雙渦輪流量計(jì)計(jì)量燃油消耗的方法研究

內(nèi)燃機(jī)車燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得燃油流量與燃油消耗量之間存在巨大差距，即燃油的 “大流量小消耗”難題。對構(gòu)成燃油消耗量計(jì)量誤差的原因進(jìn)行了深入分析; 基于誤差理論、通過大量實(shí)驗(yàn)研究，用改進(jìn)的常規(guī)流量計(jì)量裝置—渦輪流量傳感器，采用溫度補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)了燃油的質(zhì)量流量測量; 通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及采用現(xiàn)場實(shí)流參數(shù)匹配的方法，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確計(jì)量?，F(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示樣機(jī)計(jì)量精度達(dá)到 1. 0 級，滿足實(shí)際計(jì)量需要。

當(dāng)前全球能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)。節(jié)能減排首先要從降低能源消耗杜絕能源浪費(fèi)做起。鐵路內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)力來源是柴油機(jī)，柴油機(jī)的工作狀態(tài)直接決定了能源的消耗和廢氣的排放。目前內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行控制大多集中在安全運(yùn)行方面，對于能源消耗的計(jì)量是按機(jī)車組核算，還停留在看油箱油位、讀標(biāo)尺刻度的時(shí)代。在燃油消耗量的管理考核上，缺乏必要的科學(xué)手段，只能按機(jī)車組進(jìn)行考核，不能實(shí)現(xiàn)按班考核。在機(jī)車乘務(wù)員交接班過程中，只能靠眼睛觀測，憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)大概用油量，尚無較的客觀計(jì)量依據(jù).

在我國的鐵路系統(tǒng)中，一臺(tái)機(jī)車( 機(jī)車組) 一般是由兩到三個(gè)乘務(wù)班擔(dān)當(dāng)，按機(jī)車組核算不利于調(diào)動(dòng)各乘務(wù)班節(jié)能減排的積極性。采用現(xiàn)代科技手段，實(shí)時(shí)檢測并記錄機(jī)車內(nèi)燃機(jī)燃油消耗情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控內(nèi)燃機(jī)熱工狀態(tài)，為加強(qiáng)燃油消耗的管理、建立約束激勵(lì)機(jī)制，特別是從根本上解決機(jī)車乘務(wù)員按班考核，達(dá)到促進(jìn)機(jī)車乘務(wù)員提高機(jī)車操作水平，努力為實(shí)現(xiàn)“多拉快跑節(jié)油少排放”創(chuàng)造前提條件。

1.難點(diǎn)

內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗的計(jì)量在熱工量測量領(lǐng)域?qū)儆诹髁繙y量，計(jì)量對象為液體柴油。液體流量的計(jì)量本來是比較容易實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)有的常規(guī)流量儀表計(jì)量液

首先是確定測量方案。圖 1 所示為內(nèi)燃機(jī)車燃油系統(tǒng)原理。燃油從油箱經(jīng)供油軟管 1 由燃油泵 3

泵入內(nèi)燃機(jī)車燃油系統(tǒng)，使系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值 ( 一般為 0．2 ～ 0．3MPa) 。在機(jī)組不工作( 機(jī)車未啟動(dòng)) 時(shí)，進(jìn)入燃油系統(tǒng)的燃油全部經(jīng)旁通閥 6 及回油軟管 10 返回油箱，此時(shí)稱為“空打燃油泵”狀態(tài);當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，噴油泵組 8 啟動(dòng)，燃油系統(tǒng)中的燃油一部分經(jīng)噴油泵被燒掉，沒有被噴油泵抽走的燃

油經(jīng)旁通閥 6 及回油軟管 10 返回油箱。此時(shí)稱為“工作狀態(tài)”。在空打燃油泵狀態(tài)，內(nèi)燃機(jī)車不做功，燃油消耗為零。即此時(shí)流經(jīng)供油軟管 1 的燃油全部經(jīng)回油軟管 10 返回油箱［4］; 在工作狀態(tài)，內(nèi)燃機(jī)做功，燃油消耗隨機(jī)車的出力情況而變化。內(nèi)燃機(jī)車消耗的燃油實(shí)際上是噴油泵組啟動(dòng)后經(jīng)各噴油

嘴 9 噴出的燃油之總和。一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車的噴油嘴數(shù)量與內(nèi)燃機(jī)車的氣缸數(shù)相對應(yīng)，通常內(nèi)燃機(jī)車有 9－12 個(gè)氣缸。要準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)計(jì)量內(nèi)燃機(jī)車的燃油消耗量有兩個(gè)方案可選。

方案 1: 安裝 9 ～ 12 個(gè)流量計(jì)量裝置，計(jì)量每一個(gè)氣缸的耗油量然后將計(jì)量結(jié)果求和，稱之為“分別計(jì)量求和法”。

方案 2: 安裝兩個(gè)流量計(jì)量裝置分別計(jì)量從油箱進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)車的流量 q1 和從內(nèi)燃機(jī)車返回油箱的流量 q2 ，然后求得兩者之差 q=q1 －q2 作為內(nèi)燃，機(jī)車的燃油消耗量 此方法稱之為“流量差法” 。

在柴油機(jī)的四個(gè)沖程中，只有“噴油”時(shí)段消耗燃油，其余時(shí)段燃油在管路中是靜止的，即通往柴油機(jī)噴油嘴的燃油管路中燃油的流動(dòng)是斷斷續(xù)續(xù)( 脈動(dòng)) 的。由于內(nèi)燃機(jī)車在工作時(shí)各氣缸的供油管路流動(dòng)狀態(tài)是脈動(dòng)的，對于脈動(dòng)流量要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量十分困難; 內(nèi)燃機(jī)的燃油噴嘴所處工況條件無法滿足準(zhǔn)確計(jì)量的基本要求; 內(nèi)燃機(jī)的氣缸數(shù)量眾多，分別計(jì)量所需計(jì)量裝置眾多。因此方案 1 無法實(shí)現(xiàn)。對于方案 2，由于內(nèi)燃機(jī)中眾多氣缸的噴油時(shí)間是相互錯(cuò)開的，并且各噴油嘴的噴油量在同一工況下十分相近，因此燃油泵供油回路中的流量基本平穩(wěn)，能夠采用常規(guī)流量計(jì)量儀表進(jìn)行計(jì)量; 燃油泵的供油回路具有足夠的流量計(jì)安裝位置和理想的工況條件，從測量條件上有可能進(jìn)行油耗計(jì)量; 方案 2 只測量內(nèi)燃機(jī)車燃油系統(tǒng)的進(jìn)油和回油流量，僅需要兩套計(jì)量裝置，因此實(shí)時(shí)計(jì)量內(nèi)燃機(jī)車油耗量采用流量差法具有可行性。

流量計(jì)量儀表的量程選擇以及計(jì)量準(zhǔn)確度的計(jì)算。安裝在內(nèi)燃機(jī)供油回路上的流量計(jì)不論是用來測量進(jìn)油流量還是測量回油流量，其測量上限 q 至少要達(dá)到進(jìn)油流量的數(shù)值。而燃油消耗量是進(jìn)油流量與回油流量之差，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，一臺(tái)怠速油耗只有 20L /h，滿負(fù)荷***大油耗大約是 300L /h 的東風(fēng) 4B 型機(jī)車，其進(jìn)油流量達(dá)到 3000L /h。即燃油消耗量只占其流量的 1 /10 ～ 1 /150，此謂之“大流量小消耗”。假設(shè)能夠用在該內(nèi)燃機(jī)車上進(jìn)行計(jì)量的一對流量傳感器自身計(jì)量誤差為 δ =± 0． 5% ( 滿度誤差) ，于是在這種“大流量小消耗”的工作狀態(tài)下，該內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗量的計(jì)量誤差有可能達(dá)到2δ / ( 1 /10 ～ 1 /150) =10%－150%! 也就是說，采用了高精度的流量計(jì)量儀表得不到高精度的燃油消耗量的計(jì)量效果。這是用流量差方法計(jì)量內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗量遇到的問題之一。

再來考慮流量傳感器的種類。目前能夠適合用于內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行流量計(jì)量的流量傳感器測量的都是體積流量，即傳感器的輸出信號只與流經(jīng)傳感器的流體體積有關(guān); 實(shí)驗(yàn)證明，內(nèi)燃機(jī)車在工作時(shí)進(jìn)油溫度與回油溫度之差可達(dá) 50℃ 甚至更多并且經(jīng)常變化，而所用燃油的體積膨脹系數(shù)約為 0．8% /10℃，只這一項(xiàng)引起的流量傳感器自身計(jì)量誤差就可達(dá)到4%以上，對油耗量引入的計(jì)量誤差至少為 40%! 除此之外，燃油的粘度、潤滑性，計(jì)量儀表本身尺寸的變化等因素也將影響計(jì)量的精度。采用流量差法實(shí)時(shí)計(jì)量內(nèi)燃機(jī)車油耗量必須解決上述問題。

2.解決方案

采用流量差法實(shí)時(shí)計(jì)量內(nèi)燃機(jī)車油耗量需要同時(shí)計(jì)量從油箱進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)車的燃油流量 q1 和從內(nèi)燃機(jī)車流回油箱的燃油流量 q2 ，其差值 q=q1 －q2即為燃油消耗量。常用的流量傳感器中，容積式流量計(jì)［7］準(zhǔn)確度較高，適合油品介質(zhì)的計(jì)量; 但容積式流量計(jì)故障時(shí)會(huì)造成管路堵塞，破壞被測介質(zhì)流體的流動(dòng)。在內(nèi)燃機(jī)車中，如果燃油輸送受阻，機(jī)車將無法自主運(yùn)行而引發(fā)“機(jī)破”故障。“機(jī)破”故障是鐵路運(yùn)輸過程中***嚴(yán)重的機(jī)車設(shè)備故障，是不允許發(fā)生的! 因此容積式流量計(jì)不適合在線計(jì)量內(nèi)燃機(jī)車燃油流量?？剖狭|(zhì)量流量計(jì) 的優(yōu)點(diǎn)是可直接計(jì)量進(jìn)、回油的質(zhì)量流量，從而方便地得到內(nèi)燃機(jī)車的實(shí)時(shí)燃油消耗量。然而，科氏力質(zhì)量流量計(jì)的測量原理是通過測量流體流過以一定角頻率振動(dòng)的管路時(shí)管壁的受力變形來實(shí)現(xiàn)的，因此從測量原理上就要求安裝現(xiàn)場不能有振動(dòng)干擾。而內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行過程中振動(dòng)是不可避免而且是十分嚴(yán)重的，因此科氏力質(zhì)量流量計(jì)不適合在線計(jì)量內(nèi)燃機(jī)車燃油流量。渦輪流量傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單、體積

小、精度高、量程范圍寬、輸出為頻率信號等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用 。渦輪流量傳感器即使發(fā)生故障也不會(huì)對輸油管路造成堵塞，因此對于內(nèi)燃機(jī)車燃油的計(jì)量而言，可以選擇渦輪流量傳感器。

本文正是采用渦輪流量傳感器作為進(jìn)、回油流量的計(jì)量裝置。渦輪傳感器的輸出脈沖信號頻率與流經(jīng)渦輪傳感器的流體的體積流量成正比，渦輪流量傳感器的質(zhì)量流量儀表系數(shù)是流體介質(zhì)溫度的函數(shù)。在進(jìn)行流量測量的同時(shí)必須測量介質(zhì)溫度。為此，本文首先對渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，將高精度的集成溫度傳感器與渦輪流量傳感器組合成一體，從而實(shí)現(xiàn)在流量測量的同時(shí)同地測量介質(zhì)的溫度。用測得的介質(zhì)實(shí)時(shí)溫度，按照在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置上得到的每臺(tái)流量傳感器特定的質(zhì)量流量—溫度特性函數(shù)，對流量計(jì)量結(jié)果進(jìn)行修正，從而得到正確的質(zhì)量流量測量值。用這種方法得到的質(zhì)量流量的計(jì)量精度優(yōu)于 0．5 級，即流量計(jì)的計(jì)量誤差 δ≤±0．5%。

內(nèi)燃機(jī)車的燃油消耗量 q 只有其進(jìn)油量 q1 的1 /150 至 1 /10，所用流量計(jì)的量程上限至少要達(dá)到進(jìn)油流量 q1 的數(shù)值。假設(shè)計(jì)量用流量計(jì)的***大計(jì)量誤差是 δ%，那么其允許的***大誤差為 | δ | q1 ，由于流量差法實(shí)時(shí)計(jì)量內(nèi)燃機(jī)車油耗量是分別計(jì)量進(jìn)油流量 q1 和回油流量 q2 ，則用上述流量計(jì)計(jì)量油耗量的***大誤差可以達(dá)到 2 | δ | q。燃油消耗量 q 的計(jì)量結(jié)果有可能將流量計(jì)量儀表的計(jì)量誤差 δ%放大幾十甚至幾百倍! 這樣的計(jì)量精度使燃油消耗量 q 的計(jì)量結(jié)果沒有任何意義。產(chǎn)生這一問題的根本原因是內(nèi)燃機(jī)車燃油系統(tǒng)“大流量小消耗”的工作狀態(tài)使得燃油消耗量只占計(jì)量儀表量程的很小一部分以及流量計(jì)量儀表在計(jì)量精度允許范圍內(nèi)的隨機(jī)誤差的不確定性。內(nèi)燃機(jī)車燃油系統(tǒng)“大流量小消耗”是一個(gè)無法改變的客觀現(xiàn)象，要解決上述問題，只能從流量計(jì)量儀表在計(jì)量精度允許范圍內(nèi)隨機(jī)誤差的不確定性方面著手，使該隨機(jī)誤差在流量計(jì)量點(diǎn)附近趨于一致而相互抵消。進(jìn)行這項(xiàng)工作首先需要了解內(nèi)燃機(jī)車燃油輸送過程中流經(jīng)流量傳感器的實(shí)際流量、實(shí)際溫度及其大致變化范圍，在此范圍內(nèi)對構(gòu)成流量差法燃油消耗量計(jì)量的流量計(jì)量裝置進(jìn)行標(biāo)定及參數(shù)匹配，使之不但具有足夠高的計(jì)量精度，而且兩者的測量誤差方向也要一致。即對 A、B 兩個(gè)流量傳感器，如果其各自的***大計(jì)量誤差為 | δA |=| δB |=| δ | ，則要篩選出具有 | δA －δB | →0 的一對流量傳感器。在此基礎(chǔ)上，利用內(nèi)燃機(jī)車空打燃油泵狀態(tài)時(shí)進(jìn)油量與回油量相等這一特點(diǎn)，對安裝于計(jì)量現(xiàn)場的這一對流量計(jì)量儀表進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)流匹配，使其在空打燃油泵狀態(tài)下兩者的示值完全相等。即此時(shí)流經(jīng)進(jìn)、回油流量傳感器的實(shí)際流量為 q; 進(jìn)油流量傳感器的指示值為 qA 、相對誤差為 δA ; 回油流量傳感器指示值為 qB 、相對誤差為 δB 。根據(jù)誤差理論，|δA －δB | →0，使得 q 的計(jì)量誤差趨于零，這樣就***大限度地消除了流量傳感器自身的微小誤差在大流量小消耗的內(nèi)燃機(jī)車燃油計(jì)量系統(tǒng)中造成很大計(jì)量誤差的問題，取得了令人滿意的計(jì)量效果。

究其原因，是因?yàn)楸碇械?ldquo;實(shí)際油耗”是人工讀取機(jī)車油箱標(biāo)尺與發(fā)油柱計(jì)量讀數(shù)之和得到的，發(fā)油柱的計(jì)量誤差可以保證不超過 ±0．5%，但是人工讀取機(jī)車油箱標(biāo)尺的讀數(shù)誤差可達(dá)到 ±50L! 這一

誤差可隨著讀數(shù)次數(shù)的增多、累積耗油量的增大特別是隨著發(fā)油柱計(jì)量讀數(shù)所占比重的增大而趨于減小，表中“計(jì)量誤差”的***后四列數(shù)據(jù)證實(shí)了這一結(jié)論。用這種流量差法解決大流量小消耗的流量實(shí)時(shí)計(jì)量問題完全有把握達(dá)到 1．0 級的計(jì)量精度。此方法的特點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗量的實(shí)時(shí)計(jì)量—實(shí)時(shí)性; 在計(jì)量裝置發(fā)生故障時(shí)也不會(huì)影響機(jī)車的正常運(yùn)行—安全性; 可用常規(guī)的流量、溫度傳感器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量—可靠性; 整套計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、易于維護(hù)、價(jià)格低廉。

4.結(jié)語

內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗的實(shí)時(shí)計(jì)量對于鐵路系統(tǒng)的節(jié)能降耗、減排環(huán)保都有著至關(guān)重要的意義。本文針對內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗計(jì)量的“大流量小消耗”帶來的難題，提出了切實(shí)可行的解決方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示達(dá)到了令人滿意的效果。