[摘要]介(jie)紹了用(yong)渦街流(liu)量計 測(ce)量柴油(you)機脈動(dong)進氣時(shi)動态數(shu)據采集(ji)及處理(li)方法,研(yan)究了脈(mo)動進氣(qi)對流量(liang)系統誤(wu)差和修(xiu)正系數(shu)的影響(xiang)。對在幹(gan)擾狀态(tai)下得到(dao)的數據(ju)以誤差(cha)方法進(jin)行了分(fen)析及處(chu)理,得到(dao)了渦街(jie)流量計(ji)的流量(liang)修正系(xi)數與脈(mo)動系數(shu)之間的(de)關系。
引(yin)言
　　内燃(ran)機的燃(ran)油控制(zhi)和廢氣(qi)再循環(huan)等系統(tong)都需要(yao)對進氣(qi)流量進(jin)行正确(que)的測量(liang),但由于(yu)活塞式(shi)内燃機(ji)進氣管(guan)内的流(liu)動爲脈(mo)動流,測(ce)量系統(tong)不可避(bi)免地存(cun)在氣流(liu)脈動的(de)慣性誤(wu)差以及(ji)脈動壓(ya)力的傳(chuan)輸誤差(cha),因此很(hen)難正确(que)地測定(ding)出這類(lei)裝置的(de)進氣流(liu)量。目前(qian),雖然對(dui)脈動流(liu)的測量(liang)進行了(le)一些較(jiao)深入的(de)研究[21,但(dan)主要的(de)方法仍(reng)然是在(zai)被測裝(zhuang)置和流(liu)量計之(zhi)間放置(zhi)一個大(da)容積穩(wen)壓箱以(yi)抑制氣(qi)流的脈(mo)動,使之(zhi)在流量(liang)計的安(an)裝部位(wei)能夠形(xing)成較爲(wei)穩定的(de)流動,這(zhe)種方法(fa)隻适合(he)在實驗(yan)室條件(jian)下應用(yong)。對于車(che)用内燃(ran)機來說(shuo),由于空(kong)間限制(zhi),不能安(an)裝大容(rong)量穩壓(ya)箱,隻能(neng)進行直(zhi)接測量(liang)。但直接(jie)測量結(jie)果存在(zai)較大的(de)誤差,需(xu)要進行(hang)修正。文(wen)獻[3]給出(chu)了 孔闆(pan)流量計(ji) 和 渦輪(lun)流量計(ji) 的修正(zheng)系數,但(dan)未給出(chu)最适合(he)車用内(nei)燃機脈(mo)動進氣(qi)流測量(liang)41的熱線(xian)(熱膜)流(liu)量計和(he)渦街流(liu)量計的(de)修正系(xi)數。本文(wen)用渦街(jie)流量計(ji)測定各(ge)種轉速(su)下柴油(you)機脈動(dong)進氣流(liu)的流量(liang),用誤差(cha)方法對(dui)測量數(shu)據進行(hang)分析和(he)處理,得(de)到渦街(jie)流量計(ji)的修正(zheng)系數。
1脈(mo)動系數(shu)一穩定(ding)流和脈(mo)動流的(de)劃分
　　脈(mo)動流強(qiang)度用脈(mo)動系數(shu)表示,定(ding)義爲最(zui)大流量(liang)Qmax與最小(xiao)流量Qmin的(de)差值的(de)一半與(yu)平均流(liu)量Qew的比(bi)值，即

　　用(yong)Ip=0.03作爲劃(hua)分穩定(ding)流和脈(mo)動流的(de)界限值(zhi)。當Ip>0.03時爲(wei)脈動流(liu),流量的(de)測量會(hui)産生系(xi)統誤差(cha),要用适(shi)當的修(xiu)正系數(shu)進行修(xiu)正。修正(zheng)系數與(yu)流量計(ji)的類型(xing)、脈動流(liu)的強度(du)和波形(xing)等諸多(duo)因素有(you)關,沒有(you)統一的(de)經驗公(gong)式,隻能(neng)由試驗(yan)得到。
2試(shi)驗設備(bei)和方法(fa)
2.1試驗設(she)備和儀(yi)器
　　試驗(yan)是在發(fa)動機試(shi)驗台架(jia)上進行(hang)的。所用(yong)柴油機(ji)型号爲(wei)6120A,轉速範(fan)圍爲600~2000r/min,總(zong)排量爲(wei)9.5×10-3m3'。采用LUGB型(xing)渦街流(liu)量計,規(gui)格爲φ=100mm,量(liang)程爲100~1000m3/h,精(jing)度爲1%。由(you)自行設(she)計的以(yi)80C196KB單片機(ji)爲核心(xin)的數據(ju)采集和(he)控制系(xi)統完成(cheng)數據采(cai)集。另外(wai),還設計(ji)安裝了(le)容積爲(wei)1m3帶阻尼(ni)管的穩(wen)壓箱51,用(yong)于測量(liang)發動機(ji)各轉速(su)時的實(shi)際進氣(qi)流量Qo。
2.2數(shu)據采集(ji)方法
　　在(zai)管道中(zhong)插入一(yi)個柱狀(zhuang)物,流體(ti)流經柱(zhu)狀物時(shi),在柱狀(zhuang)物兩側(ce)産生有(you)規則的(de)旋渦,稱(cheng)爲卡門(men)渦街。當(dang)管道雷(lei)諾數爲(wei)2×104~7×106時,卡門(men)渦街發(fa)生頻率(lü)與流速(su)成正比(bi),檢測頻(pin)率就可(ke)求得流(liu)速,進而(er)計算.出(chu)流量.

式(shi)中ξ----流量(liang)計儀表(biao)常數,m3/次(ci)
f----旋渦頻(pin)率,Hz.
　　初步(bu)試驗發(fa)現,在脈(mo)動強度(du)較大時(shi),與流量(liang)計配套(tao)的流量(liang)積算器(qi)顯示的(de)流量示(shi)值波動(dong)很大。分(fen)析認爲(wei),主要原(yuan)因是脈(mo)動強度(du)較大時(shi),旋渦的(de)脫落變(bian)得不規(gui)則,旋渦(wo)發生頻(pin)率變動(dong)較大,導(dao)緻流量(liang)示值波(bo)動很大(da)。若直接(jie)檢測單(dan)位時間(jian)内的旋(xuan)渦的個(ge)數,則沒(mei)有合适(shi)的數據(ju)處理方(fang)法将異(yi)常的頻(pin)率剔除(chu)。因此,試(shi)驗中采(cai)集記錄(lu)各個旋(xuan)渦的周(zhou)期Ti,将異(yi)常周期(qi)經适當(dang)處理後(hou),用求積(ji)分平均(jun)值的方(fang)法計算(suan)一段時(shi)間内的(de)平均流(liu)量

式中(zhong)N一旋渦(wo)個數
3試(shi)驗結果(guo)及分析(xi)
3.1剔除異(yi)常旋渦(wo)周期減(jian)小随機(ji)誤差
　　圖(tu)1是實測(ce)的旋渦(wo)周期。由(you)圖1可以(yi)發現,某(mou)些旋渦(wo)周期很(hen)小,若直(zhi)接計算(suan)流量,将(jiang)導緻流(liu)量很大(da),因此,需(xu)要對很(hen)小的旋(xuan)渦周期(qi)作适當(dang)處理。正(zheng)常情況(kuang)下,相鄰(lin)數據之(zhi)間的變(bian)動應在(zai)一定範(fan)圍之内(nei),超出正(zheng)常範圍(wei)的數據(ju)應視爲(wei)異常值(zhi)。爲此,将(jiang)采樣數(shu)據相鄰(lin)兩點之(zhi)間的差(cha)值的絕(jue)對值累(lei)加,再對(dui)總累加(jia)值平均(jun)後得到(dao)采樣數(shu)據兩點(dian)之間的(de)平均變(bian)動值△。若(ruo)兩個采(cai)樣點Ti和(he)Ti+1之間變(bian)動值|Ti-Ti+1|>ɑ△(ɑ值(zhi)可根據(ju)信号的(de)具體情(qing)況設定(ding),本文取(qu)a=3),則認爲(wei)Ti+1爲異常(chang)值。剔除(chu)異常值(zhi)後,用式(shi)(3)依次計(ji)算相同(tong)時間間(jian)隔内的(de)平均流(liu)量,結果(guo)顯示平(ping)均流量(liang)波動不(bu)大,對柴(chai)油機所(suo)有的工(gong)況,流量(liang)随機誤(wu)差均小(xiao)于2%。。這使(shi)下面的(de)系統誤(wu)差分析(xi)和修正(zheng)系數計(ji)算成爲(wei)可能。圖(tu)2是按上(shang)述方法(fa)處理異(yi)常旋渦(wo)周期後(hou)得到的(de)轉速爲(wei)1000r/min時的平(ping)均流量(liang)Qev和随機(ji)誤差。

3.2系(xi)統誤差(cha)與脈動(dong)系數的(de)關系
　　在(zai)不安裝(zhuang)穩壓箱(xiang)的情況(kuang)下,測量(liang)的發動(dong)機各轉(zhuan)速時的(de)脈動進(jin)氣流量(liang)稱爲指(zhi)示流量(liang)。指示流(liu)量的平(ping)均值稱(cheng)平均指(zhi)示流量(liang),簡稱平(ping)均流量(liang)Qe爲了确(que)定渦街(jie)流量計(ji)測量柴(chai)油機脈(mo)動進氣(qi)流量時(shi)的系統(tong)誤差,特(te)别安裝(zhuang)了大容(rong)積的穩(wen)壓箱,對(dui)脈動進(jin)氣流濾(lü)波。在保(bao)持IP<0.03的條(tiao)件下,測(ce)定發動(dong)機各轉(zhuan)速時的(de)進氣流(liu)量,該穩(wen)定流條(tiao)件下測(ce)得的流(liu)量稱爲(wei)實際流(liu)量Qo.渦街(jie)流量計(ji)測脈動(dong)流時的(de)流量系(xi)統誤差(cha)B爲

　　圖3示(shi)出了發(fa)動機各(ge)轉速時(shi)的實際(ji)流量和(he)平均指(zhi)示流量(liang),圖4示出(chu)了發動(dong)機各轉(zhuan)速時的(de)流量脈(mo)動1系數(shu)和系統(tong)誤差。

　　很(hen)明顯,在(zai)不安裝(zhuang)穩壓箱(xiang)的情況(kuang)下，柴油(you)機進氣(qi).的脈動(dong)強度随(sui)轉速變(bian)化,低轉(zhuan)速時脈(mo)動強度(du)大,随着(zhe)轉速的(de)升高,脈(mo)動強度(du)逐漸減(jian)小。流量(liang)系統誤(wu)差随脈(mo)動強度(du)變化,脈(mo)動強度(du)大則系(xi)統誤差(cha)也大。在(zai)此要特(te)别指出(chu)的是文(wen)獻[3]中給(gei)出的孔(kong)闆流量(liang)計和渦(wo)輪流量(liang)計的系(xi)統誤差(cha)均爲正(zheng)值,而渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)柴油.機(ji)脈動進(jin)氣流時(shi)的流量(liang)系統誤(wu)差爲負(fu)值,即平(ping)均指示(shi)流量小(xiao)于對應(ying)轉速時(shi)的實際(ji)流量。這(zhe)個結果(guo)似乎是(shi)錯誤的(de),因爲脈(mo)動使得(de)氣流流(liu)動不穩(wen)定,好像(xiang)應該産(chan)生較多(duo)的旋渦(wo),指示流(liu)量應該(gai)變大。恰(qia)恰相反(fan),真實的(de)情況是(shi)周期性(xing)的脈動(dong)抑制了(le)旋渦的(de)脫落091。在(zai)周期性(xing)脈動的(de)作用下(xia)，旋渦發(fa)生體後(hou)剪切層(ceng)中的旋(xuan)渦以小(xiao)的振幅(fu)不規則(ze)地攝動(dong),攝動使(shi)得大旋(xuan)渦破碎(sui)變小,同(tong)時伴随(sui)着産生(sheng)多個小(xiao)旋渦,雖(sui)然旋渦(wo)總數增(zeng)加,但旋(xuan)渦群從(cong)剪切層(ceng)中脫落(luo)出來的(de)強度減(jian)弱。當旋(xuan)渦脫落(luo)強度減(jian)弱到一(yi)定程度(du)時,壓電(dian)晶體傳(chuan)感器将(jiang)檢測不(bu)出該旋(xuan)渦的脫(tuo)落,從而(er)導緻了(le)平均指(zhi)示流量(liang)小于實(shi)際流量(liang)。仔細地(di)調整流(liu)量計放(fang)大電路(lu)中交流(liu)電壓放(fang)大器的(de)放大倍(bei)數和施(shi)密特觸(chu)發器的(de)靈敏度(du)将有助(zhu)于減小(xiao)流量系(xi)統誤差(cha),當然不(bu)能完全(quan)消除。
　　将(jiang)上述結(jie)果整理(li)後重新(xin)畫在圖(tu)5中。圖中(zhong)給出.了(le)系統誤(wu)差與脈(mo)動系數(shu)之間的(de)關系,同(tong)時也給(gei)出了所(suo)謂流量(liang)修正系(xi)數與脈(mo)動系數(shu)之間的(de)關系,流(liu)量修:正(zheng)系數F,爲(wei)

　　根據流(liu)量修正(zheng)系數與(yu)脈動系(xi)數之間(jian)的關系(xi),變速工(gong)沉下的(de)流量控(kong)制系統(tong)即可根(gen)據實測(ce)的脈動(dong)系數得(de)到相應(ying)的流量(liang)修正系(xi)數,對流(liu)量進行(hang)修正。
4結(jie)論.
(1)采樣(yang)系統采(cai)集記錄(lu)渦街流(liu)量計旋(xuan)渦周期(qi),剔除異(yi)常旋渦(wo)周期後(hou),用求積(ji)分平均(jun)值的方(fang)法計算(suan)得到的(de)平均流(liu)量的随(sui)機誤差(cha)小于2%。
(2)周(zhou)期性的(de)脈動抑(yi)制了旋(xuan)渦的脫(tuo)落,平均(jun)指示流(liu)量小于(yu)對應轉(zhuan)速時的(de)實際流(liu)量,平均(jun)指示流(liu)量應根(gen)據相應(ying)的流量(liang)修正系(xi)數進行(hang)修正。

(3)得(de)出了渦(wo)街流量(liang)計的流(liu)量修正(zheng)系數與(yu)脈動系(xi)數之間(jian)的關系(xi)。

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