CN105043468B - 文丘里管、egr流量测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种文丘里管，所述文丘里管包括依次连接的入口段(11)、收缩段(18)、喉口(12)及扩散段(13)，还包括用于检测所述喉口(12)的压力的喉口压力通道(14)，所述喉口压力通道(14)伸入所述喉口(12)的端部开口位于所述喉口(12)和所述扩散段(13)的连接处，所述端部开口朝向所述扩散段(13)。本发明提供的文丘里管，在与压差传感器的配合下，不仅能反映喉口与入口段之间的压差，还可以通过压差传感器的压差正负值得出经过文丘里管的流体流向，有效提高了测量流体流量的准确性。本发明还提供了一种具有上述文丘里管的EGR流量测量系统及其测量方法。

Description

文丘里管、EGR流量测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及流量测量设备技术领域，特别涉及一种文丘里管、EGR流量测量系统及其测量方法。

背景技术

目前，文丘里管作为常用的流量测量装置，已经广泛用于，石油、化工、冶金和电力等行业的流体控制与计量中。

以发动机为例。随着发动机排放法规的日益严格，目前存在EGR(Exhaust GasRecirculation，排气再循环)和SCR(Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原技术)两种排放路线。其中，EGR发动机应用较广。

在EGR发动机上，需要实现EGR阀的闭环控制。在现有的闭环控制结构中，应用较普遍的是基于新鲜进气流量的闭环控制，即，以发动机进气流量作为控制目标从而控制EGR阀的开度。

现有的文丘里管可以实现对EGR废气的计算和测量，但是，由于发动机运行时排气存在脉冲，而EGR管路出口与进气管路相连，可能存在EGR废气倒流的现象，而目前的文丘里管无法测量其内部的流体流向，因而无法测量出倒流流量，导致最终测量得出的流量偏差较大，影响EGR阀的调节。

因此，如何提高测量流量的准确性，已成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种文丘里管，以提高测量流体流量的准确性。本发明还公开了一种具有上述文丘里管的EGR流量测量系统及其测量方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种文丘里管，所述文丘里管包括依次连接的入口段、收缩段、喉口及扩散段，

还包括用于检测所述喉口的压力的喉口压力通道，所述喉口压力通道伸入所述喉口的端部开口位于所述喉口和所述扩散段的连接处，所述端部开口朝向所述扩散段。

优选地，上述文丘里管，所述喉口压力通道为“L”形通道；

所述喉口压力通道包括垂直于所述喉口的中心线的垂直段及与所述垂直段的一端连接的弯折段，所述端部开口位于所述弯折段远离所述垂直段的一端，所述弯折段的轴线与所述垂直段的轴线之间具有夹角。

优选地，上述文丘里管，所述弯折段的轴线平行于所述喉口的中心线；

所述扩散段的内壁上设置有避让槽，所述避让槽靠近所述喉口的一端与所述端部开口连通。

优选地，上述文丘里管，所述避让槽的槽底面平行于所述喉口的中心线；

所述避让槽靠近所述喉口一端的横截面大于或等于所述端部开口的面积。

优选地，上述文丘里管，所述垂直段位于所述喉口和所述扩散段的连接处。

本发明还提供了一种EGR流量测量系统，包括文丘里管及与其连接的压力检测装置，所述文丘里管为如上述任一项所述的文丘里管，所述压力检测装置包括压差传感器，所述压差传感器的低压端与所述喉口压力通道连通。

优选地，上述EGR流量测量系统，还包括连接所述压力检测装置与所述文丘里管的连接法兰。

优选地，上述EGR流量测量系统，所述连接法兰上设置有冷却水路通道。

优选地，上述EGR流量测量系统，所述压力检测装置还包括压力传感器；

所述入口段上设置有与所述喉口压力通道共同连接所述压差传感器的进口压力通道及与所述压力传感器连接的气体通道，所述进口压力通道与所述气体通道相互独立。

本发明还提供了一种应用如上述任一项所述的EGR流量测量系统的测量方法，包括步骤：

1)通过所述压差传感器检测所述文丘里管的压差Δp_Measure，判断Δp_Measure的正负情况；

2)当Δp_Measure为正值时，根据公式a：

计算该时刻流量；

当Δp_Measure为负值时，根据公式b：

计算该时刻流量；

其中，

β＝d/D；

c—流出系数；

ε—管道膨胀系数；

d—喉径；

D—管径；

C_d—流量系数；

ρ—流体密度；

Δp_Measure—所述压差传感器检测得出的差压；

3)发动机的一个工作循环周期为T，记录Δp_Measure为正值的时间t及Δp_Measure为负值的时间t’，T＝t+t’；

根据公式a及时间t得出正向EGR流量值，根据公式b及时间t’得出负向EGR流量值；

并计算所述EGR流量总值，所述EGR流量总值为正向EGR流量值与负向EGR流量值的总和。

在正常工况下，流体的流向应为依次经过入口段、收缩段、喉口及扩散段。即，喉口压力通道通过与喉口连通的端部开口向压差传感器的低压端传递喉口处的静压。按照流体力学的基本原理，流体的流速将在喉口处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力降低。喉口处的静压一定小于入口段处的静压，即检测得出的压差传感器的低压端压力小于压差传感器的高压端压力，压差传感器测量到的压差是正值。

在流体倒流的工况下，流体的流向应为依次经过扩散段、喉口、收缩段及入口段。由于端部开口设置于喉口和扩散段的连接处，端部开口朝向扩散段13，在扩散段的减缩内壁的引导下，流体中的一部分会沿端部开口流入喉口压力通道，此时，与喉口压力通道连接的压差传感器的低压端能够反映该处流体的动压，使得压差传感器的低压端压力大于压差传感器的高压端压力，压差传感器测量到的压差是负值。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的文丘里管，在与压差传感器的配合下，不仅能反映喉口与入口段之间的压差，还可以通过压差传感器的压差正负值得出经过文丘里管的流体流向，有效提高了测量流体流量的准确性。

本发明还提供了一种具有上述文丘里管的EGR流量测量系统及该EGR流量测量系统的EGR流量测量方法。由于上述文丘里管具有上述技术效果，具有上述文丘里管的EGR流量测量系统及其测量方法也应具有同样的技术效果，在此不再详细介绍。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的文丘里管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的EGR流量测量系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的EGR流量测量系统的局部示意图；

图4为本发明实施例提供的文丘里管、连接法兰及压力检测装置的组装示意图；

图5为本发明实施例提供的文丘里管、连接法兰及压力检测装置的透视示意图；

图6为本发明实施例提供的文丘里管、连接法兰及压力检测装置的侧视示意图；

图7为本发明实施例提供的文丘里管的压力示意图；

图8为本发明实施例提供的文丘里管的简化示意图；

图9为本发明实施例提供的EGR流量测量系统的流量曲线示意图。

其中，

文丘里管—1，入口段—11，喉口—12，扩散段—13，喉口压力通道—14，进口压力通道—15，气体通道—16，避让槽—17，收缩段—18，连接法兰—2，冷却水路通道—21，压差传感器—3，压力传感器—4，EGR进气管组件—5，EGR出气管组件—6，温度传感器—7，发动机—A，EGR冷却器—B，EGR阀—C。

具体实施方式

本发明公开了一种文丘里管，以提高测量流体流量的准确性。本发明还公开了一种具有上述文丘里管的EGR流量测量系统及其测量方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种文丘里管，文丘里管包括依次连接的入口段11、收缩段18、喉口12及扩散段13。文丘里管上设置有用于检测喉口12压力的喉口压力通道14及用于检测入口段11压力的入口压力通道，通过压差传感器的低压端连接喉口压力通道14，压差传感器的高压端连接入口压力通道，以便于检测压差。在发明实施例中，喉口压力通道14伸入喉口12的端部开口位于喉口12和扩散段13的连接处，端部开口朝向扩散段13。

如图1所示，其中，扩散段13与喉口12连接的一端为扩散段13的小直径端，将端部开口设置于喉口12和扩散段13的连接处，并使端部开口朝向扩散段13。

在正常工况下，流体的流向应为依次经过入口段11、收缩段18、喉口12及扩散段13。即，喉口压力通道14通过与喉口12连通的端部开口向压差传感器的低压端传递喉口12处的静压。按照流体力学的基本原理，流体的流速将在喉口12处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力降低。喉口12处的静压一定小于入口段11处的静压，即检测得出的压差传感器的低压端压力小于压差传感器的高压端压力，压差传感器测量到的压差是正值。

在流体倒流的工况下，流体的流向应为依次经过扩散段13、喉口12、收缩段18及入口段11。由于端部开口设置于喉口12和扩散段13的连接处，端部开口朝向扩散段13，在扩散段13的减缩内壁的引导下，流体中的一部分会沿端部开口流入喉口压力通道14，此时，与喉口压力通道14连接的压差传感器的低压端能够反映该处流体的动压，使得压差传感器的低压端压力大于压差传感器的高压端压力，压差传感器测量到的压差是负值。

本发明实施例提供的文丘里管，在与压差传感器的配合下，不仅能反映喉口12与入口段11之间的压差，还可以通过压差传感器的压差正负值得出经过文丘里管的流体流向，有效提高了测量流体流量的准确性。

可以将喉口压力通道14设置为直通道，使喉口压力通道14沿喉口12的中心线倾斜设置，端部开口位于喉口12及扩散段13的连接处，通过扩散段13的内壁为倾斜面的结构，使端部开口的整体或一部分沿喉口12的中心线倾斜设置且朝向扩散段13，以便于在流体倒流的工况下，流体中的一部分会沿端部开口流入喉口压力通道14。上述情况需要确保端部开口的位于喉口12及扩散段13的连接处，对加工直通道结构的喉口压力通道14的精确性较高。

因此，在本实施例中，优选将喉口压力通道14设置为“L”形通道，其包括垂直于喉口12的中心线的垂直段及与垂直段的一端连接的弯折段，端部开口位于弯折段远离垂直段的一端，弯折段的轴线与垂直段的轴线之间具有夹角。其中，夹角大于0°且小于或等于90°。

进一步地，弯折段的轴线平行于喉口12的中心线，即弯折段的轴线与垂直段的轴线之间具有夹角为90°，参照喉口12的中心线，更方便喉口压力通道14的加工。

由于喉口12靠近扩散段13的一端与扩散段13喉口12靠近的一端连接，为了使端部开口朝向扩散段13，扩散段13的内壁上设置有避让槽17，避让槽17靠近喉口12的一端与端部开口连通。在流体倒流的工况下，流体的一部分经过避让槽17由端部开口流入喉口压力通道14的弯折段，再由喉口压力通道14的垂直段到达压差传感器的低压端。

如图1所示，避让槽17的槽底面平行于喉口12的中心线；避让槽17靠近喉口12一端的横截面大于或等于端部开口的面积。通过上述设置，避免流体倒流时在端部开口受阻的情况。

在本实施例中，垂直段位于喉口12和扩散段13的连接处。通过上述设置，缩小了弯折段的长度，以便于降低管道阻力损失。

如图2-图5所示，本发明还提供了一种EGR流量测量系统，包括文丘里管1及与其连接的压力检测装置，文丘里管1为如上述任一种的文丘里管，压力检测装置包括压差传感器3，压差传感器3的低压端与喉口压力通道14连通。由于上述文丘里管1具有上述技术效果，具有上述文丘里管1的EGR流量测量系统也应具有同样的技术效果，在此不再详细介绍。

在本实施例中，发动机A的排气经过EGR冷却器B后经过EGR阀C的调解经过文丘里管1，再流回发动机A。即，本发明实施例提供的EGR流量测量系统中，EGR冷却器B、EGR阀C及文丘里管1依次串连为EGR管路，EGR管路的进口通过三通管与发动机A的排气端连接，EGR管路的出口通过三通管与发动机A的进气端连接。需要说明的是，EGR冷却器B与EGR阀C的连接顺序可以相反，即发动机A的排气经过EGR阀C的调节后再经过EGR冷却器B进入文丘里管1。

此时，压差传感器3的高压端检测的为经过EGR阀C调解后的发动机A的排气压力。进一步地，EGR阀C与文丘里管1之间通过EGR进气管组件5连接，而文丘里管1的另一端连接EGR出气管组件6，优选地，在EGR出气管组件6靠近文丘里管1的一端设置温度传感器7，以便于检测流回发动机的流体的温度。

为了提高装置的结构紧凑性，还包括连接压力检测装置与文丘里管1的连接法兰2。连接法兰2与文丘里管1的外壁通过螺钉或焊接固定，另一端与压力检测装置通过螺钉或焊接固定，连接法兰2内设置有与喉口压力通道14及入口压力通道连通的通道，通道另一端与压力检测装置对应连接。

上述流体为发动机A的排出气体。其温度较高。为了防止压力检测装置因高温失效，如图5和图6所示，连接法兰2上设置有冷却水路通道21。通过冷却水路通道21冷却连接法兰2，并冷却压力检测装置。通过上述设置，大大降低了压力检测装置的高温风险。

在本实施例中，压力检测装置还包括压力传感器4；入口段11上设置有与喉口压力通道14共同连接压差传感器3的进口压力通道15及与压力传感器4连接的气体通道16，进口压力通道15与气体通道16相互独立，以便于检测。

本发明实施例还提供了一种应用上述EGR流量测量系统的测量方法，包括步骤：

步骤1：通过压差传感器3检测文丘里管1的压差Δp_Measure，判断Δp_Measure的正负情况；

如果Δp_Measure为正值，则处于流体正流的工况下，如果Δp_Measure为负值，则处于流体倒流的工况下。

步骤2：当Δp_Measure为正值时，根据公式a：

计算该时刻流量；

当Δp_Measure为负值时，根据公式b：

计算该时刻流量；

按照现有技术中的文丘里计算流量的公式如公式1所示(具体内容请参见国标文件GB/T_2624)：

针对公式1中的系数进行合并，如公式2所示

如图1和图7所示，由于本发明中的文丘里管的喉口压力通道14的位于喉口12和扩散段13的连接处，进口压力通道15与气体通道16的检测压力相同，因此，压差传感器3检测的差值Δp_Measure为P1与P3的差值。而现有技术中的文丘里的差值Δp为P2与P3的差值，P2为喉口12的管段中间压力。因此，本发明实施例提供的压差传感器3检测的差值与现有技术中的差值不同，如果再使用上述公式计算流量则会存在偏差。

如图8所示，将P1与P2处的结构简化为孔板结构，箭头方向为流体在正常工作下的流向。

结合孔板计算公式计算流通该管路的流量，公式如公式3所示。

P_2,Total指P2处的总压力，包括P2处的静压P_2,Static和该处的动压；

P_1,Static指P1处的静压。

应用公式1中Δp在图7中可用公式6表示。

Δp＝P_3,Static-P_2,Static……………………………………………………(4)

而实际测量到的压差在图4中可用公式5表示。

其中表示P2处的动压的计算公式，即P2处的总压减去P2处的静压P_2,Total-P_2,Static。

因此，将上述公式联立，可以得出：

当Δp_Measure为正值时，根据公式a：

计算该时刻流量；

当Δp_Measure为负值时，根据公b:

计算该时刻流量；

其中，

β＝d/D；

c—流出系数；

ε—管道膨胀系数；

d—喉径；

D—管径；

C_d—流量系数；

ρ—流体密度；

Δp_Measure—压差传感器检测得出的差压。

需要说明的是，Δp_Measure为正值时，流体正流，C_d与k取该状态下的系数值；Δp_Measure为负值时，流体倒流，C_d与k取该状态下的数值。由于文丘里管1并非关于喉口12对称的结构，因此，在同一文丘里管1中，公式a与公式b中的系数C_d与k的数值不同。

步骤3：发动机的一个工作循环周期为T，记录Δp_Measure为正值的时间t及Δp_Measure为负值的时间t’，T＝t+t’；

根据公式a及时间t得出正向EGR流量值，根据公式b及时间t’得出负向EGR流量值；

如图2和图9所示，以发动机A正常工作在单个工作循环周期T为例。

排气压力P_a可以简化为正弦信号的排气脉冲，而进气压力P_b相对稳定，可认为是固定值。

如图7所示，从0时刻到T1时刻时，排气压力P_a大于进气压力P_b，EGR废气(流体)正流，根据公式a及时间t1(T1-0)得出流量为A1；从T1时刻到T2时刻，进气压力P_b大于排气压力P_a，EGR废气(流体)倒流，根据公式b及t’(T2-T1)得出流量为A2；从T2时刻到该工作循环结束，排气压力P_a大于进气压力P_b，EGR废气(流体)正流，根据公式a及t2(循环结束时间-T2)得出流量为A2流量为A3。其中，Δp_Measure为正值的时间t为t1与t2之和。

真正进入发动机A内部的EGR废气流量才是真实的EGR流量，所以，真实的EGR废气流量应该等于正向流动的减去负向流动的EGR废气流量。真实的EGR废气流量可以使用图9中面积来表示，其中A1和A3区域面积代表EGR废气正向流动时的流量，而A2区域面积代表EGR废气负向流动时的流量。发动机该工作循环下的EGR流量总值应为A1+A3-A2。需要说明的是，为了便于理解，上述公式中A2为正值。而根据公式b得出的流量为负值，因此，根据公式b及时间t’得出的数值为-A2。

因此，计算EGR流量总值，EGR流量总值为正向EGR流量值与负向EGR流量值的总和。即，正向EGR流量值为A1和A3，负向EGR流量值为-A2，EGR流量总值为A1+A3-A2。

可以得出发动机A在一个工作循环下，按时间或曲轴角度，等间隔多次计算流量，将得到的多次流量取平均可以得到该工作循环下平均EGR流量。并以平均EGR流量为目标实现对EGR阀C的精确控制。

通过监控文丘里管1上的压差传感器3，可以反映EGR管路内EGR气体的流动方向，从而可以为OBD(On-Board Diagnostics，车载自动诊断系统)提供支持，实现对发动机A状态的监控，防止发动机A出现异常。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种文丘里管，所述文丘里管包括依次连接的入口段(11)、收缩段(18)、喉口(12)及扩散段(13)，其特征在于，

还包括用于检测所述喉口(12)的压力的喉口压力通道(14)，所述喉口压力通道(14)伸入所述喉口(12)的端部开口位于所述喉口(12)和所述扩散段(13)的连接处，所述端部开口朝向所述扩散段(13)；

所述喉口压力通道(14)为“L”形通道；

所述喉口压力通道(14)包括垂直于所述喉口(12)的中心线的垂直段及与所述垂直段的一端连接的弯折段，所述端部开口位于所述弯折段远离所述垂直段的一端，所述弯折段的轴线与所述垂直段的轴线之间具有夹角。

2.如权利要求1所述的文丘里管，其特征在于，所述弯折段的轴线平行于所述喉口(12)的中心线；

所述扩散段(13)的内壁上设置有避让槽(17)，所述避让槽(17)靠近所述喉口(12)的一端与所述端部开口连通。

3.如权利要求2所述的文丘里管，其特征在于，所述避让槽(17)的槽底面平行于所述喉口(12)的中心线；

所述避让槽(17)靠近所述喉口(12)一端的横截面大于或等于所述端部开口的面积。

4.如权利要求1所述的文丘里管，其特征在于，所述垂直段位于所述喉口(12)和所述扩散段(13)的连接处。

5.一种EGR流量测量系统，包括文丘里管(1)及与其连接的压力检测装置，其特征在于，所述文丘里管(1)为如权利要求1-4任一项所述的文丘里管，所述压力检测装置包括压差传感器(3)，所述压差传感器(3)的低压端与所述喉口压力通道(14)连通。

6.如权利要求5所述的EGR流量测量系统，其特征在于，还包括连接所述压力检测装置与所述文丘里管(1)的连接法兰(2)。

7.如权利要求6所述的EGR流量测量系统，其特征在于，所述连接法兰上设置有冷却水路通道(21)。

8.如权利要求7所述的EGR流量测量系统，其特征在于，所述压力检测装置还包括压力传感器(4)；

所述入口段(11)上设置有与所述喉口压力通道(14)共同连接所述压差传感器(3)的进口压力通道(15)及与所述压力传感器(4)连接的气体通道(16)，所述进口压力通道(15)与所述气体通道(16)相互独立。

9.一种应用如权利要求6-8任一项所述的EGR流量测量系统的测量方法，其特征在于，包括步骤：

1)通过所述压差传感器(3)检测所述文丘里管(1)的压差Δp_Measure，判断Δp_Measure的正负情况；

2)当Δp_Measure为正值时，根据公式a：

计算该时刻流量；

当Δp_Measure为负值时，根据公式b：

计算该时刻流量；

其中，

c—流出系数；

ε—管道膨胀系数；

d—喉径；

D—管径；

C_d—流量系数；

ρ—流体密度；

Δp_Measure—所述压差传感器(3)检测得出的差压；

3)发动机的一个工作循环周期为T，记录Δp_Measure为正值的时间t及Δp_Measure为负值的时间t’，T＝t+t’；

根据公式a及时间t得出正向EGR流量值，根据公式b及时间t’得出负向EGR流量值；

并计算所述EGR流量总值，所述EGR流量总值为正向EGR流量值与负向EGR流量值的总和。