高精度油耗仪的设计

【摘  要】本文大功率柴油机用油耗传感器的设计针对现在农机发动机燃油效率低，可实时监控性差等特点，我们采用容积式流量计量原理，通过多叶轮及齿轮组的相互配合，通过电磁感应非接触采集传感器内测量发动机的瞬时油耗、进油油耗和回油油耗。可对进油管路的喷油量、喷油压力、雾化状态，燃油燃值等情况配比进气量，调整最佳混合比，提高热机工作效率，降低排放量。

一、引言

随着我国农业机械化程度提高，农机应用越来越普及，而柴油机油耗大，大排量燃油车辆的消耗已引起了相关管理部门的重视，但因车辆燃油没有较准确的计量装置而无法落实管理。因此采取安装油耗传感器进行计量并对发动机工作运行实时监测，便于对其的经济指标考核和杜绝燃油的浪费现象。节约燃油不仅有直接的经济效益，对减少车辆尾气污染、保护环境也起到积极的作用。

二、油耗传感器的设计

本设计提出一种复合型叶轮式流量计，通过转动叶轮以及采集转动叶轮信号的传感器，其特征在于：所述壳体内设置有沿流体流入方向前后套接在一起且与壳体同轴线布置的导流管扩展组件、中心套管;导流管扩展组件固定套合在壳体内，中心套管的前端套接在导流管扩展组件中;中心套管内中部开设有容置转动叶轮的叶轮室，转动叶轮的叶轮轴沿壳体径向布置支撑在叶轮室内，叶轮轴中部装设有叶轮叶片;传感器固定在传感器支架中，传感器支架固定连设于壳体与中心套管之间且内端伸至叶轮室内，传感器的信号采集端正对叶轮叶片，结构如图1所示。

在流量测量叶轮的设计上我们采用双叶轮对称结构设计，两个轮互为对补，起到了测量和辅助校准等功能。当介质流经叶轮时，初始流量情况状态下，流体经过前置校准叶轮时流体产生旋转运动，使得流体在轴向流动速度不变的基础上增加了径向的旋转运动，增加了流体对后置检测涡轮的驱动力，实现降低始动流量和流量下限的目的。

当介质在正常的流速检测范围内时，由于通过介质的波动，或轴承卡阻、轴 配合间隙变化等因素影响，一般涡轮流量计的叶轮就会产生失常运转现象，但该流量计具有前置校准叶轮结构设计，可抑制这种失常运转现象发生，极大地提高了流量计的使用寿命和计量精度。如果在超量程上限的情况下，也具有优异表现。当在超量程的流速情况下，这时一般涡轮流量计的仪表系数偏大、测量误差大，而不能检测。如采用该结构设计，此时，刚好与初始流量情况状态相反，前置校准叶轮转速与对应介质流量比值（仪表系数）偏大，此时较易形成流体对后置检测涡轮的反向驱动力，可对后置检测涡轮仪表系数偏大具有阻滞作用，达到其对超高流量（超量程）检测的目的，更符合我们瞬态大流量的油耗检测要求。叶轮结构图如图2所示。

三、仿真

在叶轮的叶片倾角设计上采用模拟分析，采用了国际流行的有限元分析软件ANSYS FLUENT 对叶片的多组倾角情况下的机械性能进行了综合比较，确定了一个在低平均流速下使得叶轮最易转动的倾角范围;随后进行了叶片数目调整，并通过ANSYS分析得出的最佳的叶片数目;另外对传统的叶轮轴和轴承进行了改进，在叶轮直径较小、叶轮质量较轻的前提下，使用的摩擦系数最优化的轴承结构，即顶尖轴承结构，将叶轮轴设计成55度夹角的圆锥轴，轴承设计成直角的圆锥孔，并通过反复实验证明该机械结构具备优良的机械性能与高度的灵敏性，兼具较佳的使用寿命。仿真如图3所示。

该流量计达到了预期设计油耗测量的低流速灵敏性和高精度性等要求。

四、信号采集

信号采集使用非接触无线电波接收方式，利用接收无线电波接收装置产生的反馈量信號，以便识别叶片的转动位移量。通过叶轮的边缘在切割磁力线产生边沿脉冲，以此将采样识别装置识别的叶片转动位移量转化成陡峭脉冲信号;在通过整形电路将脉冲波形整形为矩形脉冲信号，通过相关装置传输给采集设备。

五、结论

本油耗传感的设计具有测量范围宽，动态响应好，精度高，温度漂移小等特点，很适合在大排量柴油机上使用，应用前景广阔。

参考文献：

[1]俞志根  传感与检测技术（第三版）科学出版社   2015.6

[2]郑力铭  ANSYS FLUENT15.0 流体计算从入门到精通 北京电子出版社 2015.8

[3]杨有涛，王子钢  涡轮流量计  中国计量出版社  2011.8

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