劉 偉, 丁水汀, 趙立峰
(1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191; 2.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 北京 100191;3.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院,吉林 長春 130025)
發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程中,進(jìn)氣管內(nèi)的流動(dòng)速度范圍為0~1 000 kg/h,尤其是在進(jìn)氣量較大時(shí),管內(nèi)流動(dòng)復(fù)雜,氣流沿進(jìn)氣管道做非穩(wěn)定流動(dòng),進(jìn)氣管任一截面處流速和壓力都是周期性脈動(dòng)變化的。熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器基于熱傳導(dǎo)原理,熱平衡分布時(shí)間包括熱在流體中達(dá)到溫度分布的時(shí)間和熱量通過橫膈膜的固體傳熱分布的時(shí)間。傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間主要由兩部分組成:一是流場發(fā)生改變到穩(wěn)定分布所占的時(shí)間,當(dāng)流場發(fā)生改變,相應(yīng)的強(qiáng)迫對流換熱也發(fā)生改變;二是測溫電阻器的溫度發(fā)生改變到穩(wěn)定分布所占的時(shí)間。當(dāng)測量脈動(dòng)氣流的流量時(shí),芯片表面流速的變化導(dǎo)致橫膈膜上各處溫度場快速變化,但由于溫度—時(shí)間函數(shù)屬于一個(gè)連續(xù)函數(shù),因此,達(dá)到平衡溫度需要一個(gè)延遲時(shí)間,這個(gè)現(xiàn)象稱為熱滯后[1~4]。
本文中模擬了恒定加熱溫差模式下,加熱電阻器的上下游在脈沖氣流作用下溫度與時(shí)間的曲線關(guān)系。
熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的傳感單元是一塊微型硅片,采用微硅加工技術(shù)在隔熱薄膜或者多層薄膜上將多只鉑熱敏電阻器與1只加熱器結(jié)合起來。如圖1,通過刻蝕硅片的反面,硅材料被去掉只留下隔膜,提高導(dǎo)熱效果減少熱容[5]。硅片粘在1塊金屬板上,置于氣流取樣流道正中。
圖1 硅微傳感單元的結(jié)構(gòu)
取樣流道置于進(jìn)氣管中間,如圖2所示,取樣流道位于主流道中央,出口處在取樣流道一側(cè)。發(fā)動(dòng)機(jī)的典型進(jìn)氣流量為400 kg/h,進(jìn)氣管內(nèi)的流速較高,不利于傳感器探頭的工作,為了使取樣流道中的空氣流動(dòng)為層流狀態(tài),結(jié)構(gòu)中增加了流體截面的邊界約束,從而達(dá)到降低取樣流道內(nèi)的雷諾數(shù)。在主流道設(shè)計(jì)上采用折疊形狀,還在取樣流道中設(shè)置沿程損失和幾何局部阻力損失,使取樣流道內(nèi)的空氣流速降低。
圖2 取樣流道在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中的位置
圖3 取樣流道的縱截面結(jié)構(gòu)
傳感器加熱電阻器的工作模式為恒溫差加熱,熱電阻器的加熱溫度為200 ℃,大氣環(huán)境溫度為23 ℃。由于傳感器采用熱膜結(jié)構(gòu),會(huì)導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng),薄膜材料的導(dǎo)熱率有所降低[6],SiO2薄膜的導(dǎo)熱率為0.83 W/(m·K),Si3N4薄膜的導(dǎo)熱率為6 W/(m·K)。
如圖4和圖5所示,測試時(shí)管內(nèi)流量為200 kg/h時(shí),膜片橫截面和縱截面的溫度分布,如圖4所示,由于微流道內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng),造成加熱電阻器的熱量被帶往下游,在加熱電阻器的上游會(huì)造成冷卻效應(yīng),上游的測溫電阻器溫度明顯低于下游測溫電阻器的溫度。
圖4 取樣流道內(nèi)的橫截面溫度場
圖5 傳感器內(nèi)的縱截面溫度場
為了測試傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,使用正階躍脈沖氣流進(jìn)行測試,正階躍脈沖氣流即為靜止情況下突然開啟閥門,產(chǎn)生一個(gè)脈沖氣流。假設(shè)正階躍脈沖氣流流速為4 m/s,流動(dòng)速度在t=0時(shí)刻產(chǎn)生,在階躍脈沖產(chǎn)生前,傳感器處于自然對流換熱狀態(tài),施加階躍脈沖氣流后,傳感器膜片表面的流速增加,強(qiáng)迫對流非常強(qiáng)烈,傳感器探頭的上游產(chǎn)生冷卻效應(yīng),局部溫度快速降低,如圖6所示,在1 ms時(shí),膜片上游測溫電阻器處溫度降低22 K,隨著溫度的降低,上游測溫電阻器與流體溫差減小,對流換熱降低,逐漸達(dá)到熱平衡,傳感器的響應(yīng)時(shí)間為1.4 ms。
圖6 熱膜上游溫度變化(階躍脈沖)
如圖7所示,薄膜下游的溫度變化較小,一方面是由于階躍脈沖產(chǎn)生的強(qiáng)烈對流,對流換熱會(huì)降低薄膜表面的溫度;另一方面,部分熱量會(huì)被帶入而產(chǎn)生升溫效應(yīng),傳感器的響應(yīng)時(shí)間為1.5 ms,傳感器采用橫膈膜結(jié)構(gòu)來隔熱,因?yàn)闄M膈膜厚度不到3 μm,故其熱容很小,橫膈膜上的溫度響應(yīng)較快,所以,利用橫膈膜結(jié)構(gòu)可以有效提高傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,但是過小的橫膈膜厚度會(huì)降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,容易造成薄膜破裂。
圖7 熱膜下游溫度變化(階躍脈沖)
為了測試傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,進(jìn)行了氣道試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試,試驗(yàn)方案如圖8所示,主要設(shè)備包括氣道試驗(yàn)臺(tái)、測試儀表、ABB高級流量計(jì)、電磁閥等裝置,使用示波器測量和記錄傳感器輸出電壓,動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測試中,使用電磁閥控制氣流的流動(dòng),得到階躍脈沖氣流流動(dòng)。
圖8 動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)測試裝置
如圖9所示,在階躍脈沖氣流作用下的傳感器電壓輸出和模擬曲線,試驗(yàn)測試獲得響應(yīng)時(shí)間大于模擬獲得的響應(yīng)時(shí)間,模擬計(jì)算中采用的是加熱電阻器恒溫邊界條件,試驗(yàn)過程中,加熱電阻器的溫度會(huì)隨著流速的改變而調(diào)整,但整體平均溫度始終與進(jìn)氣溫度保持一個(gè)恒定的溫差。橫膈膜的熱平衡需要一個(gè)自我調(diào)整的傳熱過程,所以,傳感器表現(xiàn)出一定的輸出信號滯后。
圖9 試驗(yàn)測試和計(jì)算模擬結(jié)果
熱膜流量傳感器是一種可以有效測量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)流動(dòng)的傳感器,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)通過傳感器微流道把流速控制在層流范圍內(nèi),研究了流量傳感器的探頭的溫度分布,利用脈沖氣流進(jìn)行了傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的分析,加熱電阻器上游的測溫電阻器在脈沖氣流作用下,溫度大幅降低,響應(yīng)速度較快,加熱電阻器下游的測溫電阻器區(qū)域溫度變化幅度較小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:計(jì)算方法合理,實(shí)際的加熱電阻器在脈沖氣流中,需要調(diào)整加熱電流來保證加熱電阻器的溫度,所以,實(shí)測的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度低于計(jì)算模擬值,設(shè)計(jì)良好的熱膜傳感器可以實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng),滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中的波動(dòng)測試。
參考文獻(xiàn):
[1] Ohyama Y,Hirasawa K,Nishimura Y,et al.Pulsating flow cha-racteristics of hot-wire air flow meter for gasoline fuel-injection systems[J].JSME International Journal,Series B,1995,38:143-148.
[2] Sturzebecher D,Anders S,Nitsche W.The surface hot wire as a means of measuring mean and fluctuating wall shear stress[J].Experiments in Fluids,2001,31(3):294-301.
[3] 閆衛(wèi)平,朱劍波,馬靈芝,等.金屬薄膜加熱器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2004 (4):615-618.
[4] 王伯年.史紹熙院士對層流流量計(jì)和內(nèi)燃機(jī)空氣流量測量的貢獻(xiàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2001,19(6):531-534.
[5] Marek J,Illing M.Microsystems for the automotive industry[C]∥International Electron Devices Meeting 2000,San Francisco:IEEE,2000:3-8.
[6] 張立偉,馬靈芝,唐禎安,等.一種用于測量SiO2薄膜熱導(dǎo)率的測試方法[J].測控技術(shù),2001,20(8):25-27.