江益群 毛開清 金玉蘭 呂林 汪得亭

(華菱星馬汽車(集團)股份有限公司,安徽馬鞍山 243061)

氣耗儀系統(tǒng)在天然氣發(fā)動機試驗室的設計應用

江益群 毛開清 金玉蘭 呂林 汪得亭

(華菱星馬汽車(集團)股份有限公司,安徽馬鞍山 243061)

進入21世紀，汽車污染已經(jīng)日益成為全球性問題。隨著汽車數(shù)量越來越多、使用范圍越來越廣，它對世界環(huán)境的負面效應也越來越大，尤其是危害城市環(huán)境，引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病，造成地表空氣臭氧含量過高，加重城市熱島效應，使城市環(huán)境轉向惡化。嚴重的尾氣污染使得人們不得不關注這一亟待解決的問題。因此新能源汽車就成了每個國家目前需要迫切發(fā)展的新車型。天然氣做為一種新型能源，其燃燒后的尾氣中不含硫化物和鉛，一氧化碳降低80%，碳氫化合物降低60%，氮氧化合物降低70%，發(fā)展天然氣汽車可以說是實現(xiàn)節(jié)能減排的更好的途徑。本文正是針對這一現(xiàn)狀，以安徽華菱星馬汽車(集團)股份有限公司發(fā)動機自主品牌研發(fā)中心試驗室天然氣發(fā)動機試驗臺架為例。重點介紹了氣耗儀系統(tǒng)的概念、功能、組成結構、工作流程、實際安裝布置及使用效果等，對于業(yè)界試驗室天然氣發(fā)動機試驗臺架系統(tǒng)應用及發(fā)動機新產(chǎn)品的性能開發(fā)具有一定的參考意義。

天然氣試驗室 氣耗儀系統(tǒng) 功能 實際應用流程

發(fā)動機氣耗儀測量系統(tǒng)專門用于測量氣體發(fā)動機的氣體燃料質量消耗量，可以用于各種單一氣體或混合氣體燃料發(fā)動機，不受氣體成份和密度的影響。本文中氣耗儀系統(tǒng)核心計量器具采用具有MVDTM技術的Micro Motion公司ELITE流量計。它由一個核心處理器，一體化安裝在ELITE傳感器上。

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，現(xiàn)在它已成為天然氣發(fā)動機、氫氣發(fā)動機、其他氣體流量測量等對象廣泛應用的測量設備。尤其在天然氣發(fā)動機試驗臺架中監(jiān)控氣體的耗量成為首先的測量設備。

1 天然氣發(fā)動機試驗室氣耗儀應用分析

1.1 天然氣發(fā)動機燃料分類

按照所使用天然氣燃料狀態(tài)的不同，天然氣汽車可以分為：

天然氣汽車壓縮天然氣(CNG)汽車。壓縮天然氣是指壓縮到20．7—24．8MPa的天然氣，儲存在車載高壓氣瓶中。壓縮天然氣(CNG)是一種無色透明、無味、高熱量、比空氣輕的氣體，主要成分是甲烷，由于組分簡單，易于完全燃燒，加上燃料含碳少，抗爆性好，不稀釋潤滑油，能夠延長發(fā)動機使用壽命。

液化天然氣(LNG)汽車。液化天然氣是指常壓下、溫度為-162度的液體天然氣，儲存于車載絕熱氣瓶中。液化天然氣(LNG)燃點高、安全性能強，適于長途運輸和儲存。

液化石油氣(LPG)是一種在常溫常壓下為氣態(tài)的烴類混合物，比空氣重，有較高的辛烷值，具有混合均勻、燃燒充分、不積碳、不稀釋潤滑油等優(yōu)點，能夠延長發(fā)動機使用壽命，而且一次載氣量大、行駛里程長。

世界上使用較多的是壓縮天然氣汽車，本文中選用的是CNG供氣系統(tǒng)。

1.2 氣耗儀流量計性能指標，詳見下表1

表1

1.3 氣耗儀在不同壓力下的流量及壓損情況

為了說明氣耗儀在不同壓力流量下的壓損情況，分別計算了進氣壓力在7bar，35bar，70bar時流量與精度的情況如圖1所示。

以圖1表說明了：

(1)在不同壓條件下，在測量范圍內，精度不受影響；

(2)在不同壓條件下，同樣流量條件下，壓損與壓力有關，壓力越大，壓損越小，所以選擇高壓條件對流量測量比較有力。

1.4 氣耗儀流量計的選型

天然氣的發(fā)動機耗氣量直接影響到產(chǎn)品開發(fā)的成功與否，如何能夠實時監(jiān)控發(fā)動機運行時的耗氣量的最大氣耗量(尤其是瞬時耗氣量)是檢驗一臺發(fā)動機合格的重要標準。因此，發(fā)動機的開發(fā)性能試驗就顯得尤為重要。合理選擇匹配的氣耗儀型號是保證試驗正確性的基礎。CMF系列發(fā)動機氣耗儀采用采用最新科技美國高準(Micro Motion)公司的Coriolis(科里奧利)傳感器，其具備高精度連續(xù)測量，響應時間小于0．1秒；測量精度小于0．35%讀數(shù)值；直接測量質量流量；量程范圍寬，大于100：1滿足發(fā)動機最低怠速氣耗量的測量，適用于多種發(fā)動機功率檔次等優(yōu)點。是目前天然氣發(fā)動機性能開發(fā)試驗的首先，本文中根據(jù)現(xiàn)場發(fā)動機的最大耗氣量85Kg/h，選用的氣耗儀流量計型號為CMF025。

2 氣耗儀系統(tǒng)在發(fā)動機試驗室的設計應用

2.1 系統(tǒng)設計方案

華菱星馬汽車發(fā)動機自主品牌研發(fā)中心天然氣試驗室共包含6個試驗臺架，共設立安裝了6套氣耗儀系統(tǒng)(如圖2所示)，發(fā)動機末端使用壓力要求為0．8Mpa。試驗室采用氣耗儀計量系統(tǒng)實時監(jiān)控發(fā)動機的瞬時氣耗量，該系統(tǒng)由流量測量、進氣調壓、恒溫系統(tǒng)、不銹鋼管道及組件等組成。流量監(jiān)控控制設置在每個試驗保護區(qū)的觀察窗外。

對于試驗室臺架區(qū)，由于采用CNG高壓瓶組做為供氣源，壓力達20Mpa。因此，在準工作狀態(tài)時，高壓氣體經(jīng)管路至試驗間氣耗儀前端的管網(wǎng)內，壓力維持在高壓狀態(tài)，發(fā)動機運行時經(jīng)氣耗儀系統(tǒng)內部的二級減壓將壓力減至2．8Mpa，由于從高壓減壓至中壓需吸收大量的熱量，系統(tǒng)自帶一套電加熱系統(tǒng)，由水泵運行進行管道加熱。設備加熱水箱進水口處設有補水電磁閥，水源經(jīng)過過濾器和補水電磁閥后進入水箱；水箱配有液位控制器，實現(xiàn)對水箱水位的自動控制。補水電磁閥在水箱低水位時打開，高水位時關閉。另氣耗儀系統(tǒng)配備了自動排氣閥，以便設備維護檢修時對管路中的壓力進行排氣卸壓處理。

2.2 項目實施及控制

試驗室氣耗儀系統(tǒng)采用滿足系統(tǒng)工作壓力要求的不銹鋼管。管道采用法蘭連接。分二路供氣(如圖3所示)，一路采用發(fā)動機自身帶調節(jié)閥，一路采用設備自身高壓閥。為最大限度的模擬整車的外界運行工況，氣耗儀系統(tǒng)另配備天然氣恒溫系統(tǒng)，通過設備配備的程序控制儀表輸出測量參數(shù)：溫度、壓力、流量等。

2.3 系統(tǒng)控制原理

該系統(tǒng)通過程序控制儀表(如圖4所示)進行現(xiàn)場控制，控制儀表是一種采用32位微處理器和5．6/7．0英寸TFT彩色液晶顯示屏的多功能無紙記錄儀。其具有12路模擬量輸入、開關量和頻率量輸入(共2路)、12路報警輸出，配合56個運算函數(shù)、8個定時器和其它功能模塊，可實現(xiàn)信號采集、運算、顯示、記錄、報警、通訊、數(shù)據(jù)轉存、分析統(tǒng)計報表等功能。采用RS232C/RS-485通訊接口，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控，內置32MB NAND FLASH作為歷史數(shù)據(jù)的存儲介質，通過CF卡/USB可將需要保存的數(shù)據(jù)轉存至計算機或其它設備中。儀表采用移動平均濾波，設置合理的濾波時間有助于提高信號平滑程度，濾波時間設置越長，當前采樣值對顯示值的影響越小，曲線越平穩(wěn)。

2.4 氣耗儀系統(tǒng)現(xiàn)場調試使用

設備安裝結束后，對氣耗儀系統(tǒng)進行了調試。先緩慢將管道中的天然氣壓力充至10Mpa，使用檢漏液檢查有關接頭部位，經(jīng)確認無漏氣后再充氣到20Mpa，進一步仔細檢漏。待確認無泄漏后進行發(fā)動機點火試驗，運行發(fā)動機，進行發(fā)動怠速和起動調試，調整氣耗儀系統(tǒng)上自帶的二級調壓調節(jié)壓力，直至發(fā)動機獲得穩(wěn)定的最低空轉轉速。穩(wěn)定運行后進行發(fā)動機的加速性調試，然后反復快速猛轟油門，觀察發(fā)動機的轉速變化是否圓滑。分析整個試驗情況得出：氣耗儀系統(tǒng)監(jiān)控效果較好，能夠實時監(jiān)控到發(fā)動機的瞬時氣耗量，管路供氣實時壓力等。

圖1 氣耗儀壓損圖

圖2 氣耗儀系統(tǒng)

3 結語

從上面的實例可以看出氣耗儀系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是采用具有MVD技術的流量計，可以提供更清晰、無噪音的數(shù)字信號，直接測量發(fā)動機的耗氣質量，與壓力和溫度無關，實現(xiàn)真正意義上的質量流量測量。因此，在進行發(fā)動機的開發(fā)性能試驗時，合理地選擇氣耗儀設備是一個新產(chǎn)品開發(fā)的基礎，它將直接影響到產(chǎn)品開發(fā)的各項性能，降低開發(fā)費用，減少動力消耗和試驗誤區(qū)，在提高試驗效率、降本增效的前提下，獲得最大的收效。本文主要是對天然氣汽車發(fā)動機試驗臺架上氣耗儀系統(tǒng)選型描敘，但氣耗儀系統(tǒng)的應用非常廣泛，如氫氣發(fā)動機、其他氣體流量測量等等。在天然氣發(fā)動機試驗臺架外氣耗儀系統(tǒng)的選型計算與本文描敘可能不一致。其高精度連續(xù)測量、直接測量質量流量、量程范圍大，具有其他測量設備無法比擬的特點，通常和測功機系統(tǒng)一起組成一套完整的整車運行模擬系統(tǒng)。

圖3 管路系統(tǒng)圖

圖4 控制儀表

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