燃油定量加注過(guò)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(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

現(xiàn)有燃油加油機(jī)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(dāng)預(yù)置加油結(jié)束時(shí)，即在電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)的瞬間，由于隨著油槍排油速度的不同，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也不同。因此，電動(dòng)機(jī)會(huì)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(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止，故實(shí)際加油量比預(yù)置量要超過(guò)0.01～0.4L左右。這種多給油現(xiàn)象叫做“過(guò)沖”，超過(guò)預(yù)置數(shù)的油量叫做“過(guò)沖量”。目前，普通加油機(jī)的液壓控制系統(tǒng)全部采用電磁閥來(lái)減少“過(guò)沖”對(duì)加油機(jī)準(zhǔn)確度的影響。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定在加油機(jī)測(cè)量變換器的進(jìn)口或出口處必須安裝電磁閥。普通加油機(jī)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(gè)大流量閥（主閥）和一個(gè)小流量閥（副閥）。其工作原理[2]為：在定量加油開(kāi)始時(shí)，電磁閥全部通電打開(kāi)，即電磁閥的主閥和副閥均打開(kāi)，當(dāng)加油量剩下0.3L的時(shí)候，加油機(jī)的控制主板發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)斷主閥，加油機(jī)通過(guò)副閥繼續(xù)加油到預(yù)置量，此時(shí)加油機(jī)控制主板再發(fā)出控制信號(hào)關(guān)斷副閥，同時(shí)電機(jī)立即停轉(zhuǎn)，從而大大減小了加油機(jī)停機(jī)前的“過(guò)沖量”。

雙流量電磁閥雖然減小了加油時(shí)的“過(guò)沖量”，提高了加油的準(zhǔn)確度，但是卻也同時(shí)增加了管路的壓降，增大了能耗,大閥關(guān)閉過(guò)程產(chǎn)生的水擊[3],可能會(huì)導(dǎo)致液壓元件和管路的損壞。在主閥關(guān)閉后，只用副閥來(lái)加滿(mǎn)最后0.3L油的過(guò)程中，此時(shí)加油流量可能會(huì)小于流量計(jì)的最小被測(cè)量，從而導(dǎo)致計(jì)量精度的降低。

鑒于上述原因，本文開(kāi)發(fā)出代替電磁閥的新方法，既能解決定量加油過(guò)程中的“過(guò)沖”問(wèn)題，保證加油精度；又能減少加油過(guò)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(duì)上述加油過(guò)程中存在的不足，我們提出一種能防止燃油加油機(jī)定量加油過(guò)程“過(guò)沖”的新方法，即在采用變頻技術(shù)的燃油加油機(jī)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(jiǎn)化液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低整機(jī)成本，通過(guò)使用定量加油的新控制方法，使去掉了電磁閥的加油機(jī)在定量加油控制方面能達(dá)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(kāi)始加油時(shí)，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?zhuān)藭r(shí)控制主板發(fā)出信號(hào)給變頻器，控制電機(jī)拖動(dòng)容積泵以轉(zhuǎn)速2運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)加油量到達(dá)49.7L，即當(dāng)加油量還剩0.3L時(shí)，控制主板發(fā)出一個(gè)信號(hào)給變頻器控制電機(jī)降速，以一個(gè)相對(duì)較低的速度（轉(zhuǎn)速1）運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)加完剩下的0.3L油。當(dāng)加油值達(dá)到設(shè)定的加油量時(shí)，控制主板發(fā)出信號(hào)給變頻器控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，接著加油員將油槍掛到加油機(jī)上關(guān)閉開(kāi)關(guān)，加油過(guò)程完成。由于加油機(jī)“過(guò)沖量”的大小與加油完畢前油液的流速成正比，應(yīng)用變頻技術(shù)的加油機(jī)是以一個(gè)相對(duì)較低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)加完剩下的0.3L油的，此時(shí)“過(guò)沖量”可以忽略不計(jì)。于是基于變頻技術(shù)的新方法可以很好解決加油機(jī)定量加油過(guò)程中的“過(guò)沖”問(wèn)題。

圖1 變頻控制流程圖

2 變頻控制加油過(guò)沖量理論分析

在變頻模式下取消電磁閥后，對(duì)加油機(jī)的“過(guò)沖量”進(jìn)行理論上的估算。理論模型如下：

電機(jī)停轉(zhuǎn)后，電機(jī)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(dòng)慣量，為泵的角速度，為管道壓力，為流量，為時(shí)間， 即為“過(guò)沖量”。由于整個(gè)過(guò)程中摩擦阻力很小，我們將摩擦阻力忽略不計(jì)。根據(jù)條件有：

其中 為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，為轉(zhuǎn)子半徑。在整個(gè)停轉(zhuǎn)過(guò)程中、為隨時(shí)間變化的量，為簡(jiǎn)化計(jì)算我們假設(shè) 為恒定值，即為停轉(zhuǎn)時(shí)刻的壓力。在50L定量加油時(shí)，、、、，將已知量帶入式（1）、式（2）有：于是可以得出估算出的“過(guò)沖量”百分比：

從計(jì)算結(jié)果可以看出，新方法的加油“過(guò)沖量”理論估計(jì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加油精度的±0.3%，可見(jiàn)基于變頻技術(shù)新方法下的“過(guò)沖量”對(duì)加油精度的影響微乎極微。

3 變頻模式下定量加油精度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

雖然基于變頻技術(shù)新方法下的“過(guò)沖量”對(duì)加油精度的影響很小，但是對(duì)于新方法整體加油精度是否達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)加油機(jī)采用定量加油的方法，如定量加油50L，將油加到一個(gè)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(duì)誤差，即加油精度值。

其中，A0、V1、V0都是標(biāo)準(zhǔn)量器的一些參數(shù)，當(dāng)定量加油50L時(shí)，A0=3mL/mm，V1=V50=100.26mm，V0=VJ=50L，H為量器液位刻度，VB為標(biāo)準(zhǔn)量器示值（不計(jì)溫度），VB1為標(biāo)準(zhǔn)量器示值（考慮溫度），T為量器內(nèi)溫度，EV為加油體積相對(duì)誤差（即加油精度）。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)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(jī)，在頻率為22～36赫茲時(shí)，加油精度仍然達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即加油相對(duì)誤差均在±0.3%之間，并且達(dá)到了相當(dāng)好的精度水平。

4 基于變頻技術(shù)新方法的優(yōu)點(diǎn)

圖2為變頻新方法和傳統(tǒng)方法在定量加油過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量的管道壓力曲線(xiàn)。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(guò)沖”問(wèn)題，而且與傳統(tǒng)加油機(jī)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）加油過(guò)程中當(dāng)加油量剩下設(shè)定的提前量（0.3L）時(shí)由于液壓系統(tǒng)中沒(méi)有電磁閥，也就沒(méi)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(jī)的頻率降低使進(jìn)油量減少造成的，因而水擊效應(yīng)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(dòng)明顯減小。

圖2 變頻新方法和傳統(tǒng)方法在定量加油過(guò)程中的管道壓力曲線(xiàn)

2）由于液壓系統(tǒng)去掉了電磁閥，大大簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了加油機(jī)的成本，同時(shí)也減小了管路的壓降，達(dá)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(jī)在加最后的提前量時(shí)的流量變得可控。因?yàn)橐M(jìn)變頻技術(shù)后，加油流量由電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，而電機(jī)轉(zhuǎn)速又由變頻器輸出頻率控制，因此我們可以通過(guò)改變變頻器的輸出頻率，來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)加油的流量，使流量可控。

5 結(jié)論

理論和實(shí)驗(yàn)表明，基于變頻技術(shù)的新方法，不僅能解決加油機(jī)定量加油過(guò)程中出現(xiàn)的“過(guò)沖”問(wèn)題，而且能減小管路的壓降，避免引進(jìn)電磁閥后出現(xiàn)的“水擊”效應(yīng)。同時(shí)基于變頻技術(shù)的新方法也能夠?qū)⒓佑途瓤刂圃趪?guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。這說(shuō)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(jī)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(jī)動(dòng)車(chē)燃油加油機(jī)[S].

[2]呂鳳彬.加油機(jī)電磁閥的重要作用[J].中國(guó)計(jì)量,2004,（02）：58.

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