双涡轮流量计计量燃油消耗的方法研究
双涡轮流量计计量燃油消耗的方法研究
内燃机车燃油系统的设计使得燃油流量与燃油消耗量之间存在巨大差距，即燃油的 “大流量小消耗”难题。对构成燃油消耗量计量误差的原因进行了深入分析; 基于误差理论、通过大量实验研究，用改进的常规流量计量装置—涡轮流量传感器，采用温度补偿方法实现了燃油的质量流量测量; 通过对实验数据的处理及采用现场实流参数匹配的方法，实现了内燃机车燃油消耗量的实时准确计量。现场实际运行结果显示样机计量精度达到 1. 0 级，满足实际计量需要。
当前全球能源危机日趋严重，环境保护已经成为全世界关注的热点。节能减排首先要从降低能源消耗杜绝能源浪费做起。铁路内燃机车的动力来源是柴油机，柴油机的工作状态直接决定了能源的消耗和废气的排放。目前内燃机车的运行控制大多集中在安全运行方面，对于能源消耗的计量是按机车组核算，还停留在看油箱油位、读标尺刻度的时代。在燃油消耗量的管理考核上，缺乏必要的科学手段，只能按机车组进行考核，不能实现按班考核。在机车乘务员交接班过程中，只能靠眼睛观测，凭经验估计大概用油量，尚无较的客观计量依据.
在我国的铁路系统中，一台机车( 机车组) 一般是由两到三个乘务班担当，按机车组核算不利于调动各乘务班节能减排的积极性。采用现代科技手段，实时检测并记录机车内燃机燃油消耗情况，实时监控内燃机热工状态，为加强燃油消耗的管理、建立约束激励机制，特别是从根本上解决机车乘务员按班考核，达到促进机车乘务员提高机车操作水平，努力为实现“多拉快跑节油少排放”创造前提条件。
1.难点
内燃机车燃油消耗的计量在热工量测量领域属于流量测量，计量对象为液体柴油。液体流量的计量本来是比较容易实现的，现有的常规流量仪表计量液
首先是确定测量方案。图 1 所示为内燃机车燃油系统原理。燃油从油箱经供油软管 1 由燃油泵 3
泵入内燃机车燃油系统，使系统压力达到设计值 ( 一般为 0．2 ～ 0．3MPa) 。在机组不工作( 机车未启动) 时，进入燃油系统的燃油全部经旁通阀 6 及回油软管 10 返回油箱，此时称为“空打燃油泵”状态;当内燃机工作时，喷油泵组 8 启动，燃油系统中的燃油一部分经喷油泵被烧掉，没有被喷油泵抽走的燃
油经旁通阀 6 及回油软管 10 返回油箱。此时称为“工作状态”。在空打燃油泵状态，内燃机车不做功，燃油消耗为零。即此时流经供油软管 1 的燃油全部经回油软管 10 返回油箱［4］; 在工作状态，内燃机做功，燃油消耗随机车的出力情况而变化。内燃机车消耗的燃油实际上是喷油泵组启动后经各喷油
嘴 9 喷出的燃油之总和。一台内燃机车的喷油嘴数量与内燃机车的气缸数相对应，通常内燃机车有 9－12 个气缸。要准确地实时计量内燃机车的燃油消耗量有两个方案可选。
方案 1: 安装 9 ～ 12 个流量计量装置，计量每一个气缸的耗油量然后将计量结果求和，称之为“分别计量求和法”。
方案 2: 安装两个流量计量装置分别计量从油箱进入内燃机车的流量 q1 和从内燃机车返回油箱的流量 q2 ，然后求得两者之差 q=q1 －q2 作为内燃，机车的燃油消耗量 此方法称之为“流量差法” 。
在柴油机的四个冲程中，只有“喷油”时段消耗燃油，其余时段燃油在管路中是静止的，即通往柴油机喷油嘴的燃油管路中燃油的流动是断断续续( 脉动) 的。由于内燃机车在工作时各气缸的供油管路流动状态是脉动的，对于脉动流量要实现准确计量十分困难; 内燃机的燃油喷嘴所处工况条件无法满足准确计量的基本要求; 内燃机的气缸数量众多，分别计量所需计量装置众多。因此方案 1 无法实现。对于方案 2，由于内燃机中众多气缸的喷油时间是相互错开的，并且各喷油嘴的喷油量在同一工况下十分相近，因此燃油泵供油回路中的流量基本平稳，能够采用常规流量计量仪表进行计量; 燃油泵的供油回路具有足够的流量计安装位置和理想的工况条件，从测量条件上有可能进行油耗计量; 方案 2 只测量内燃机车燃油系统的进油和回油流量，仅需要两套计量装置，因此实时计量内燃机车油耗量采用流量差法具有可行性。
流量计量仪表的量程选择以及计量准确度的计算。安装在内燃机供油回路上的流量计不论是用来测量进油流量还是测量回油流量，其测量上限 q 至少要达到进油流量的数值。而燃油消耗量是进油流量与回油流量之差，实测数据显示，一台怠速油耗只有 20L /h，满负荷***大油耗大约是 300L /h 的东风 4B 型机车，其进油流量达到 3000L /h。即燃油消耗量只占其流量的 1 /10 ～ 1 /150，此谓之“大流量小消耗”。假设能够用在该内燃机车上进行计量的一对流量传感器自身计量误差为 δ =± 0． 5% ( 满度误差) ，于是在这种“大流量小消耗”的工作状态下，该内燃机车燃油消耗量的计量误差有可能达到2δ / ( 1 /10 ～ 1 /150) =10%－150%! 也就是说，采用了高精度的流量计量仪表得不到高精度的燃油消耗量的计量效果。这是用流量差方法计量内燃机车燃油消耗量遇到的问题之一。
再来考虑流量传感器的种类。目前能够适合用于内燃机车进行流量计量的流量传感器测量的都是体积流量，即传感器的输出信号只与流经传感器的流体体积有关; 实验证明，内燃机车在工作时进油温度与回油温度之差可达 50℃ 甚至更多并且经常变化，而所用燃油的体积膨胀系数约为 0．8% /10℃，只这一项引起的流量传感器自身计量误差就可达到4%以上，对油耗量引入的计量误差至少为 40%! 除此之外，燃油的粘度、润滑性，计量仪表本身尺寸的变化等因素也将影响计量的精度。采用流量差法实时计量内燃机车油耗量必须解决上述问题。
2.解决方案
采用流量差法实时计量内燃机车油耗量需要同时计量从油箱进入内燃机车的燃油流量 q1 和从内燃机车流回油箱的燃油流量 q2 ，其差值 q=q1 －q2即为燃油消耗量。常用的流量传感器中，容积式流量计［7］准确度较高，适合油品介质的计量; 但容积式流量计故障时会造成管路堵塞，破坏被测介质流体的流动。在内燃机车中，如果燃油输送受阻，机车将无法自主运行而引发“机破”故障。“机破”故障是铁路运输过程中***严重的机车设备故障，是不允许发生的! 因此容积式流量计不适合在线计量内燃机车燃油流量。科氏力质量流量计 的优点是可直接计量进、回油的质量流量，从而方便地得到内燃机车的实时燃油消耗量。然而，科氏力质量流量计的测量原理是通过测量流体流过以一定角频率振动的管路时管壁的受力变形来实现的，因此从测量原理上就要求安装现场不能有振动干扰。而内燃机车在运行过程中振动是不可避免而且是十分严重的，因此科氏力质量流量计不适合在线计量内燃机车燃油流量。涡轮流量传感器以其结构简单、体积
小、精度高、量程范围宽、输出为频率信号等优点而得到广泛的应用 。涡轮流量传感器即使发生故障也不会对输油管路造成堵塞，因此对于内燃机车燃油的计量而言，可以选择涡轮流量传感器。
本文正是采用涡轮流量传感器作为进、回油流量的计量装置。涡轮传感器的输出脉冲信号频率与流经涡轮传感器的流体的体积流量成正比，涡轮流量传感器的质量流量仪表系数是流体介质温度的函数。在进行流量测量的同时必须测量介质温度。为此，本文首先对涡轮流量传感器的结构进行了改造，将高精度的集成温度传感器与涡轮流量传感器组合成一体，从而实现在流量测量的同时同地测量介质的温度。用测得的介质实时温度，按照在实验室标准计量装置上得到的每台流量传感器特定的质量流量—温度特性函数，对流量计量结果进行修正，从而得到正确的质量流量测量值。用这种方法得到的质量流量的计量精度优于 0．5 级，即流量计的计量误差 δ≤±0．5%。
内燃机车的燃油消耗量 q 只有其进油量 q1 的1 /150 至 1 /10，所用流量计的量程上限至少要达到进油流量 q1 的数值。假设计量用流量计的***大计量误差是 δ%，那么其允许的***大误差为 | δ | q1 ，由于流量差法实时计量内燃机车油耗量是分别计量进油流量 q1 和回油流量 q2 ，则用上述流量计计量油耗量的***大误差可以达到 2 | δ | q。燃油消耗量 q 的计量结果有可能将流量计量仪表的计量误差 δ%放大几十甚至几百倍! 这样的计量精度使燃油消耗量 q 的计量结果没有任何意义。产生这一问题的根本原因是内燃机车燃油系统“大流量小消耗”的工作状态使得燃油消耗量只占计量仪表量程的很小一部分以及流量计量仪表在计量精度允许范围内的随机误差的不确定性。内燃机车燃油系统“大流量小消耗”是一个无法改变的客观现象，要解决上述问题，只能从流量计量仪表在计量精度允许范围内随机误差的不确定性方面着手，使该随机误差在流量计量点附近趋于一致而相互抵消。进行这项工作首先需要了解内燃机车燃油输送过程中流经流量传感器的实际流量、实际温度及其大致变化范围，在此范围内对构成流量差法燃油消耗量计量的流量计量装置进行标定及参数匹配，使之不但具有足够高的计量精度，而且两者的测量误差方向也要一致。即对 A、B 两个流量传感器，如果其各自的***大计量误差为 | δA |=| δB |=| δ | ，则要筛选出具有 | δA －δB | →0 的一对流量传感器。在此基础上，利用内燃机车空打燃油泵状态时进油量与回油量相等这一特点，对安装于计量现场的这一对流量计量仪表进行现场实流匹配，使其在空打燃油泵状态下两者的示值完全相等。即此时流经进、回油流量传感器的实际流量为 q; 进油流量传感器的指示值为 qA 、相对误差为 δA ; 回油流量传感器指示值为 qB 、相对误差为 δB 。根据误差理论，|δA －δB | →0，使得 q 的计量误差趋于零，这样就***大限度地消除了流量传感器自身的微小误差在大流量小消耗的内燃机车燃油计量系统中造成很大计量误差的问题，取得了令人满意的计量效果。
究其原因，是因为表中的“实际油耗”是人工读取机车油箱标尺与发油柱计量读数之和得到的，发油柱的计量误差可以保证不超过 ±0．5%，但是人工读取机车油箱标尺的读数误差可达到 ±50L! 这一
误差可随着读数次数的增多、累积耗油量的增大特别是随着发油柱计量读数所占比重的增大而趋于减小，表中“计量误差”的***后四列数据证实了这一结论。用这种流量差法解决大流量小消耗的流量实时计量问题完全有把握达到 1．0 级的计量精度。此方法的特点在于可实现内燃机车燃油消耗量的实时计量—实时性; 在计量装置发生故障时也不会影响机车的正常运行—安全性; 可用常规的流量、温度传感器实现准确计量—可靠性; 整套计量装置结构简单、拆装方便、易于维护、价格低廉。
4.结语
内燃机车燃油消耗的实时计量对于铁路系统的节能降耗、减排环保都有着至关重要的意义。本文针对内燃机车燃油消耗计量的“大流量小消耗”带来的难题，提出了切实可行的解决方案，实验结果显示达到了令人满意的效果。