雙渦輪流量計計量燃油消耗的方法研究

內(nèi)燃機車燃油系統(tǒng)的設(shè)計使得燃油流量與燃油消耗量之間存在巨大差距，即燃油的 “大流量小消耗”難題。對構(gòu)成燃油消耗量計量誤差的原因進(jìn)行了深入分析; 基于誤差理論、通過大量實驗研究，用改進(jìn)的常規(guī)流量計量裝置—渦輪流量傳感器，采用溫度補償方法實現(xiàn)了燃油的質(zhì)量流量測量; 通過對實驗數(shù)據(jù)的處理及采用現(xiàn)場實流參數(shù)匹配的方法，實現(xiàn)了內(nèi)燃機車燃油消耗量的實時準(zhǔn)確計量?，F(xiàn)場實際運行結(jié)果顯示樣機計量精度達(dá)到 1. 0 級，滿足實際計量需要。

當(dāng)前全球能源危機日趨嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為全世界關(guān)注的熱點。節(jié)能減排首先要從降低能源消耗杜絕能源浪費做起。鐵路內(nèi)燃機車的動力來源是柴油機，柴油機的工作狀態(tài)直接決定了能源的消耗和廢氣的排放。目前內(nèi)燃機車的運行控制大多集中在安全運行方面，對于能源消耗的計量是按機車組核算，還停留在看油箱油位、讀標(biāo)尺刻度的時代。在燃油消耗量的管理考核上，缺乏必要的科學(xué)手段，只能按機車組進(jìn)行考核，不能實現(xiàn)按班考核。在機車乘務(wù)員交接班過程中，只能靠眼睛觀測，憑經(jīng)驗估計大概用油量，尚無較的客觀計量依據(jù).

在我國的鐵路系統(tǒng)中，一臺機車( 機車組) 一般是由兩到三個乘務(wù)班擔(dān)當(dāng)，按機車組核算不利于調(diào)動各乘務(wù)班節(jié)能減排的積極性。采用現(xiàn)代科技手段，實時檢測并記錄機車內(nèi)燃機燃油消耗情況，實時監(jiān)控內(nèi)燃機熱工狀態(tài)，為加強燃油消耗的管理、建立約束激勵機制，特別是從根本上解決機車乘務(wù)員按班考核，達(dá)到促進(jìn)機車乘務(wù)員提高機車操作水平，努力為實現(xiàn)“多拉快跑節(jié)油少排放”創(chuàng)造前提條件。

1.難點

內(nèi)燃機車燃油消耗的計量在熱工量測量領(lǐng)域?qū)儆诹髁繙y量，計量對象為液體柴油。液體流量的計量本來是比較容易實現(xiàn)的，現(xiàn)有的常規(guī)流量儀表計量液

首先是確定測量方案。圖 1 所示為內(nèi)燃機車燃油系統(tǒng)原理。燃油從油箱經(jīng)供油軟管 1 由燃油泵 3

泵入內(nèi)燃機車燃油系統(tǒng)，使系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)計值 ( 一般為 0．2 ～ 0．3MPa) 。在機組不工作( 機車未啟動) 時，進(jìn)入燃油系統(tǒng)的燃油全部經(jīng)旁通閥 6 及回油軟管 10 返回油箱，此時稱為“空打燃油泵”狀態(tài);當(dāng)內(nèi)燃機工作時，噴油泵組 8 啟動，燃油系統(tǒng)中的燃油一部分經(jīng)噴油泵被燒掉，沒有被噴油泵抽走的燃

油經(jīng)旁通閥 6 及回油軟管 10 返回油箱。此時稱為“工作狀態(tài)”。在空打燃油泵狀態(tài)，內(nèi)燃機車不做功，燃油消耗為零。即此時流經(jīng)供油軟管 1 的燃油全部經(jīng)回油軟管 10 返回油箱［4］; 在工作狀態(tài)，內(nèi)燃機做功，燃油消耗隨機車的出力情況而變化。內(nèi)燃機車消耗的燃油實際上是噴油泵組啟動后經(jīng)各噴油

嘴 9 噴出的燃油之總和。一臺內(nèi)燃機車的噴油嘴數(shù)量與內(nèi)燃機車的氣缸數(shù)相對應(yīng)，通常內(nèi)燃機車有 9－12 個氣缸。要準(zhǔn)確地實時計量內(nèi)燃機車的燃油消耗量有兩個方案可選。

方案 1: 安裝 9 ～ 12 個流量計量裝置，計量每一個氣缸的耗油量然后將計量結(jié)果求和，稱之為“分別計量求和法”。

方案 2: 安裝兩個流量計量裝置分別計量從油箱進(jìn)入內(nèi)燃機車的流量 q1 和從內(nèi)燃機車返回油箱的流量 q2 ，然后求得兩者之差 q=q1 －q2 作為內(nèi)燃，機車的燃油消耗量 此方法稱之為“流量差法” 。

在柴油機的四個沖程中，只有“噴油”時段消耗燃油，其余時段燃油在管路中是靜止的，即通往柴油機噴油嘴的燃油管路中燃油的流動是斷斷續(xù)續(xù)( 脈動) 的。由于內(nèi)燃機車在工作時各氣缸的供油管路流動狀態(tài)是脈動的，對于脈動流量要實現(xiàn)準(zhǔn)確計量十分困難; 內(nèi)燃機的燃油噴嘴所處工況條件無法滿足準(zhǔn)確計量的基本要求; 內(nèi)燃機的氣缸數(shù)量眾多，分別計量所需計量裝置眾多。因此方案 1 無法實現(xiàn)。對于方案 2，由于內(nèi)燃機中眾多氣缸的噴油時間是相互錯開的，并且各噴油嘴的噴油量在同一工況下十分相近，因此燃油泵供油回路中的流量基本平穩(wěn)，能夠采用常規(guī)流量計量儀表進(jìn)行計量; 燃油泵的供油回路具有足夠的流量計安裝位置和理想的工況條件，從測量條件上有可能進(jìn)行油耗計量; 方案 2 只測量內(nèi)燃機車燃油系統(tǒng)的進(jìn)油和回油流量，僅需要兩套計量裝置，因此實時計量內(nèi)燃機車油耗量采用流量差法具有可行性。

流量計量儀表的量程選擇以及計量準(zhǔn)確度的計算。安裝在內(nèi)燃機供油回路上的流量計不論是用來測量進(jìn)油流量還是測量回油流量，其測量上限 q 至少要達(dá)到進(jìn)油流量的數(shù)值。而燃油消耗量是進(jìn)油流量與回油流量之差，實測數(shù)據(jù)顯示，一臺怠速油耗只有 20L /h，滿負(fù)荷***大油耗大約是 300L /h 的東風(fēng) 4B 型機車，其進(jìn)油流量達(dá)到 3000L /h。即燃油消耗量只占其流量的 1 /10 ～ 1 /150，此謂之“大流量小消耗”。假設(shè)能夠用在該內(nèi)燃機車上進(jìn)行計量的一對流量傳感器自身計量誤差為 δ =± 0． 5% ( 滿度誤差) ，于是在這種“大流量小消耗”的工作狀態(tài)下，該內(nèi)燃機車燃油消耗量的計量誤差有可能達(dá)到2δ / ( 1 /10 ～ 1 /150) =10%－150%! 也就是說，采用了高精度的流量計量儀表得不到高精度的燃油消耗量的計量效果。這是用流量差方法計量內(nèi)燃機車燃油消耗量遇到的問題之一。

再來考慮流量傳感器的種類。目前能夠適合用于內(nèi)燃機車進(jìn)行流量計量的流量傳感器測量的都是體積流量，即傳感器的輸出信號只與流經(jīng)傳感器的流體體積有關(guān); 實驗證明，內(nèi)燃機車在工作時進(jìn)油溫度與回油溫度之差可達(dá) 50℃ 甚至更多并且經(jīng)常變化，而所用燃油的體積膨脹系數(shù)約為 0．8% /10℃，只這一項引起的流量傳感器自身計量誤差就可達(dá)到4%以上，對油耗量引入的計量誤差至少為 40%! 除此之外，燃油的粘度、潤滑性，計量儀表本身尺寸的變化等因素也將影響計量的精度。采用流量差法實時計量內(nèi)燃機車油耗量必須解決上述問題。

2.解決方案

采用流量差法實時計量內(nèi)燃機車油耗量需要同時計量從油箱進(jìn)入內(nèi)燃機車的燃油流量 q1 和從內(nèi)燃機車流回油箱的燃油流量 q2 ，其差值 q=q1 －q2即為燃油消耗量。常用的流量傳感器中，容積式流量計［7］準(zhǔn)確度較高，適合油品介質(zhì)的計量; 但容積式流量計故障時會造成管路堵塞，破壞被測介質(zhì)流體的流動。在內(nèi)燃機車中，如果燃油輸送受阻，機車將無法自主運行而引發(fā)“機破”故障。“機破”故障是鐵路運輸過程中***嚴(yán)重的機車設(shè)備故障，是不允許發(fā)生的! 因此容積式流量計不適合在線計量內(nèi)燃機車燃油流量?？剖狭|(zhì)量流量計 的優(yōu)點是可直接計量進(jìn)、回油的質(zhì)量流量，從而方便地得到內(nèi)燃機車的實時燃油消耗量。然而，科氏力質(zhì)量流量計的測量原理是通過測量流體流過以一定角頻率振動的管路時管壁的受力變形來實現(xiàn)的，因此從測量原理上就要求安裝現(xiàn)場不能有振動干擾。而內(nèi)燃機車在運行過程中振動是不可避免而且是十分嚴(yán)重的，因此科氏力質(zhì)量流量計不適合在線計量內(nèi)燃機車燃油流量。渦輪流量傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單、體積

小、精度高、量程范圍寬、輸出為頻率信號等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用 。渦輪流量傳感器即使發(fā)生故障也不會對輸油管路造成堵塞，因此對于內(nèi)燃機車燃油的計量而言，可以選擇渦輪流量傳感器。

本文正是采用渦輪流量傳感器作為進(jìn)、回油流量的計量裝置。渦輪傳感器的輸出脈沖信號頻率與流經(jīng)渦輪傳感器的流體的體積流量成正比，渦輪流量傳感器的質(zhì)量流量儀表系數(shù)是流體介質(zhì)溫度的函數(shù)。在進(jìn)行流量測量的同時必須測量介質(zhì)溫度。為此，本文首先對渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，將高精度的集成溫度傳感器與渦輪流量傳感器組合成一體，從而實現(xiàn)在流量測量的同時同地測量介質(zhì)的溫度。用測得的介質(zhì)實時溫度，按照在實驗室標(biāo)準(zhǔn)計量裝置上得到的每臺流量傳感器特定的質(zhì)量流量—溫度特性函數(shù)，對流量計量結(jié)果進(jìn)行修正，從而得到正確的質(zhì)量流量測量值。用這種方法得到的質(zhì)量流量的計量精度優(yōu)于 0．5 級，即流量計的計量誤差 δ≤±0．5%。

內(nèi)燃機車的燃油消耗量 q 只有其進(jìn)油量 q1 的1 /150 至 1 /10，所用流量計的量程上限至少要達(dá)到進(jìn)油流量 q1 的數(shù)值。假設(shè)計量用流量計的***大計量誤差是 δ%，那么其允許的***大誤差為 | δ | q1 ，由于流量差法實時計量內(nèi)燃機車油耗量是分別計量進(jìn)油流量 q1 和回油流量 q2 ，則用上述流量計計量油耗量的***大誤差可以達(dá)到 2 | δ | q。燃油消耗量 q 的計量結(jié)果有可能將流量計量儀表的計量誤差 δ%放大幾十甚至幾百倍! 這樣的計量精度使燃油消耗量 q 的計量結(jié)果沒有任何意義。產(chǎn)生這一問題的根本原因是內(nèi)燃機車燃油系統(tǒng)“大流量小消耗”的工作狀態(tài)使得燃油消耗量只占計量儀表量程的很小一部分以及流量計量儀表在計量精度允許范圍內(nèi)的隨機誤差的不確定性。內(nèi)燃機車燃油系統(tǒng)“大流量小消耗”是一個無法改變的客觀現(xiàn)象，要解決上述問題，只能從流量計量儀表在計量精度允許范圍內(nèi)隨機誤差的不確定性方面著手，使該隨機誤差在流量計量點附近趨于一致而相互抵消。進(jìn)行這項工作首先需要了解內(nèi)燃機車燃油輸送過程中流經(jīng)流量傳感器的實際流量、實際溫度及其大致變化范圍，在此范圍內(nèi)對構(gòu)成流量差法燃油消耗量計量的流量計量裝置進(jìn)行標(biāo)定及參數(shù)匹配，使之不但具有足夠高的計量精度，而且兩者的測量誤差方向也要一致。即對 A、B 兩個流量傳感器，如果其各自的***大計量誤差為 | δA |=| δB |=| δ | ，則要篩選出具有 | δA －δB | →0 的一對流量傳感器。在此基礎(chǔ)上，利用內(nèi)燃機車空打燃油泵狀態(tài)時進(jìn)油量與回油量相等這一特點，對安裝于計量現(xiàn)場的這一對流量計量儀表進(jìn)行現(xiàn)場實流匹配，使其在空打燃油泵狀態(tài)下兩者的示值完全相等。即此時流經(jīng)進(jìn)、回油流量傳感器的實際流量為 q; 進(jìn)油流量傳感器的指示值為 qA 、相對誤差為 δA ; 回油流量傳感器指示值為 qB 、相對誤差為 δB 。根據(jù)誤差理論，|δA －δB | →0，使得 q 的計量誤差趨于零，這樣就***大限度地消除了流量傳感器自身的微小誤差在大流量小消耗的內(nèi)燃機車燃油計量系統(tǒng)中造成很大計量誤差的問題，取得了令人滿意的計量效果。

究其原因，是因為表中的“實際油耗”是人工讀取機車油箱標(biāo)尺與發(fā)油柱計量讀數(shù)之和得到的，發(fā)油柱的計量誤差可以保證不超過 ±0．5%，但是人工讀取機車油箱標(biāo)尺的讀數(shù)誤差可達(dá)到 ±50L! 這一

誤差可隨著讀數(shù)次數(shù)的增多、累積耗油量的增大特別是隨著發(fā)油柱計量讀數(shù)所占比重的增大而趨于減小，表中“計量誤差”的***后四列數(shù)據(jù)證實了這一結(jié)論。用這種流量差法解決大流量小消耗的流量實時計量問題完全有把握達(dá)到 1．0 級的計量精度。此方法的特點在于可實現(xiàn)內(nèi)燃機車燃油消耗量的實時計量—實時性; 在計量裝置發(fā)生故障時也不會影響機車的正常運行—安全性; 可用常規(guī)的流量、溫度傳感器實現(xiàn)準(zhǔn)確計量—可靠性; 整套計量裝置結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、易于維護(hù)、價格低廉。

4.結(jié)語

內(nèi)燃機車燃油消耗的實時計量對于鐵路系統(tǒng)的節(jié)能降耗、減排環(huán)保都有著至關(guān)重要的意義。本文針對內(nèi)燃機車燃油消耗計量的“大流量小消耗”帶來的難題，提出了切實可行的解決方案，實驗結(jié)果顯示達(dá)到了令人滿意的效果。