氣耗儀系統在天然氣發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)

氣耗儀系統在天然氣發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，汽車污染已經日益成為全球性問題。隨著汽車數量越來越多、使用范圍越來越廣，它對世界環境的負面效應也越來越大，尤其是危害城市環境，引發呼吸系統疾病，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%，發展天然氣汽車可以說是實現節能減排的更好的途徑。本文正是針對這一現狀，以安徽華菱星馬汽車(集團)股份有限公司發動機自主品牌研發中心試驗室天然氣發動機試驗臺架為例。重點介紹了氣耗儀系統的概念、功能、組成結構、工作流程、實際安裝布置及使用效果等，對于業界試驗室天然氣發動機試驗臺架系統應用及發動機新產品的性能開發具有一定的參考意義。

天然氣試驗室 氣耗儀系統 功能 實際應用流程

發動機氣耗儀測量系統專門用于測量氣體發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動機，不受氣體成份和密度的影響。本文中氣耗儀系統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。

經過近幾年的快速發展，現在它已成為天然氣發動機、氫氣發動機、其他氣體流量測量等對象廣泛應用的測量設備。尤其在天然氣發動機試驗臺架中監控氣體的耗量成為首先的測量設備。

1 天然氣發動機試驗室氣耗儀應用分析

1.1 天然氣發動機燃料分類

按照所使用天然氣燃料狀態的不同，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、不稀釋潤滑油等優點，能夠延長發動機使用壽命，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。

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

天然氣的發動機耗氣量直接影響到產品開發的成功與否，如何能夠實時監控發動機運行時的耗氣量的最大氣耗量(尤其是瞬時耗氣量)是檢驗一臺發動機合格的重要標準。因此，發動機的開發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，其具備高精度連續測量，響應時間小于0．1秒；測量精度小于0．35%讀數值；直接測量質量流量；量程范圍寬，大于100：1滿足發動機最低怠速氣耗量的測量，適用于多種發動機功率檔次等優點。是目前天然氣發動機性能開發試驗的首先，本文中根據現場發動機的最大耗氣量85Kg/h，選用的氣耗儀流量計型號為CMF025。

2 氣耗儀系統在發動機試驗室的設計應用

2.1 系統設計方案

華菱星馬汽車發動機自主品牌研發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(如圖2所示)，發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實時監控發動機的瞬時氣耗量，該系統由流量測量、進氣調壓、恒溫系統、不銹鋼管道及組件等組成。流量監控控制設置在每個試驗保護區的觀察窗外。

對于試驗室臺架區，由于采用CNG高壓瓶組做為供氣源，壓力達20Mpa。因此，在準工作狀態時，高壓氣體經管路至試驗間氣耗儀前端的管網內，壓力維持在高壓狀態，發動機運行時經氣耗儀系統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，系統自帶一套電加熱系統，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

試驗室氣耗儀系統采用滿足系統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)，一路采用發動機自身帶調節閥，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，氣耗儀系統另配備天然氣恒溫系統，通過設備配備的程序控制儀表輸出測量參數：溫度、壓力、流量等。

2.3 系統控制原理

該系統通過程序控制儀表(如圖4所示)進行現場控制，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、8個定時器和其它功能模塊，可實現信號采集、運算、顯示、記錄、報警、通訊、數據轉存、分析統計報表等功能。采用RS232C/RS-485通訊接口，可實現遠程監控，內置32MB NAND FLASH作為歷史數據的存儲介質，通過CF卡/USB可將需要保存的數據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。

2.4 氣耗儀系統現場調試使用

設備安裝結束后，對氣耗儀系統進行了調試。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動機點火試驗，運行發動機，進行發動怠速和起動調試，調整氣耗儀系統上自帶的二級調壓調節壓力，直至發動機獲得穩定的最低空轉轉速。穩定運行后進行發動機的加速性調試，然后反復快速猛轟油門，觀察發動機的轉速變化是否圓滑。分析整個試驗情況得出：氣耗儀系統監控效果較好，能夠實時監控到發動機的瞬時氣耗量，管路供氣實時壓力等。

圖1 氣耗儀壓損圖

圖2 氣耗儀系統

3 結語

從上面的實例可以看出氣耗儀系統最大的優點就是采用具有MVD技術的流量計，可以提供更清晰、無噪音的數字信號，直接測量發動機的耗氣質量，與壓力和溫度無關，實現真正意義上的質量流量測量。因此，在進行發動機的開發性能試驗時，合理地選擇氣耗儀設備是一個新產品開發的基礎，它將直接影響到產品開發的各項性能，降低開發費用，減少動力消耗和試驗誤區，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動機試驗臺架上氣耗儀系統選型描敘，但氣耗儀系統的應用非常廣泛，如氫氣發動機、其他氣體流量測量等等。在天然氣發動機試驗臺架外氣耗儀系統的選型計算與本文描敘可能不一致。其高精度連續測量、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，通常和測功機系統一起組成一套完整的整車運行模擬系統。

圖3 管路系統圖

圖4 控制儀表

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