最小被測(cè)量精密加注控制研究

蔡俊，劉亞俊，王志泳，鄔國(guó)秀

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640;2.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)441053)

目前，燃油加油機(jī)一般由油泵 (包括電機(jī))、油氣分離器、計(jì)量裝置、電磁閥和管口等部分組成，按照?qǐng)?zhí)行功能可分為控制部分 (包括控制泵送的內(nèi)嵌計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及與內(nèi)部銷售系統(tǒng)通信的部分)和機(jī)械部分 (泵送部分、劑量裝置、脈沖發(fā)生器和閥)。其中計(jì)量的準(zhǔn)確性是加油機(jī)的主要要求之一。以美國(guó)與主要發(fā)達(dá)國(guó)家國(guó)標(biāo)為例，明確規(guī)定燃油加油機(jī)的最大允許誤差不能超過(guò)相應(yīng)加油溫度的加油量的±0.3%。

圖1 加油系統(tǒng)原理圖

目前，燃油加油機(jī)加注方式有兩種:一種是定量加油，即定油量或定金額加注。在該種方式下，工作人員只需確認(rèn)加油量或加油金額，并輸入到控制系統(tǒng)即可。另外一種是隨機(jī)加注。例如加滿油箱等，在這種情況下，工作人員需要頻繁調(diào)整加油機(jī)的啟動(dòng)和停止鍵，才能達(dá)到所需的量。

由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，切斷電機(jī)電源的同時(shí)，電機(jī)并不會(huì)立即停轉(zhuǎn)，造成加注過(guò)多油品，影響加油計(jì)量精度。在定量加油過(guò)程中，這種現(xiàn)象被稱作“過(guò)沖”。過(guò)沖量與油體的流速成正比例關(guān)系，流速越高，過(guò)沖量越多。因此，定量加油過(guò)程中最主要的問(wèn)題就是如何減少過(guò)沖量。加油機(jī)通常通過(guò)在管口安裝電磁閥來(lái)減小“過(guò)沖量”(如圖1所示)，中國(guó)燃油加油機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中要求加油系統(tǒng)中必須安裝電磁閥，以減少過(guò)沖量。盡管電磁閥能減少定量加油過(guò)程中的過(guò)沖量，但會(huì)使能耗和壓力損失增加。而且會(huì)產(chǎn)生“水擊效應(yīng)”，使電磁閥的泄漏量增加。

為了減少加油誤差的同時(shí)，避免電磁閥帶來(lái)的“水擊效應(yīng)”，提出了變頻加油的方式。由于在定量加油過(guò)程中，過(guò)沖量與轉(zhuǎn)速成比例，變頻器可以通過(guò)控制泵的轉(zhuǎn)速以來(lái)減少過(guò)沖量。在此種加注方式中，變頻器通流速反饋信號(hào)控制泵送系統(tǒng)，從而取代傳統(tǒng)加油系統(tǒng)中的電磁閥。

1 計(jì)算加油過(guò)程中的過(guò)沖量

1.1 算加油過(guò)程中的過(guò)沖量

圖2是用來(lái)計(jì)算定量加油過(guò)程中過(guò)沖量的模型。

圖2 計(jì)算加油過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)沖量的原理圖

對(duì)電動(dòng)機(jī):

式中:M2代表電動(dòng)機(jī)的阻力矩;J2代表電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θ2代表電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角。

對(duì)泵:

式中:M1代表泵的驅(qū)動(dòng)力矩;M代表泵的阻力矩;J1代表泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θ1代表泵的轉(zhuǎn)角。

帶傳動(dòng)的傳動(dòng)效率為80%，故有:

如果忽視帶傳動(dòng)的滑動(dòng)率，則有:

式中:D1、D2分別代表泵和電機(jī)帶輪的直徑。有:

式中:R代表泵的轉(zhuǎn)子的半徑;c代表黏度系數(shù);q代表流速。

聯(lián)立式 (1)— (6)，可得到式(7):

式中:Q代表過(guò)沖量;qm代表每轉(zhuǎn)的流量;θ代表轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。

聯(lián)立式 (7)和 (8)可以得到過(guò)沖量:

由式 (9)可知，在定量加油過(guò)程中可以通過(guò)改變q1來(lái)控制過(guò)沖量。

在理想情況下，式 (9)中的時(shí)間t是無(wú)窮的。但實(shí)際上，當(dāng)管道中的壓力不足以推進(jìn)流量計(jì)中的活塞移動(dòng)時(shí)，泵就會(huì)停止工作。假定這時(shí)候泵的速度為ωc，可以得到式 (10):

與q1對(duì)應(yīng)的泵的角速度為ω1

時(shí)間t可以通過(guò)下式來(lái)計(jì)算:

其中:ωc為流量為0時(shí)的角速度;ω1為起始的轉(zhuǎn)速。

將t和所有已知條件代入式(9)，可以得到過(guò)沖量:

圖3 過(guò)沖量與泵送速度的關(guān)系

2 變頻加油模式設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置

2.1 模式設(shè)計(jì)

目前，在定量加油過(guò)程中，流量計(jì)出口的過(guò)沖量由電磁閥控制 (如圖1所示)。圖1中采用的是二位電磁閥實(shí)現(xiàn)定量的燃油加注，工作中為了獲得較大流速，因此所有的閥口都保持開(kāi)位。當(dāng)加油量還剩余0.3 L時(shí)，電磁閥主通道關(guān)閉，剩余的燃油量通過(guò)低速加注方式實(shí)現(xiàn)，直到完成要求的燃油量。在這種加油方式中，電磁閥用來(lái)確保加注誤差在允許范圍內(nèi)。

文中提出的加油方式是基于流速信號(hào)反饋與變頻器實(shí)現(xiàn)控制。具體的方法如下:設(shè)定加油量后，泵高速轉(zhuǎn)動(dòng)加注到剩余0.3 L，旋轉(zhuǎn)編碼器的電壓信號(hào)反饋至變頻器，從而使泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制過(guò)沖量所需要的轉(zhuǎn)速 (稱為緩沖轉(zhuǎn)速)。此種加注方式避免了電磁閥使用所帶來(lái)的“水擊效應(yīng)”，有利于提高加注精度。

2.2 參數(shù)設(shè)置

在這種新的加油方式中，變頻器開(kāi)始工作的頻率(稱為起始頻率，它與開(kāi)始加油的轉(zhuǎn)速成比例)和還剩余0.3 L時(shí)的工作頻率 (稱為緩沖頻率，它與緩沖轉(zhuǎn)速成比例)是用來(lái)控制過(guò)沖量的兩個(gè)主要參數(shù)。

2.2.1 起始頻率設(shè)置

為了減少燃油揮發(fā)造成的空氣污染，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署要求燃料揮發(fā)率最大值應(yīng)控制在38 L/min以內(nèi)。較高的加油速度產(chǎn)生的蒸汽會(huì)超過(guò)油汽回收系統(tǒng)的吸收能力，導(dǎo)致燃油揮發(fā)量增加。同時(shí)也會(huì)使汽油回濺到汽車、地面或加油的工作人員身上。試驗(yàn)中，將加油過(guò)程中的流速設(shè)置為35～38 L/min。

在加油過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器可以測(cè)得不同頻率下的油體流速，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可知變頻器的頻率在36 Hz時(shí)對(duì)應(yīng)的燃油流速為37.5 L/min。系統(tǒng)將該頻率設(shè)置為定量加油的起始頻率。

表1 變頻加油模式中頻率和流速的關(guān)系

2.2.2 緩沖頻率設(shè)置

在傳統(tǒng)的定量加油過(guò)程中，由于無(wú)截止流量的裝置，電機(jī)斷電后，泵不會(huì)立即停止工作，由此產(chǎn)生過(guò)沖現(xiàn)象，造成多加注了油品。變頻加油中可以通過(guò)設(shè)置緩沖頻率來(lái)控制過(guò)沖量。

加油的準(zhǔn)確性通常用實(shí)際的加油量與名義的加油量的相對(duì)誤差來(lái)表征。在定量加油過(guò)程中，過(guò)沖量是影響加油準(zhǔn)確性的主要因素，因此過(guò)沖量必須符合國(guó)標(biāo)。我國(guó)國(guó)標(biāo) (GB/T 9081-2008)規(guī)定加油誤差必須控制在0.3%以內(nèi)，為了降低加油誤差所帶來(lái)的加油準(zhǔn)確性問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中將過(guò)沖量引起的誤差控制在0.1%以內(nèi)。圖4列出了在不同的名義加油量下過(guò)沖量與緩沖頻率之間的關(guān)系。

圖4 過(guò)沖量和緩沖頻率的關(guān)系

由圖4可知，名義加油量為45 L時(shí)緩沖頻率不能小于42 Hz，名義加油量為2 L時(shí)緩沖頻率不能小于17 Hz。但圖4僅僅給出緩沖頻率的最大值，合適的頻率還必須在實(shí)驗(yàn)中得到。

為了檢驗(yàn)加油機(jī)加油的準(zhǔn)確性，將油箱注入定量的油 (實(shí)驗(yàn)中設(shè)置為2 L)，并且統(tǒng)計(jì)在不同緩沖頻率下加油的準(zhǔn)確性。

表2 變頻加油模式中不同緩沖頻率加油的準(zhǔn)確性

從表2可知，在定量加油過(guò)程中，緩沖頻率在9～15 Hz范圍變化時(shí)，加油的準(zhǔn)確性可以控制在±0.3%。兼顧加注準(zhǔn)確性與效率，將14 Hz設(shè)為緩沖頻率。

3 結(jié)論

在定量加油過(guò)程中，提出了變頻加油方式。采用此種加注方式，可以將加油誤差控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

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