高精度油耗儀的設計

孔祥飛 王松亭 紀永剛 陳立新 孫曉峰 劉承文

【摘 ?要】本文大功率柴油機用油耗傳感器的設計針對現在農機發動機燃油效率低，可實時監控性差等特點，我們采用容積式流量計量原理，通過多葉輪及齒輪組的相互配合，通過電磁感應非接觸采集傳感器內測量發動機的瞬時油耗、進油油耗和回油油耗。可對進油管路的噴油量、噴油壓力、霧化狀態，燃油燃值等情況配比進氣量，調整最佳混合比，提高熱機工作效率，降低排放量。

一、引言

隨著我國農業機械化程度提高，農機應用越來越普及，而柴油機油耗大，大排量燃油車輛的消耗已引起了相關管理部門的重視，但因車輛燃油沒有較準確的計量裝置而無法落實管理。因此采取安裝油耗傳感器進行計量并對發動機工作運行實時監測，便于對其的經濟指標考核和杜絕燃油的浪費現象。節約燃油不僅有直接的經濟效益，對減少車輛尾氣污染、保護環境也起到積極的作用。

二、油耗傳感器的設計

本設計提出一種復合型葉輪式流量計，通過轉動葉輪以及采集轉動葉輪信號的傳感器，其特征在于：所述殼體內設置有沿流體流入方向前后套接在一起且與殼體同軸線布置的導流管擴展組件、中心套管;導流管擴展組件固定套合在殼體內，中心套管的前端套接在導流管擴展組件中;中心套管內中部開設有容置轉動葉輪的葉輪室，轉動葉輪的葉輪軸沿殼體徑向布置支撐在葉輪室內，葉輪軸中部裝設有葉輪葉片;傳感器固定在傳感器支架中，傳感器支架固定連設于殼體與中心套管之間且內端伸至葉輪室內，傳感器的信號采集端正對葉輪葉片，結構如圖1所示。

在流量測量葉輪的設計上我們采用雙葉輪對稱結構設計，兩個輪互為對補，起到了測量和輔助校準等功能。當介質流經葉輪時，初始流量情況狀態下，流體經過前置校準葉輪時流體產生旋轉運動，使得流體在軸向流動速度不變的基礎上增加了徑向的旋轉運動，增加了流體對后置檢測渦輪的驅動力，實現降低始動流量和流量下限的目的。

當介質在正常的流速檢測范圍內時，由于通過介質的波動，或軸承卡阻、軸 配合間隙變化等因素影響，一般渦輪流量計的葉輪就會產生失常運轉現象，但該流量計具有前置校準葉輪結構設計，可抑制這種失常運轉現象發生，極大地提高了流量計的使用壽命和計量精度。如果在超量程上限的情況下，也具有優異表現。當在超量程的流速情況下，這時一般渦輪流量計的儀表系數偏大、測量誤差大，而不能檢測。如采用該結構設計，此時，剛好與初始流量情況狀態相反，前置校準葉輪轉速與對應介質流量比值（儀表系數）偏大，此時較易形成流體對后置檢測渦輪的反向驅動力，可對后置檢測渦輪儀表系數偏大具有阻滯作用，達到其對超高流量（超量程）檢測的目的，更符合我們瞬態大流量的油耗檢測要求。葉輪結構圖如圖2所示。

三、仿真

在葉輪的葉片傾角設計上采用模擬分析，采用了國際流行的有限元分析軟件ANSYS FLUENT 對葉片的多組傾角情況下的機械性能進行了綜合比較，確定了一個在低平均流速下使得葉輪最易轉動的傾角范圍;隨后進行了葉片數目調整，并通過ANSYS分析得出的最佳的葉片數目;另外對傳統的葉輪軸和軸承進行了改進，在葉輪直徑較小、葉輪質量較輕的前提下，使用的摩擦系數最優化的軸承結構，即頂尖軸承結構，將葉輪軸設計成55度夾角的圓錐軸，軸承設計成直角的圓錐孔，并通過反復實驗證明該機械結構具備優良的機械性能與高度的靈敏性，兼具較佳的使用壽命。仿真如圖3所示。

該流量計達到了預期設計油耗測量的低流速靈敏性和高精度性等要求。

四、信號采集

信號采集使用非接觸無線電波接收方式，利用接收無線電波接收裝置產生的反饋量信號，以便識別葉片的轉動位移量。通過葉輪的邊緣在切割磁力線產生邊沿脈沖，以此將采樣識別裝置識別的葉片轉動位移量轉化成陡峭脈沖信號;在通過整形電路將脈沖波形整形為矩形脈沖信號，通過相關裝置傳輸給采集設備。

五、結論

本油耗傳感的設計具有測量范圍寬，動態響應好，精度高，溫度漂移小等特點，很適合在大排量柴油機上使用，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1]俞志根 ?傳感與檢測技術（第三版）科學出版社 ? 2015.6

[2]鄭力銘 ?ANSYS FLUENT15.0 流體計算從入門到精通 北京電子出版社 2015.8

[3]楊有濤，王子鋼 ?渦輪流量計 ?中國計量出版社 ?2011.8