基于Fluent测试模型的汽车油耗测量中的流量传感器选型

Flow Sensor Selection for Automobile Fuel Consumption MeasurementBased on Fluent Test M odelYu Ganxiang ，Cao Fei 。

(1.Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2.Chongqing Vehicle Test&Research Institute，National Coach Quality Supervision＆Testing Center，Chongqing 401 122，China)Abstract：In straight type fuel consumption measurement using exhaust carbon balance method，the exhaust volumeflowing accuracy directly affects the fuel consumption measurement accuracy.According to the three types of com-monly used gas sensors including heat type ，V cone and orifice，the authors simulate the above sensors based on thefluent test model，and determine the heat type gas flow sensor of the minimum changes of the flow field as the optimalsensor selection of the flow testing system。

Key words：fuel consumption measurement；flow sensor；fluent test model随着我国汽车产量和保有量的高速增长，以及我国汽车燃油经济性水平不高，而汽车的能源消耗又占据了整个交通能耗的较大比例，所以提高汽车的燃油经济性，成为我国汽车产业发展以及交通运输行业节能减排的重要任务。对于大量的在用营运车辆来说，如果要按照新产品准人时采用的实验室转鼓法或场地法来进行燃油消耗量测量，费时费力，而且受设备和场地条件的限制，几乎不可能完成。因此，研究-种方便、快捷，满足精度要求、低成本的适合普通汽车综合性能检测站的室内燃油消耗量测试系统，对于建立在用汽车燃油消耗量指标体系具有重要意义。本文阐述在简易工况法的基础上，开发采用碳平衡法原理的燃油消耗量直采式检测系统。通过测量汽车尾气排放的流量以及排气和空气中含碳成分的浓度，实现汽车和发动机不解体燃油消耗量的测 。被测车辆尾气体积流量测量的精确度将直接影响碳平衡法油耗测量的精确度，较高精度地测量车辆尾气的体积流量是该方法的关键，因此，流量传感器的选取至关重要。

1 流量传感器原理分析流量传感器的种类较多，对于直采式油耗检测来说，对流量传感器的要求较高：工作压力3～4 kPa，工作温度300～400℃，工作流量 10～60mS/min，而大部分的流量传感器都满足不了高温、油污的测量环境要求。笔者根据大量的调研，综合考虑汽车排放流体介质的性质、流速以及测量环境等多方面因素，分别选取热式、v锥、孔板式这三种流量传感器进行分析讨论。这三种流量传感器的主要技术指标见表 1。

1)热式流量传感器。热式气体质量流量传感器是基于热扩散原理的流量仪表，即利用流体流过发热物体时，发热物体的热量散失多少与流体的流量成-定的比例关系。具体来说，该流量传感器有两只标准级的电阻温度探测器(热电阻/RTD)，-只用来作热源，另-只用来测量流体温度。流体流过时，两者之间的温度差与流作者简介 ：喻赣湘(1987-)，男，在读硕士研究生；研究方向；载运工具运用工程。

客 车 技 术 与 研 究 20l3年6月量的大小成非线性关系。该仪表就可以把这种关系转换为测量流量信号的线陛输出，从而2见惶气体的体积流量翻。热式气体质量流量传感器广泛应用于电、气、水处理的监控。

表 1 流量传感器主要技术指标 产品 热式气体质量流量 孔板流量 v锥流量 应用条件 传感器 传感器 传感器适用范围 液、气 液、气 液、气、蒸介质温度 /C <410 <450 <500量程比 l 000：l 10：l～40：1 10：1～50：l精度 /% l 1 O.5压损 可忽略 大 小抗脏性 较好 -般 良好重复性 较好 好 较好互换性 良好 -般 -般安装简易性 良好 不好 不好安装场地振动 良好 -般 -般2)V锥流量传感器。V锥流量传感器是-种差压式流量仪表，其原理基于封闭管道中能量相互转化的伯努力定理。在稳定流量的情况下，管道中的流速与差压的开方成正比。流体流经传感器，在 V锥前后产生差压，通过对差压的测量得到对流量额测量。由于悬挂轴心与锥形体结构，当流体接近 V锥时，管道中心流速变慢，管壁附近流速逐渐加快，高速流体起直接冲刷内锥节流件和管道内壁，还可自动实现清扫，避免脏污介质的粘附、堆积。非常适用液体中含气，气体中含水以及液体或气体含有固体等脏污介质引。V锥流量传感器广泛地应用于石油、化工、天然气、矿冶、电力、水力、给排水、造纸、酿造、纺织等行业的计量和测量。

3)孑L板流量传感器。孑L板流量传感器是测量通过管道介质流量，应用最为广泛、最为普遍的压差式流量传感器。其由节流装置和差压计，或者由节流装置与差压变送器连同二次仪表共同组成≮流装置是差压测量时的-次元件，利用节流装置在管道中使流体产生差压，再通过导压管把节流装置前后产生的压差传送给差压变送器，再输入到二次仪表，便显示出管道中液体的瞬时流量或累计流量翻≮流装置结构简单，测量准确，使用可靠，检修、维护都很方便，在冶金、化工、石油、电力工业系统得到广泛应用。

上述三种流量传感器对测量汽车尾气都具有-定的适用性，耐高温较强，耐污性较好，量程比较宽，精确度较高，理论上适合于汽车尾气流量的测量。

2 Fluent测试模型分析采用碳平衡法原理的营运车辆油耗快速检测系统，主要包括排气采集系统、排气流量分析系统、气体组分分析系统、汽车油耗计算系统四部分。如图1所示。

汽车排气直式油耗测量系统排气采集系统气体流量传感器排气测量分析系统气体组分分析系统气体体积分析处理器汽车油耗计算系统图 1 汽车排气直采式油耗测量系统结构组成为了分析以上三种流量传感器的性能差异，采用大型商用CFD分析软件Fluent建立流量传感器工作时的流体数学模型，对测试管道中汽车尾气流体的流厨行仂真，分析比较对流场速度影响最小的流量传感器，从而确定最适合于燃油消耗量直采式检测系统中车辆尾气的体积流量测量的传感器。分析求解包括建模、前处理、求解和后处理4个步骤[41。

2.1 数学模型通过雷诺系数可以很直接地判断-种流体的流动属性，即RevdplrI，其中：Re指雷诺系数； 为流体的平均流速；P为流体的密度；卵为流体的粘度。在圆直管中，当Re>4 000时，流体的流动属于湍流。

对于汽车的尾气粘性很低，密度较小，-般为0.432 8 kg/m ，其雷诺系数数值较大，是明显的湍流流动，因此，符合湍流模型。由于双方程湍流模型在计算量小的基础上保证了较好的精确度，故拟采用标准的 -湍流模型，并且其鲁棒性最好，适用于初始迭代、设计选型和参数研究。 -占模型中的k是湍流动能，定义为速度的波动变化； 是湍流耗散率 (速度波动耗散率)[5-6]。

该模型的控制方程为湍动能方程：Ot Oxi -去ax[( )茜]机 J 以( )湍动能耗散率方程Ot cg x - 熹cgx[( 也0"8)篝]cl k 吡f J 。

客 车 技 术 与 研 究 2013年 6月随着温度升高，减振器输出阻尼力逐渐减小，直至达到某-水平恒定值；随着温度降低，减振器输出阻尼力逐渐增大。

2)虽然温度对磁流变减振器输出阻尼力有-定影响，但远远小于驱动电流对磁流变减振器输出阻尼力的实际控制，从而很方便地对磁流变减振器进行阻尼调控。

3)通过研究磁流变减振器的输出阻尼力与温度影响规律，有利于方便引入温度补偿算法，实现对磁流变减振器输出阻尼力的精确控制 。