WD615柴油机空气流量计的设计

摘要:本文介绍 WD615 柴油机空气流量计的设计原理 、结构尺寸的确定及校验方法 。

1、前言：
  柴油机所需的空气流量同燃油消耗量一样,是一个重要的测量参数 ,在测量内燃机所需空气流量时, 像 WD615 这样的增压柴油机用标准孔板、标准喷嘴等节流装置来测量空气流量,管路系统会产生很大的压力损失 ,影响增压器的压气机效率 ,因此无法用这种方法进行测量 。双纽线流量计前不需要安装管道 ,并且进口部分的形状适于空气流束的运动, 具有流场均匀、流量系数大、流动阻力小、结构简单、制造容易等优点 。所以我们为 WD615 柴油机设计了双纽线空气流量计。

2、设计原理：
2 .1、算式中所用符号说明：
  P0 —大气压力 , k Paρ0—大气密度,kg m3P1 —双纽线空气流量计圆柱部分气体压力 ,k PaV1 —双纽线空气流量计圆柱部分理想流动流速,m sd1 —双纽线空气流量计圆柱部分内孔直径 ,ma1 —双纽线空气流量计流量系数ε1 —双纽线空气流量计膨胀系数ΔP1—双纽线空气流量计压差 ,mm H2Om1 —双纽线空气流量计缩口比ρ1—双纽线空气流量计圆柱部分空气密度,kg m3K —空气绝热指数δ—紊流附面层厚度,mδk—紊流附面层位移厚度 ,mγ—使用流量计当时当地空气运动粘度 ,m2 sX —双纽线空气流量计进口曲面距测压点的距离 ,mDg —双纽线空气流量计所接管道内孔直径 , m。
2 .2、流量计算原理：
  双纽线流量计结构如图 1 所示 ,当空气压力以P0 进入流量计时 ,因进口部分是双曲面形状,完全适应气体流束的形状 ,因此不产生涡流损失,使流束的收缩达到完全的程度 。流束达到***小截面积即为出口部分的圆柱形截面积 。在距流量计进口相当距离的地方 ,其流速为零 ,气体流束收缩到流量计出口直管段时, 流速达到***大 ,且在直管

图 1 　双纽线流量计结构

段流速是恒定的 ,此时的压力由 P0下降到 P1, 其压差为ΔP1 =P0 -P1则绕过双纽线流量计的理论空气量为

  在实际流动过程中, 空气是有粘性的,流量计内流场分为两部分 :即紊流附面层和附面层以外的部分 。根据附面层理论 , 对相同截面管道而言,实际流量比不考虑附面层时理想流量小, 相当理想流动的有效边界缩小一个附面层位移厚度 δk ,由此可以得出气体实际流量的公式 :

  G实 =V1ρ1(F1-FδX)　 =π4(d1 -2δk)2V1 ρ1(kg s) (9)δk=∫δ0(1 -VyV)dy (10)如图 2 所示 ,紊流附面层内流速 Vy按指数规律变化,把坐标原点放在管壁上,则VyV=(Yδ)1N(11)N 是个变数 , 其数值决定于雷诺数 Re , 在105<Re <107范围内, 取N =7 比较适宜, 因为WD615 柴油机所用流量计的Re =V1 d1γ=2 .06 ×106,故取N =7VyV=(Yδ)17 (12)把(12)代入(10)式:δk=∫δ0(1 -VyV)dy=∫δ0[ (1 -VyV)17 ] dy =18δ (13)δ为附面层厚度,它等于VyV=0 .99时的Y值 ,按紊流附面层理论 :δ=0 .37 ×(γV1 X)15Xδk =18×0 .37 ×(γV1 X)15X (m)在一定温度下, 空气运动粘度一定 ,管道同一截面上的附面层位移厚度是一个确定的值。从而可求实际流量 :G实 =π4(d1-2δk)2V1ρ1(kg s) (14)

2 .3、流量系数的确定：
  按流量系数的定义, 即实际空气流量 G实与理论空气流量 G理 的比值 。由(7)、(14)式可以得出:a1 =G 实G 理=(d1 -2δk)2d12对WD615 流量计 d1 =0 .074m ,20 ℃时δk=0 .00016 (m)代入上式 a1=(d1-2δk)2d12=0 .991对双纽线流量计而言 ,管道内雷诺数、缩口比是流量系数的函数, a1 =F(Re ,m)。由于空气的流动来自于周围大气, 周围空间很大 ,故认为缩口比m =0 , 因此 , 流量系数 a1与m 无关 ,只取决于雷诺数Re 的大小,即a1 =f(Re)。用实验的方法得出其界限雷诺数 Rek ≥ 5 .5 ×104, 当实际雷诺数Re ≥5 .5 ×104时 ,流量系数 a1 为常数 。因WD615双纽流量计的雷诺数 Re =2 .06 ×106, 大于5 .5 ×104,故流量系数为常数 a1=0 .991 。
2 .4、膨胀系数ε1的确定：
  ε1 是考虑到气体压力降低会使气体密度减小,引起流量减小而引入的修正系数 。由(8)式可知:

2 .5、WD615 柴油机双纽流量计的流量计算公式：
  G实 =a1G理 =a1F1ε12gρ0(P0-P1)　　 =0 .01886ε1ρ0ΔP1(kg s
3、双纽线流量计结构尺寸设计：
  双纽流量计加工时按双纽曲线方程γ2=a2cos2θ　　γ=α cos2θ并满足ad1=0 .6 ～ 0 .8取 a =0 .7d1,θ=0°～ 45°,θmax=45°如图 3 所示 ,外导流型线取 0 ～ 20°。

3 .1、按已知条件估算流量计压差：
  已知 :实验 管道 d = 0 .074m , 常用 流量G实 =0 .379(kg s), 大 气 状 况 t = 20 ℃,P0 =101.33k Pa , 大气密度 ρ0 =1 .205kg m3, 空气运动粘度γ=14 .9 ×10-6m2 s ,取ε1=0 .99 。根据以上已知条件 , 可以估算出流量计压差ΔP1 :ΔP1=G2实(0 .01886ε1)2ρ0=334(mm H2O)通常控制流量计水柱压差高度在 0 .1 ～ 1m之间 ,水柱过低流量误差大,水柱过高时流量损失大。通过以上计算可以看出压差 ΔP1比较适宜,不需要再做调整。

3 .2、结构尺寸的确定：
  根据流量压差的估算 , 取流量计直管段内径与增压器压气机径口直径相等 ,d1=dg=74mm,在图 3 中 a 的大小直接影响到流量计的尺寸, 选a =0 .7d1 =74 ×0 .7 =51 .8mm , 在 0°～ 45°范围内,γ=α cos2θ(0 ≤θ≤45°),以不同的θ值代入线性方程可做出双纽线的型线 。L1 =0 .25d1=18 .5(mm)L2 =a cos30°cos30°=0 .806a=41 .44(mm)L =L1+L2+d1=143 .94(mm)D0 =d1 +2a cos30°sin60°=199(mm)通常取测压孔 Υ2 , 流道表面要光滑, 材料为锻铝比较好。

4、双纽线流量计的校验：
4 .1、标定系统：
  由图 4 校检系统可以看出, 让双纽流量计与标准孔板流量计进行串联抽风 , 为了尽量克服空气流动阻力损失,保证空气稳定流动,在双纽流量计之后加了稳压箱。阀门 7 控制抽风量的大小 ,两种流量计压差分别由“U” 形管中的水柱高度测出。我们应用的标准空板流量计孔板内径 Υ51 .7 ,经计量校验流量系数 a =0 .75 。双纽线流量计的校验数据见表 1 。标准孔板流量计算公式为 :G2 =13600×0 .0125a2ε2d22ΔP2ρ=0 .005753ε2 ΔP2ρ(kg s)式中 :ρ— 孔板流量计前的空气密度ρ=0 .034T0(P0 -P2)kg m3Δp2— 孔板流量计前后压差 ,mm H2Oε2— 膨胀系数, 由实验曲线查得T0 — 大气温度 , KP2 — 孔板前压降 , mm H2O双纽流量计算公式:G1 =0 .01886ε1 ΔP1 ρ0 (kg s)用校验装置测量全部数据得到校验曲线, 如图5 所示 。由校验曲线可知双纽流量计的准确度不大于 ±3 %, 符合 GB1105 .3 —87 内燃机工架性能试验方法的技术要求, 该标准要求准确度不大于 ±5 %。

图 4 　双纽流量计校验系统

表 1 　双纽线流量计校验数据表环境状况:P0=1023mbar T0=292K

图 5　双纽流量计校验曲线
5、结论：
  对增压柴油机来说 , 用双纽线流量计进行空气量的测量具有压力损失小, 结构简单 , 便于安装,计算方便 , 并可用于增压器的平台试验等优点,所以双纽线流量计广泛应用于增压柴油机及增压器的平台试验中 。我们为 WD615 柴油机设计的双纽流量计进行了校验 ,其准确度符合标准。