用于汽车稀释排气流量测量的锥形流量计特性

　　在基于稀释取样的汽车排气污染物测量以及应用碳平衡法测燃油消耗中,需要精确测量稀释排气的流量[1-2].传统方法采用临界文丘里喷嘴CFV来实现稀释排气恒流控制,测量精度较好但系统成本很高.而采用流量计测量尽管系统比较简单,但该系统对流量计的精度、耐高温(100℃以上)、抗污能力、结构紧凑性等方面要求很高,传统的流量计(如转子式、涡街式、孔板式)很难满足要求.锥形流量计作为一种新型的差压式流量计[3],最早是20世80年代由美国McCrometer公司推出的,其测量原理与其他差压式流量计基本相同,但是由于独特的结构设计,使其具有更高的精度和重复性,量程比宽(最大量程与最小量程之比可达到15∶1),直管引流段长度较短,寿命长,压损小,信号稳定,耐高温,无滞留区,适用场合广等优点.

　　目前,国内外对内锥流量计的研究主要以物理试验为主[4-5],而对其关键性影响因素(如雷诺数、等效直径比和前后锥角等)对流出系数影响的数值模拟与物理试验的同步研究工作才刚刚开始.图1为基于稀释排气计量与成分分析的碳平衡法汽车燃油消耗测试系统[3],系统采用了自主设计的锥形流量计,实现了稀释排气流量的精确测量.文中拟对锥形流量计的结构设计、理论计算模型、流量仿真和试验标定等方面进行研究,以减小系统成本.

　　1　锥形流量计的测量原理及结构设计

　　1. 1　测量原理

　　锥形流量计测量原理是基于密闭管道中能量相互转化的伯努利定律通过测量介质流过节流锥体前(p1)和锥体后(p2)的差压,再进行温度和压力修正,使得标准状态下稀释排气的流量和差压的平方根之间成正比关系,来确定稀释排气的总流量[4-5].

　　1. 2　结构设计

　　文中设计的适用于稀释排气流量测量的锥形流量计主要由管体、内节流锥体、连接及支撑、锥体前后取压口和温度探测口等组成,结构如图2所示.主要结构参数为内径150 mm,等效直径比0. 58,前锥角36°,后锥角140°.

　　考虑到车辆稀释排气中含有腐蚀成分和微粒等,流量计材料选用316L,它具有测试精度高、稳定性好、寿命长以及采用标准法兰连接便于拆卸等优点.由于该流量计采用锥体节流的结构使得它具有自整流及自清洁、压损小等优点,特别适合应用于污浊流体流量的测量.流量计配备高精度的差压、绝压和温度传感器可以实现流量的智能测量.

　　2　流量计算模型

　　内锥式流量计是通过管道中的锥形体节流的差压式流量测量计,集经典文丘里管、环形孔板和耐磨孔板等优点于一体的新一代节流装置.与其他通用的差压流计原理相同,都基于密闭管道中能量相互转化的伯努力定律.在稳定流场的情况下,管道中的流速与差压的平方根成正比.稀释排气在标准状态下的流量为