何 星，王憲成，和 穆，孫志新

（裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072）

進氣流量是發(fā)動機結(jié)構設計與性能研究中的一個重要參數(shù)，是開展發(fā)動機技術狀況分析的關鍵參數(shù).在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中，流量測量的方法很多，大致可分成4類：利用伯努利方程原理測量、利用流體流速測量、利用一個標準小容積連續(xù)地測量、以流體質(zhì)量進行測量［1］.

發(fā)動機臺架實驗室一般采用孔板流量計進行測量，其原理是：流體通過孔板時流束收縮，流通截面積變小，使流速增大，靜壓下降.與此同時，孔板作為一種局部阻力元件，流體流過時將產(chǎn)生能量損失，使總能降低，測出孔板前后的靜壓降Δp，就能根據(jù)黏性流體總流的伯努利方程和連續(xù)性方程，求得通過孔板的流體流量.然而在實車過程中，因動力裝置空間狹窄、安裝條件不符，不能利用板孔流量計測量，其他類型傳感器也無法適用.因此，本文基于流體總流伯努利方程建立發(fā)動機進氣流量計算模型，通過測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集計算實車進氣流量.

1 進氣流量計算公式推導

1.1 發(fā)動機進氣過程物理模型建立

在某型車輛實際運行過程中，外界空氣經(jīng)空氣濾清器、渦輪增壓器、進氣管、進氣門進入氣缸參與燃燒.選取空氣濾清器二級濾后至渦輪增壓器三叉管前的氣體實際流通管道為研究對象，其實際結(jié)構如圖1所示.現(xiàn)將其簡化為氣體在大直徑D1管道流動至小直徑管道D2管道，1，2兩處為壓力測量點，簡化后流通管道如圖2所示.

圖1 氣體流動管道Fig.1 Pipeline of gas flowing

圖2 簡化后的氣體流動管道Fig.2 Simplification of gas flowing pipeline

為了使問題簡化，對空氣在此管道流動建立如下假設［2］：

（1）空氣是均勻的、黏性不可壓縮（馬赫數(shù)Ma＜0.3）的流體.

（2）空氣在此管道內(nèi)的流動損失主要由兩部分組成：即在空氣濾清器二級濾后的空腔內(nèi)流動由管道截面突然縮小所產(chǎn)生的局部阻力損失為hj，在膠皮管內(nèi)流動中受到的沿程阻力損失hf.

1.2 進氣流量計算公式推導

選取圖2中1—1和2—2兩個有效截面以及直徑為D2的管壁作為控制面，觀察空氣流過該控制面的能量變化，在流道上、下選擇1，2兩點，建立黏性流體總流的伯努利方程：

式中：z1為1點處的高度；z2為2點處的高度；p1為1點處的壓力；p2為2點處的壓力；V1為1點處的流速；V2為2點處的流速；ρ為空氣的密度；g為重力加速度；λ為沿程阻力系數(shù)；ζ為局部阻力系數(shù)；l為膠皮管長度；d為膠皮管的內(nèi)徑.其中z1＝z2.

同時，根據(jù)黏性不可壓縮流體的連續(xù)性方程可得

式中：A1為1點處流道的截面積；A2為2點處流道的截面積；Q為氣體體積流量.

氣體質(zhì)量流量為

式中：G為氣體質(zhì)量流量.

氣體流動的雷諾數(shù)為

式中：Re為雷諾數(shù)；υ為流體運動黏度.（在標準大氣壓下，大氣溫度為20℃時，大氣運動黏度υ＝15.06×10－6m2·s－1.

目前，還基本上無法通過解析方法求得管內(nèi)湍流的沿程阻力系數(shù)λ，只能通過實驗總結(jié)出針對不同流態(tài)的沿程阻力系數(shù)，這就是目前工程上廣泛采用的穆迪（Moody）圖.穆迪將相對粗糙度ε/d（ε為管路粗糙度，d為管路內(nèi)徑）作為參變量，將沿程阻力系數(shù)λ總結(jié)成Re的函數(shù)，即λ＝f（Re，ε/d），按流動特性分為層流區(qū)、臨界區(qū)、湍流光滑管區(qū)、過渡區(qū)和湍流粗糙管區(qū)5個區(qū)［3］.

此型車輛發(fā)動機最大進氣流量Gmax＝1.24 kg·s－1，最小進氣流量Gmin＝0.202 8kg·s－1，膠皮管道直徑d＝0.16m，在標準大氣壓下，大氣溫度為20℃時，空氣的密度ρ＝1.226kg·m－3，空氣的運動黏度υ＝15.06×10－6m2·s－1，將以上值代入式（4）中，得到：Remax＝8.7×105，Remin＝1.422 9×105.此時4×103＜Re＜106，屬于湍流光滑管區(qū)的流動，沿程阻力系數(shù)λ只與Re有關，而與相對粗糙度ε/d無關，在這一區(qū)間內(nèi)，布拉修斯（Blasius）［2］總結(jié)出：

沿程阻力系數(shù)為

將式（3）和式（4）代入式（5）得：

將式（6）按泰勒公式展開并取前三項可得

式中：a0，a1和a2為待定系數(shù).

由于急變流管件處的流動十分復雜，除個別情形外，大多難以從理論上得出局部阻力系數(shù)的計算式，因此，局部阻力系數(shù)大多由實驗得出，對于圖2所描述的管道阻力件截面突然縮小的局部阻力系數(shù)為［2］

將式（2），（7）和（8）代入式（1）中可得

式中：χ為流體與固體壁面接觸的長度，稱為濕周.

計算得出，D1＝0.211 1m.

環(huán)境條件隨海拔變化規(guī)律一般采用國際標準大氣資料數(shù)據(jù)，通過對空氣密度與大氣壓力進行最小二乘法擬合，得到其關系式為

式中：p0為當?shù)卮髿鈮毫?

同時，依據(jù)文獻［4］提供的干空氣熱物理性質(zhì)中運動黏度與溫度的變化關系，通過最小二乘法擬合，得到其關系式為

式中：T0為當?shù)卮髿鉁囟?

2 空氣濾清器阻力臺架試驗

為了確定式（9）中的系數(shù)a0，a1和a2以及對模型的驗證，開展了空氣濾清器臺架阻力試驗，試驗環(huán)境氣壓為86.65kPa，環(huán)境溫度為20℃，試驗總體照片如圖3.

圖3 空氣濾清器阻力試驗臺架Fig.3 Air cleaner drag experiment equipment

2.1 試驗設備及相關儀器

空氣濾清器試驗臺、某型發(fā)動機空氣濾清器一套、實車膠皮連接管、實車三通管、測壓管、板孔流量計、壓差計、氣壓計、溫度計、電熱恒溫烘干箱、天平等，部分儀器精度如表1所示.

表1 試驗儀器精度Tab.1 Test instrument accuracy

2.2 空氣濾清器阻力臺架試驗步驟

（1）按照要求將試驗臺架連接完整.

（2）空氣流量按照標定空氣流量的60%開始進行調(diào)節(jié)直至100%.

（3）調(diào)節(jié)好每一種空氣流量，試驗臺穩(wěn)定運轉(zhuǎn)1 min后記錄阻力和其他數(shù)據(jù).

（4）阻力試驗從低流量至高流量，再從高流量至低流量測量兩次.當兩次測量進氣阻力在2.94 kPa以下其測量差不大于5%，進氣阻力在2.94 kPa以上其測量差不大于3%時，取兩次阻力的算術平均值.

（5）用試驗中用標定空氣流量下測量的阻力值檢查，確定在標定空氣流量下，空氣濾清器的原始進氣阻力，終了進氣阻力應滿足其設計要求.

2.3 試驗結(jié)果與分析

在空氣濾清器一級濾（旋風筒）未按照實車進行封裝時，阻力試驗結(jié)果如表2所示.

表2 空氣濾清器阻力試驗結(jié)果Tab.2 Air cleaner drag experiment data

如表2所示，隨著進氣流量的增大，兩個壓力測量點的數(shù)值也隨著增加，符合流量－阻力的關系.在進氣流量最大值為1.241kg·s－1時，第二測量點p2的壓力為6 982.33Pa，滿足空氣濾清器原始進氣阻力的要求.

3 進氣流量計算模型的建立與驗證

選取表2中第1，5和9組數(shù)據(jù)代入式（9）中，聯(lián)立求解三元一次方程組得出：a0＝－23.49，a1＝－70.16，a2＝－25.58.將系數(shù)a0，a1和a2及相關結(jié)構參數(shù)代入式（9），得到進氣流量G關于p2－p1的一元二次方程，通過求解方程根得出進氣流量計算模型為

式中：ρ＝0.010 3p0＋ 0.183 7，υ＝（0.086 8T0＋13.410 9）×10－6.

將表2中的剩余6組數(shù)據(jù)中p1和p2壓力值，代入到式（13）中計算進氣流量，其計算結(jié)果與試驗值比較如表3所示.

表3 試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比Tab.3 Comparing the experiment data with calculation result

因此，從表3可以得出，進氣流量的試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果最大誤差為1.07%，所建立的計算模型具有較高的精度，可用于實車發(fā)動機進排氣系統(tǒng)進氣流量的測量.

4 實車發(fā)動機進氣流量測量

在北京地區(qū)和西藏地區(qū)，采用測試系統(tǒng)對發(fā)動機原位空轉(zhuǎn)過程及駕駛訓練過程進行實車測試，得到發(fā)動機實車運行過程中進氣流量分布.

原位空轉(zhuǎn)進氣流量測量指：按照車輛使用操作要求起動發(fā)動機，預熱后（水溫≥40℃，油溫≥40℃），穩(wěn)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速為600r·min－1，保持變速箱擋位為空擋，連接并檢查測試系統(tǒng)，穩(wěn)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速，每間隔200r·min－1對進行一組測試，每組測試時間為1min，直至最高轉(zhuǎn)速2 000r·min－1，然后轉(zhuǎn)速由高至低返回至600r·min－1，測試所得數(shù)據(jù)取兩次平均值.其進氣流量測量結(jié)果如圖4所示.

駕駛訓練進氣流量測量指：按照車輛駕駛訓練規(guī)范，訓練場地選擇在西藏拉薩的一處環(huán)形跑道，跑道上有土嶺、壕溝以及限制路等障礙，總駕駛時間約30min.截取其中一段時間（1 000s）測試數(shù)據(jù)進行分析，其進氣流量分布如圖5所示.

圖4 發(fā)動機原位空轉(zhuǎn)進氣流量ig.4 Intake flow of vehicle original position running

圖5 車輛駕駛訓練進氣流量Fig.5 Intake flow of vehicle driving course

圖4可看出，進氣流量隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而增加，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000r·min－1時達到最大，其值為0.616kg·s－1，進氣流量的測試結(jié)果與實際相符.圖5中看出，駕駛訓練過程中進氣流量在所截取的時間內(nèi)呈現(xiàn)出上下波動分布，其最大值為0.81kg·s－1，最小值0.24kg·s－1，與車輛發(fā)動機實際運行工況相符.

5 結(jié) 語

本文通過對某型車輛發(fā)動機進氣管路結(jié)構的簡化處理，以伯努利方程為基礎，提出了壓差式實車進氣流量測量的方法，推導出進氣流量計算模型，利用空氣濾清器臺架阻力試驗對模型進行完善與驗證，結(jié)果表明進氣流量測量模型精度高，誤差小于2%.同時，利用實車測試系統(tǒng)，對發(fā)動機空轉(zhuǎn)過程和車輛駕駛訓練過程進行測試，得出進氣流量計算值與實際情況相符，計算模型可用于實車進氣流量的測量.

［1］劉軼.自回歸模型譜估計在流量測量中的應用［D］.西北工業(yè)大學，2002.

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