智能型
渦街流量計測定各種轉(zhuǎn)速下柴油機脈動進氣流的流量
內(nèi)燃機的燃油控制和廢氣再循環(huán)等系統(tǒng)都需要對進氣流量進行*的測量，但由于活塞式內(nèi)燃機進氣管內(nèi)的流動為脈動流，測量系統(tǒng)不可避免地存在氣流脈動的慣性誤差以及脈動壓力的傳輸誤差，因此很難準確地測定出這類裝置的進氣流量。目前，雖然對脈動流的測量進行了一些較深入的研究[1、2]，但主要的方法仍然是在被測裝置和流量計之間放置一個大容積穩(wěn)壓箱以抑制氣流的脈動，使之在流量計的安裝部位能夠形成較為穩(wěn)定的流動，這種方法只適合在實驗室條件下應用。對于車用內(nèi)燃機來說，由于空間限制，不能安裝大容量穩(wěn)壓箱，只能進行直接測量。但直接測量結(jié)果存在較大的誤差，需要進行修正。文獻[3]給出了孔板流量計和渦輪流量計的修正系數(shù)，但未給出*適合車用內(nèi)燃機脈動進氣流測量[4]的熱線（熱膜）流量計和渦街流量計的修正系數(shù)。本文用渦街流量計測定各種轉(zhuǎn)速下柴油機脈動進氣流的流量，用誤差方法對測量數(shù)據(jù)進行分析和處理，得到渦街流量計的修正系數(shù)。
1 脈動系數(shù)——穩(wěn)定流和脈動流的劃分
脈動流強度用脈動系數(shù)表示，定義為*大流量Qmax與*小流量Qmin的差值的一半與平均流量Qev的比值，即
根據(jù)文獻[3]，用Ip=0.03作為劃分穩(wěn)定流和脈動流的界限值。當Ip>0.03時為脈動流，流量的測量會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，要用適當?shù)男拚禂?shù)進行修正。修正系數(shù)與流量計的類型、脈動流的強度和波形等諸多因素有關(guān)，沒有統(tǒng)一的經(jīng)驗公式，只能由試驗得到。
2 試驗設(shè)備和方法
2.1 試驗設(shè)備和儀器
試驗是在發(fā)動機試驗臺架上進行的。所用柴油機型號為6120A，轉(zhuǎn)速范圍為600～2000r/min，總排量為9.5 X 10-3m3。采用LUGB型渦街流量計，規(guī)格為Ф=100mm，量程為100～1000m3/h，精度為1%。由自行設(shè)計的以80C196KB單片機為核心的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集。另外，還設(shè)計安裝了容積為1m3帶阻尼管的穩(wěn)壓箱[5]，用于測量發(fā)動機各轉(zhuǎn)速時的實際進氣流量Qo。
2.2 數(shù)據(jù)采集方法
在管道中插入一個柱狀物，流體流經(jīng)柱狀物時，在柱狀物兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，稱為卡門渦街。當管道雷諾數(shù)為2X104～7X106 時，卡門渦街發(fā)生頻率與流速成正比，檢測頻率就可求得流速，進而計算出流量
Q=3600εf （2）
式中 ε——流量計儀表常數(shù)，m3/次
f——旋渦頻率，Hz
初步試驗發(fā)現(xiàn)，在脈動強度較大時，與流量計配套的流量積算器顯示的流量示值波動很大。分析認為，主要原因是脈動強度較大時，旋渦的脫落變得不規(guī)則，旋渦發(fā)生頻率變動較大，導致流量示值波動很大。若直接檢測單位時間內(nèi)的旋渦的個數(shù)，則沒有合適的數(shù)據(jù)處理方法將異常的頻率剔除。因此，試驗中采集記錄各個旋渦的周期Ti，將異常周期經(jīng)適當處理后，用求積分平均值的方法計算一段時間內(nèi)的平均流量
式中N——旋渦個數(shù)
3 試驗結(jié)果及分析
3.1 剔除異常旋渦周期減小隨機誤差
圖1是實測的旋渦周期。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，某些旋渦周期很小，若直接計算流量，將導致流量很大，因此，需要對很小的旋渦周期作適當處理。正常情況下，相鄰數(shù)據(jù)之間的變動應在一定范圍之內(nèi)，超出正常范圍的數(shù)據(jù)應視為異常值。為此，將采樣數(shù)據(jù)相鄰兩點之間的差值的*值累加，再對總累加值平均后得到采樣數(shù)據(jù)兩點之間的平均變動值△。若兩個采樣點Ti和Ti+1之間變動值∣Ti-Ti+1∣> a△（a值可根據(jù)信號的具體情況設(shè)定，本文取a=3），則認為Ti+1為異常值。剔除異常值后，用式（3）依次計算相同時間間隔內(nèi)的平均流量，結(jié)果顯示平均流量波動不大，對柴油機所有的工況，流量隨機誤差均小于2%。這使下面的系統(tǒng)誤差分析和修正系數(shù)計算成為可能。圖2是按上述方法處理異常旋渦周期后得到的轉(zhuǎn)速為1000r/min時的平均流量Qev和隨機誤差。
3.2 系統(tǒng)誤差與脈動系數(shù)的關(guān)系
在不安裝穩(wěn)壓箱的情況下，測量的發(fā)動機各轉(zhuǎn)速時的脈動進氣流量稱為指示流量。指示流量的平均值稱平均指示流量，簡稱平均流量Qev。為了確定渦街流量計測量柴油機脈動進氣流量時的系統(tǒng)誤差，特別安裝了大容積的穩(wěn)壓箱，對脈動進氣流濾波。在保持Ip< 0.03的條件下，測定發(fā)動機各轉(zhuǎn)速時的進氣流量，該穩(wěn)定流條件下測得的流量稱為實際流量Qo。渦街流量計測脈動流時的流量系統(tǒng)誤差B為
圖3示出了發(fā)動機各轉(zhuǎn)速時的實際流量和平均指示流量，圖4示出了發(fā)動機各轉(zhuǎn)速時的流量脈動系數(shù)和系統(tǒng)誤差。
很明顯，在不安裝穩(wěn)壓箱的情況下，柴油機進氣的脈動強度隨轉(zhuǎn)速變化，低轉(zhuǎn)速時脈動強度大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，脈動強度逐漸減小。流量系統(tǒng)誤差隨脈動強度變化，脈動強度大則系統(tǒng)誤差也大。在此要特別指出的是文獻[3]中給出的孔板流量計和渦輪流量計的系統(tǒng)誤差均為正值，而渦街流量計測量柴油機脈動進氣流時的流量系統(tǒng)誤差為負值，即平均指示流量小于對應轉(zhuǎn)速時的實際流量。這個結(jié)果似乎是錯誤的，因為脈動使得氣流流動不穩(wěn)定，好像應該產(chǎn)生較多的旋渦，指示流量應該變大。恰恰相反，真實的情況是周期性的脈動抑制了旋渦的脫落[6-9]。在周期性脈動的作用下，旋渦發(fā)生體后剪切層中的旋渦以小的振幅不規(guī)則地攝動，攝動使得大旋渦破碎變小，同時伴隨著產(chǎn)生多個小旋渦，雖然旋渦總數(shù)增加，但旋渦群從剪切層中脫落出來的強度減弱。當旋渦脫落強度減弱到一定程度時，壓電晶體傳感器將檢測不出該旋渦的脫落，從而導致了平均指示流量小于實際流量。仔細地調(diào)整流量計放大電路中交流電壓放大器的放大倍數(shù)和施密特觸發(fā)器的靈敏度將有助于減小流量系統(tǒng)誤差，當然不能完全消除。
將上述結(jié)果整理后重新畫在圖5中。圖中給出了系統(tǒng)誤差與脈動系數(shù)之間的關(guān)系，同時也給出了所謂流量修正系數(shù)與脈動系數(shù)之間的關(guān)系，流量修正系數(shù)Fp為
顯然，流量修正系數(shù)與系統(tǒng)誤差關(guān)系為
Fp=1+B （6）
根據(jù)流量修正系數(shù)與脈動系數(shù)之間的關(guān)系，變速工況下的流量控制系統(tǒng)即可根據(jù)實測的脈動系數(shù)得到相應的流量修正系數(shù)，對流量進行修正。
（1）采樣系統(tǒng)采集記錄渦街流量計旋渦周期，剔除異常旋渦周期后，用求積分平均值的方法計算得到的平均流量的隨機誤差小于2%。
（2）周期性的脈動抑制了旋渦的脫落，平均指示流量小于對應轉(zhuǎn)速時的實際流量，平均指示流量應根據(jù)相應的流量修正系數(shù)進行修正。
（3）得出了渦街流量計的流量修正系數(shù)與脈動系數(shù)之間的關(guān)系。
