【摘要】 介绍了用涡街流量计测量柴油机脉动进气时动态数据采集及处理方法,研究了脉动进气对流量系统误差和修正系数的影响。对在干扰状态下得到的数据以误差方法进行了分析及处理,得到了涡街流量计的流量修正系数与脉动系数之间的关系。
【引言】内燃机的燃油控制和废气再循环等系统都需要对进气流量进行精确的测量，但由于活塞式内燃机进气管内的流动为脉动流，测量系统不可避免地存在气流脉动的惯性误差以及脉动压力的传输误差，因此很难准确地测定出这类装置的进气流量。目前，虽然对脉动流的测量进行了一些较深入的研究[1、2]，但主要的方法仍然是在被测装置和流量计之间放置一个大容积稳压箱以抑制气流的脉动，使之在流量计的安装部位能够形成较为稳定的流动，这种方法只适合在实验室条件下应用。对于车用内燃机来说，由于空间限制，不能安装大容量稳压箱，只能进行直接测量。但直接测量结果存在较大的误差，需要进行修正。文献[3]给出了孔板流量计和涡轮流量计的修正系数，但未给出好适合车用内燃机脉动进气流测量[4]的热线（热膜）流量计和涡街流量计的修正系数。本文用涡街流量计测定各种转速下柴油机脉动进气流的流量，用误差方法对测量数据进行分析和处理，得到涡街流量计的修正系数。
1 脉动系数——稳定流和脉动流的划分
脉动流强度用脉动系数表示，定义为好大流量Qmax与好小流量Qmin的差值的一半与平均流量Qev的比值，即
根据文献[3]，用Ip=0.03作为划分稳定流和脉动流的界限值。当Ip>0.03时为脉动流，流量的测量会产生系统误差，要用适当的修正系数进行修正。修正系数与流量计的类型、脉动流的强度和波形等诸多因素有关，没有统一的经验公式，只能由试验得到。
2 试验设备和方法
2.1 试验设备和仪器
试验是在发动机试验台架上进行的。所用柴油机型号为6120A，转速范围为600～2000r/min，总排量为9.5 X 10-3m3。采用LUGB型涡街流量计，规格为Ф=100mm，量程为100～1000m3/h，精度为1%。由自行设计的以80C196KB单片机为核心的数据采集和控制系统完成数据采集。另外，还设计安装了容积为1m3带阻尼管的稳压箱[5]，用于测量发动机各转速时的实际进气流量Qo。
2.2 数据采集方法
在管道中插入一个柱状物，流体流经柱状物时，在柱状物两侧产生有规则的旋涡，称为卡门涡街。当管道雷诺数为2X104～7X106 时，卡门涡街发生频率与流速成正比，检测频率就可求得流速，进而计算出流量
Q=3600εf （2）
式中 ε——流量计仪表常数，m3/次
f——旋涡频率，Hz
初步试验发现，在脉动强度较大时，与流量计配套的流量积算器显示的流量示值波动很大。分析认为，主要原因是脉动强度较大时，旋涡的脱落变得不规则，旋涡发生频率变动较大，导致流量示值波动很大。若直接检测单位时间内的旋涡的个数，则没有合适的数据处理方法将异常的频率剔除。因此，试验中采集记录各个旋涡的周期Ti，将异常周期经适当处理后，用求积分平均值的方法计算一段时间内的平均流量
式中N——旋涡个数
3 试验结果及分析
3.1 剔除异常旋涡周期减小随机误差
图1是实测的旋涡周期。由图1可以发现，某些旋涡周期很小，若直接计算流量，将导致流量很大，因此，需要对很小的旋涡周期作适当处理。正常情况下，相邻数据之间的变动应在一定范围之内，超出正常范围的数据应视为异常值。为此，将采样数据相邻两点之间的差值的绝对值累加，再对总累加值平均后得到采样数据两点之间的平均变动值△。若两个采样点Ti和Ti+1之间变动值∣Ti-Ti+1∣> a△（a值可根据信号的具体情况设定，本文取a=3），则认为Ti+1为异常值。剔除异常值后，用式（3）依次计算相同时间间隔内的平均流量，结果显示平均流量波动不大，对柴油机所有的工况，流量随机误差均小于2%。这使下面的系统误差分析和修正系数计算成为可能。图2是按上述方法处理异常旋涡周期后得到的转速为1000r/min时的平均流量Qev和随机误差。
3.2 系统误差与脉动系数的关系
在不安装稳压箱的情况下，测量的发动机各转速时的脉动进气流量称为指示流量。指示流量的平均值称平均指示流量，简称平均流量Qev。为了确定涡街流量计测量柴油机脉动进气流量时的系统误差，特别安装了大容积的稳压箱，对脉动进气流滤波。在保持Ip< 0.03的条件下，测定发动机各转速时的进气流量，该稳定流条件下测得的流量称为实际流量Qo。三畅涡街流量计测脉动流时的流量系统误差B为
图3示出了发动机各转速时的实际流量和平均指示流量，图4示出了发动机各转速时的流量脉动系数和系统误差。
很明显，在不安装稳压箱的情况下，柴油机进气的脉动强度随转速变化，低转速时脉动强度大，随着转速的升高，脉动强度逐渐减小。流量系统误差随脉动强度变化，脉动强度大则系统误差也大。在此要特别指出的是文献[3]中给出的孔板流量计和涡轮流量计的系统误差均为正值，而三畅涡街流量计测量柴油机脉动进气流时的流量系统误差为负值，即平均指示流量小于对应转速时的实际流量。这个结果似乎是错误的，因为脉动使得气流流动不稳定，好像应该产生较多的旋涡，指示流量应该变大。恰恰相反，真实的情况是周期性的脉动抑制了旋涡的脱落[6-9]。在周期性脉动的作用下，旋涡发生体后剪切层中的旋涡以小的振幅不规则地摄动，摄动使得大旋涡破碎变小，同时伴随着产生多个小旋涡，虽然旋涡总数增加，但旋涡群从剪切层中脱落出来的强度减弱。当旋涡脱落强度减弱到一定程度时，压电晶体传感器将检测不出该旋涡的脱落，从而导致了平均指示流量小于实际流量。仔细地调整流量计放大电路中交流电压放大器的放大倍数和施密特触发器的灵敏度将有助于减小流量系统误差，当然不能完全消除。
将上述结果整理后重新画在图5中。图中给出了系统误差与脉动系数之间的关系，同时也给出了所谓流量修正系数与脉动系数之间的关系，流量修正系数Fp为
显然，流量修正系数与系统误差关系为
Fp=1+B （6）
根据流量修正系数与脉动系数之间的关系，变速工况下的流量控制系统即可根据实测的脉动系数得到相应的流量修正系数，对流量进行修正。
4 结论
（1）采样系统采集记录三畅涡街流量计旋涡周期，剔除异常旋涡周期后，用求积分平均值的方法计算得到的平均流量的随机误差小于2%。
（2）周期性的脉动抑制了旋涡的脱落，平均指示流量小于对应转速时的实际流量，平均指示流量应根据相应的流量修正系数进行修正。
（3）得出了涡街流量计的流量修正系数与脉动系数之间的关系。
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