（光学工程专业论文）机动车燃油消耗及污染物排放快速检测仪的研制.pdf

江苏大学高教硕学位论文 摘要 随着石油资源的日益枯竭，各国政府纷纷出台法规对汽车的排放和燃油消耗 进行严格的限制。自从上世纪7 0 年代中期，国内外对汽车燃油消耗量碳平衡测量 方法进行了大量的研究，但由于当时测试技术、排气分析技术落后等方面的局限， 均采用定容取样系( c v s ) 进行分析测量。该套设备复杂、昂贵，因而阻碍了碳 平衡法在实际中的推广应用。为了适应车辆不解体全自动室内检测，本论文采用 先进的排气分析及测量手段和较简单的测量设备研制了机动车燃油消耗及污染 物排放快速检测仪 论文首先介绍了论文的研究背景，分析了目前机动车燃油消耗和污染物测量 及控制的有关法规及趋势，并介绍了现有的主要机动车燃油消耗测量技术。 其次建立了九种反应物的发动机燃烧反应模型，推导了空燃比、排气成份浓 度、排气性质参数的计算模型，可用于对发动机燃油经济性和排放性能的分析评 价和故障诊断。依据相关标准，建立了适合我国燃油现状以及仪器特点的碳平衡 法油耗测量模型，在分析了现有油耗测试系统优缺点后，提出了基于排气流量精 确测量和排气直接采样分析、碳平衡法的汽车车载燃油消耗和排放性能测试方 法，并完成了样机设计 另外，设计了锥形流量计对排气的流量进行测量。采用计算流体动力学仿真 软件f l u n e t 对内锥流量计气流场开展数值模拟和分析，分析结果与试验结果 都表明自主设计的流量计具有很高的精度和稳定性，完全可以满足排气流量的精 确计量。 最后针对直接采样排气中相关成份浓度的特点，和专业的分析仪生产厂家 合作设计了用于排气中c o , 、c o 和h c 浓度测量的分析仪。 开发了可实现对各传感器的标定、系统参数设置、串口控制、数据管理等 功能的测控软件，并对某柴油车轻卡、汽油轿车两种车型进行了试验研究。 关键词碳平衡法，燃油消耗，锥形流量计 江苏大学高教硕士学位论文 _ _ _ - _ _ _ - l - - _ - _ _ l - - _ i 一一一_ _ _ a b s t r a c t w i t ht h ef a c tt h a tg r a d u a l l ys t r a i n e dp e t r o l e u m ，a l lc o u n t r i e si nt h e w o r l df l l a l ( es t r i c t l yl a w st or e d u c et h ef u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o no f a u t o m o b i l e s i n c et h em i d - t e r mi nt h e19 7 0 s ，l o t so fc d u n t r i e sd om a n y r e s e a r c h e so nc a r b o nb a l a n c em e t h o do ff u e l c o n s u m p t i o ni n t h e a u t o m o b i l e b u tb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fa n a l y z i n gt e c h n i q u eo f e x h a u s ta tt h a tt i m e s , a l lo ft h e mu s e dc v st oa n a l y z ea n dm e a s u r e e x h a u s t t h ec v ss y s t e mi sc o m p l i c a t e da n de x p e n s i v e ，t h e r e f o r e ，i t p r e v e n t st h ea p p l i c a t i o no fc a r b o nb a l a n c em e t h o d i no r d e rn o tt 0 d i s a s s e m b l et h ea u t o m o b i l ew h i c hi st e s t e di n s i d e , t h i sr e s e a r c ha d o p t s a d v a n c e de x h a u s t - a n a l y z i n ga n dm e a s u r i n gw a y st o d e v e l o pad e t e c t o r a b o u ts a v i n ge n e r g ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nb a s e do nv e h i c l e t h i ss t o r yf i r s t l yi n t r o d u c e sb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c h , a n a l y z e s t h ec o n c e m e dl a w sa n dt r e n d so ff u e l c o n s u m p t i o na n dm e a s u r eo f c o n t a m i n a t i o n a n di ta l s oi n t r o d u c e st h e e x i s t i n gt e c h n i q o eo ff u e l c o n s u m p t i o na n d m e a s u r e s e c o n d l y , w ee s t a b l i s h e dn i n ec o m b u s t i n gm o d e l so fr e a g e n ti nt h e e n g i n e a l s o ，w ed e d u c e da i r f u e lr a t i o ，t h i c k n e s so fe x h a u s te m i s s i o n ， c a l c u l a t i n gm o d e lo fe x h a u s tp a r a m e t e r i ti su s e f u lf o ru st oa n a l y z et h e f u e le c o n o m yo fv e h i c l ea n d p e r f o r m a n c eo fe m i s s i o n a l s o ，i tc a nh e l p u st od i a g n o s et r o u b l e a c c o r d i n gt oc o n c e m e dc r i t e r i o n s ，w ee s t a b l i s h e d 江苏大学高教硕士学位论文 f u e lc o n s u m p t i o na n dm e a s u r em o d e l w i t hc a r b o nb a l a n c em e t h o dw h i c h i sa d a p t e dt ot h ef u e ls i t u a t i o ni n o l l rc o u n t r y a r e ra n a l y z i n gt h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft e s t i n gs y s t e m ，w ep u tf o r w a r d am e a s u r e w h i c hi sb a s e do nt e s t i n gt h ef l o wo fe x h a u s t , s a m p l i n ga n da n a l y z i n g e x h a u s t , t e s t i n gf u e lc o n s u m p t i o n a n d p e r f o r m a n c eo f e m i s s i o nb yc a r b o n i na d d i t i o n , w ed e s i g n e dv - c o n ef l o w - m e t e rt ot e s t i n gt h ef l o wo f e x h a u s t w eu s e df l u e n tt os i m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h e f l o w - m e t e r f r o mt h er e s u l to fe x p e f i m e n t , w ek n o wt h ef l o w - m e t e ri so f g r e a ta c c u r a c ya n ds t a b i l i t y , a n di tc a n b eu s e dt ot e s tt h ev e h i c l ee x h a u s t g a sf l o w f i n a l l y , a c c o r d i n g t oc h a r a c t e r so ft h i c k n e s s i nt h er e l a t e d c o m p o n e n t so fe x h a u s t , w ed e s i g n e dt h ea n a l y z i n ga p p a r a t u sw h i c h i s u s e dt ot e s tt h et h i c k n e s so fc h ，c oa n dh ci nt h ee x h a u s tg a sw i t h p r o f e s s i o n a lf a c t o r y w eh a v ed e v e l o p e dc o n t r o l s o f t w a r ef o rt h et e s t s y s t e m i tc o u l db ea c h i e v e ds e n s o rc a l i b r a t i o n ，s e tp a r a m e t e ro ft h e s y s t e m ，c o n t r o l l e dt h es e r i a li n t e r f a c e ，m a n a g e dt h ed a t aa n ds o0 n w e a l s od or e s e a r c ho nat r u c kw h i c hu s ed i e s e lo i la n dac a rw h i c hu s e g a s o l i n e k e yw o r d s ：c a r b o nb a l a n c em e t h o d ，f u e lc o n s u m p t i o n ，v - c o n ef l o w l l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密i 。 学位论文作者签名： 2 0 0 9 年l 月彦日 彳 静状 指导教师签名：秒 2 0 0 9 年6 月莎日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 彳 蘑偿 日期： 2 。9 年月衫曰 江苏大学高教硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文背景 随着石油能源的紧缺和汽车造成的环境污染的加剧，降低汽车燃油消耗、保 护交通环境已经成为汽车交通运输可持续发展的迫切需要。此外，汽车油耗和排 放检测也是探查汽车运行技术状况的关键技术n 砌。我国政府提出了“能源开 发与节约并重，近期把节能放在优先一的能源政策，汽车节能已成为节能工作的 重点。近年来我国的汽车产业迅猛发展，直到2 0 0 8 年底机动车保有量1 6 9 亿， 机动车驾驶员1 8 亿，私人汽车4 1 0 0 万，私人机动车1 2 亿现阶段，我国按 车型的平均油耗比日本高了2 4 7 、比欧洲第一阶段和第二阶段分别高了3 9 4 和4 8 。4 2 9 6 枷嘲。而对相同或相近车型进行燃油效率比较，我国汽车每百公里平均 油耗比发达国家高2 0 以上。其中，轿车油耗比日本高2 溉2 5 ，比欧洲高1 0 9 6 1 5 ，比美国高5 2 0 ：特别是运输车辆，轻型载货车比国外同类车高2 5 以上， 中型载货车高1 1 倍以上。受资源等方面因素制约，我国石油生产严重滞后于石 油消费的增长，造成我国进口石油的依赖剧增。2 0 0 3 年起中国就已经成为仅次 于美国的世界第二大石油消费国，2 0 0 5 年中国石油对外依存度在4 0 左右，预计 2 0 2 0 年将达到5 0 一6 0 9 能源紧缺已成为制约我国国民经济可持续发展的瓶颈， 因此开发汽车节能技术研究和评价十分迫切。 1 2目前机动车燃油消耗和污染物测量及控制的有关法规及趋势 党的十六届五中全会中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年 规划的建议 中明确提出：在优化结构、提高效率和降低消耗的基础上，实现 2 0 1 0 年人均国内生产总值比2 0 0 0 年翻一番；资源利用效率显著提高，单位国内 生产总值能源消耗比。十五一期末降低2 0 左右。并首次将2 0 0 6 年单位g d p 能 耗降低4 左右写入政府工作报告，首次将能源消耗指标纳入宏观调控的目标体 系，节约资源已成为我国的基本国策。 对于乘用车，国家质检总局、国家标准委于2 0 0 6 年1 1 月联合颁布的我国第 一个强制性汽车产品油耗国家标准一乘用车燃料消耗量限值( g b1 9 5 7 8 - 2 0 0 4 ) 已于2 0 0 5 年7 月1 日开始正式执行，在按照汽车整车整备质量进行划定的等级 范围内，各类车辆都必须达到相应的燃料消耗量标准，标准将分两个阶段实行： 江苏大学高教硕士学位论文 对于新认证车，第一阶段的执行日期为2 0 0 5 年7 月1 日，第二阶段的执行日期 为2 0 0 8 年1 月1 日；对于在生产车，第一阶段的执行日期为2 0 0 6 年7 月1 日， 第二阶段的执行日期为2 0 0 9 年1 月。第二阶段燃料消耗量限值将比目前平均再 降低1 0 。依据该标准国家发改委在2 0 0 7 年7 月，公布了第二批乘用车的燃料 消耗量，对不符合 乘用车燃料消耗量限值的5 5 个厂家生产的4 4 4 个车型予 以责令停产。对新定型车型和在生产车型燃料消耗量进行公示，已成为一项常规 性工作汽车燃料经济性标准整体计划也在分步推进中 对于轻型商用车，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会日前 批准发布了 轻型商用车辆燃料消耗量限值( g 】b 2 0 9 9 7 - 2 0 0 7 ) 强制性国家标准， 该标准在2 0 0 8 年2 月1 日起正式执行。 营运性车辆是燃油消耗的主力( 如表所示) ，目前国家还没有成熟的强制性法 规，在2 0 0 7 年5 月2 9 日交通部体改法规司、科技教育司北京召开了。营业性车 辆燃油消耗准入与退出专项行动计划会议糟，确定建立营业性运输车辆能源消耗 准入制度和退出机制，控制高能耗车辆进入道路运输市场，把好节能降耗的源头 关，确定不同类别、不同重量级别的新投入运输市场的客、货营业性车辆油耗下 降1 傩；在用客、货营业性车辆油耗不超过新车时油耗的1 0 的目标还确定了 三个任务它们是：1 ) 制定和出台 妒4 _ 西丽再而面雨菇历百丽话 u 一7 空气湿度与未知量有如下关系： 旦= 互 ( 2 5 ) 4 7 7 5 5 a p 口- p , 。 其中，儿为大气压力，a 为空气中水蒸气分压。 因此有：口= 4 7 7 5 5 与 ( 2 6 p t 一蛔s 其中，为空气相对湿度，& 为空气饱和蒸气压。 根据化学反应式( 2 3 ) 的c 、h 、0 的化学平衡，可以得到： a + 0 0 0 1 9 i = h + v 2 + v s ( 2 7 ) p + 2 b - 2 v 4 + 批+ 2 ( 2 8 ) y + 2 0 0 3 8 a 。+ b - - v , - + - 2 v 2 + 2 v 3 + 屹+ 吃 ( 2 9 ) 各种成份在排气中的浓度为： 饵= 导一o = l 一9 ) ( 2 1 0 ) 屹 上式得到的各成份的浓度仍是排气含水蒸气的真实浓度，称之为湿浓度。对 于汽车及发动机排气成份测量的标准气体分析仪，c o 、c 0 2 、0 2 为排气冷凝去水 后的干浓度，对于汽油和l p g 燃料发动机可测量排气冷凝去水后的h c 、n o x 干浓 度；对于柴油和n g 燃料发动机测得排气中h c 、n o x 的湿浓度。因此必须同时考 虑排气成份测量时测得的数值是干浓度还是湿浓度。 用钟表示排气中成份f 的干浓度，干、湿浓度间存在如下关系： 9 ，= 卯( 1 一吼) = 卯( 1 一缈2 d ) ( 2 1 1 ) 9 将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 分别代入( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) ，并消去_ ，可以得 ，- l 1 0 江苏大学高教硕士学位论文 到 8 + 7 0 0 0 1 9 a ：? 吐垫二罢l ( 2 i 2 ) p + 2 b却h 。+ x 甲 l c + 却h 等= 警暮惫糍业 亿埘 e + 2 b却h n + x 申+ 却h 、。 如果气体分析仪对是某种成份的干浓度，则用式( 2 1 1 ) 将其转换成湿浓度代 入( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 。 为了求解未知变量，这里还必须引入水煤气转化反应：c 。卅b c o + h 2 0 该反应有平衡常量k ( k 仅与反应温度有关，一般在3 5 - - 3 8 之间，常温下可 取3 6 ，有： k ：墅坐，卫 ( 2 1 4 ) 编暗式( 2 6 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) ，即可解出四个未知量b 、a 、。# h 2 0 、 。然后根据( 2 4 ) 可求得发动机工作时的空气燃油质量比九。利用反应式( 2 3 ) 的n 原子和 r 原子平衡，同时可求出排气中n l 和a r 的浓度。 上述理论模型正确性分析可通过排气所有成份总浓度分析析法进行验证。 舟2 + + + d + ，+ 饥+ + r p v o + ( 2 1 5 ) 如果总浓度讣= l ，证明计算模型正确。图2 1 为y z 4 8 5 。和y z 4 8 5 z l q 两台 发动机的排气成份总浓度分析结果，通过发动机台架试验，利用h o r i b a 7 2 0 0 d 气体分析仪测量得到发动机排排气的c o 、h c 、n o x 、o i 和o 仉的浓度万有特性， 围2 1 捧气息浓度 江苏大学高教硕士学位论文 f i g2 1 t h es u mo f c o n l e n t r a t i o n so fn i n ec o m p o n e n t si ne x h a u s u n gg a s 利用上述计算模型，计算得到排气中九种成份的湿浓度。可见本文建立的发动机 九种反应物的化学反应模型是合理正确的，对应的空燃比计算模型以及推导得到 的发动机其它性能应该是正确可信的。 2 3 基于碳平衡的汽车燃油消耗和排放计算模型 2 3 1 碳平衡法原理 简单地说，碳平衡法是根据质量守恒定律，汽( 柴) 油经过发动机燃烧后，排 气中碳质量总和与燃烧前的燃油中碳质量总和相等。碳原子在汽( 柴) 车排气中主 要以c o , 、c o 和碳氢化合物( 以c h x 表示) 的形式存在。 j 不管按照什么运转循环进行油耗试验，假定汽车运行了l ( 1 锄) ，汽车平均 油耗为f e ( 1 锄l ) ，燃油密度为s g ( k g l ) ，燃油中碳质量比为c w f f ，那么， 消耗的汽油中碳质量= 1 0 0 0 s gxc 3 v f f l f e ( g ) ( 2 1 6 ) 按照汽车排放测试标准，可测量出汽车按照运转循环运行l ( 1 锄) 后，排气 中c o , 、c o 和碳氢化合物的排放量，分别以c o , 、c o 、i i c 来表示，其单位为g k m 。 另外，c o , 、一c o 和碳氢化合物( c m o 中碳质量比率分别为0 2 7 3 、0 4 2 9 、c w f h c e x ( = 1 2 ( 1 2 + x ) ) ，所以 排气中碳质量之和= ( 0 2 7 3 c 0 = + 0 4 2 9xc o + c w f h c e x h c ) l ( g ) ( 2 1 7 ) 令式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 右边相等，得到以下油耗计算公式： f e = 1 0 0 0 s g c 1 l f f ( 0 2 7 3 x c 0 2 + o 4 2 9 x c o + c w f h c e xxh c ) ( k i n l )( 2 1 8 ) 2 3 2 基于碳平衡法的各国油耗公式及其演变 1 由碳平衡原理得到的上述基本公式，在日本、美国、欧盟标准或法规中出现 了不同的表现形式并且随着时间而修正。 ( 1 ) 日本 日本标准协会制订的汽车油耗试验方法嘲8 3 年就采用了碳平衡法计算油 耗，该标准于1 9 9 4 年进行了修订，但计算公式没有变化。 1 2 江苏大学高教硕士学位论文 汽油车：f e = 6 4 9 ( o 2 7 3 c 0 2 + o 4 2 9xc 0 + 0 8 6 6xh c ) ( k i n l ) ( 2 1 9 ) 柴油车：f e = 7 3 5 ( 0 2 7 3xc o * + o 4 2 9x c 0 + 0 8 6 6xh c ) ( k i n l )( 2 2 0 ) 上述公式是假定汽、柴油在1 5 0 c 下的密度分别为0 7 4 9 k g l 、0 8 4 9 k g 几， 且燃油中碳质量比c w f f = o 8 6 6 、排气中碳氢化合物的碳质量比c w f h c e x = o 8 6 6 的情形下，对公式( 2 1 8 ) 的简化。 1 9 9 7 年日本标准协会修订了上述标准，充分考虑到汽( 柴) 油组分变化的实 际情况，标准中假定燃油中氢碳原子比为p , h c f 、氧碳原子比为r o c f ：排气中碳 氢化合物的氢碳原子比为r h c e x ( 如果不能求出，可假定汽油车为1 8 5 、柴油车 为1 9 0 ) 此时，油耗计算公式同式( 2 3 ) ，而且 c w f f = 1 2 0 1 ( 1 0 0 8 x p j - i c f + 1 6 o o x r o c f + 1 2 0 1 )( 2 2 1 ) c l i r f h c e x = 1 2 0 1 ( 1 0 0 8xr i i c e x + 1 2 0 1 )( 2 2 2 ) ( 2 ) 美国 美国油耗法规n 司1 9 7 8 年就采用了碳平衡法计算汽车油耗，法规中的计算公 式如下： 汽油车：m p g = 2 4 2 1 ( 0 2 7 3xc o * + o 4 2 9xc o + 0 8 6 6 x h c ) ( m i l e g a l l o n )( 2 2 3 ) 柴油车：m p g = 2 7 7 8 ( 0 2 7 3 c o * + 0 4 2 9xc o + 0 8 6 6 x h c ) ( m i l e g a l l o n ) ( 2 2 4 ) 上述公式是假定汽、柴油密度分别为0 7 3 9 k g l 、0 8 4 8 k g l ，且燃油中碳 质量比、排气中碳氢化合物的碳质量比c f f 和c w f h c e x 均为0 8 6 6 的情形下， 对公式( 2 1 8 ) 的简化，其中c o , 、c o 、h c 排放量使用英制单位g m i l e 、油耗单位 是m il e g ：a ll o n ( = o 4 2 5k m l ) 。 1 9 8 8 年美国对上述油耗法规进行了修订，柴油车的油耗公式保持不变，而 汽油车的碳平衡法公式修正为： f e = 5 1 7 4 x1 0 4 x c w f f xs g ( 0 2 7 3 x c o * + o 4 2 9 x c o 斗删c e x u c ) ( 0 6 s g n h y + 5 4 7 1 ) ( m i l e g a l l o n )( 2 2 5 ) 式中：n h v = 试验燃料的净热值，b t u i b s ，根据b o s c h 汽车工程手册n 刀汽油 典型值约为4 2 7 m j k g ( 1 8 3 6 0b t u l b s ) 。 当汽油密度s g 取值0 7 3 9 - 0 7 4 9 k g l 且n h v 取上述典型值时，公式( 2 2 6 ) 江苏大学高教硕士学位论文 与( 2 1 8 ) 计算结果相差在0 4 以内。所以如果不能实测试验燃料的相关特性值， 也可采用较简单的基本公式( 2 1 8 ) 。 1 9 9 3 年美国油耗法规对计算公式进行了补充，考虑到甲醇汽车、天然气汽 车的发展，根据甲醇、天然气的特性，法规中相应补充了油耗计算公式，在此不 再赘述，详见参考文献【，络1 。 ( 3 ) 欧盟 欧盟制订的汽车油耗试验方法嘲9 3 年采用了碳平衡法计算油耗，该标准于 1 9 9 9 年进行了修订，但只是试验循环发生变化，计算公式没有变化。 汽油车：f c = o 1 1 5 4 $ 6 x ( o 2 7 3 x c 0 2 + 0 4 2 9 c o + 0 8 6 6xh c ) ( l l o o k m ) ( 2 2 7 ) 柴油车：f c = o 1 1 5 5 s g ( o 2 7 3 x c 0 2 + 0 4 2 9 c o + o 8 6 6xh c ) ( l 1 0 0 k m )( 2 2 8 ) 上述公式是假定汽、柴油的氢碳比分别为1 8 5 、1 8 6 ，即汽、柴油中碳质 量比c w f f 分别为0 8 6 6 4 、0 8 6 5 8 ，且排气中碳氢化合物的碳质量比率c w f h c e x = 0 8 6 6 的情形下，对公式( 2 1 8 ) 的简化。另外，与日本、美国公式不同，欧盟 油耗法规计算的是百公里油耗，即油耗单位是l l o o k m 。 1 4 江苏大学高教硕士学位论文 第三章机动车燃油消耗及污染物排放快速 检测仪方案设计 3 1 总体方案介绍 一图3 r1 是本论文机动车燃油消耗及污染物排放快速检测仪的总体方案简图。 圈3 1 本项目的总体方案简图 f i 23 1s i m v l e 丘z u 陀o f t h ev l a n 由1 ) 测量车速的g p s 接收模块；2 ) 计量排气流量的内锥流量计；3 ) 气体分 析仪；4 ) 信号调理与采集模块；5 ) 气象台；6 ) 分析控制和数据处理的计算机等几 部分组成。 1 ) 采用g p s 接收模块，测量被试车辆的车速。汽车运行车速的测量一般可采 用以下方法： 汽车自身带的车速测量指示，f _ 般是通过测量车轮或变速器输出轴的转 速，通过速比和轮胎半径等折算得到汽车的车速，由于轮胎气压、载荷、磨损等 江苏大学高教硕士学位论文 因素，使得车轮半径会发生改变，此外车轮与路面之间也存在相对滑移，使得车 上车速的测量存在较大的误差。 五轮仪或非接触式雷达测速传感器测量车速。该方法可获得较高的测量精 度，但安装校准都不太方便，而且试验成本也进一步提升，无法实现汽车燃油消 耗的快速测量。 通过g p s 全球定位系统测量车速。通过6 p s 接收模块，可得到被试车辆 的经度、纬度、高度位置信息，民用普通的g p s 接收模块，定位误差小于5 m ， 同时可获得精确的时问，通过适当计算可得到汽车的车速。 2 ) 采用内锥流量计测量稀释排气流量。内锥式流量计是通过管道中的锥形 体节流的差压式流量测量计，集经典文丘里管、环形孔板和耐磨孔板等优点于一 体的新一代节流装置嘲该流量计测量稳定性好，流量系数长期保持不变，并且 量程比宽( 可达到1 0 ：1 ) 、准确度高、重复性好，可实现流量的精确计量。采用 锥体节流，压损很小，另外内锥具有整流作用，要求前、后直管段长度都很小。 对被测介质适应能力强，可以测量非洁净流体、含有固体颗粒流体、低压流体、 高含湿气体以及各种脏污流体流量元件具有自清洗功能，耐磨损。 3 ) 排气中含碳成份的高精度测量眦1 嘲。专门设计了气体分析仪器，其中c o 的量程为1 6 ，c o 量程为1 0 0 0 0 p p m 、h c 量程1 0 0 0 0 p p m 。同时，稀释空气中也含 有c 倪、c o 和h c ，为此，测试系统采取在测量稀释排气之前和之后分别测量稀释 空气中这三种成份的浓度，取其平均值，并在软件中进行了修正，以提高测量精 度。 4 ) 基于信号采集器和计算机、虚拟测试软件，实现测试过程的自动控制和 试验数据的自动分析处理。 3 2 排气流量的精确计量 对基于碳平衡测油耗进行不确定分析得到c c o 凇) 、( 氢碳比- k q ( 排气流量) 等参数是产生不确定度的主要来源刎嘲。所以排气流量的测量 精度直接影响到系统的测试精度，因此选择合适的流量计对系统搭建有至关重要 的影响。 1 6 江苏大学高教硕士学位论文 3 2 1 流量计类型的确定 流量传感器是过程控制中最重要的传感器之一。流量有体积流量和质量流量 之分。质量流量不受温度或密度等流体诸条件的影响，这是很大的优点，但由于 不容易测量，所以一般是先测量体积流量，必要时加以密度修正，然后求质量流 量旦流量测量的原理太致分为两大类，即直接测量流量的方式和先求流速再通过 流速乘以横截面积来求流量的方式。一般说来，一种测量原理是不能适应于所有 情况的，必须针对不同目的，灵活应用为数众多的各种原理及仪器。表3 1 列出 了已经得到应用的各种原理目前市场上的流量计有上百种，其测量原理可归纳 成八种，如下表所示 表3 1 流量和流速测量原理 t a b3 1m e a s u r i n gp r i n c i p l ea n do f f l o wa n df l o wv e l o c i t y 通过管路中的节流装置产生的差压信号 流量的测量原理测量一定容积的流体的质量 流速乘以管路横截面积 流速的测量原理 动压 作用在物体上的力 波动传播速度的变化 电磁感应的电动势 加热体的冷却 流体中的标记物的速度 流体振动的频率 其中由于利用差压的方式有很长的历史背景，可靠性高，校正简单和容易使 用等优点得到了广泛的应用。而锥形流量计作为一种新型的差压流量计其优势 ( 如表3 2 所示) 明显，越来越得到了人们的关注。因此本课题采用自主设计的锥 形流量计实现精确测量稀释排气的流量二 1 7 江苏大学高教硕士学位论文 表3 2 锥形流量计的优点 t a b 3 2t h ea d v a n t a g e so f v - c o n ef l o w - m e t e r 精度高和重复性精度：读数的o 5 ，重复性优于o 1 ，贸易计量型精度为读 好 数的o 3 远优于孔板等传统差压式流量计 量程比宽 直管段要求低 寿命长 压损小 o 值范围宽 信号稳定 无滞留区 适用场合广 可选管线范围宽 由于锥体能使流体流场均匀化，因此比一般差压式流量计可测流 速低，即量程下限比一般差压式流量计低，所以量程可向下扩展，量 程比可为1 5 ：l ，雷诺数低至80 0 0 仍可保持信号的线性，通过修正流 出系数可将测量雷诺数扩展到80 0 0 以下 前0 - 3 d 恬0 - 1 d 远优于一般差压式流量计的前1 0 v ( 最低要求) 后 5 d 对于复杂流路同样如此，若是孔板或文丘里等差压式流量计，其 要求可达前( 2 0 - - 4 0 ) v 后5 d 嗍形流量计的通径 流体流经锥体无突然的波动，而是沿着锥体形成了一个边界层， 并引导流体离开锥体的后角，这使得锥体夹角不受不洁流体的磨损， 流量系数1 3 可长期不变，并保证长期精确测量。因此流量计可在脏污 场合长期使用，不需定期维护保养和周期性检定( 当然二次表的定期 维护和检定还是必须的) 永久性压损比孔板低，与文丘里差压式流量计接近 v - c o n e 流量计独特的几何形状允许有较广泛的o 值范围，标准的 p 值为0 4 5 、0 5 5 、0 6 5 、0 7 5 、0 8 5 ，并可特定b 值以保证用户特定 的差压输出 由于节流元件产生差压时同样导致了元件后涡流，所以每种差压 式仪表都有信号波动，即便流体是稳定的。对于标准孔板，由于产生 的涡流较长，导致了低频大幅度的信号波动，严重干扰了差压读数的 准确性， l 副 - - c o n e 流量计锥体后产生的涡流非常短，所以信号波动就 一为高频低幅，越使得v - c o n e 流量计产生稳定的信号 v - c o n e 流量计锥体彻底吹扫式设计避免了流体中的残渣、凝结物 或颗粒的滞留 可测脏污介质，不会对锥体造成损伤。可测量汽液两相流( 液相 不超过5 呦并保证精度。 v - c o n e 流量计有管道式和插入式两种形式其尺寸可从1 2 7m m 到 1 8 江苏大学高教硕士学位论文 1 8 m 。 3 2 2 锥形流量计的测量原理 v - c o n e 锥形流量计是一种新型的差压式流量计，它最早是2 0 世纪8 0 年代由 美国m c c r o m e t e r 公司推出的，锥形流量计测量原理( 如图3 2 ) 是基于密闭管 道中能量相互转化的伯努利定律通过测量介质流过节流锥体前( p 1 羔一和锥体后 ( p 2 ) 的差压，再进行必要的温度和压力修正，使得标准状态下稀释排气的流量 和差压的平方根之间成正比关系，来确定流体介质的总流量。 图3 - 2 镶形流量计结构示意圈 f i 9 3 2s c h e m a t i cd r a w i n go f v - c o n ef l o w - m e t e rs t r u c t u r e p ：堆体首压力p 2 ：锥体后压力t ：气体的温度a p ap 1 - p 2 ：锥体前后差压 1 圈柱壳律2 - 连接及支攘3 - t 体4 - 1 体孓雏体前部取压口6 - 锥体后部取压口? - i 度探测口 3 2 3 锥形流量计应满足的条件 为了实现排气流量精确测量锥形流量计应满足的以下条件嗍： ( 1 ) 要有很高的测试精度及稳定性，因为稀释排气流量的测量精度及稳定性 直接影响油耗计算的精度。 ( 2 ) 具备- 定的自清洁能力，因为排气中有碳烟等颗粒的存在，若无自清洁 能力，长期使用容易在锥体表面上形成一层垢层影响流量的测试精度。 ( 3 ) 具各一定的整流能力，可以保证测量过程中流体处于理想的状态，克服 一般差压流量测量的缺陷，从而取得精确的测量值。 ( 4 ) 直管段要求低，可以减少整个系统的复杂程度，降低成本。 1 9 江苏大学高教硕士学位论文 ( 5 ) 量程比宽和寿命长，使尽量适应不同车型的不同工况下排气流量的测量， 并保证其有较长的使用寿命。 3 2 4 锥形流量计的结构 本论文设计的适用于稀释排气流量测量的锥形流量计主要由圆柱壳体、锥 体、连接棒、孔棒、锥体前后取压口和温度探测口等组成，结构示意图如图3 2 。 考虑到车辆排气中腐蚀成份和微粒等，流量计材料选用3 1 6 l 。流量计具有 成本低、测试精度高、稳定性好、寿命长以及采用标准法兰连接便于拆卸等优点。 由于该流量计采用锥体这一特殊的结构使得它具有自整流及自清洁等功能，特别 能适合用于污浊流体流量的测量，若配备高精度的差压、绝压和温度传感器可以 实现流量的精确自动测量。 3 2 。5 锥形流量计的仿真计算 为了进一步分析锥形流量计的流量计量特性，这里运用f l u e n t 对流量计进 行了流场的仿真计算。本流量计的设计流量测量范围为4 - 2 4 m m i n ，流量测量( 也 即雷诺数) 的变化范围很大，针对这些特点在f l i 1 e n t 中的各参数设置见表3 。3 ， 其它条件采用f l u e n t 的默认设定。首先对流量计进口速度分别为6 2 9 3 m s 、 1 2 3 3 m s 、1 6 4 5 8 = s 和1 8 4 4 9 m s 时进行仿真得到的锥体前后差压与试验得到 差压进行比较，验证了三维仿真模型的正确性( 见表3 。4 ) 。其中进口速度为 1 6 4 5 8 m s 时的流量计压力和速度矢量图如图3 3 所示。 表3 3f l u e n t 中的条件设厦 t a b3 3d e f i n et h ec o n d i t i o n si nf i i 踟 江苏大学高教硕士学位论文 田3 , 3 进i = l 速度为1 6 4 6 r r g s 时的流量计压力( 上) 和速度矢量田( 下) f i g3 3 t h e p r e s s u r e ( u p p e oa n ds p e e d v e c t o r ( u n d e r ) p i c t u r eo f f l o w - m e t e r w h i c h i n l e t v e l o c i t y i s1 64 6 n d s 应用上面的f l u e n t 模型分别对流量计在进口流速为1 6 4 5 8 m s 时在改变前 后锥角、改变温度、有无连接支撑等情况进行了仿真计算。图3 4 是前后锥角为 江苏大学高教硕士学位论文 3 6 。和1 2 0 。的压力云图，图3 5 为无连接棒时的压力云图。其仿真结果及分析如 表3 4 ，可见设计的流量计锥体前后差压的仿真结果与标准状态下的流量关系。 其中介质流量与锥体前后差压的线性度系数( k 系数) 在锥形流量计结构参数一 定的情况下保持了很好的一致性，很好的反映了锥形流量计的测量原理。而锥体 前锥角的变化对k 系数的影响较大，而后锥角的变化对k 系数影响则较小；介质 温度变化对k 系数的影响很小：因此为了获得较高的测量精度必须保证锥体一定 的加工精度和装配精度。另外，锥形流量计的前后连接支撑对k 系数有一定的影 响，所以锥形流量计的除锥体外其它的结构对流量测量有一定的影响。 表3 4 锥形流量计的f l u e n t 仿真数据 瑚4t h e 兀u e n ts i m u l a t i o nd a t ao f t h ev - c o n ef l o w - m e t e r 江苏大学高教硕士学位论文 图34 前后锥角为3 矿和12 0 6 的压力云图 f i g3 , 4 t h ep r e s s u r ec l o u dp i c t u r eo f t h e f l o w - m e t e r w h i c hp r e - c o n ea n g l e i s3 6d e g r e e a n d p o s t - c o n ea n g l e i s1 2 0 d e g r e e 囤35 无连接支撑时的压力云图 f i 口5 t h ep r e s s u r ec l o u dp l a o r e o f t h