C5 do luu luong khi

Mục đích đo lưu lượng khí Trong hoạt động của động cơ, đo lưu lượng không khí giúp ta xác định được thể tích hoặc khối lượng không khí động cơ hút vào trong một đơn vị thời gian, nó liê

Chương 5

Đo lưu lượng khí

5.1 KHÁI QUÁT

1 Mục đích đo lưu lượng khí

Trong hoạt động của động cơ, đo lưu lượng không khí giúp ta xác định được thể tích hoặc khối lượng không khí động cơ hút vào trong một đơn vị thời gian, nó liên quan đối với việc kiểm tra thành phần hỗn hợp cấp vào động cơ, việc đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình nạp

Xác định lưu lượng không khí trong thí nghiệm động cơ đóng vai trò rất quan trọng Vì khi biết được lượng không khí và lượng nhiên liệu ta biết được thành phần khí hỗn hợp, thành phần khí hỗn hợp ảnh hưởng đến quá trình cháy và công suất động

cơ

Thành phần hỗn hợp cháy được đánh giá thông qua hệ số dư lượng không khí

, đặc trưng cho độ đậm nhạt của hỗn hợp

Hệ số dư lượng không khí :

k L G

G

=



Trong đó:

Gk_lưu lượng không khí (kg/s);

Gnl_lưu lượng nhiên liệu (kgnl/s);

L0_lượng không khí lí thuyết cần đốt cháy một kgnl (kgnl/kg);

Gk, Gnl phải đo trực tiếp ở từng động cơ, còn L0 được xác định tùy theo thành phần của nhiên liệu mà động cơ đó sử dụng

Tùy thuộc vào loại khí, các điều kiện vật lý của môi trường cần đo và độ chính xác của phép đo mà ta lựa chọn kiểu lưu lượng kế thích hợp

2 Phân loại các phương pháp đo lưu lượng khí

Dụng cụ dùng để đo lưu lượng là lưu lượng kế, có nhiều loại khác nhau Người

ta có thể phân chia ra các loại chính sau đây:

- Đo lưu lượng trên cơ sở chênh lệch áp suất dòng chảy

- Đo lưu lượng bằng máy đếm khí

- Đo lưu lượng bằng rotameter

- Đo lưu lượng bằng lưu lượng kế có độ chênh áp xác định và không đổi

- Đo lưu lượng bằng cảm biến điện

3 Đặc điểm và yêu cầu

Dòng khí cấp vào động cơ có tính chất chu kỳ nên dù động cơ có nhiều xi lanh đến đâu, dòng khí vào động cơ vẫn mang tính chất mạch động.Vì vậy người ta phải đặt giữa động cơ và dụng cụ đo một bình cân bằng Nếu đo trực tiếp không có bình cân bằng, sai số do tính chất mạch động gây nên có thể lên đến 30% Thể tích bình cân bằng theo kinh nghiệm phải lớn gấp 200 lần thể tích công tác xi lanh động cơ Có thể dập tắt mạch động, đảm bảo độ chính xác cần thiết của phép đo, nhưng không quá lớn làm thiết bị cồng kềnh Có thể tính qua số Hodgons:

O

t t

H

p q





Từ đó V = HO

t t

p q

p



Trong đó:

HO : Số Hodgons

V : Thể tích bình cân bằng (m3)

 : Tần số dòng khí (1/s)

p : Tổng tổn thất áp suất trong đường ống và trong bộ đo (bar)

pt : Ap suất tuyệt đối trung bình trong bình cân bằng (bar)

qt : Lưu lượng trung bình của dòng khí (m3/s)

Ví dụ: Giải bài toán tính thể tích bình cân bằng

Quan hệ giữa số Hodgons với hệ số gián đoạn u và sai số của phép đo f

Số liệu ban đầu:

Động cơ Diesel 4 kỳ 1 xi lanh , Vh = 6dm3, nmin = 300 v/phút

nmax = 600 v/phút Góc mở sớm supáp nạp 1 = 10O; Góc động muộn supáp nạp 2 = 15O

Sai số cho phép 1%

Tổn thất áp suất qua bộ đo ở số vòng quay 300 v/f, pbđ = 2mbar

Đường kính trong của đường ống nạp 100mm

Hệ số ma sát của ống  = 0,02

Giải: .

t t

p q

p

 

=

a) Xác định số Hodgons:

Trên đồ thị để xác định được số Ho cần biết hệ số gián đoạn u

720

515 720

15 10 180 720

0 0 0 0

=

= + +

−

=

Từ Ho 1,1

% 1 f

% 72 u

=







=

=

b) Xác định áp suất tuyệt đối trong bình cân bằng:

pt = p0 - pbđ - pđô

Trong đó:

po: Áp suất môi trường xung quanh = 1 bar

pbđ: Tổn thất áp suất qua bộ đo -2m bar

pđô: Tổn thất áp suất đường ống

2

2

do

l

d





=

 = 0,02; l = 500mm; d = 1 mm;  = 1,19kg/m3

Phải tính C là vận tốc không khí trong đường ống:

t Q

C

A

=

Trong đó:

Qt: Lưu lượng trung bình của dòng khí

A: Tiết diện ống

t h

Q = V n= = dm ph= m s

2 2

m 00785 , 0 4

1 , 0 14 , 3 4

d

Từ đó:

0, 015

1, 9 /

0, 00785

bar 10 21 , 0 m / N 21 , 0 9 , 1 2

19 , 1 100

500 02 , 0

c) Qt = 0,015m3/s

d) Tần số dòng khí

s

l ph

l n

5 , 2 150

2

300

=



e) Tổng tổn thất áp suất

mbar 006 , 2 500

1500 0021 , 0 mbar 2 500

1500 p

p

Kết quả:

3 m 3 , 3 002006 ,

0 5 , 2

015 , 0 998 , 0 1 ,

1

5.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ

1 Đo lưu lượng khí theo phương pháp chênh áp

Có rất nhiều phương pháp đo lưu lượng khí nạp Tuy nhiên phương pháp phổ biến hay dùng là đo lưu lượng bằng cách đo chênh lệch áp suất Phương pháp này dựa vào sự thay đổi vận tốc dòng chảy khi đi qua tiết diện hẹp của ống dẫn, dẫn tới sự chênh lệch áp suất trước và sau tấm tiết lưu

Về mặt cấu tạo, lưu lượng kế kiểu này có ba dạng chính:

Dạng tấm tiết lưu: loại này gồm một tấm mỏng, ở giữa có khoang một lỗ đồng

trục với ống dẫn lưu chất Áp suất được lấy ra ở trước và sau tấm tiết lưu

Tuyère: Dựa vào nguyên lý tương tự như trên nhưng tấm phẳng được thay bằng

màng định dạng để làm giảm bớt trở lực của dòng chất lỏng Tiết diện hẹp nhất của màng (cổ) được kéo dài thêm một đoạn hình trụ để dẫn hướng dòng lưu chất Áp suất được đo ở phía thượng lưu và hạ lưu của tuyère

Venturi: Gồm 2 hình nón được hàn lại với nhau ở đầu nhỏ của chúng Ở tiết

diện hẹp nhất của dụng cụ, tốc độ của dòng lưu chất tăng lên do đó áp suất của nó giảm Áp suất được đo ở phía trước cổ và ngay tại cổ

Người ta thường dùng các lưu lượng kế Venturi hoặc lưu lượng kế tấm tiết lưu

để đo lưu lượng khí

Hình 5.1 Lưu lượng kế ống Tuyère

Hình 5.2 Biến thiên vận tốc trong ống có tấm tiết lưu

V [m/s]

0

Hình 5.3 Biến thiên áp suất trong ống có tiết lưu

Hình 5.4 Sơ đồ tính toán lưu lượng kế dùng tấm tiết lưu

Từ nguyên lý trên, phương trình tổng quát của Becnuli xét trên hai mặt cắt 1-1

và 2-2 có kể đến tổn thất dòng chảy có dạng:

 =



+



−



2

1

2 1 2

2 v ) 1dp 0

v ( 2

1

(5.3) Tương đương với:

p1 - p2 = (v v )

2

1 2

2 −



Kết hợp với phương trình liên tục:

S1.v1 = S2.v2 (5.5)

Ta có hệ phương trình sau:

2 2

1 1 2 2

1

2











Trong đó:

v1_vận tốc dòng chảy tại tiết diện 1_1 (m/s);

P [N/m2]

0

L[m]

v2_vận tốc dòng chảy tại tiết diện 2_2 (m/s);

_khối lượng riêng của khí (kg/m3);

S1_diện tích tại tiết diện 1_1 (m2);

S2_diện tích tại tiết diện 2_2 (m2);

_tổn thất năng lượng dòng chảy tại các tiết diện;

2

1

dp

 _biến thiên áp suất chất khí từ tiết diện 1_1 đến tiết diện 2_2 (N/m2)

Hình 5.5 Sơ đồ lắp đặt đo lưu lượng khí bằng tấm tiết lưu

Không khí qua tấm tiết lưu tạo nên độ sụt áp p độ sụt áp này đọc được trên

áp kế chữ U Vì động cơ làm việc theo chu kỳ, lượng không khí vào động cơ theo kỳ cho nên tạo ra dao động áp suất làm cho việc đọc kết quả đo p là kém chính xác Muốn giảm dao động áp suất đó ta đặt bình điều áp phía sau tấm tiết lưu Khi đó, ở kỳ nạp của động cơ, không khí từ bên ngoài vào động cơ, đồng thời động cơ cũng hút không khí từ bình điều áp làm cho áp suất trong bình điều áp giảm xuống Ở các kỳ khác của động cơ, động cơ không cần khí nạp nữa, do bình điều áp đang có áp suất thấp nên vẫn tiết tục hút không khí vào qua tấm tiết lưu Như vậy, không khí qua tấm tiết lưu là liên lục cho nên giảm được dao động áp suất

Tại tấm tiết lưu năng lượng một phần biến thành xoáy lốc, một phần biến thành nhiệt Do vậy, tấm này phải được tính toán hợp lý về mặt kết cấu

Để tính toán người ta đưa ra hệ số co của dòng chảy  được xác định như sau:

2 0

S S

S0_ tiết diện của lỗ tấm tiết lưu (m2);

p



Động cơ

Bình điều áp Không khí

S2_ tiết diện tại tiết diện bé nhất của dòng chảy 2_2(m2);

Để biểu thị sự chênh lệch áp suất trước và sau tấm tiết lưu người ta đưa ra khái niệm độ mở m và được định nghĩa như sau:

0 1

S m S

S0_diện tích lỗ tấm tiết lưu (m2);

S1_diện tích tại tiết diện 1_1(m2);

Vận tốc dòng chảy sau tấm tiết lưu là:

2

m







Lưu lượng khí được tính theo công thức sau:

Qk = v2.S2 = .S0.v2; (5.9) Thay v2 từ công thức trên ta được:

1 2

2 2

2

k o

m









Thực tế hệ số tổn thất năng lượng  và hệ số co của dòng chảy  không xác định được vì phụ thuộc vào: trạng thái bề mặt ống, ma sát, phân bố vận tốc, hình dáng,

độ sắc của tấm tiết lưu và tình trạng vị trí đo áp suất Do đó, người ta đưa ra hệ số lưu lượng h với:

2 2

h

m

 





=

Như vậy, ta có:

1 2

2

k h o



Trong đó :

Qk _lưu lượng dòng không khí (m3/s);

S0_tiết diện tại lỗ tấm tiết lưu (m2);

_khối lượng riêng của chất khí (kg/m3);

p1_áp suất tại tiết diện 1_1 (N/m2);

p2_áp suất tại tiết diện 2_2 (N/m2);

Hệ số lưu lượng  h phụ thuộc đặc tính dòng chảy Thực chất nó phụ thuộc vào

hệ số Reynol (Re):

( )R e

h f

Với Re v d.



v_vận tốc trung bình (m/s);

d_đường kính ống (m);

_độ nhớt động lực học của chất khí (m2/s);

Khi Re>Regh thì  h luôn bằng hằng số

Vì không khí là chất chịu nén nên phương trình tổng quát của vận tốc có dạng:

1 2

1

2 2 2

1

1 2

1

k k k

p

p m

p





−

Do vậy, công thức tính lưu lượng phải tính đến tính chịu nén  của chất khí:

1 2

2

k h o



Khi Re>Regh thì h=const, với một tấm tiết lưu nhất định lưu lượng dòng chảy được viết lại như sau:

k_hệ số phụ thuộc kết cấu tấm tiết lưu

p

 _chênh lệch áp suất;

1 2

p p p

Thực tế, từ các công thức trên người ta lập ra các bảng quan hệ giữa lưu lượng khí Qk với chênh lệch áp suất pphụ thuộc vào độ mở m Như vậy khi thí nghiệm ta chỉ cần đo chênh lêch áp suất p, sau đó tra bảng để tìm ra lưu lượng không khí

2 Đo lưu lượng khí bằng máy đếm khí

Hình 5.6 Lưu lượng kế kiểu piston quay

Đây là phương pháp đo có giới hạn đo lớn, độ chính xác không cao

Loại phổ biến dùng để đo lưu lượng không khí và các loại khí khác là máy đếm khí piston quay Dòng khí trước khi vào động cơ, qua máy đếm khí Chuyển động của dòng khí làm quay roto Roto này được lắp lỏng trong vỏ, trục của roto được nối với đồng hồ đếm vòng

Lưu lượng được xác định:

.

.

n V

Q

t i

Trong đó:

V: Thể tích qua máy đếm sau mỗi vòng quay của roto, là hằng số đối với mỗi loại máy đếm (m3)

n: Số vòng quay đọc được trên đồng hồ đếm vòng

t: Thời gian đo

i: Tỷ số truyền giữa trục roto và trục đồng hồ đếm vòng

Hình 5.7 Một số kiểu máy đếm khí

3 Đo lưu lượng bằng rotameter hình côn

Bộ phận chính của dụng cụ đo là ống thủy tinh có tiết diện thay đổi Thang chia vạch ngay trên ống Trong ống có phao, khí dính vào phía dưới làm phao dịch chuyển lên một độ cao nhất định, phao sẽ đứng yên tại vị trí mà các lực tác dụng lên nó cân bằng Độ cao này phụ thuộc vào lưu lượng khí Phương pháp này cho ta kết quả trực tiếp

Df Do

Df

h

Hình 5.8 Lưu lượng khí Rotameter

Ta có phương trình cân bằng lực (bỏ qua thế năng)

Trong đó:

Fn: Lực nâng; F n =V g

Fd: Lực dòng chảy ;

2 2

f d

G: Trọng lượng phao ; G = Vf.g

c: Hệ số cản dòng

Df: Đường kính lớn nhất của phao

: Khối lượng riêng của khí đo

v: Vận tốc dòng chảy

V: Thể tích phao

f: Khối lượng riêng của phao

Từ phương trình lưu lượng:

( 2 2)

4

o f

ta có:

( 2 2)

4

o f

Q v



=

− Thay vào phương trình cân bằng lực

2

o

16

f

f f

D D



2 2

2

f







−

Thay Do = Df + 2htg Ta có:

2

2

f f

tg







Từ phương trình trên ta thấy lưu lượng thay đổi, chiều cao vị trí cân bằng của phao thay đổi Để có thang đo tuyến tính, người ta phải làm ống có dạng parabol

Trên cơ sở rotameter có tiết diện thay đổi, người ta còn chế tạo thêm các cuộn cảm để có thể đo được bằng điện

4 Lưu lượng kế có độ chênh áp xác định và không đổi

3

4

1

2

h

Hình 5.9 Lưu lượng kế độ chênh áp không đổi

Nguyên lý phép đo dựa trên nguyên tắc, lưu lượng Q phụ thuộc vào tốc độ dòng khí và tiết diện lưu thông Q=v.S

Khi đo giữ nguyên tốc độ dòng khí (độ chênh áp không đổi), khi đó lưu lượng phụ thuộc vào tiết diện lưu thông qua các cửa 1 và 2 Tổng diện tích các cửa 1,2 tỷ lệ với lưu lượng Q Lưu lượng kế loại này ứng dụng đo lưu lượng khí thải, lọt khí cacte

Bình 4 đồng thời cũng là bình cân bằng, phía trên có tấm đàn hồi 3 để dập tắt dao động Bình có từ 9 đến 16 cửa vào 1 Các cửa có các nút 2 tương ứng có tiết diện khác nhau Trong quá trình đo, tùy theo lưu lượng khí vào, người ta mở các nút để khí qua các cửa vào thích hơp sao cho độ chênh áp đọc trên áp kế 5 là không đổi Thông thường p = 25mm H2O hoặc 12,5mm H2O

5 Lưu lượng kế dùng cảm biến điện

Thiết bị đo lưu lượng khí bằng điện có thể xây dựng trên cơ sở trao đổi nhiệt giữa dây điện trở và dòng khí làm mát dây điện trở (hình 5.10) hoặc sử dụng loại cánh

có gắn biến trở (hình 5.11) Ngoài ra trên một số động cơ trước đây còn dùng loại lưu lượng kế dòng xoáy sử dụng sóng siêu âm/ cảm biến quang (hình 5.12)

Loại dậy nóng dựa theo nguyên lý cảm biến điện trở nhiệt đã nói ở chương 2, loại này cho phép xác định lưu lương khối lượng G

Loại cánh dựa theo nguyên lý khi lưu lượng khi thay đổi, tốc độ dòng khí thay đổi dẫn đến lực tác dụng vào cánh thay đổi tương ứng, làm quay cánh, vị trí của cánh

sẽ được xác định thông qua cảm biến kiểu biến trở Loại cảm biến này được sử dụng rông rãi cho các động cơ phun xăng thế hệ đầu

Hình 5.10 Lưu lượng kế điện loại dây nóng

Hình 5.11 Lưu lượng kế kiểu điện loại biến trở

a,

b,

Hình 5.11 Lưu lượng kế kiểu dòng xoáy (a, song siêu âm; b, cảm biến quang)

Lưu lượng kế kiểu dòng xoáy sử dụng cảm biến siêu âm hoặc cảm biến quang

để xác định tần số dao động của dòng khí khi đi qua một vật cản Trong khi đó tần số dao động tỷ lệ với tốc độ của dòng khí, có nghĩa là quan hệ tỷ lệ với lưu lượng Q

Contents

Chương 5 1

Đo lưu lượng khí 1

5.1 KHÁI QUÁT 1

1 Mục đích đo lưu lượng khí 1

2 Phân loại các phương pháp đo lưu lượng khí 1

3 Đặc điểm và yêu cầu 2

5.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ 4

1 Đo lưu lượng khí theo phương pháp chênh áp 4

2 Đo lưu lượng khí bằng máy đếm khí 8

3 Đo lưu lượng bằng rotameter hình côn 10

4 Lưu lượng kế có độ chênh áp xác định và không đổi 11

5 Lưu lượng kế dùng cảm biến điện 12