1 氣道流動(dòng)特性的評價(jià)方法

    氣道流動(dòng)特性指氣道的流通能力或阻力特性產(chǎn)生渦流的能力。由于內(nèi)燃機(jī)內(nèi)存在渦流和滾流兩種大尺度渦旋，所以一般對氣道的渦流和滾流進(jìn)行評價(jià)。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣流是間歇的不穩(wěn)定流動(dòng)，很難在發(fā)動(dòng)機(jī)上直接測定渦流和滾流強(qiáng)度，從而難以知道氣道系統(tǒng)的好壞，目前，大都是在試驗(yàn)臺上進(jìn)行穩(wěn)定流動(dòng)的模擬試驗(yàn)，測量渦流強(qiáng)度及氣道阻力，以此來評價(jià)氣道的優(yōu)劣。

    1.1 渦流評價(jià)方法

    在氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺上評價(jià)渦流強(qiáng)度的方法有多種，但基本相近。為比較不同形狀和尺寸氣道的流動(dòng)特性，一般采用無量綱流量系數(shù)評價(jià)不同氣門升程下氣道的阻力特性或流通能力，用無量綱渦流強(qiáng)度評價(jià)不同氣門升程下氣道形成渦流的能力。國內(nèi)普遍采用Ricardo方法^[1]，其無量綱流量系數(shù)C_F定義為流過氣門座實(shí)際空氣流率與理論空氣流率之比，計(jì)算公式為

    式中，Q為氣體流量，m³/s；n為進(jìn)氣門數(shù)；V₀為理論進(jìn)氣速度，m/s；A 為氣門座內(nèi)截面面積，m²。

    平均流量系數(shù)為

    式中，α₁和α₂分別為氣門開啟和關(guān)閉的曲軸轉(zhuǎn)角，rad。

    Ricardo無量綱渦流強(qiáng)度為

    
    
    式中，ω_R為葉片轉(zhuǎn)速，r/min；B為缸徑，m。

    1.2 滾流評價(jià)方法

    內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)滾流也是進(jìn)氣過程中形成的一種大尺度渦旋，只是方向與渦流不同，因此其強(qiáng)度仍可根據(jù)在給定氣門升程下缸內(nèi)滾流的角動(dòng)量在整個(gè)進(jìn)氣過程中求積分得到。無量綱流量系數(shù)和滾流數(shù)均與Ricardo方法相同^[2]。定義為

    式中，N_t（a）為不同氣門升程時(shí)的葉片風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速，r/min；V_s為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，m³。；Q_（a）為不同氣門升程時(shí)的氣體流量，m³/s。

    2 流量計(jì)的作用及存在問題

    無論采用何種評價(jià)方法，氣道流量都是評價(jià)氣道性能所需的重要參數(shù)之一，所以在氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺系統(tǒng)中（見第49頁圖1），流量計(jì)必不可缺且需進(jìn)行合適的選擇。流量計(jì)選得好，獲取的流量值就準(zhǔn)確，所得到的各種氣道特性參數(shù)就精確；否則，誤差較大。

    目前，大都采用孔板流量計(jì)或渦街流量計(jì)。孔板流量計(jì)的節(jié)流件——標(biāo)準(zhǔn)孔板，雖然結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡單，牢固，使用期限長，價(jià)格低廉，但加上差壓變送器和流量顯示儀之后整套儀表就不便宜了；另外，它須購置如冷凝器、集氣器、沉降器和隔離器等一些輔助設(shè)備；測量的重復(fù)性、精確度在流量計(jì)中屬于中等水平，精確度難以提高；范圍度窄，一般僅為3:1~4:1；現(xiàn)場安裝條件要求較高，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)文件（GB/T 2624或ISO 5167）中的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)，令投用的節(jié)流裝置與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置達(dá)到幾何相似和動(dòng)力學(xué)相似；流件前后的必需直管段較長；檢測件與差壓顯示儀表之間引壓管線為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生泄漏、堵塞、凍結(jié)及信號失真等故障；孔板壓損大。普通渦街流量計(jì)的現(xiàn)場儀表電路設(shè)計(jì)多電路板、多接插件和多電位器，工作可靠性下降；同時(shí)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢查和拆裝困難，維修性很差；不適用于低流速、小口徑的情況，旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響，必須根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長的直管段（上游直管段長度為直徑的15倍~40倍、下游段為直徑的5倍）；儀表系數(shù)較低，分辨率低，口徑愈大愈低。

    3 智能型旋進(jìn)流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與工作原理

    3.1 組成結(jié)構(gòu)

    智能型旋進(jìn)流量計(jì)主要由殼體（文丘利管）、螺旋整流器、導(dǎo)流體、頻率感測件（壓電晶體）、微處理器、溫度及壓力傳感器等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    3.2 工作原理

    流量計(jì)進(jìn)口處的螺旋整流器迫使沿軸向流動(dòng)的流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)繞流道中心線旋轉(zhuǎn)的旋渦（見圖2）；在后部回流的作用下，該旋渦產(chǎn)生二次螺旋運(yùn)動(dòng)，即旋渦進(jìn)動(dòng)；二次螺旋進(jìn)動(dòng)的頻率與流量成正比。如流量計(jì)形狀設(shè)計(jì)得當(dāng)，在很寬的流量范圍內(nèi)頻率與流量成線性關(guān)系。產(chǎn)生的旋渦頻率再經(jīng)頻率感測元件（壓電晶體）檢測、轉(zhuǎn)換及前置放大器的放大、濾波和整形等一系列過程之后，旋渦頻率就被轉(zhuǎn)變成了與被測介質(zhì)流速大小成正比的脈沖信號，然后再與溫度和壓力等檢測信號一起被送往微處理器進(jìn)行積算處理，最后在LCD上顯示出標(biāo)準(zhǔn)狀況下的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、溫度、壓力等測量結(jié)果。其工作原理框圖如圖3所示。

    3.3 特點(diǎn)

    無運(yùn)動(dòng)部件，無磨損，工作故障率低，機(jī)械維修量小；一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，相同的傳感器和電路部件適用于所有的測量介質(zhì)和口徑；傳感器內(nèi)部同時(shí)安裝了溫度和壓力傳感器，可檢測出介質(zhì)的溫度與壓力，并進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償和壓縮因子自動(dòng)修正。旋渦流旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成正比，線性度良好，測量精度高（示值的±0.5%），只需很短的前后直管段或完全不需要直管段，前直管的長度一般為直徑的3倍，后直管段長度與直徑相等；量程比寬達(dá)1:25。采用先進(jìn)的微功耗電子技術(shù)，整機(jī)功耗低，既可由外電源供電運(yùn)行，也可由電池供電運(yùn)行。

    4 對比試驗(yàn)

    4.1 試驗(yàn)機(jī)型

    試驗(yàn)用YH465QE汽油機(jī)，是國內(nèi)微型面包車采用的主要機(jī)型之一。其缸徑為65.5mm，行程為78mm，壓縮比9.4，單頂置凸輪軸，斜蓬頂燃燒室，2氣門，氣門問隙0.13mm~0.18 mm，氣門座直徑28mm，氣門升程8mm，BTDC 20°CA進(jìn)氣門開啟，ABDC 56°CA進(jìn)氣門關(guān)閉，BBDC 56°CA 排氣門開啟，ATDC 20°CA排氣門關(guān)閉。

    4.2 試驗(yàn)方法

    用孔板流量計(jì)和旋進(jìn)流量計(jì)在氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺上做5次對比試驗(yàn)，測量氣道在不同氣門升程下的流量，計(jì)算出平均值和各測量值與對應(yīng)平均值的相對差，最后對平均值和相對差進(jìn)行比較。如果在相同升程下平均值吻合較好，則說明可以采用旋進(jìn)流量計(jì)；在相同升程下，哪一種流量計(jì)的流量相對差絕對值大，哪一種流量計(jì)的測量誤差就大。

    4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    表1和表2列出了采用孔板流量計(jì)及旋進(jìn)流量計(jì)所測流量值和同一行程下各流量值與對應(yīng)平均值的相對差，第51頁表3示出了孔板流量計(jì)與旋進(jìn)流量計(jì)同一氣門升程流量平均值的比較。

    第51頁表3說明孔板流量計(jì)和旋進(jìn)流量計(jì)流量平均值相對差值相差不大，可以用旋進(jìn)流量計(jì)進(jìn)行測量。從表1中可以看出孔板流量計(jì)在小行程（1.5mm和3mm）小流量時(shí)，流量的相對平均值差值在-5.03%~+5.1%之間，誤差范圍大，其他行程流量相對平均值差值在-1.99%~+1.75%之間。從表2中能看出旋進(jìn)流量計(jì)在小行程（1.5mm和3mm）小流量時(shí)，流量的相對平均值差值在-1.89%~+1.65%之間。其他行程流量相對平均值差值在-0.8%~+0.8%之間，誤差范圍比孔板流量計(jì)明顯小的多。因此，旋進(jìn)流量計(jì)在氣道穩(wěn)流試驗(yàn)中可以獲得較高精度的流量，能夠?yàn)闇?zhǔn)確研究氣道流動(dòng)特性提供可靠的保證。

表1 用孔板流量計(jì)所測流量值和同一行程下各流量值與對應(yīng)平均值的相對差

表2 用旋進(jìn)流量計(jì)所測流量值和同一行程下各流量值與對應(yīng)平均值的相對差

表3 孔板流量計(jì)與旋進(jìn)流量計(jì)同一氣門升程流量平均值的比較

    5 使用情況

    在氣道特性研究中，用旋進(jìn)流量計(jì)進(jìn)行了多次流量測量，準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)為正確評價(jià)氣道性能提供了保證。但在使用過程中還有幾點(diǎn)要注意。

    5.1 儀表選型

    在已經(jīng)選定了智能式旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的情況下，對儀表規(guī)格及其配套元件的選擇也至關(guān)重要。應(yīng)把握住兩條基本原則，一要保證使用精度，二要保證安全。必須落實(shí)3個(gè)選型參數(shù)，即最大、最小及常用瞬時(shí)流量（選定儀表的大小規(guī)格），被測介質(zhì)的設(shè)計(jì)壓力（選定儀表的公稱壓力等級），工作壓力（選定儀表壓力傳感器的壓力等級）。

    5.2 定期標(biāo)校

    為了確保儀表測量結(jié)果的可靠與準(zhǔn)確，必需在正式安裝前和使用過程中定期將其送往具有檢定能力及資質(zhì)的部門進(jìn)行全流量范圍內(nèi)的系統(tǒng)檢定。

    5.3 工藝安裝

    要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行安裝，盡可能避免振動(dòng)、高溫環(huán)境及干擾元件（如壓縮機(jī)、分離器、調(diào)壓閥、大小頭及匯管、彎頭等），保持儀表前后直管段內(nèi)壁光滑平直，保證被測介質(zhì)為潔凈的單相流體等。

    5.4 管理與維護(hù)

    定期檢查計(jì)量工藝流程狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)整改；注意儀表長期工作的準(zhǔn)確性和可靠性，定期查看電池狀況，檢查儀表系數(shù)及鉛封，對儀表的測量腔體及其構(gòu)件進(jìn)行定期檢查或清洗。

    6 結(jié)束語

    旋進(jìn)流量計(jì)與孔板流量計(jì)和普通渦街流量計(jì)相比有很多優(yōu)點(diǎn)，一是其前后直管段很短，可大大縮小氣道試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)尺寸，安裝方便；二是提高了測量精度，擴(kuò)大了測量范圍；三是易于操作控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，便于對數(shù)據(jù)的讀取、存儲、打印和分析。這種流量計(jì)定會在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。