1 氣道流動特性的評價方法

    氣道流動特性指氣道的流通能力或阻力特性產生渦流的能力。由于內燃機內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行評價。在發動機運轉時，氣流是間歇的不穩定流動，很難在發動機上直接測定渦流和滾流強度，從而難以知道氣道系統的好壞，目前，大都是在試驗臺上進行穩定流動的模擬試驗，測量渦流強度及氣道阻力，以此來評價氣道的優劣。

    1.1 渦流評價方法

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

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

    平均流量系數為

    式中，α₁和α₂分別為氣門開啟和關閉的曲軸轉角，rad。

    Ricardo無量綱渦流強度為

    
    
    式中，ω_R為葉片轉速，r/min；B為缸徑，m。

    1.2 滾流評價方法

    內燃機缸內滾流也是進氣過程中形成的一種大尺度渦旋，只是方向與渦流不同，因此其強度仍可根據在給定氣門升程下缸內滾流的角動量在整個進氣過程中求積分得到。無量綱流量系數和滾流數均與Ricardo方法相同^[2]。定義為

    式中，N_t（a）為不同氣門升程時的葉片風速儀轉速，r/min；V_s為發動機排量，m³。；Q_（a）為不同氣門升程時的氣體流量，m³/s。

    2 流量計的作用及存在問題

    無論采用何種評價方法，氣道流量都是評價氣道性能所需的重要參數之一，所以在氣道穩流試驗臺系統中（見第49頁圖1），流量計必不可缺且需進行合適的選擇。流量計選得好，獲取的流量值就準確，所得到的各種氣道特性參數就精確；否則，誤差較大。

    目前，大都采用孔板流量計或渦街流量計。孔板流量計的節流件——標準孔板，雖然結構易于復制，簡單，牢固，使用期限長，價格低廉，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備；測量的重復性、精確度在流量計中屬于中等水平，精確度難以提高；范圍度窄，一般僅為3:1~4:1；現場安裝條件要求較高，應用標準文件（GB/T 2624或ISO 5167）中的流出系數和可膨脹性系數，令投用的節流裝置與標準節流裝置達到幾何相似和動力學相似；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節，易產生泄漏、堵塞、凍結及信號失真等故障；孔板壓損大。普通渦街流量計的現場儀表電路設計多電路板、多接插件和多電位器，工作可靠性下降；同時硬件結構復雜，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，旋渦分離的穩定性受流速分布畸變及旋轉流的影響，必須根據上游側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）；儀表系數較低，分辨率低，口徑愈大愈低。

    3 智能型旋進流量計的結構與工作原理

    3.1 組成結構

    智能型旋進流量計主要由殼體（文丘利管）、螺旋整流器、導流體、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，其結構如圖2所示。

    3.2 工作原理

    流量計進口處的螺旋整流器迫使沿軸向流動的流體產生旋轉運動，形成一個繞流道中心線旋轉的旋渦（見圖2）；在后部回流的作用下，該旋渦產生二次螺旋運動，即旋渦進動；二次螺旋進動的頻率與流量成正比。如流量計形狀設計得當，在很寬的流量范圍內頻率與流量成線性關系。產生的旋渦頻率再經頻率感測元件（壓電晶體）檢測、轉換及前置放大器的放大、濾波和整形等一系列過程之后，旋渦頻率就被轉變成了與被測介質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行積算處理，最后在LCD上顯示出標準狀況下的瞬時流量、累計流量、溫度、壓力等測量結果。其工作原理框圖如圖3所示。

    3.3 特點

    無運動部件，無磨損，工作故障率低，機械維修量小；一體化設計，結構緊湊，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和口徑；傳感器內部同時安裝了溫度和壓力傳感器，可檢測出介質的溫度與壓力，并進行自動補償和壓縮因子自動修正。旋渦流旋轉頻率與介質流速成正比，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1:25。采用先進的微功耗電子技術，整機功耗低，既可由外電源供電運行，也可由電池供電運行。

    4 對比試驗

    4.1 試驗機型

    試驗用YH465QE汽油機，是國內微型面包車采用的主要機型之一。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進氣門開啟，ABDC 56°CA進氣門關閉，BBDC 56°CA 排氣門開啟，ATDC 20°CA排氣門關閉。

    4.2 試驗方法

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

    4.3 試驗結果與分析

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

    第51頁表3說明孔板流量計和旋進流量計流量平均值相對差值相差不大，可以用旋進流量計進行測量。從表1中可以看出孔板流量計在小行程（1.5mm和3mm）小流量時，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中能看出旋進流量計在小行程（1.5mm和3mm）小流量時，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明顯小的多。因此，旋進流量計在氣道穩流試驗中可以獲得較高精度的流量，能夠為準確研究氣道流動特性提供可靠的保證。

表1 用孔板流量計所測流量值和同一行程下各流量值與對應平均值的相對差

表2 用旋進流量計所測流量值和同一行程下各流量值與對應平均值的相對差

表3 孔板流量計與旋進流量計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，用旋進流量計進行了多次流量測量，準確的測量數據為正確評價氣道性能提供了保證。但在使用過程中還有幾點要注意。

    5.1 儀表選型

    在已經選定了智能式旋進旋渦流量計的情況下，對儀表規格及其配套元件的選擇也至關重要。應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3個選型參數，即最大、最小及常用瞬時流量（選定儀表的大小規格），被測介質的設計壓力（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 定期標校

    為了確保儀表測量結果的可靠與準確，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的部門進行全流量范圍內的系統檢定。

    5.3 工藝安裝

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

    5.4 管理與維護

    定期檢查計量工藝流程狀態，發現問題及時整改；注意儀表長期工作的準確性和可靠性，定期查看電池狀況，檢查儀表系數及鉛封，對儀表的測量腔體及其構件進行定期檢查或清洗。

    6 結束語

    旋進流量計與孔板流量計和普通渦街流量計相比有很多優點，一是其前后直管段很短，可大大縮小氣道試驗臺的結構尺寸，安裝方便；二是提高了測量精度，擴大了測量范圍；三是易于操作控制，實現數字化，便于對數據的讀取、存儲、打印和分析。這種流量計定會在工農業生產中發揮更大的作用。