付禮程，王憲成，張更云，和 穆

（1.防化研究院，北京 102205；2.裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京 100072）

進氣流量測量的方法有很多，一般可分為4類：壓差式、容積式、速度式和質(zhì)量流量測量［1］；而質(zhì)量流量的測量包括直接式、間接式和補償式。目前，在柴油機臺架實驗室中通常采用孔板流量計［2］測量進氣質(zhì)量流量，結(jié)果較為準(zhǔn)確；在實車上廣泛采用熱線風(fēng)速儀［3－4］和熱膜 流量計［5－6］測量進氣質(zhì)量流 量，熱線風(fēng)速儀和熱膜流量計的優(yōu)點是頻響快，可基本滿足柴油機實際工況下反應(yīng)速度的要求。裝甲車輛動力艙空間狹窄，進氣量大，進氣質(zhì)量流量傳感器無法實車安裝。本研究利用大氣壓力、環(huán)境溫度與空氣密度、黏度之間的關(guān)系，用補償方式消除不同地區(qū)空氣密度和黏度變化的影響，并通過測量進氣通道兩端進氣阻力，實現(xiàn)裝甲車輛全地域進氣質(zhì)量的測量。

1 進氣質(zhì)量流量補償式測量模型的建立

選取空氣濾清器絲網(wǎng)后內(nèi)腔至三叉管入口的氣體實際流通管道進行研究，其實際結(jié)構(gòu)見圖1?，F(xiàn)將其簡化為氣體在大直徑管道D1流動至小截面管道D2，簡化后流通管道見圖2，圖中1，2兩處為壓力測量點。

對于空氣在管道的流動建立如下假設(shè)［7］：1）空氣是干燥、均勻、黏性、不可壓縮（馬赫數(shù)Ma＜0.3）流體；2）空氣在此管道內(nèi)流動損失主要由兩部分組成：空氣在濾清器濾塵絲網(wǎng)后的空腔內(nèi)流動，由于管道截面突然縮小產(chǎn)生局部阻力損失；在膠皮管內(nèi)流動產(chǎn)生的沿程阻力損失。

選取圖2中1—1和2—2有效截面以及直徑為De2的管壁作為控制面，在1，2點處建立黏性流體總流的伯努利方程：

式中：ze1為1點處的高度；ze2為2點處的高度；pe1為1點處的壓力；pe2為2點處的壓力；ue1為1點處的流速；ue2為2點處的流速；ρ0為空氣的密度；g為重力系數(shù)；λe為沿程阻力系數(shù)；ξe為局部阻力系數(shù)；le為膠皮管長度；de為膠皮管的內(nèi)徑。其中，ze1＝ze2，ue1＝0。

根據(jù)黏性不可壓縮流體的連續(xù)性方程可得：

式中：Ae1為1點處流道的截面積；Ae2為2點處流道的截面積；Qe為氣體體積流量。

氣體質(zhì)量流量為

式中：Ge為進氣質(zhì)量流量。

氣體流動的雷諾數(shù)為

式中：Re為雷諾數(shù)；v0為運動黏度。

某型裝甲車輛柴油機Ge∈（0.20，1.24），由式（4）得Re∈（1.4×105，8.7×105），氣體流動在湍流管區(qū)。根據(jù)布拉修斯（Blasius）［1］給出沿程阻力系數(shù)為

由式（3）至式（5）得：

將式（6）按泰勒公式展開得：

式中：a0，a1和a2為待定系數(shù)。

管道阻力件截面突然縮小的局部阻力系數(shù)為

由式（1），式（2），式（7）和式（8）得：

環(huán)境條件隨海拔變化規(guī)律一般采用國際標(biāo)準(zhǔn)大氣資料數(shù)據(jù)［8］（見表1）。

表1 不同海拔高度下大氣狀況

通過對空氣密度與大氣壓力進行最小二乘法擬合，得到關(guān)系式為

式中：p0為大氣壓力。

同時，依據(jù)文獻［8］提供的在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下運動黏度與環(huán)境溫度數(shù)據(jù)（見表2），進行最小二乘法擬合得：

表2 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下干空氣溫度與運動黏度關(guān)系

2 進氣質(zhì)量流量測量模型標(biāo)定

模擬實車進氣通道，利用抽氣裝置模擬實車柴油機進氣，測量進氣通道兩端進氣阻力，進行模型標(biāo)定試驗。試驗時大氣壓力為86.65 k Pa，環(huán)境溫度為23℃，試驗臺架見圖3。試驗設(shè)備主要包括空氣濾清器試驗臺、某型空氣濾清器1套、實車膠皮連接管、實車三通管、測壓管、孔板流量計、差壓傳感器、大氣壓力傳感器、溫度計等。

進氣質(zhì)量流量測量模型標(biāo)定試驗步驟：1）按實車裝配圖將試驗臺架連接完整；2）空氣流量按照標(biāo)定空氣流量的60%開始進行調(diào)節(jié)，直至100%；3）在一定的空氣流量下，試驗臺穩(wěn)定運轉(zhuǎn)1 min后記錄阻力和其他數(shù)據(jù)；4）標(biāo)定試驗從低流量至高流量，再從高流量至低流量，測量2次；當(dāng)2次測量的進氣阻力在2.94 k Pa以下時相差不大于5%，在2.94 k Pa以上時相差不大于3%時，取2次進氣阻力的算術(shù)平均值。

共進行了9組試驗，試驗結(jié)果見圖4。隨著進氣質(zhì)量流量的增大，在相同流通截面積條件下，2個測點進氣阻力隨之增大，由于空氣從測點1到測點2產(chǎn)生局部阻力損失和沿程阻力損失，所以測點2進氣阻力大于測點1。同時，在標(biāo)定工況進氣質(zhì)量流量為1.24 kg／s時，測點2與測點1進氣阻力差最大為3.35 k Pa，表明此處能量損失最大。

選 取 進 氣 質(zhì) 量 流 量 分 別 為 1.24 kg／s，0.993 kg／s和0.745 kg／s 3組數(shù)據(jù)，代入式（9）中，求得系數(shù)a0＝－23.49，a1＝－70.16，a2＝－25.58。因此，某型裝甲車輛進氣質(zhì)量流量計算式為

式中，ρ0和v0由式（10）及式（11）求得。

選取圖4中的其他組數(shù)據(jù)，通過測量模型計算進氣質(zhì)量流量，試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比見表3，計算值最大誤差為1.07%。

表3 試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比

3 進氣質(zhì)量流量測量模型實車應(yīng)用

分別在北京與拉薩對發(fā)動機原位空轉(zhuǎn)及駕駛訓(xùn)練進行了進氣質(zhì)量流量的實車測試。測量系統(tǒng)為自行開發(fā)的進氣質(zhì)量流量測量系統(tǒng)［9］。測量系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)處理器以及顯示屏，采集的數(shù)據(jù)包括大氣壓力、環(huán)境溫度、空氣濾清器后壓力（測點1）、壓氣機前壓力（測點2）等。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖5。

3.1 北京地區(qū)實車原位空轉(zhuǎn)試驗

按照某型裝甲車輛操作要求起動柴油機，預(yù)熱后（水溫T1≥40℃、油溫T2≥40℃），穩(wěn)定柴油機轉(zhuǎn)速為600 r／min，保持變速箱擋位為空擋，穩(wěn)定柴油機轉(zhuǎn)速，每間隔200 r／min對柴油機參數(shù)進行1組測試，每組測試時間為1 min，直至最高轉(zhuǎn)速2 000 r／min，然后轉(zhuǎn)速由高至低降為600 r／min，測試所得的壓力數(shù)據(jù)取2次平均值。進氣質(zhì)量流量估算結(jié)果見圖6。進氣質(zhì)量流量隨著柴油機轉(zhuǎn)速的增大而增加，在柴油機轉(zhuǎn)速為2 000 r／min時達到最大值，進氣質(zhì)量流量的計算結(jié)果與柴油機實際進氣質(zhì)量流量變化規(guī)律相符。

3.2 拉薩地區(qū)實車駕駛訓(xùn)練試驗

按照裝甲車輛駕駛訓(xùn)練規(guī)范，車輛選擇在沿河灘較大的環(huán)形跑道進行駕駛訓(xùn)練。跑道上設(shè)有土嶺、壕溝、限制路等障礙，總駕駛時間約為18 min，其進氣質(zhì)量流量分布見圖7。此次駕駛訓(xùn)練中，進氣質(zhì)量流量在0.24～0.76 kg／s之間波動，與劇烈變化的實際訓(xùn)練工況相符。

4 結(jié)論

a）基于黏性流體總流伯努利方程，采用補償方式消除空氣密度和黏度變化的影響，建立了某型裝甲車輛進氣質(zhì)量流量測量模型；

b）對進氣質(zhì)量流量測量模型進行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明測量模型的最大誤差為1.07%，測量模型可進行實車應(yīng)用；

c）分別在北京地區(qū)和拉薩地區(qū)進行了實車應(yīng)用，結(jié)果表明，在北京地區(qū)原位空轉(zhuǎn)試驗中，進氣質(zhì)量流量隨著柴油機轉(zhuǎn)速的增大而增加，在柴油機轉(zhuǎn)速為2 000 r／min時達到最大值0.62 kg／s，在拉薩地區(qū)駕駛訓(xùn)練中，進氣質(zhì)量流量在0.24～0.76 kg／s之間波動，符合柴油機實際進氣質(zhì)量設(shè)計要求。

［1］ Yang Shi Ming，Tao Wen Shuan.Heat Transfer Theory［M］.［S.l.］：Higher Education Press，1998：4－24.

［2］ 謝慶森，張士強，劉德新.旋進流量計在發(fā)動機氣道特性研究中的應(yīng)用［J］.車用發(fā)動機，2005（6）：48－51.

［3］ 費海平，朱 榮，周兆英.微型熱式流速傳感器及其在微型飛行器翼表流場測量中的應(yīng)用［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報，2007，20（5）：1134－1138.

［4］ BRUUNHH.Hot－wire Anemometry Principle and Signal Analysis［M］.New York：Oxford University Press，1995.

［5］ 闕瑞義，朱 榮，劉 鵬.組合熱膜式流速矢量傳感器［J］.光學(xué)精密工程，2011（1）：103－108.

［6］ Kim Seunghyun，Nam Teckjin，Park Sekwang.Measurement of Flow Direction and Velocity Using a Micro Machined Flow Sensor［J］.Sensors and Actuators，2004，114：312－318.

［7］ Gui Ke Ting，Wang Jun，Wang Qiu Ying.Engineering Fluid Chanics［M］.［S.l.］：Science Press，2003：157－213.

［8］ 沈穎剛.高原環(huán)境下內(nèi)燃機工作過程應(yīng)用基礎(chǔ)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2003.

［9］ 王憲成，張根良，和 穆.車用柴油機技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.車用發(fā)動機，2011（4）：23－26.