一種新型油氣回收系統設計及其參數優化

王維，劉亞俊，蔡俊，鄔國秀

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640;2.湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北襄陽441053)

隨著我國汽車、飛機等交通運輸工業的快速發展，市場上對燃油的需求越來越大。當前在加油站出售的燃油產品包括:柴油、汽油和10%乙醇 (E10)汽油。常溫 (20℃)下，汽油的運動黏度大約為0.5×10－6m2/s，飽和蒸氣壓極高，揮發特性極強。加入10%乙醇的汽油與普通汽油相比，運動黏度基本相同，飽和蒸汽壓則升高7 kPa左右［1－3］。根據易氣化介質的定義，汽油和 (E10)乙醇汽油都屬于易汽化介質。當加油站從事汽油和其他易汽化介質銷售活動時，至少發生兩次油氣排放，揮發的油氣不僅帶來了強烈的油氣味，危害人體健康，而且也會污染空氣環境。

油氣回收系統能夠有效地對揮發的油氣進行回收，節約能源并且很大程度上減少了危害。油氣回收技術有一次、二次、三次回收之分［4］。本文作者主要針對二次回收過程，即加油槍給汽車油箱加油時，同時回收從油箱里排放出來的油氣［5］。

目前市場占有率高的加油站油氣回收設備基本上都是國外品牌。按照控制油氣量/加油量比 (油氣回收比，A/L)的方式可將其分為以下幾種主要類型［6］:

(1)以油氣流量來控制調節閥的方式。此方式是利用加油時的油液流速產生的壓力來控制調節閥的進氣量，使達到約1∶1的油氣回收比例［7］。采用這種方法的有Healy公司和 Elaflex公司［8］。

(2)渦輪真空泵式油氣回收系統。這種油氣回收系統是通過管道內油液的流動產生的液壓動力來驅動油氣回收真空泵，并使的油氣回收比例達到約1∶1。

(3)采用流量計量的脈沖傳感器方式，它是利用加油時流量傳感器的脈沖信號來控制變頻電機的轉速或者調節比例閥門的開度。大流量加油時，脈沖傳感器信號脈沖頻率增大，相對應的變頻電機轉速加快(或者比例閥開度增大)，這樣就可以得到約1∶1的油氣回收比例。采用這種方式的油氣回收設備制造商有美國的 Gilbarco公司、歐洲的 Tokheim公司、Wayne公司、NP公司等。

然而這些傳統的油氣回收系統都固定回收氣液比為1∶1，忽略了環境溫度對燃油流量與油氣揮發性能的影響，本文作者針對傳統油氣回收系統的這些不足之處，設計了一種新型的油氣回收系統，達到了更好的油氣回收效果。

1 新型油氣回收系統設計

1.1 常用油氣回收系統簡介

目前市場上占有率較高的ECVR油氣回收系統簡圖如圖1所示，利用油泵給用戶加油，與此同時油氣回收電機帶動油氣回收真空泵以一定轉速運轉，且流量計此時檢測加油流量發出脈沖信號，加油機電腦根據流量脈沖的頻率產生控制信號送給VR(油氣回收)控制器，VR控制器通過調節通往比例閥的電流來控制比例閥的開度，最終控制回收油氣的流量，從而使油氣比達到1∶1。

圖1 ECVR油氣回收系統簡圖

在實際情況中，環境溫度對油氣回收的影響顯著。圖2是汽油飽和蒸汽溫度特性曲線，圖3是汽油損失量隨溫度變化曲線，可以看到，隨著溫度的升高，汽化壓和汽油損失量顯著上升。但圖1系統不僅未考慮溫度對易氣化介質泵送過程中流量及揮發性的影響，而且當加油機進行小流量加油時，由于流速低，ECVR油氣回收系統中的電磁比例閥開度小，磁性功率非常低，導致比例閥中彈簧易振動，影響油氣回收效果。

圖2 汽油氣體飽和蒸汽壓－溫度特性曲線

圖3 加注過程汽油損失量隨溫度變化圖

1.2 新型油氣回收系統設計

由于環境溫度對油氣揮發存在很大影響，設計了基于溫度及流量信號的新型油氣回收系統，如圖4所示。新系統加入DSP控制模塊、變頻器以及溫度傳感器，并省略比例閥。首先，DSP控制模塊檢測加油時的溫度信號與流速信號，通過變頻控制器，根據環境溫度及流量的變化調節真空泵電機轉速，從而實現氣液比的自適應調節。

圖4 新型油氣回收系統結構示意圖

1.3 油氣回收氣液比參數優化

在相同的加油流速、不同的油液溫度的條件下，設置不同的氣液回收比，運用濃度檢測平臺，對油箱內油氣濃度進行測試試驗，從而確定油氣回收的氣液比參數。濃度檢測平臺的原理是用傳感器將加油過程的油箱中汽油氣體濃度轉換成電信號，利用NI數據采集卡收集數據，并用計算機的Signal Express軟件顯示出該信號數據。

分別在室溫為18、25、30和35℃時做實驗，以26 L/min的流量加注汽油，并且分別設置油氣回收比K值，分別為K=1，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，每個油氣回收比下多次重復試驗，記錄不同回收比時的信號穩定值的平均值。再利用origin軟件進行繪圖，結果如圖5所示。

圖5 油氣濃度信號穩定值隨氣液回收比的變化規律

以50 mV濃度信號穩定值為限，可以得出不同溫度環境下的氣液比參數如表1所示。

表1 油氣回收氣液比的設置

2 真空泵系統抽氣性能測試

搭建如圖6所示的試驗平臺，所選用的主要實驗設備即是去掉比例閥的ECVR油氣回收系統。調節變頻器頻率改變電機轉速，從而改變真空泵轉速，測試10～50 Hz頻率范圍內，DURR MEX0831-11型號真空泵的抽氣量。

圖6 真空泵系統抽氣性能實驗平臺

對實驗數據進行處理，結果如圖7所示，真空泵的抽氣能力基本上與控制頻率成線性關系，可以用式子y=1.130x+3.953表示，式中y是抽氣量，x是頻率。由此可說明去掉比例閥是完全滿足使用要求，而且用調頻的方式可以非常精確地控制油氣回收系統的抽氣量。這種方法解決了當加油機進行小流量加注時候，由于流速低，比例電磁閥開度小磁性功率低而導致比例閥中彈簧易振動，影響油氣回收的問題。

圖7 DURR MEX0831-11真空泵系統抽氣能力曲線

3 新型油氣回收系統回收效果測試

由圖3加注過程汽油損失量隨溫度變化曲線，可以將油氣回收氣液比K看作是溫度t的函數，即K=f(t)。用溫度傳感器測量溫度，控制器根據函數K=f(t)選定氣液比，那么需要回收油氣量M=kq，而研究表明，該系統抽氣量y=1.130x+3.953，其中x為變頻器輸出頻率。根據這兩個公式，使得抽氣量與需要回收的油氣量相等，可以確定變頻器輸出頻率x，流程如圖8所示。

圖8 油氣回收控制系統變頻器輸出頻率

分別對傳統油氣回收系統與新型回收系統做油氣回收效果實驗，在0～40℃范圍內的不同溫度下，測量每加一升油系統所回收氣體量。實驗結果如圖9所示，隨著環境溫度的逐漸升高，傳統的油氣回收系統的油氣回收量大致保持在1 L左右，且有減少的趨勢，而新型的油氣回收系統則可以隨著溫度的升高增加油氣回收量，并達到了將排放的油氣完全回收的效果。

圖9 油氣回收效果圖

4 結論

新型的油氣回收系統省略比例閥，用調頻的方式調節真空泵轉速達到對油氣回收過程的精確控制，解決了當前傳統加油機進行小流量加注時，流速低、比例電磁閥開度小、磁性功率低而導致比例閥中彈簧易振動，影響油氣回收的問題;考慮了環境溫度對汽油揮發的影響，添加溫度信號，根據流量及溫度的變化調節真空泵電機轉速，從而實現氣液比的自適應調節，達到了將排放的油氣完全回收的效果。

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