气耗仪系统在天然气发动机试验室的设计应用

江益群 毛开清 金玉兰 吕林 汪得亭

(华菱星马汽车(集团)股份有限公司,安徽马鞍山 243061)

气耗仪系统在天然气发动机试验室的设计应用

江益群 毛开清 金玉兰 吕林 汪得亭

(华菱星马汽车(集团)股份有限公司,安徽马鞍山 243061)

进入21世纪，汽车污染已经日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多、使用范围越来越广，它对世界环境的负面效应也越来越大，尤其是危害城市环境，引发呼吸系统疾病，造成地表空气臭氧含量过高，加重城市热岛效应，使城市环境转向恶化。严重的尾气污染使得人们不得不关注这一亟待解决的问题。因此新能源汽车就成了每个国家目前需要迫切发展的新车型。天然气做为一种新型能源，其燃烧后的尾气中不含硫化物和铅，一氧化碳降低80%，碳氢化合物降低60%，氮氧化合物降低70%，发展天然气汽车可以说是实现节能减排的更好的途径。本文正是针对这一现状，以安徽华菱星马汽车(集团)股份有限公司发动机自主品牌研发中心试验室天然气发动机试验台架为例。重点介绍了气耗仪系统的概念、功能、组成结构、工作流程、实际安装布置及使用效果等，对于业界试验室天然气发动机试验台架系统应用及发动机新产品的性能开发具有一定的参考意义。

天然气试验室 气耗仪系统 功能 实际应用流程

发动机气耗仪测量系统专门用于测量气体发动机的气体燃料质量消耗量，可以用于各种单一气体或混合气体燃料发动机，不受气体成份和密度的影响。本文中气耗仪系统核心计量器具采用具有MVDTM技术的Micro Motion公司ELITE流量计。它由一个核心处理器，一体化安装在ELITE传感器上。

经过近几年的快速发展，现在它已成为天然气发动机、氢气发动机、其他气体流量测量等对象广泛应用的测量设备。尤其在天然气发动机试验台架中监控气体的耗量成为首先的测量设备。

1 天然气发动机试验室气耗仪应用分析

1.1 天然气发动机燃料分类

按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气汽车可以分为：

天然气汽车压缩天然气(CNG)汽车。压缩天然气是指压缩到20．7—24．8MPa的天然气，储存在车载高压气瓶中。压缩天然气(CNG)是一种无色透明、无味、高热量、比空气轻的气体，主要成分是甲烷，由于组分简单，易于完全燃烧，加上燃料含碳少，抗爆性好，不稀释润滑油，能够延长发动机使用寿命。

液化天然气(LNG)汽车。液化天然气是指常压下、温度为-162度的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。液化天然气(LNG)燃点高、安全性能强，适于长途运输和储存。

液化石油气(LPG)是一种在常温常压下为气态的烃类混合物，比空气重，有较高的辛烷值，具有混合均匀、燃烧充分、不积碳、不稀释润滑油等优点，能够延长发动机使用寿命，而且一次载气量大、行驶里程长。

世界上使用较多的是压缩天然气汽车，本文中选用的是CNG供气系统。

1.2 气耗仪流量计性能指标，详见下表1

表1

1.3 气耗仪在不同压力下的流量及压损情况

为了说明气耗仪在不同压力流量下的压损情况，分别计算了进气压力在7bar，35bar，70bar时流量与精度的情况如图1所示。

以图1表说明了：

(1)在不同压条件下，在测量范围内，精度不受影响；

(2)在不同压条件下，同样流量条件下，压损与压力有关，压力越大，压损越小，所以选择高压条件对流量测量比较有力。

1.4 气耗仪流量计的选型

天然气的发动机耗气量直接影响到产品开发的成功与否，如何能够实时监控发动机运行时的耗气量的最大气耗量(尤其是瞬时耗气量)是检验一台发动机合格的重要标准。因此，发动机的开发性能试验就显得尤为重要。合理选择匹配的气耗仪型号是保证试验正确性的基础。CMF系列发动机气耗仪采用采用最新科技美国高准(Micro Motion)公司的Coriolis(科里奥利)传感器，其具备高精度连续测量，响应时间小于0．1秒；测量精度小于0．35%读数值；直接测量质量流量；量程范围宽，大于100：1满足发动机最低怠速气耗量的测量，适用于多种发动机功率档次等优点。是目前天然气发动机性能开发试验的首先，本文中根据现场发动机的最大耗气量85Kg/h，选用的气耗仪流量计型号为CMF025。

2 气耗仪系统在发动机试验室的设计应用

2.1 系统设计方案

华菱星马汽车发动机自主品牌研发中心天然气试验室共包含6个试验台架，共设立安装了6套气耗仪系统(如图2所示)，发动机末端使用压力要求为0．8Mpa。试验室采用气耗仪计量系统实时监控发动机的瞬时气耗量，该系统由流量测量、进气调压、恒温系统、不锈钢管道及组件等组成。流量监控控制设置在每个试验保护区的观察窗外。

对于试验室台架区，由于采用CNG高压瓶组做为供气源，压力达20Mpa。因此，在准工作状态时，高压气体经管路至试验间气耗仪前端的管网内，压力维持在高压状态，发动机运行时经气耗仪系统内部的二级减压将压力减至2．8Mpa，由于从高压减压至中压需吸收大量的热量，系统自带一套电加热系统，由水泵运行进行管道加热。设备加热水箱进水口处设有补水电磁阀，水源经过过滤器和补水电磁阀后进入水箱；水箱配有液位控制器，实现对水箱水位的自动控制。补水电磁阀在水箱低水位时打开，高水位时关闭。另气耗仪系统配备了自动排气阀，以便设备维护检修时对管路中的压力进行排气卸压处理。

2.2 项目实施及控制

试验室气耗仪系统采用满足系统工作压力要求的不锈钢管。管道采用法兰连接。分二路供气(如图3所示)，一路采用发动机自身带调节阀，一路采用设备自身高压阀。为最大限度的模拟整车的外界运行工况，气耗仪系统另配备天然气恒温系统，通过设备配备的程序控制仪表输出测量参数：温度、压力、流量等。

2.3 系统控制原理

该系统通过程序控制仪表(如图4所示)进行现场控制，控制仪表是一种采用32位微处理器和5．6/7．0英寸TFT彩色液晶显示屏的多功能无纸记录仪。其具有12路模拟量输入、开关量和频率量输入(共2路)、12路报警输出，配合56个运算函数、8个定时器和其它功能模块，可实现信号采集、运算、显示、记录、报警、通讯、数据转存、分析统计报表等功能。采用RS232C/RS-485通讯接口，可实现远程监控，内置32MB NAND FLASH作为历史数据的存储介质，通过CF卡/USB可将需要保存的数据转存至计算机或其它设备中。仪表采用移动平均滤波，设置合理的滤波时间有助于提高信号平滑程度，滤波时间设置越长，当前采样值对显示值的影响越小，曲线越平稳。

2.4 气耗仪系统现场调试使用

设备安装结束后，对气耗仪系统进行了调试。先缓慢将管道中的天然气压力充至10Mpa，使用检漏液检查有关接头部位，经确认无漏气后再充气到20Mpa，进一步仔细检漏。待确认无泄漏后进行发动机点火试验，运行发动机，进行发动怠速和起动调试，调整气耗仪系统上自带的二级调压调节压力，直至发动机获得稳定的最低空转转速。稳定运行后进行发动机的加速性调试，然后反复快速猛轰油门，观察发动机的转速变化是否圆滑。分析整个试验情况得出：气耗仪系统监控效果较好，能够实时监控到发动机的瞬时气耗量，管路供气实时压力等。

图1 气耗仪压损图

图2 气耗仪系统

3 结语

从上面的实例可以看出气耗仪系统最大的优点就是采用具有MVD技术的流量计，可以提供更清晰、无噪音的数字信号，直接测量发动机的耗气质量，与压力和温度无关，实现真正意义上的质量流量测量。因此，在进行发动机的开发性能试验时，合理地选择气耗仪设备是一个新产品开发的基础，它将直接影响到产品开发的各项性能，降低开发费用，减少动力消耗和试验误区，在提高试验效率、降本增效的前提下，获得最大的收效。本文主要是对天然气汽车发动机试验台架上气耗仪系统选型描叙，但气耗仪系统的应用非常广泛，如氢气发动机、其他气体流量测量等等。在天然气发动机试验台架外气耗仪系统的选型计算与本文描叙可能不一致。其高精度连续测量、直接测量质量流量、量程范围大，具有其他测量设备无法比拟的特点，通常和测功机系统一起组成一套完整的整车运行模拟系统。

图3 管路系统图

图4 控制仪表

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