1 前言

    在发动机性能研究、ECU标定、排放测量方面，进气流量是最关键的参数之一。在测量发动机进气流量时，必须考虑以下问题：①发动机进气是一个周期性的非定常流动，即使在发动机稳态工况下，由于发动机进气的不连续性，仍然存在脉动；②发动机台架试验进气流量测量中，由于同一发动机从怠速到最高工况，功率变化范围大，或者对不同发动机功率变化范围更大；③所以要求在保证相同精度条件下量程比要大。发动机进气量测量时要求阻力最小化，因为如果进气阻力增大将直接影响发动机的进气量，使发动机功率下降，排温上升，排放变差，改变了发动机的进气状况，使测量进气量失去了意义。

    通常情况下进行发动机进气流量测量时可以选用进气双扭流量计、热式气体质量流量计、威力巴流量计、涡街流量计等，但与这些流量计相比较，进气层流流量计更具优点。

    2 层流流量传感器原理

    层流（LaminarFlow）流量计的工作原理为差压原理。其基本结构见图1。

图1 层流流量计基本结构

    层流与湍流是流体运动的两大状态，二者是以雷诺数进行区分的。雷诺数为流体流动的惯性力与粘滞力之比，可表示为：

    

    式中：Re为雷诺数，无量纲数；为流动横截面的平均流速，m/s；D为特征长度，管道直径，m；ρ为流体的密度，kg/m3；v为运动黏度，m2/s；μ为动力黏度，N·s/m2。    

    通常认为Re<2000为层流，2000<Re<4000为过渡流，Re>4000为湍流，层流和湍流两者的流态完全不同。绝大部分压差式流量计是应用湍流的原理进行设计的，比如进气双扭流量计、孔板流量计等。而层流流量计必须工作在层流段。所以同样是压差式流量计，层流流量计完全区别于其它压差式流量计，其特性完全不同。

    层流流量计是基于流体处于完全发展的层流状态时，管道两截面之间的压差与流速成正比的规律而构建的，大大扩展了流量测量的量程；在一定的条件下，它可以不用稳压箱，不用前后直管段（一般流量计为至少前10D后5D），因而大大简化了脉动流量的测量工作。

    在层流流量计中，流速与层流元件的前后压差可以建立下列关系式

       （1）

    上式称为泊谡叶（Poiseuille）方程，是计算层流时摩擦损失的计算式。由上式可知，层流时的摩擦损失与流速的一次方成正比。将上式代入范宁公式

      （2）

    并整理得

       （3）

    通过上面的分析，可以得到层流流量计的流量计算公式

      （4）

    其中，Qa为实际流量；C1由层流流量计结构参数决定；ΔP为压差；μ为流体的动力黏度，对于空气来说，它是空气流体温度的单一函数。

    层流流量的流量与压差成正比。

    3 层流流量计的设计参数

    层流流量计的设计参数可分为流动参数与几何参数。流动参数为：最大体积流量Qmax、最大压差ΔPmax和最大平均流速ummax；几何参数为：流量计的直径D、层流流道的当量直径d1、层流流量计流道长度L和层流流道的数目n。

    以上这些参数之间存在相互的制约关系，通过优化设计和实测，可以精确确定以上参数。

    每台流量计出厂时，用空气在常温、常压下标定并换算到标准状态（20℃、760mmHg）下的标准特性，且由下式表示：

      （5）

    式中：Qb为标准体积流量，m3/h；KQ为对应于体积流量的仪表常数，（m3/h）/kPa。

    标定时，每台流量计的体积流量仪表常数是用通过流量计的压差与体积流量的关系给出的，压力通常是以流量计层流元件下游的压力为准而测定的。

    在实际使用层流流量计时，当空气的压力和温度与标准状态不同时，可用公式（6）进行修正，换算成相当于标准状态下的标准体积流量。

      （6）

    式中：P为测试时层流元件下游的绝对压力；Pb为标准状态时的绝对压力；T为测试时流量计空气入口处的绝对温度；Tb为标准状态时的绝对温度；η为测试时的空气动力粘度；ηb为标准状态时的空气动力黏度。

    对于实际的体积流量，可用下式计算：

      （7）

    4 层流流量计的标定

    气体流量计的标定方法有多种，这里采用临界流标准管试验台，流量范围：1～5000m3/h；精度：0.15%。层流流量计温度计测量范围0～50℃，分度值为0.1℃。

    标定系统见图2。

    每次检定记录装置内的气体绝对压力和温度、传感器层流元件进口处气体绝对压力和温度。

图2　层流流量计检定系统示意图

    传感器差压的测定采用静态间歇读数方法，一次检定过程中有效读数次数不得少于10次，最后取其平均值作为该次检定的差压值。

    根据传感器层流元件进口处温度值，查出传感器的粘性修正系数。流量计算按照公式（6）、（7）进行。

    标定装置流量按式8计算

      （8）

    式中：QSN为换算到标准状态下的装置体积流量，m3/s；A*为临界流喷嘴喉部的内截面积；C为临界流喷嘴流出的系数；C*为实际气体临界流函数；Ps、Ts为临界流喷嘴前的空气滞止绝对压力，Pa；和临界流喷嘴前的气体滞止热力学温度，K；R为气体常数，J/（kmolK）。

    计算传感器的基本误差和重复性，各检定点每次检定的基本误差计算如下

      （9）

    式中：下标i为流量检定点序号；角码j为第j次测量。

    每点检定的基本误差：；每点检定的重复性：。传感器基本误差：；传感器重复性：

    5 层流流量计的应用

    层流流量计由于其独特的可以对脉动气流进行流量测量的特点，特别适合用于发动机进气流量测量。由于层流流量计精度高、流量稳定、量程宽，所以可作为流量校验设备，如在发动机排放测量中空气流量的测量及校正。欧III和欧IV及国标标准中，关于全流稀释定容采样系统流量的标定和检验就是采用层流流流量作为标定设备。

    本文利用层流流量计测量发动机进气量，取得了较好的效果，标定测量结果见表1和图3。

    6 结论

    （1）由于发动机进气流量测量中的特殊性，进气流量测量一直以来是一个难于解决的问题，本文采用层流流量计进行发动机进气流量测量，取得了较好的效果。

    （2）特殊的设计保证气体通过流量管时处于层流状态，即保证在最大脉动流速条件下雷诺数小于2300。

    （3）层流流量计流量与压差成正比，所以可以进行脉动流量的完全瞬时流量的测量，压差波动测得后即可确定瞬时流量。

    参考文献

    [1]王伯年.有关层流流量计的理信论分析[J].江苏工学院学报，1983（8）：15.
    [2]史绍熙.关于内燃机空气消耗量的测定法[J].天津大学学报，1957（8）.
    [3]GB/T2694-93，流量测量节流装置.用孔板、喷嘴和文丘利管测量充满圆管的流体[S].
    [4]JJG736-1991，气体层流流量传感器[S].
    [5]GB18352.3-2005，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国、阶段）[S].

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