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椭圆齿轮流量计应用于内燃机油耗测量系统

椭圆齿轮流量计应用于内燃机油耗测量系统,介绍一种用于测量内燃机耗油的流量计,以实现对动力机械的燃油控制,达到节能减排的目的。采用椭圆齿轮的测量形式,开发了二次仪表。利用一台喷油泵试验台进行了系统性能验证实验,根据内燃机的实际工作状况,在内燃机三种工况下进行了实验,即大扭矩转速、最大功率转速以及起动转速。实验结果表明,该测量系统工作稳定,在最大扭矩转速和最大功率转速下测量误差相对小,分别为0. 9%和0. 8%,但在起动转速工况下误差大,为32. 3%。同时,进油管和回油管的表头均有一定的内泄漏,且随着内燃机转速的增大而减小。最后,通过分析测量数据,提出了从表头工艺参数和软件补偿两个方面提高测量精度。
内燃机的发明极大地促进了人类社会的发展,在各种动力机械中得到了广泛应用。同时,内燃机作为耗油大户,安装一套设备实现其油耗的计量,达到控制成本、节能减排的目地是非常必要的可以精确地测定内燃机车在各种工况下运行的微分及积分燃油消耗量,为准确判断运行中的机车热力状态,分析机车费油原因,以及制定环保、安荃、经济的操纵方法提供了科学依据。在船舶的运营方面,有船舶燃油管理系统、船舶航行优化操作软件。实现了燃油的精细管理,对船舶运营管理、生产制造及维修都有十分重要的意义。
内燃机一般有进油管和回油管,通过油泵进行循环,两管流量之差即为实际耗油量。内燃机有三种极限工况,最大扭矩转速、最大功率转速、起动转速。所设计的椭圆齿轮流量计要求必须在三种极限工况下均能正常工作。同时,机器运转时可能会产生脉动流,则所选传感器应对脉动流不敏感。另外,燃油粘度也是一个需要考虑的因素。综合以上因素,采用容积式流量测量法,选取椭圆齿轮的测量形式。椭圆齿轮流量计具有精度高[6]( 一般为0. 5%,特殊达到0. 2%) 、对安装要求低,在旋转流和管道阻流件流速场突变时对计量精确度没有影响,没有前置直管段要求,安装简单,占据空间较小。测量范围宽,对流体粘度不敏感,适于对燃油的测量。量程比宽,一般达到10 ∶1,特殊达到30 ∶1或更高[6],理论上适合于内燃机三种工况的测量要求。在椭圆齿轮上装有磁钢,利用霍尔效应[7,9]对椭圆齿轮的旋转进行检测,根据传感器输出信号的特点设计二次仪表,包括信号调理电路与显示部分。
本文根据内燃机实际工作状况设计了实验,模拟其在三种极限工况下工作。实验结果表明,该系统在最大扭矩转速和最大功率转速下测量误差相对较小,但在起动转速下误差大。最后,通过分析实验数据和系统在低转速下误差大的原因,提出了进一步改进的措施。
1 传感器原理及结构
1. 1 测量原理
测量原理如图1 所示。测量部分由两个相互啮合的椭圆齿轮及其外壳( 计量室) 所构成。在一个椭圆齿轮上对等各安装一磁钢,流体通过时,会引起椭圆齿轮的转动,这种转动相当于对空间磁场进行了调制。然后,利用磁敏检测原理,将周期性磁场变化信号转换为电信号,最终通过信号转换电路将流量值显示出来。
椭圆齿轮流量计在被测介质的压差ΔP = P1 -P2 的作用下,产生作用力矩使其转动。在Ⅰ位置时,A 为主动轮,B 为从动轮,这是由于P1>P2,两者的合力矩使轮A 顺时针转动,把轮A 和壳体间的半月形容积内的介质排至出口,并带动轮B 作逆时针方向转动; Ⅱ为中间位置,A 和B 均为主动轮; 而在Ⅲ位置时,P1 和P2 作用在A 轮上的合力矩为零,作用在B轮上的合力矩使B 轮逆时针转动,并把已吸入半月形容积内的介质排至出口,这时B 为主动轮,A 为从动轮。如此往复循环,轮A 和轮B 互相交替地由一个带动另一个转动,将被测介质以半月形容积为单位一次次地由进口排至出口。
显然,椭圆齿轮每转一周所排出的被测介质量理论值为半月形容积V0的4 倍。图1 中,半月形的截面积S 为计量室壳体半径对应的半圆面积与半椭圆齿轮面积之差,即
上述两式中,a 为椭圆齿轮长半轴,b 为椭圆齿轮短半轴,R 为计量室壳体半径,L 为椭圆齿轮轴向高度。实际使用时,由于加工、装配误差等原因,必须对每个表头进行标定。
1. 2 传感器结构
检测系统传感器也称为表头,主要包括计量室、转轴、椭圆齿轮副、垫圈、霍尔开关、磁钢以及螺栓。三维机械结构示意图如图2 所示。其中,计量室由上下端盖组成,用密封圈封好。转轴与下端盖加工为一体。齿轮副安装在下端盖,其中一个椭圆齿轮安装两枚磁钢( 位于长轴上,成180°布置) ,霍尔开关安装在上端盖。油液推动以各自齿轮轴为中心的椭圆齿轮副啮合转动后从另一油口流出。
上下端盖组成的计量室由高强度钢材料组成,椭圆齿轮副是耐磨的铜材料。油液从左右两侧进出,且以油液不直接冲击齿轮为好,把进出入计量室的通道有倾斜一定角度,同时,也可提高表头耐压性能。
密封装置保证油液不向传感器壳体外泄漏,简称外泄漏,外泄漏会造成浪费和环境污染。与之对应的还有内泄漏,内泄漏是指液压系统内部有少量液体从高压腔流向低压腔的泄露。内泄漏会造成效率下降,测量精度降低。通过合理的尺寸参数选择以及加工精度,尽量减少内泄漏。
2 二次仪表开发
2. 1 信号处理电路设计
二次仪表将传感器输出的脉冲信号经过处理,最终显示在液晶屏幕( LCD) 上,其模块图如图3二次仪表应该具有工作响应快、量程比满足需要以及外表美观等特点。另外,数据存储功能也是不可缺少的,一方面将油耗数据存储起来,另一方面,通过固化程序实现误差的补偿及修正功能。作为一个人机接口,设置友好的操作方法至关重要。达到便于读数、查询、设置以及管理的目地。
传感器输出信号为低频信号( 几十赫兹) ,幅度3. 0 V 左右,同时,会混入高频噪声成分。为了保证对脉冲精确计数,霍尔开关输出信号需要经过跟随、低通滤波、增益调节以及整形电路。
低通滤波电路采用二阶无限增益多路反馈型[10],该电路具有稳定性高、结构简单的优点。Multisim 仿真结果显示其-3 dB 截至频率约为208Hz,保证传感器流量信号在内燃机所有工况下都能通过滤波电路,同时尽可能消除通带外噪声。另外,滤波电路增益大小为1。滤波后的信号经过反向放大、滞回比较器,得到与单片机( AT89S52) 兼容的电平信号。
二次仪表所用液晶屏为OCMJ4X8C,采用SPI串行通信方式与单片机进行数据交换。时钟芯片选用SD2400EEPROM 型,该芯片内置晶振,且自身带有ROM,用来存储测量数据。 
2. 2 软件设计
软件主程序流程图见图5。系统上电时,首先进行液晶屏初始化程序、中断设置以及软件看门狗设置等初始化操作。由于所用单片机与LCD 液晶屏通信数据量大,需要一定时间,所以必须设置一个刷新显示标志位,通过定时器每隔一段时间显示一次测量数据,刷新一次系统时钟,保证单片机不会丢失流量脉冲计数。实际使用时,当油耗增加一定量时,需要将耗油量和时间储存到外部ROM 中,通过设置数据储存标志位实现这一目的,便于以后查阅和管理。 
在内燃机三种工况下,输出信号在几赫兹到几十赫兹。常用的频率测量方法[5, 11]有: 测频率法、测周期法和多周期测频法。测频率法适于高频测量,低频测量误差较大; 测周期法通过捕捉一个脉冲周期所用的基准时钟计数值来测量,适合低频测量; 多周期测频法是通过捕捉若干个周期所用的基准时钟脉冲数来测量,测量精度与被测脉冲频率无关,所以可用于高低频测量。由于本系统是进行流量容积测量,不是流速的测量,所以还可以采用查询法对脉冲计数。每计入一个脉冲,加上相应的传感器标定因数即可得到燃油累计消耗量。该方法简单易行,同时,为了提高检测精度,防止可能的杂散信号干扰,通过反复查询脉冲电平可精确实现测量,提高系统电磁兼容性。系统脉冲计数流程图如图6 示,设传感器输出最大脉冲频率为100 Hz,则输出信号的高电平最少可维持5 ms,为保证第二次查询时理想的脉冲信号本身仍在高电平时间段内,当检测到第以次电平变化时,延时2 ms,再查询该电平,若不变,则该脉冲有效,反之,视为无效脉冲 
3 实验系统及结果讨论
3. 1 实验系统
在油泵试验台上完成最终的功能验证实验,如图7 所示,采用一个柴油机油泵,模拟实际柴油机的工况运行。
所用油泵试验台是泰安泰山金石机械有限责任公司的DB2000-ⅡA 型喷油泵试验台,其主轴转速范围为0 ~ 4 000 r /min,可试喷油泵缸数为12,主轴最大输出功率为11 kW,气路压力为-0. 1 MPa ~ 1. 0MPa。利用油泵试验台可实现对其上玻璃量杯卸油次数的控制,卸油总量作为模拟耗油量,与二次仪表显示值比较。通过试验台可实现对进油管和回油管压力的控制,使其与柴油机运行时相配。试验台回油管有一个转子流量计( 精度: 1. 5 级) ,可将回油管流速显示出来。
实验设计是基于内燃机三种工况,最大扭矩转速、最大功率转速和起动转速。所选用北京天伟油泵厂的六缸PB 型喷油泵,适合在180 kW 柴油机上使用。将油泵安装在油泵试验台上,实验时保证进油管和回油管的压力分别为0. 1 MPa、0. 05 MPa,符合实际的工作压力,油温设定为25 ℃。
实验系统框图如图8 所示,分流功能由油泵试验台实现,玻璃量筒示数即为实际耗油量,可精确读出,精度为1 mL,与样机示数相比较,可以对样机进行简单标定。转子流量计为油泵试验台所固有,将其连在回油管上,可提供回油管通过的实际流量,加上玻璃量筒示数即可得到进油管流量,与二次仪表测得值进行对比。
3. 2 实验结果及讨论
油泵在最大功率转速、最大扭矩转速、起动转速三种工况下进行实验,记录每个状态二次仪表进油、回油、耗油读数以及试验台玻璃量筒读数、压力、油泵转速、玻璃量筒卸油次数,还有转子流量计读数。通过试验台的卸油操作实现对玻璃量筒耗油的控制。每个状态重复进行三次,实验数据见表1。
在三种工况下,系统三次重复测量得到的三组数据曲线吻合的较好( 图9) ,说明系统工作稳定,有一定的测量重复性。
按表1 作系统计量特性图,横坐标为三次玻璃量筒示数均值( 看作参考值) ,纵坐标为三次测量值的平均值,如图10 所示。由表1 及图10 可以看出,系统在最大扭矩转速和最大功率转速下有着相对小的测量误差,但在起动转速下测量误差太大。一般说来,表头内部各机械零件之间的间隙引起的内泄漏、压力损失和燃油粘度是影响测量精度的主要原因[3]。压力损失的存在会增大泄漏[3]。二次仪表显示值为127 mL /min,而参考值为96 mL /min。显示值大于参考值,表面上看,该误差不是由泄漏引起。因为泄漏会使实际通过的流量大于测得值。但是,二次仪表的测得值是由进油和回油之差得到的。根据转子流量计示数,进行换算后,实际的进油量和回油量见表2,两者均大于测得值。由此说明,误差的主要原因应该是内泄漏。同时,对比不同状态下测得值与参考值,可得,转速越大,两值越接近,说明速度越大,泄漏相对越小,这是由于椭圆齿轮旋转越快时,液体泄漏量越少。
由图10 可以看出,尽管进油量与回油量的测量值均小于参考值,但两者之差得到的耗油量却与参考值相差不大,特别在较高转速下。这是由于进油与回油的泄漏部分相互抵消造成的,使得到的差值接近玻璃量筒示数 
为了提高测量精度,根本方法在于改进表头的加工工艺,从表头材料[12]和结构两个方面进行改进,对端面间隙和齿顶间隙的控制要合理[12-13],同时,根据具体内燃机型,设计相应的表头,尽量减小计量室,流量一定时,会增大椭圆齿轮的旋转速度,由表2 知,相应地会减小泄漏,但另一方面,流速增加也会加大压力损失,压力损失的增加又会加大漏油[3]。同时,过大的旋转速度对表头的寿命会造成一定影响,设计中,必须在两者之间寻找一个平衡。
另一种方法是采用软件补偿,通过大量实验,得出不同转速下测得值与参考值的关系,在测量中对数据进行实时补偿。这种方法需要进行大量实验,工作量大,但是简单易行。另外,若测量系统工作环境温度与标定时温差太大时,要达到更高的精度,还应考虑对温度进行补偿[14]。温度变化会引起材料变形,造成计量室容积变化,同时燃油体积和粘度也会变化[15],因此,在某种特殊高精度要求场合,进行温度补偿也是必要的。
本文研究了针对内燃机耗油量的椭圆齿轮流量计,选用椭圆齿轮的测量形式,设计了表头机械结构,开发了二次仪表。建立了实验测试平台,在内燃机最大功率转速、最大扭矩转速和起动转速下进行测试,测试结果为进一步改进流量计提供科学依据。实验表明,两个表头都存在内泄漏,并且随着转速增大而减小。尽管存在内泄漏,但利用进油量与回油量之差计算实际耗油量时,一部分泄漏量相互抵消,使得测量结果接近于参考值,由图10 计算得知在最大功率转速、最大扭矩转速和起动转速下相对误差分别为0. 8%、0. 9% 和32. 3%,说明油泵转速越大时,测得值与参考值越接近。
通过分析实验数据,提出了从两个方面提高测量精度,一是改进表头工艺参数,在不影响表头寿命的情况下,尽量减小计量室,即降低每个脉冲对应的油量,使得内燃机转速一定时,椭圆齿轮旋转速度加大,减小泄漏。同时,控制好间隙,从根本上减小泄漏。二是采用软件补偿的方法,通过测得测量值与参考值偏差规律,软件上进行实时补偿和修正。
点击次数:  更新时间:2017-03-25 18:04:42  【打印此页】  【关闭