[摘要]介紹了用渦街流量計(jì)測量柴油機(jī)脈動(dòng)進(jìn)氣時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集及處理方法,研究了脈動(dòng)進(jìn)氣對(duì)流量系統(tǒng)誤差和修正系數(shù)的影響。對(duì)在干擾狀態(tài)下得到的數(shù)據(jù)以誤差方法進(jìn)行了分析及處理,得到了渦街流量計(jì)的流量修正系數(shù)與脈動(dòng)系數(shù)之間的關(guān)系。
引言
內(nèi)燃機(jī)的燃油控制和廢氣再循環(huán)等系統(tǒng)都需要對(duì)進(jìn)氣流量進(jìn)行正確的測量,但由于活塞式內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)的流動(dòng)為脈動(dòng)流,測量系統(tǒng)不可避免地存在氣流脈動(dòng)的慣性誤差以及脈動(dòng)壓力的傳輸誤差,因此很難正確地測定出這類裝置的進(jìn)氣流量。目前,雖然對(duì)脈動(dòng)流的測量進(jìn)行了一些較深入的研究[21,但主要的方法仍然是在被測裝置和流量計(jì)之間放置一個(gè)大容積穩(wěn)壓箱以抑制氣流的脈動(dòng),使之在流量計(jì)的安裝部位能夠形成較為穩(wěn)定的流動(dòng),這種方法只適合在實(shí)驗(yàn)室條件下應(yīng)用。對(duì)于車用內(nèi)燃機(jī)來說,由于空間限制,不能安裝大容量穩(wěn)壓箱,只能進(jìn)行直接測量。但直接測量結(jié)果存在較大的誤差,需要進(jìn)行修正。文獻(xiàn)[3]給出了孔板流量計(jì)和渦輪流量計(jì)的修正系數(shù),但未給出最適合車用內(nèi)燃機(jī)脈動(dòng)進(jìn)氣流測量41的熱線(熱膜)流量計(jì)和渦街流量計(jì)的修正系數(shù)。本文用渦街流量計(jì)測定各種轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)脈動(dòng)進(jìn)氣流的流量,用誤差方法對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,得到渦街流量計(jì)的修正系數(shù)。
1脈動(dòng)系數(shù)一穩(wěn)定流和脈動(dòng)流的劃分
脈動(dòng)流強(qiáng)度用脈動(dòng)系數(shù)表示,定義為最大流量Qmax與最小流量Qmin的差值的一半與平均流量Qew的比值，即
用Ip=0.03作為劃分穩(wěn)定流和脈動(dòng)流的界限值。當(dāng)Ip>0.03時(shí)為脈動(dòng)流,流量的測量會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差,要用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)進(jìn)行修正。修正系數(shù)與流量計(jì)的類型、脈動(dòng)流的強(qiáng)度和波形等諸多因素有關(guān),沒有統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)公式,只能由試驗(yàn)得到。
2試驗(yàn)設(shè)備和方法
2.1試驗(yàn)設(shè)備和儀器
試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的。所用柴油機(jī)型號(hào)為6120A,轉(zhuǎn)速范圍為600~2000r/min,總排量為9.5×10-3m3'。采用LUGB型渦街流量計(jì),規(guī)格為φ=100mm,量程為100~1000m3/h,精度為1%。由自行設(shè)計(jì)的以80C196KB單片機(jī)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(jì)安裝了容積為1m3帶阻尼管的穩(wěn)壓箱51,用于測量發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速時(shí)的實(shí)際進(jìn)氣流量Qo。
2.2數(shù)據(jù)采集方法
在管道中插入一個(gè)柱狀物,流體流經(jīng)柱狀物時(shí),在柱狀物兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,稱為卡門渦街。當(dāng)管道雷諾數(shù)為2×104~7×106時(shí),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(jìn)而計(jì)算.出流量.
式中ξ----流量計(jì)儀表常數(shù),m3/次
f----旋渦頻率,Hz.
初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在脈動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí),與流量計(jì)配套的流量積算器顯示的流量示值波動(dòng)很大。分析認(rèn)為,主要原因是脈動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí),旋渦的脫落變得不規(guī)則,旋渦發(fā)生頻率變動(dòng)較大,導(dǎo)致流量示值波動(dòng)很大。若直接檢測單位時(shí)間內(nèi)的旋渦的個(gè)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(yàn)中采集記錄各個(gè)旋渦的周期Ti,將異常周期經(jīng)適當(dāng)處理后,用求積分平均值的方法計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的平均流量
式中N一旋渦個(gè)數(shù)
3試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1剔除異常旋渦周期減小隨機(jī)誤差
圖1是實(shí)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(jì)算流量,將導(dǎo)致流量很大,因此,需要對(duì)很小的旋渦周期作適當(dāng)處理。正常情況下,相鄰數(shù)據(jù)之間的變動(dòng)應(yīng)在一定范圍之內(nèi),超出正常范圍的數(shù)據(jù)應(yīng)視為異常值。為此,將采樣數(shù)據(jù)相鄰兩點(diǎn)之間的差值的絕對(duì)值累加,再對(duì)總累加值平均后得到采樣數(shù)據(jù)兩點(diǎn)之間的平均變動(dòng)值△。若兩個(gè)采樣點(diǎn)Ti和Ti+1之間變動(dòng)值|Ti-Ti+1|>ɑ△(ɑ值可根據(jù)信號(hào)的具體情況設(shè)定,本文取a=3),則認(rèn)為Ti+1為異常值。剔除異常值后,用式(3)依次計(jì)算相同時(shí)間間隔內(nèi)的平均流量,結(jié)果顯示平均流量波動(dòng)不大,對(duì)柴油機(jī)所有的工況,流量隨機(jī)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(jì)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(shí)的平均流量Qev和隨機(jī)誤差。
3.2系統(tǒng)誤差與脈動(dòng)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(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速時(shí)的脈動(dòng)進(jìn)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Qe為了確定渦街流量計(jì)測量柴油機(jī)脈動(dòng)進(jìn)氣流量時(shí)的系統(tǒng)誤差,特別安裝了大容積的穩(wěn)壓箱,對(duì)脈動(dòng)進(jìn)氣流濾波。在保持IP<0.03的條件下,測定發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速時(shí)的進(jìn)氣流量,該穩(wěn)定流條件下測得的流量稱為實(shí)際流量Qo.渦街流量計(jì)測脈動(dòng)流時(shí)的流量系統(tǒng)誤差B為
圖3示出了發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速時(shí)的實(shí)際流量和平均指示流量,圖4示出了發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速時(shí)的流量脈動(dòng)1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(jī)進(jìn)氣.的脈動(dòng)強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速變化,低轉(zhuǎn)速時(shí)脈動(dòng)強(qiáng)度大,隨著轉(zhuǎn)速的升高,脈動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小。流量系統(tǒng)誤差隨脈動(dòng)強(qiáng)度變化,脈動(dòng)強(qiáng)度大則系統(tǒng)誤差也大。在此要特別指出的是文獻(xiàn)[3]中給出的孔板流量計(jì)和渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)誤差均為正值,而渦街流量計(jì)測量柴油.機(jī)脈動(dòng)進(jìn)氣流時(shí)的流量系統(tǒng)誤差為負(fù)值,即平均指示流量小于對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速時(shí)的實(shí)際流量。這個(gè)結(jié)果似乎是錯(cuò)誤的,因?yàn)槊}動(dòng)使得氣流流動(dòng)不穩(wěn)定,好像應(yīng)該產(chǎn)生較多的旋渦,指示流量應(yīng)該變大。恰恰相反,真實(shí)的情況是周期性的脈動(dòng)抑制了旋渦的脫落091。在周期性脈動(dòng)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?cái)z動(dòng),攝動(dòng)使得大旋渦破碎變小,同時(shí)伴隨著產(chǎn)生多個(gè)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(qiáng)度減弱。當(dāng)旋渦脫落強(qiáng)度減弱到一定程度時(shí),壓電晶體傳感器將檢測不出該旋渦的脫落,從而導(dǎo)致了平均指示流量小于實(shí)際流量。仔細(xì)地調(diào)整流量計(jì)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(dāng)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(dòng)系數(shù)之間的關(guān)系,同時(shí)也給出了所謂流量修正系數(shù)與脈動(dòng)系數(shù)之間的關(guān)系,流量修:正系數(shù)F,為
根據(jù)流量修正系數(shù)與脈動(dòng)系數(shù)之間的關(guān)系,變速工沉下的流量控制系統(tǒng)即可根據(jù)實(shí)測的脈動(dòng)系數(shù)得到相應(yīng)的流量修正系數(shù),對(duì)流量進(jìn)行修正。
4結(jié)論.
(1)采樣系統(tǒng)采集記錄渦街流量計(jì)旋渦周期,剔除異常旋渦周期后,用求積分平均值的方法計(jì)算得到的平均流量的隨機(jī)誤差小于2%。
(2)周期性的脈動(dòng)抑制了旋渦的脫落,平均指示流量小于對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速時(shí)的實(shí)際流量,平均指示流量應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的流量修正系數(shù)進(jìn)行修正。
(3)得出了渦街流量計(jì)的流量修正系數(shù)與脈動(dòng)系數(shù)之間的關(guān)系。
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