涡街流量计测量柴油机脉动进气的误差分析

　　引言

　　内燃机的燃油控制和废气再循环等系统都需要对进气流量进行精确的测量,但由于活塞式内燃机进气管内的流动为脉动流,测量系统不可避免地存在气流脉动的惯性误差以及脉动压力的传输误差, 因此很难准确地测定出这类装置的进气流量。目前, 虽然对脉动流的测量进行了一些较深入的研究[1,2], 但主要的方法仍然是在被测装置和流量计之间放置一个大容积稳压箱以抑制气流的脉动,使之在流量计的安装部位能够形成较为稳定的流动,这种方法只适合在实验室条件下应用。对于车用内燃机来说, 由于空间限制,不能安装大容量稳压箱,只能进行直接测量。但直接测量结果存在较大的误差,需要进行修正。文献[3]给出了孔板流量计和涡轮流量计的修正系数,但未给出最适合车用内燃机脉动进气流测量[4]的热线(热膜)流量计和涡街流量计的修正系数。本文用涡街流量计测定各种转速下柴油机脉动进气流的流量,用误差方法对测量数据进行分析和处理,得到涡街流量计的修正系数。

　　1　脉动系数——稳定流和脉动流的划分

　　脉动流强度用脉动系数表示,定义为最大流量 Qmax与最小流量Qmin的差值的一半与平均流量Qev的比值,即

　　根据文献[3],用Ip=0.03作为划分稳定流和脉动流的界限值。当Ip>0.03时为脉动流,流量的测量会产生系统误差,要用适当的修正系数进行修正。修正系数与流量计的类型、脉动流的强度和波形等诸多因素有关,没有统一的经验公式,只能由试验得到。

　　2　试验设备和方法

　　2.1　试验设备和仪器

　　试验是在发动机试验台架上进行的。所用柴油机型号为6120A,转速范围为600～2 000 r/min,总排量为9.5×10-3m3。采用LUGB型涡街流量计,规格为=100 mm,量程为100～1 000 m3/h,精度为1%。由自行设计的以80C196KB单片机为核心的数据采集和控制系统完成数据采集。另外,还设计安装了容积为1 m3带阻尼管的稳压箱[5],用于测量发动机各转速时的实际进气流量Q0。

　　2.2　数据采集方法

　　在管道中插入一个柱状物,流体流经柱状物时,在柱状物两侧产生有规则的旋涡,称为卡门涡街。当管道雷诺数为2×104～7×106时,卡门涡街发生频率与流速成正比,检测频率就可求得流速,进而计算出流量

　　式中　ξ——流量计仪表常数,m3/次

　　f——旋涡频率,Hz

　　初步试验发现,在脉动强度较大时,与流量计配套的流量积算器显示的流量示值波动很大。分析认为,主要原因是脉动强度较大时,旋涡的脱落变得不规则,旋涡发生频率变动较大,导致流量示值波动很大。若直接检测单位时间内的旋涡的个数,则没有合适的数据处理方法将异常的频率剔除。因此,试验中采集记录各个旋涡的周期Ti,将异常周期经适当处理后,用求积分平均值的方法计算一段时间内的平均流量