小、穩(wěn)定性好、壓差大、精度高、測(cè)量范圍廣、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[18]。故本研究基于文丘里管的設(shè)計(jì)原則與相關(guān)公式，確定了該流量計(jì)的各個(gè)參數(shù)。然后分別利用自制文丘里管流量計(jì)和熱膜式流量計(jì)、孔板式流量計(jì)測(cè)量電動(dòng)增壓器壓氣機(jī)的流量特性并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

1 文丘里管流量計(jì)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)過程

文丘里管流量計(jì)的主要設(shè)計(jì)過程如圖1 所示。首先確定文丘里管流量計(jì)的質(zhì)量流量。由設(shè)計(jì)原則確定參數(shù)入口直徑D、喉口直徑d、收縮段錐角α1、擴(kuò)散段錐角α2與孔徑比β的范圍。根據(jù)公式可得P2、△P、ξ與β的關(guān)系式，再取得β的最佳值。然后根據(jù)U 型管液面高度差確定文丘里管流量計(jì)的長(zhǎng)度和測(cè)量量程，最終確定文丘里管流量計(jì)的加工尺寸。

圖1 文丘里管流量計(jì)的設(shè)計(jì)過程

1.2 文丘里管流量計(jì)原理

文丘里管流量計(jì)主要由入口段、收縮段、喉道、擴(kuò)散段和U 型管組成[19],如圖2 所示。當(dāng)被測(cè)流體流過文丘里管時(shí)，U 型管內(nèi)的液面會(huì)產(chǎn)生高度差，根據(jù)這個(gè)差值可以計(jì)算出流量計(jì)入口斷面和喉口處的壓強(qiáng)差，然后用伯努利方程和流動(dòng)連續(xù)性方程聯(lián)立求解出流量[20]。

設(shè)文丘里管入口和喉口截面的直徑分別為D和d,流體流經(jīng)兩截面的壓強(qiáng)、流速和面積分別為P1、V1、A1和V2、P2、A2,被測(cè)流體密度為ρ，U 型管內(nèi)的液體密度為ρ0。假設(shè)流體穩(wěn)定流動(dòng)，黏性忽略，由伯努力方程、連續(xù)性流動(dòng)方程得:

圖2 文丘里管流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

壓氣機(jī)出口的氣體流速遠(yuǎn)低于聲速，所以壓氣機(jī)出口的流體可視作不可壓縮流體，二者截面處的密度相等（ρ1=ρ2）,可得

1.3 參數(shù)的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，文丘里管流量計(jì)的設(shè)計(jì)原則要求如下：

1）入口段、出口段的長(zhǎng)度至少等于圓管直徑D，50 mm≤D≤250 mm；

2）喉道長(zhǎng)度基本上等于喉道直徑d；

3）收縮段為圓錐形,連接進(jìn)口段和喉道,錐角大小一般為21°±1°；

4）擴(kuò)散段為圓錐形,連接喉部和出口段,錐角大小一般為7°～15°；

5）孔徑比β=d/D：0.3≤β≤0.75；

6）雷諾數(shù)Re 范圍：5×104≤Re≤106。

已知電動(dòng)增壓器壓氣機(jī)的出口直徑為60 mm，在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為36 000 r/min 時(shí)入口端為亞音速流動(dòng)，由孔板式流量計(jì)初步測(cè)得壓氣機(jī)出口速度為44.87 m/s，且增壓壓力在0.11～0.15 MPa 之間。根據(jù)以上所述，選取文丘里管流量計(jì)的入口內(nèi)徑D1為55 m，進(jìn)氣壓力P1為0.11～0.15 MPa，最大進(jìn)氣流速V1=45 m/s。而設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)節(jié)流孔徑比β的具體值則需要根據(jù)雷諾數(shù)Re、喉部壓力P2、沿程阻力系數(shù)ξ作為邊界條件來確定。

由伯努力方程和連續(xù)性流動(dòng)方程得

式中：z1、z2為正、負(fù)采壓口截面積；a為動(dòng)能修正系數(shù)。文丘里管水平放置，則z1=z2，取a1=a2=1。

聯(lián)立式(2)、(4)可解得

查閱流體力學(xué)相關(guān)書籍后，根據(jù)所給雷諾數(shù)范圍可以確定管內(nèi)流動(dòng)沿程阻力系數(shù)λ為

1.4 β 值的確定

本次試驗(yàn)用電動(dòng)增壓器壓氣機(jī)的增壓壓力已知在0.11～0.15 MPa 之間，通過上述關(guān)系式，得出參數(shù)P2、△P、Re、ξ與孔徑比β的變化曲線，如圖3、4、5、6 所示。以此來確定文丘里管流量計(jì)的孔徑比β值，并最終確定其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3 喉口壓力P2 隨孔徑比β 的變化曲線

圖4 喉口壓差△P 隨孔徑比β 的變化曲線

圖5 雷諾數(shù)Re 隨孔徑比β 的變化曲線

圖6 沿程阻力系數(shù)ξ 隨孔徑比β 的變化曲線

由圖可知，隨著孔徑比β的取值增大，喉口壓力P2和沿程阻力系數(shù)ξ的值逐漸增加，而喉口壓差△P和雷諾數(shù)Re 的值逐漸減小。如果孔徑比β取值過小，喉口壓力減小，壓差增大，局部阻力增大，會(huì)造成節(jié)流損失增大。此外孔徑比選擇的太小，對(duì)于加工的精度要求相對(duì)較高，成本增加。如果孔徑比β取值過大，喉口壓力增大，壓差減小，局部阻力減小，節(jié)流損失減小，使得測(cè)量精度不高。綜合以上分析，為了保證文丘里管流量計(jì)測(cè)量精度，減少節(jié)流損失，將孔徑比β在0.5～0.6 范圍內(nèi)初步取值為0.56，同時(shí)計(jì)算出喉口直徑d=30.8≈31 mm，代入關(guān)系式可得孔徑比β的實(shí)際設(shè)計(jì)值為0.564。

1.5 U 型管長(zhǎng)度與測(cè)量量程的確定

設(shè)計(jì)好的文丘里管流量計(jì)還需要確定其測(cè)量量程，通過U 型管液面高度差△H來確定U 型管的長(zhǎng)度和測(cè)量量程。圖7 和圖8 為U 型管液面高度差與流速和質(zhì)量流量的變化曲線。

圖7 U 型管液面高度差△H 與流速的變化曲線

圖8 流量Qm 與U 型管液面高度差的變化曲線

如圖7 所示，文丘里管的進(jìn)氣壓力在0.11～0.15 MPa 之間時(shí)，隨著流速的增大，U 型管內(nèi)液面高度差△H逐漸增大。當(dāng)文丘里管進(jìn)氣壓力為0.15 MPa 時(shí)，U 型管液面最大高度差約為1 700 mm，因此U 型管的設(shè)計(jì)總長(zhǎng)應(yīng)至少為3 400 mm。如圖8 所示，文丘里管的進(jìn)氣壓力在0.11～0.15 MPa 之間時(shí)，液面高度差越大，則質(zhì)量流量越大。當(dāng)文丘里管進(jìn)氣壓力為0.15 MPa 時(shí)，該文丘里管流量計(jì)測(cè)量的最大質(zhì)量流量為700 kg/h，因此確定該文丘里管流量計(jì)的測(cè)量量程。

1.6 文丘里管流量計(jì)的加工尺寸

根據(jù)以上結(jié)果，得到文丘里管流量計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，加工尺寸如圖9 所示，實(shí)物如圖10 所示。

表1 文丘里管流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖9 文丘里管流量計(jì)加工尺寸

圖10 文丘里管流量計(jì)實(shí)物圖

2 流量特性測(cè)試平臺(tái)

電動(dòng)增壓器通常是柴油機(jī)在突然加速或加載期間開始工作，工作目的是對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣，滿足在不同加速工況下所需的進(jìn)氣量，改善柴油機(jī)瞬態(tài)煙度排放并提升功率。盡管柴油機(jī)加速、加載是瞬態(tài)的，但是電動(dòng)增壓器是在穩(wěn)態(tài)時(shí)工作的。流量特性是電動(dòng)增壓器為柴油機(jī)瞬態(tài)補(bǔ)氣的工作能力的重要指標(biāo)，因此測(cè)量電動(dòng)增壓器穩(wěn)態(tài)時(shí)的流量很有必要。

圖11 電動(dòng)增壓器特性試驗(yàn)測(cè)試原理

本研究為測(cè)量電動(dòng)增壓器的流量特性，使用了3 種不同流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析。該實(shí)驗(yàn)原理圖如圖11 所示。蓄電池通過變頻器將電壓轉(zhuǎn)換后供給電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)同軸聯(lián)接的壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為壓氣機(jī)的動(dòng)能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得空氣如下圖箭頭所示的方向流動(dòng)。在壓氣機(jī)出口處分別設(shè)有孔板式流量計(jì)、熱膜式流量計(jì)和文丘里管流量計(jì)，測(cè)量壓氣機(jī)出口流量。在壓氣機(jī)出口處還裝有一個(gè)蝶閥，該蝶閥的開度可以調(diào)整，用來改變壓氣機(jī)的工況，調(diào)整壓氣機(jī)的增壓比。

本試驗(yàn)通過變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得目標(biāo)轉(zhuǎn)速在3 600～6 000 r/min 范圍內(nèi)，在不同轉(zhuǎn)速下采用3 種不同流量計(jì)分別測(cè)量壓氣機(jī)的質(zhì)量流量。其中文丘里管流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果是通過測(cè)量U 型管的液面高度差△H，將△H帶入公式(5)計(jì)算，可得文丘里管流量計(jì)的質(zhì)量流量。

3 結(jié)果與討論

3.1 質(zhì)量流量

圖12 為孔板式、熱膜式、文丘里管流量計(jì)測(cè)量電動(dòng)增壓器流量特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于熱膜式流量計(jì)具有壓損低、流量范圍大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)流量特性試驗(yàn)，故可將熱膜式流量計(jì)的測(cè)量值看作標(biāo)準(zhǔn)值。通過對(duì)比孔板式流量計(jì)、熱膜式流量計(jì)測(cè)量壓氣機(jī)的質(zhì)量流量，可確定自行設(shè)計(jì)的文丘里管流量計(jì)的精度如何。

圖12 孔板式、熱膜式、文丘里管流量計(jì)測(cè)得流量對(duì)比

由圖12 分析可知，首先在電機(jī)相同轉(zhuǎn)速下，熱膜式流量計(jì)的測(cè)量值最大，文丘里管流量計(jì)的測(cè)量值次之，孔板式流量計(jì)的測(cè)量值最小。其中在轉(zhuǎn)速為36 000 r/min 時(shí)，孔板式流量計(jì)測(cè)得的最大質(zhì)量流量為491.3 kg/h，文丘里管流量計(jì)測(cè)得理論最大質(zhì)量流量為622.9 kg/h，熱膜式流量計(jì)測(cè)得最大質(zhì)量流量為635.7 kg/h。其次，熱膜式流量計(jì)和文丘里管流量計(jì)測(cè)得的壓氣機(jī)流量曲線變化趨于線性關(guān)系，而孔板式流量計(jì)測(cè)得的并非線性關(guān)系。在轉(zhuǎn)速低于15 000 r/min 時(shí)，3 種流量計(jì)測(cè)量流量的變化率基本一致，而在轉(zhuǎn)速大于15 000 r/min 時(shí)孔板式流量計(jì)測(cè)得流量變化率相對(duì)于熱膜式和文丘里管流量計(jì)發(fā)生較大變化，且測(cè)得流量變化率降低。最后，熱膜式流量計(jì)與文丘里管流量計(jì)的測(cè)量值比較接近，孔板式流量計(jì)測(cè)量偏差較大。其原因可能是由于孔板式流量計(jì)采用喉口突縮結(jié)構(gòu)，當(dāng)電動(dòng)增壓器轉(zhuǎn)速升高時(shí)，沿程阻力損失、局部阻力損失增加，造成流量損失增加，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏低。

3.2 優(yōu)勢(shì)分析

表2 為孔板式、熱膜式、文丘里管流量計(jì)的對(duì)比分析?？装迨搅髁坑?jì)的精度為±1.5%，但是用于測(cè)量電動(dòng)增壓器壓氣機(jī)的流量特性的試驗(yàn)中卻產(chǎn)生很大的偏差，因此孔板式流量計(jì)并不適合用于該試驗(yàn)。由圖12 可知，自制文丘里管流量計(jì)相較于精度較高的熱膜式流量計(jì)偏差不大，最大偏差約為29 kg/h，最大偏差占熱膜式流量計(jì)實(shí)際測(cè)量值的6%。由于文丘里管流量計(jì)與熱膜式流量計(jì)測(cè)得的壓氣機(jī)流量曲線變化趨于線性關(guān)系，可對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行修正，使得偏差更小。

表2 3 種流量計(jì)對(duì)比分析

由表2 可知，自制文丘里管流量計(jì)相較于其他兩種流量計(jì)具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)勢(shì)，并且適合用于測(cè)量本試驗(yàn)電動(dòng)增壓器壓氣機(jī)的流量特性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款文丘里管流量計(jì)，分別用該流量計(jì)和孔板式流量計(jì)、熱膜式流量計(jì)測(cè)量電動(dòng)增壓器壓氣機(jī)的流量特性，然后對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1) 孔板式流量計(jì)不適合用于測(cè)量電動(dòng)增壓器壓氣機(jī)的流量；

2) 熱膜式流量計(jì)用于電動(dòng)增壓器壓氣機(jī)的流量測(cè)量，精度高，但是體積相對(duì)較大，成本較高；

3) 自制文丘里管流量計(jì)適合用于測(cè)量電動(dòng)增壓器的流量特性，并且該流量計(jì)具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)勢(shì)。