摘要:本文介紹 WD615 柴油機(jī)空氣流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理 、結(jié)構(gòu)尺寸的確定及校驗(yàn)方法 。

1、前言：
  柴油機(jī)所需的空氣流量同燃油消耗量一樣,是一個(gè)重要的測量參數(shù) ,在測量內(nèi)燃機(jī)所需空氣流量時(shí), 像 WD615 這樣的增壓柴油機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴等節(jié)流裝置來測量空氣流量,管路系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的壓力損失 ,影響增壓器的壓氣機(jī)效率 ,因此無法用這種方法進(jìn)行測量 。雙紐線流量計(jì)前不需要安裝管道 ,并且進(jìn)口部分的形狀適于空氣流束的運(yùn)動, 具有流場均勻、流量系數(shù)大、流動阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、制造容易等優(yōu)點(diǎn) 。所以我們?yōu)?WD615 柴油機(jī)設(shè)計(jì)了雙紐線空氣流量計(jì)。

2、設(shè)計(jì)原理：
2 .1、算式中所用符號說明：
  P0 —大氣壓力 , k Paρ0—大氣密度,kg m3P1 —雙紐線空氣流量計(jì)圓柱部分氣體壓力 ,k PaV1 —雙紐線空氣流量計(jì)圓柱部分理想流動流速,m sd1 —雙紐線空氣流量計(jì)圓柱部分內(nèi)孔直徑 ,ma1 —雙紐線空氣流量計(jì)流量系數(shù)ε1 —雙紐線空氣流量計(jì)膨脹系數(shù)ΔP1—雙紐線空氣流量計(jì)壓差 ,mm H2Om1 —雙紐線空氣流量計(jì)縮口比ρ1—雙紐線空氣流量計(jì)圓柱部分空氣密度,kg m3K —空氣絕熱指數(shù)δ—紊流附面層厚度,mδk—紊流附面層位移厚度 ,mγ—使用流量計(jì)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)乜諝膺\(yùn)動粘度 ,m2 sX —雙紐線空氣流量計(jì)進(jìn)口曲面距測壓點(diǎn)的距離 ,mDg —雙紐線空氣流量計(jì)所接管道內(nèi)孔直徑 , m。
2 .2、流量計(jì)算原理：
  雙紐線流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 ,當(dāng)空氣壓力以P0 進(jìn)入流量計(jì)時(shí) ,因進(jìn)口部分是雙曲面形狀,完全適應(yīng)氣體流束的形狀 ,因此不產(chǎn)生渦流損失,使流束的收縮達(dá)到完全的程度 。流束達(dá)到***小截面積即為出口部分的圓柱形截面積 。在距流量計(jì)進(jìn)口相當(dāng)距離的地方 ,其流速為零 ,氣體流束收縮到流量計(jì)出口直管段時(shí), 流速達(dá)到***大 ,且在直管

圖 1 　雙紐線流量計(jì)結(jié)構(gòu)

段流速是恒定的 ,此時(shí)的壓力由 P0下降到 P1, 其壓差為ΔP1 =P0 -P1則繞過雙紐線流量計(jì)的理論空氣量為

  在實(shí)際流動過程中, 空氣是有粘性的,流量計(jì)內(nèi)流場分為兩部分 :即紊流附面層和附面層以外的部分 。根據(jù)附面層理論 , 對相同截面管道而言,實(shí)際流量比不考慮附面層時(shí)理想流量小, 相當(dāng)理想流動的有效邊界縮小一個(gè)附面層位移厚度 δk ,由此可以得出氣體實(shí)際流量的公式 :

  G實(shí) =V1ρ1(F1-FδX)　 =π4(d1 -2δk)2V1 ρ1(kg s) (9)δk=∫δ0(1 -VyV)dy (10)如圖 2 所示 ,紊流附面層內(nèi)流速 Vy按指數(shù)規(guī)律變化,把坐標(biāo)原點(diǎn)放在管壁上,則VyV=(Yδ)1N(11)N 是個(gè)變數(shù) , 其數(shù)值決定于雷諾數(shù) Re , 在105<Re <107范圍內(nèi), 取N =7 比較適宜, 因?yàn)閃D615 柴油機(jī)所用流量計(jì)的Re =V1 d1γ=2 .06 ×106,故取N =7VyV=(Yδ)17 (12)把(12)代入(10)式:δk=∫δ0(1 -VyV)dy=∫δ0[ (1 -VyV)17 ] dy =18δ (13)δ為附面層厚度,它等于VyV=0 .99時(shí)的Y值 ,按紊流附面層理論 :δ=0 .37 ×(γV1 X)15Xδk =18×0 .37 ×(γV1 X)15X (m)在一定溫度下, 空氣運(yùn)動粘度一定 ,管道同一截面上的附面層位移厚度是一個(gè)確定的值。從而可求實(shí)際流量 :G實(shí) =π4(d1-2δk)2V1ρ1(kg s) (14)

2 .3、流量系數(shù)的確定：
  按流量系數(shù)的定義, 即實(shí)際空氣流量 G實(shí)與理論空氣流量 G理 的比值 。由(7)、(14)式可以得出:a1 =G 實(shí)G 理=(d1 -2δk)2d12對WD615 流量計(jì) d1 =0 .074m ,20 ℃時(shí)δk=0 .00016 (m)代入上式 a1=(d1-2δk)2d12=0 .991對雙紐線流量計(jì)而言 ,管道內(nèi)雷諾數(shù)、縮口比是流量系數(shù)的函數(shù), a1 =F(Re ,m)。由于空氣的流動來自于周圍大氣, 周圍空間很大 ,故認(rèn)為縮口比m =0 , 因此 , 流量系數(shù) a1與m 無關(guān) ,只取決于雷諾數(shù)Re 的大小,即a1 =f(Re)。用實(shí)驗(yàn)的方法得出其界限雷諾數(shù) Rek ≥ 5 .5 ×104, 當(dāng)實(shí)際雷諾數(shù)Re ≥5 .5 ×104時(shí) ,流量系數(shù) a1 為常數(shù) 。因WD615雙紐流量計(jì)的雷諾數(shù) Re =2 .06 ×106, 大于5 .5 ×104,故流量系數(shù)為常數(shù) a1=0 .991 。
2 .4、膨脹系數(shù)ε1的確定：
  ε1 是考慮到氣體壓力降低會使氣體密度減小,引起流量減小而引入的修正系數(shù) 。由(8)式可知:

2 .5、WD615 柴油機(jī)雙紐流量計(jì)的流量計(jì)算公式：
  G實(shí) =a1G理 =a1F1ε12gρ0(P0-P1)　　 =0 .01886ε1ρ0ΔP1(kg s
3、雙紐線流量計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)：
  雙紐流量計(jì)加工時(shí)按雙紐曲線方程γ2=a2cos2θ　　γ=α cos2θ并滿足ad1=0 .6 ～ 0 .8取 a =0 .7d1,θ=0°～ 45°,θmax=45°如圖 3 所示 ,外導(dǎo)流型線取 0 ～ 20°。

3 .1、按已知條件估算流量計(jì)壓差：
  已知 :實(shí)驗(yàn) 管道 d = 0 .074m , 常用 流量G實(shí) =0 .379(kg s), 大 氣 狀 況 t = 20 ℃,P0 =101.33k Pa , 大氣密度 ρ0 =1 .205kg m3, 空氣運(yùn)動粘度γ=14 .9 ×10-6m2 s ,取ε1=0 .99 。根據(jù)以上已知條件 , 可以估算出流量計(jì)壓差ΔP1 :ΔP1=G2實(shí)(0 .01886ε1)2ρ0=334(mm H2O)通常控制流量計(jì)水柱壓差高度在 0 .1 ～ 1m之間 ,水柱過低流量誤差大,水柱過高時(shí)流量損失大。通過以上計(jì)算可以看出壓差 ΔP1比較適宜,不需要再做調(diào)整。

3 .2、結(jié)構(gòu)尺寸的確定：
  根據(jù)流量壓差的估算 , 取流量計(jì)直管段內(nèi)徑與增壓器壓氣機(jī)徑口直徑相等 ,d1=dg=74mm,在圖 3 中 a 的大小直接影響到流量計(jì)的尺寸, 選a =0 .7d1 =74 ×0 .7 =51 .8mm , 在 0°～ 45°范圍內(nèi),γ=α cos2θ(0 ≤θ≤45°),以不同的θ值代入線性方程可做出雙紐線的型線 。L1 =0 .25d1=18 .5(mm)L2 =a cos30°cos30°=0 .806a=41 .44(mm)L =L1+L2+d1=143 .94(mm)D0 =d1 +2a cos30°sin60°=199(mm)通常取測壓孔 Υ2 , 流道表面要光滑, 材料為鍛鋁比較好。

4、雙紐線流量計(jì)的校驗(yàn)：
4 .1、標(biāo)定系統(tǒng)：
  由圖 4 校檢系統(tǒng)可以看出, 讓雙紐流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)進(jìn)行串聯(lián)抽風(fēng) , 為了盡量克服空氣流動阻力損失,保證空氣穩(wěn)定流動,在雙紐流量計(jì)之后加了穩(wěn)壓箱。閥門 7 控制抽風(fēng)量的大小 ,兩種流量計(jì)壓差分別由“U” 形管中的水柱高度測出。我們應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)空板流量計(jì)孔板內(nèi)徑 Υ51 .7 ,經(jīng)計(jì)量校驗(yàn)流量系數(shù) a =0 .75 。雙紐線流量計(jì)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 1 。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)算公式為 :G2 =13600×0 .0125a2ε2d22ΔP2ρ=0 .005753ε2 ΔP2ρ(kg s)式中 :ρ— 孔板流量計(jì)前的空氣密度ρ=0 .034T0(P0 -P2)kg m3Δp2— 孔板流量計(jì)前后壓差 ,mm H2Oε2— 膨脹系數(shù), 由實(shí)驗(yàn)曲線查得T0 — 大氣溫度 , KP2 — 孔板前壓降 , mm H2O雙紐流量計(jì)算公式:G1 =0 .01886ε1 ΔP1 ρ0 (kg s)用校驗(yàn)裝置測量全部數(shù)據(jù)得到校驗(yàn)曲線, 如圖5 所示 。由校驗(yàn)曲線可知雙紐流量計(jì)的準(zhǔn)確度不大于 ±3 %, 符合 GB1105 .3 —87 內(nèi)燃機(jī)工架性能試驗(yàn)方法的技術(shù)要求, 該標(biāo)準(zhǔn)要求準(zhǔn)確度不大于 ±5 %。

圖 4 　雙紐流量計(jì)校驗(yàn)系統(tǒng)

表 1 　雙紐線流量計(jì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)表環(huán)境狀況:P0=1023mbar T0=292K

圖 5　雙紐流量計(jì)校驗(yàn)曲線
5、結(jié)論：
  對增壓柴油機(jī)來說 , 用雙紐線流量計(jì)進(jìn)行空氣量的測量具有壓力損失小, 結(jié)構(gòu)簡單 , 便于安裝,計(jì)算方便 , 并可用于增壓器的平臺試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn),所以雙紐線流量計(jì)廣泛應(yīng)用于增壓柴油機(jī)及增壓器的平臺試驗(yàn)中 。我們?yōu)?WD615 柴油機(jī)設(shè)計(jì)的雙紐流量計(jì)進(jìn)行了校驗(yàn) ,其準(zhǔn)確度符合標(biāo)準(zhǔn)。