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(xiàn)有燃油加油機的常規(guī)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(jié)束時，即在電動機立即停轉(zhuǎn)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(xiàn)不同程度的沖轉(zhuǎn)現(xiàn)象，液壓系統(tǒng)的油液也因慣性而不能立即由運動變?yōu)殪o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(xiàn)象叫做“過沖”，超過預置數(shù)的油量叫做“過沖量”。目前，普通加油機的液壓控制系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)中的電磁閥采用雙閥結(jié)構(gòu)，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(fā)出控制信號，關(guān)斷主閥，加油機通過副閥繼續(xù)加油到預置量，此時加油機控制主板再發(fā)出控制信號關(guān)斷副閥，同時電機立即停轉(zhuǎn)，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(guān)閉過程產(chǎn)生的水擊[3],可能會導致液壓元件和管路的損壞。在主閥關(guān)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(fā)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(xiàn)象的發(fā)生。

1 基于變頻技術(shù)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(shù)的燃油加油機液壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將液壓系統(tǒng)中的電磁閥去掉，以簡化液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，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(shù)，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(shè)定好加油升數(shù)，比如50L，然后提起油槍，此時控制主板發(fā)出信號給變頻器，控制電機拖動容積泵以轉(zhuǎn)速2運轉(zhuǎn)。當加油量到達49.7L，即當加油量還剩0.3L時，控制主板發(fā)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(zhuǎn)速1）運轉(zhuǎn)來加完剩下的0.3L油。當加油值達到設(shè)定的加油量時，控制主板發(fā)出信號給變頻器控制電機停止轉(zhuǎn)動，接著加油員將油槍掛到加油機上關(guān)閉開關(guān)，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(shù)的加油機是以一個相對較低的速度運轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(jù)條件有：

其中 為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，為轉(zhuǎn)子半徑。在整個停轉(zhuǎn)過程中、為隨時間變化的量，為簡化計算我們假設(shè) 為恒定值，即為停轉(zhuǎn)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(jié)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(guī)定加油精度的±0.3%，可見基于變頻技術(shù)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(shù)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(guī)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(shù)，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(nèi)溫度，EV為加油體積相對誤差（即加油精度）。測量結(jié)果如表1所示。

表1 測試加油精度結(jié)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(shù)新方法的優(yōu)點

圖2為變頻新方法和傳統(tǒng)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(shù)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(tǒng)加油機相比，具有如下優(yōu)點。

1）加油過程中當加油量剩下設(shè)定的提前量（0.3L）時由于液壓系統(tǒng)中沒有電磁閥，也就沒有了因電磁閥關(guān)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(tǒng)方法在定量加油過程中的管道壓力曲線

2）由于液壓系統(tǒng)去掉了電磁閥，大大簡化了液壓系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了加油機的成本，同時也減小了管路的壓降，達到了節(jié)能的效果，從圖2中可以看到，使用變頻技術(shù)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(shù)，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(shù)后，加油流量由電機轉(zhuǎn)速控制，而電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)加油的流量，使流量可控。

5 結(jié)論

理論和實驗表明，基于變頻技術(shù)的新方法，不僅能解決加油機定量加油過程中出現(xiàn)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(xiàn)的“水擊”效應。同時基于變頻技術(shù)的新方法也能夠?qū)⒓佑途瓤刂圃趪覙藴室?guī)定的范圍內(nèi)。這說明新方法能夠更好的代替現(xiàn)有的電磁閥結(jié)構(gòu)，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.