燃油定量加注過程的變頻控制

唐 電，劉亞俊，黃佳彬

TANG Dian，LIU Ya-jun，HUANG Jia-bin

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

0 引言

現有燃油加油機的常規加油方式包括定量加油和非定量加油兩種。在定量加油模式下，當預置加油結束時，即在電動機立即停轉的瞬間，由于隨著油槍排油速度的不同，電動機的負載也不同。因此，電動機會出現不同程度的沖轉現象，液壓系統的油液也因慣性而不能立即由運動變為靜止，故實際加油量比預置量要超過0.01～0.4L左右。這種多給油現象叫做“過沖”，超過預置數的油量叫做“過沖量”。目前，普通加油機的液壓控制系統全部采用電磁閥來減少“過沖”對加油機準確度的影響。

國家標準[1]規定在加油機測量變換器的進口或出口處必須安裝電磁閥。普通加油機的液壓控制系統中的電磁閥采用雙閥結構，即有一個大流量閥（主閥）和一個小流量閥（副閥）。其工作原理[2]為：在定量加油開始時，電磁閥全部通電打開，即電磁閥的主閥和副閥均打開，當加油量剩下0.3L的時候，加油機的控制主板發出控制信號，關斷主閥，加油機通過副閥繼續加油到預置量，此時加油機控制主板再發出控制信號關斷副閥，同時電機立即停轉，從而大大減小了加油機停機前的“過沖量”。

雙流量電磁閥雖然減小了加油時的“過沖量”，提高了加油的準確度，但是卻也同時增加了管路的壓降，增大了能耗,大閥關閉過程產生的水擊[3],可能會導致液壓元件和管路的損壞。在主閥關閉后，只用副閥來加滿最后0.3L油的過程中，此時加油流量可能會小于流量計的最小被測量，從而導致計量精度的降低。

鑒于上述原因，本文開發出代替電磁閥的新方法，既能解決定量加油過程中的“過沖”問題，保證加油精度；又能減少加油過程中的管路阻力，避免水擊現象的發生。

1 基于變頻技術的新方法

針對上述加油過程中存在的不足，我們提出一種能防止燃油加油機定量加油過程“過沖”的新方法，即在采用變頻技術的燃油加油機液壓控制系統的基礎上，將液壓系統中的電磁閥去掉，以簡化液壓系統的結構，降低整機成本，通過使用定量加油的新控制方法，使去掉了電磁閥的加油機在定量加油控制方面能達到更好的效果。采用變頻技術，并將電磁閥去掉之后的變頻控制流程圖如圖1所示。

開始加油時，加油員在控制主板的面板上設定好加油升數，比如50L，然后提起油槍，此時控制主板發出信號給變頻器，控制電機拖動容積泵以轉速2運轉。當加油量到達49.7L，即當加油量還剩0.3L時，控制主板發出一個信號給變頻器控制電機降速，以一個相對較低的速度（轉速1）運轉來加完剩下的0.3L油。當加油值達到設定的加油量時，控制主板發出信號給變頻器控制電機停止轉動，接著加油員將油槍掛到加油機上關閉開關，加油過程完成。由于加油機“過沖量”的大小與加油完畢前油液的流速成正比，應用變頻技術的加油機是以一個相對較低的速度運轉來加完剩下的0.3L油的，此時“過沖量”可以忽略不計。于是基于變頻技術的新方法可以很好解決加油機定量加油過程中的“過沖”問題。

圖1 變頻控制流程圖

2 變頻控制加油過沖量理論分析

在變頻模式下取消電磁閥后，對加油機的“過沖量”進行理論上的估算。理論模型如下：

電機停轉后，電機和泵的慣性能被摩擦阻力和液壓阻力所消耗：

其中，為泵轉子的轉動慣量，為泵的角速度，為管道壓力，為流量，為時間， 即為“過沖量”。由于整個過程中摩擦阻力很小，我們將摩擦阻力忽略不計。根據條件有：

其中 為轉子質量，為轉子半徑。在整個停轉過程中、為隨時間變化的量，為簡化計算我們假設 為恒定值，即為停轉時刻的壓力。在50L定量加油時，、、、，將已知量帶入式（1）、式（2）有：于是可以得出估算出的“過沖量”百分比：

從計算結果可以看出，新方法的加油“過沖量”理論估計值遠遠小于國家標準規定加油精度的±0.3%，可見基于變頻技術新方法下的“過沖量”對加油精度的影響微乎極微。

3 變頻模式下定量加油精度實驗驗證

雖然基于變頻技術新方法下的“過沖量”對加油精度的影響很小，但是對于新方法整體加油精度是否達到國家標準規定的要求，還需要進行實驗上的驗證。

實驗時，對加油機采用定量加油的方法，如定量加油50L，將油加到一個量桶中，記錄其液面高度和油液的溫度。然后采用公式（5）、（6）、（7）算出加油的相對誤差，即加油精度值。

其中，A0、V1、V0都是標準量器的一些參數，當定量加油50L時，A0=3mL/mm，V1=V50=100.26mm，V0=VJ=50L，H為量器液位刻度，VB為標準量器示值（不計溫度），VB1為標準量器示值（考慮溫度），T為量器內溫度，EV為加油體積相對誤差（即加油精度）。測量結果如表1所示。

表1 測試加油精度結果

由表1我們可以看出，去掉電磁閥的變頻燃油加油機，在頻率為22～36赫茲時，加油精度仍然達到國家標準，即加油相對誤差均在±0.3%之間，并且達到了相當好的精度水平。

4 基于變頻技術新方法的優點

圖2為變頻新方法和傳統方法在定量加油過程中實時測量的管道壓力曲線。從圖中可以看出，基于變頻技術的新方法，不僅能在去掉電磁閥后，解決定量加油的“過沖”問題，而且與傳統加油機相比，具有如下優點。

1）加油過程中當加油量剩下設定的提前量（0.3L）時由于液壓系統中沒有電磁閥，也就沒有了因電磁閥關閉而引起的加油管路橫截面積的突然變化，雖然加油流速也是突然變小，但卻是由于電機的頻率降低使進油量減少造成的，因而水擊效應得到了很好的改善。從圖2中可以看出，使用變頻方法的管道壓力波動明顯減小。

圖2 變頻新方法和傳統方法在定量加油過程中的管道壓力曲線

2）由于液壓系統去掉了電磁閥，大大簡化了液壓系統的內部結構，降低了加油機的成本，同時也減小了管路的壓降，達到了節能的效果，從圖2中可以看到，使用變頻技術的管道壓阻整體小于使用電磁閥的管道壓阻。

3）由于采用了變頻技術，使得加油機在加最后的提前量時的流量變得可控。因為引進變頻技術后，加油流量由電機轉速控制，而電機轉速又由變頻器輸出頻率控制，因此我們可以通過改變變頻器的輸出頻率，來控制電機轉速，進而調節加油的流量，使流量可控。

5 結論

理論和實驗表明，基于變頻技術的新方法，不僅能解決加油機定量加油過程中出現的“過沖”問題，而且能減小管路的壓降，避免引進電磁閥后出現的“水擊”效應。同時基于變頻技術的新方法也能夠將加油精度控制在國家標準規定的范圍內。這說明新方法能夠更好的代替現有的電磁閥結構，使加油機在能源使用率和加油精度方面得到大大的提高。

[1]GB/T9081-2001,hha機動車燃油加油機[S].

[2]呂鳳彬.加油機電磁閥的重要作用[J].中國計量,2004,（02）：58.

[3]劉亞俊,劉森林,劉利攀,葉傳春.燃油加油機工作過程中的水擊效應研究[J].流體傳動與控制,2007,（05）：16-19.