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机车燃油系统的“大流量小消耗”
时间:2021-03-18 10:17 点击次数:
柴油发动机四个行程中,只有“喷”段消耗燃油,其余段在管路中是静止不动的,也就是说,通向柴油发动机喷嘴的管路中的燃油流动是间歇的(脉动)。在内燃机车工作时,由于各汽缸的供油管路流动状态是脉动的,对实现脉动流量的精确测量非常困难;内燃机燃油喷嘴所处的工况不能满足精确测量的基本要求;内燃机汽缸数目众多,分别测量所需的测量装置也很多。所以方案1无法实现。对方案2来说,由于内燃机中多个汽缸的喷油时间是错开的,且每个喷油嘴的喷油量在同一工况下非常接近,所以在燃油泵供油回路中的流量基本平稳,可以用常规的流量计量仪表来测量;燃油泵供油回路中安装的流量计位置足够,工况条件较好,从测量条件来看,可以测量燃油消耗;方案2只测量内燃机车燃油系统的进、回油流量,只需要两套计量装置,所以用流量差法实时计量内燃机车的油耗是可行的。
流量计的量程选择和计量精度计算。装在内燃机供油回路上的流量计,无论是用于测量进油量,还是测量回油量,其测量上限q至少要达到进油量的数值。但燃料消耗量却是进、回油量的差值,实测数据表明,一辆东风4B型机车的怠速油耗仅为20L/h,满载***大油耗约为300L/h,其进、回油量可达3000L/h。也就是说,油耗仅为其流量的1/10~1/150,此谓之“大流量小消耗”。假定能在该内燃机车内进行计量的两个流量传感器自身计量误差为δ=±0.5%(满度误差),那么在这种“大流量小消耗”的工作状态下,该内燃机车燃料消耗的计量误差可达到2δ/(1/10~1/150)=10%-150%!即采用高精度流量计量器无法获得高精度油耗的计量效果。在采用流量差法测量内燃机车油耗时,遇到的问题之一是流量差。
再次考虑流量传感器的种类。当前可供内燃机车计量使用的流量传感器均为体积流量,即传感器的输出信号仅与流经该传感器的流体体积有关;实验证明,内燃机车在工作时,进油温度与回油温度的差值可达50℃或以上,且经常发生变化,而所用燃油的体积膨胀系数约为0.8%/10℃,仅此项测量引起的流量传感器自身计量误差可达4%以上,油耗量的测量误差至少40%!此外,燃油的粘度、润滑性能、测量仪自身尺寸的变化等因素都会对测量精度产生影响。用流差方法实时测量内燃机车的油耗量是解决上述问题的关键。
二、解决办法
对内燃机车油耗的实时计量采用流量差法,即对内燃机车油耗q1、q2进行实时计量,其差值q=q1-q2即为内燃机车油耗q1、q2。在常用的流量传感器中,容积式流量传感器[7]精度较高,适用于油品介质的测量;但容积式流量传感器在出现故障时,会造成管道堵塞,破坏被测介质流体的流动。对于内燃机车来说,如果燃油输送受阻,机车就不能自主运行,从而引发“机破”故障。机破故障是指铁路运输中***机车设备出现严重故障,是不允许发生的!体积式流量计不适用于内燃机车燃油流量的在线测量。考氏力质量流量计可以直接测量进油和回油的质量流量,方便地获取内燃机车的实时油耗。但是,科氏力质量流量计的测量原理是在流体经过以一定角频率振动的管道时,管道壁受力变形的测量,因此,在测量原理上要求安装现场不得有振动干扰。但由于内燃机车在运行过程中产生的振动问题不可避免且十分严重,因此,科氏力质量流量计不适用于内燃机车燃油流量的在线测量。涡轮机流量传感器结构简单,体积小。
它具有体积小,精度高,测量范围宽,输出频谱清晰等优点,应用广泛。涡流传感器即使出现故障也不会对输油管造成堵塞,所以对于内燃机车燃油计量,可选用涡流传感器。
本论文采用涡轮式流量传感器作为进、回油量的测量装置。涡轮机传感器的输出脉冲信号的频率与流经涡轮机传感器的流体的体积流量成比例,涡轮机流量传感器的流量计系数是流体介质温度的函数。流量测量时,必须同时测量介质温度。因此,本文首先对涡轮流量传感器的结构进行了改进,使高精度的集成温度传感器与涡轮流量传感器结合在一起,实现了在测量流量的同时对介质温度的同地测量。利用所测介质的实时温度,按照实验室标准计量装置所测得的每个流量传感器具体的质量流量——温度特性函数,修正流量计量结果,以获得正确的质量流量测量值。采用该方法计算出的质量流量的测量精度优于0.5级,即δ≤±0.5%的测量误差。
柴油机的燃料消耗q仅为进油q1的1/150至1/10,其流量计的最大量程至少达到进油q1的数值。假定计量用流量计的计量误差为δ%,则其允许的计量误差为|δ|q1,由于采用流量差法计量内燃机车的实时油耗是在进油流量q1和回油流量q2上分别计量,因此使用上述流量计计量油耗时,所允许的***大误差可达到2|δq。油耗计量值q的测量结果,有可能将量值误差δ%放大几十倍甚至几百倍!这种测量精度使得燃油消耗量q的测量结果毫无意义。造成这个问题的根本原因是,由于内燃机车燃油系统的“大流量小消耗”工作状态,使燃油消耗仅占测量量程的一小部分,而且在测量精度允许的范围内,测量流量的随机误差具有不确定性。机车燃油系统的“大流量小消耗”是一个无法改变的客观现象,解决这一现象,只能从在计量精度允许范围内,从不确定的流量计随机误差入手,使其在流量计量点附近趋同相抵。开展这一工作,首先需要了解内燃机车燃油输送过程中流经流量传感器的实际流量、实际温度及其变化范围,在此范围内,对构成流量差法燃油消耗计量装置的流量计量装置进行标定和参数匹配,使其不仅具有足够高的测量精度,而且其测量误差方向一致。也就是说,对于A、B两个流量传感器,如果其各自的***大计量误差为|δA|=|δB|=|δ|,则将其中一个流量传感器与|δA-δB|→0进行筛选。利用内燃机车空打燃油泵工作时进油量和回油量相等的特点,对安装在计量现场的空打燃油泵空打燃油量计进行现场实流匹配,使二者的示值完全相等。也就是说,此时流经进油和回油量传感器的实际流量是q,进油流量传感器的指示值是qA,相对误差是δA,而回油量传感器的指示值是qB,相对误差是δB。按照误差理论,|δA-δB|→0,使q的计量误差趋于零,从而使流量传感器本身的微小误差在大流量小消耗的内燃机车燃油计量系统中得到了很好的消除,从而达到了满意的计量效果。

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