中图分类号:U260.14+6 文献标识码: B 文章编号: 1003-1820(2007)12-0043-03
1 引言
燃油消耗量是发动机的重要参数之一,测量的准确与否直接影响对发动机的性能评定。所以,选择一套具有较高准确度的油耗测量装置是十分必要的。
目前我国铁路测量大功率发动机燃油消耗量主要是采用称重法的油耗测量装置油耗秤,该装置由于受原理结构的局限,测量结果难以令人满意。为了能更准确地测量大功率发动机的燃油消耗量,我们经过反复调研,引进MFM1081F型科里奥利斯质量流量计,并以其为核心设计成一套油耗测量装置,替换掉原来的油耗秤,使用效果显著。
2 铁路用传统油耗测量装置存在的问题
铁路用传统油耗测量装置油耗秤,不论是定时间测重量,还是定重量测时间,不论是杠杆原理的天平式,还是采用传感器感应的称重式,它们都有一个共同的特点装置中均含有量桶与电磁阀。所以,测量的准确与否,直接受量桶与电磁阀的影响。
2·1 量桶的影响
由于大功率发动机燃油输送泵所输送的燃油量大于发动机的最大负荷所需的油量,运行中多余的燃油从回油管路流回油箱。而在测量过程中,多余的燃油将流进油耗秤中的量桶内,并与发动机的燃油管系组成一个循环系统,该系统中的燃油随着回油温度的升高而膨胀,膨胀的燃油将被挤进量桶中,可以说量桶就成为该系统的膨胀箱。这样,实测的油耗就会低于实际的油耗,使测量产生误差。尤其是随着电喷发动机的诞生,要求发动机的供油与回油量大大增加,回油温度又大幅度提高,使传统的油耗测量更无法满足要求。不难看出,其实量桶的影响归根到底是回油温度的影响,进、回油温差越大,对测量结果的影响就越大。这也是目前传统油耗测量装置测量不准确的根本原因。
2·2 电磁阀的影响
传统油耗测量装置的供油、充油以及计时测量,均是通过控制电磁阀来实现的,所以电磁阀的开启与关闭速度极其重要,要求开启与关闭的时间要短,而且要求开启时间与关闭时间要相同,这在实际上是很难实现的。
我们还发现,在我所柴油机试验台上电磁阀的开关过程中,会喷出一束油,这束油是回不到量桶中去的,所以必然会影响油耗测量。因此,一套油耗测量装置,只要有量桶与电磁阀存在,只要有进、回油的温差存在,就会对油耗测量的准确性产生影响。
3 由MFM1081F型质量流量计组成的测量装置
3·1 测量装置的组成
该装置主要由两台MFM1081F型质量流量计、数据采集控制仪、校验天平、电磁阀、量桶等组成,系统框图如图1所示。
3·2 测量原理
3·2·1 MFM1081F型质量流量计
MFM1081F型质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转体系中,产生与质量流量成正比的科里奥利斯力原理制成的一种直接式质量流量计。
法国科学家科里奥利斯在研究水轮机时发现,当质点在做一回转运动的牵连坐标系上运动时,质点的绝对加速度除了包含牵连和相对加速外,还包含另一附加加速度,此加速度就是科里奥利斯加速度。
当一根管子绕着原点以角速度ω旋转时,让一个质量为m的质点从原点通过管子以线速度v向外端流动,即该v由零逐渐加大,也就是说质点被赋予能量,随之而产生的反作用力Fc将使管子运动发生滞后。相反,让一个质量为m的质点从外端通过管子以线速度v向原点流动,即该v由大逐渐减少趋向于零,质点的能量被释放出来,随之而产生的反作用力Fc将使管子的速度加快,即管子运动。这种能使旋转着的管子运动速度发生超前或滞后的力Fc就称为科里奥利斯力(见图2),其方向与速度v垂直,大小与流速、转速以及质点的质量成正比,Fc=-2mvω。因此,通过直接和间接地测量该力,便可以得到瞬时质量的大小。
实际工程应用中,要想通过不断旋转的管子来产生科里奥利斯力是很困难的。MFM1081F型质量流量计是将管子的圆周运动切割下一段圆弧,使管子在圆弧内反复旋转,即将单向旋转运动变成双向振动,则连接管在没有流量时为平行振动,而在有流量时就变成反复扭动。用激磁电流的激励来实现管子的振动。而在管子两端利用电磁感应元件分别取得正弦信号1和2,两个正弦信号相位差的大小就直接反映出质量流量的大小(见图3)。因此可以实现流量的测量。
3·2·2 测量装置
两台MFM1081F型质量流量计分别装入发动机的进油管路(称供油流量计)和回油管路(称回油流量计),当系统测量运行时,供油流量计与回油流量计同时将燃油流过的量,通过转换器转换成脉冲信号,送到数据采集控制仪中去,由数据采集控制仪来定时采集两路脉冲数,再经过差值计算后显示出来。由于设置1个脉冲对应1 g的燃油质量,所以,显示出来的值即为发动机的油耗量。
为了能使测量装置长期有效地进行准确测量,我们还将该装置增加了校准功能。校准既可单台校准供油流量计和回油流量计,亦可模仿发动机耗油,由电磁阀控制供油流量计与回油流量计之间的放油量,通过在溯源期内天平的计量,与数据采集控制仪采集的脉冲数进行比较,即可判断该装置的准确度,无需拆卸流量计送计量部门计量。
3.3 测量装置的主要特点
(1)能直接测量质量流量。
(2)在原理上消除了温度、压力、流体状态、密度等参数的变化对测量精度的影响,可直接测出发动机的瞬时油耗量和累计油耗量。瞬时油耗量的测量范围为0~80 kg/min,测量误差±0·25%。
(3)能同时测出供油温度、回油温度和流体密度。
(4)发动机的油耗量能随时随地进行测量,不仅能测出稳定工况下的油耗量,而且还可测出变工况时的油耗量。
(5)测量管弯曲半径大,压力损失小,适合大功率发动机的油耗测量。
4 试验测试结果
测量装置在我所柴油机试验台安装调试后,对16V240ZJA型柴油机进行了油耗测量。表1的数据是柴油机转速为1 000 r/min、功率为1 800 kW时测得的试验结果。
从试验数据看,在柴油机工况稳定的情况下(比如顺序3、4、5情况下),进油与回油脉冲数之差,即柴油机燃油消耗量,具有很好的重复性,并且可以清楚地看出中冷水温对柴油机油耗的影响,水温越高油耗量越大。尤其明显的是,随着燃油温度的升高,进油与回油的脉冲数即流量变小,但它们的差值即柴油机的油耗量却不变。从而说明燃油温度变化对发动机的燃油消耗量没有影响。
5 结语
我所柴油机试验台引进的MFM1081F型科里奥利斯质量流量计,用于发动机的油耗测量已有两年时间了。与传统的油耗测量装置相比,不论从精度上,还是从使用维护保养上,都有它的优越性。应该说,采用科里奥利斯质量流量计测量大功率发动机的油耗,是一种正确的选择。
参考文献:
[1] 阎清文.科里奥利质量流量计在碳素阳极碳块生产中的应用[J].中国仪器仪表, 2002,(3).
[2] 中德合资上海科隆光华仪器有限公司.质量流量计选型设计资料[Z].
作者简介:周作顺(1963—),男,辽宁大连人,工程师; 李季( 1962—),男,辽宁丹东人,高级工程师 ;姚琳(1980—),女,辽宁大连人,助理工程师。
