燃油定量加注过程的变频控制

唐 电，刘亚俊，黄佳彬

TANG Dian，LIU Ya-jun，HUANG Jia-bin

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640）

0 引言

现有燃油加油机的常规加油方式包括定量加油和非定量加油两种。在定量加油模式下，当预置加油结束时，即在电动机立即停转的瞬间，由于随着油枪排油速度的不同，电动机的负载也不同。因此，电动机会出现不同程度的冲转现象，液压系统的油液也因惯性而不能立即由运动变为静止，故实际加油量比预置量要超过0.01～0.4L左右。这种多给油现象叫做“过冲”，超过预置数的油量叫做“过冲量”。目前，普通加油机的液压控制系统全部采用电磁阀来减少“过冲”对加油机准确度的影响。

国家标准[1]规定在加油机测量变换器的进口或出口处必须安装电磁阀。普通加油机的液压控制系统中的电磁阀采用双阀结构，即有一个大流量阀（主阀）和一个小流量阀（副阀）。其工作原理[2]为：在定量加油开始时，电磁阀全部通电打开，即电磁阀的主阀和副阀均打开，当加油量剩下0.3L的时候，加油机的控制主板发出控制信号，关断主阀，加油机通过副阀继续加油到预置量，此时加油机控制主板再发出控制信号关断副阀，同时电机立即停转，从而大大减小了加油机停机前的“过冲量”。

双流量电磁阀虽然减小了加油时的“过冲量”，提高了加油的准确度，但是却也同时增加了管路的压降，增大了能耗,大阀关闭过程产生的水击[3],可能会导致液压元件和管路的损坏。在主阀关闭后，只用副阀来加满最后0.3L油的过程中，此时加油流量可能会小于流量计的最小被测量，从而导致计量精度的降低。

鉴于上述原因，本文开发出代替电磁阀的新方法，既能解决定量加油过程中的“过冲”问题，保证加油精度；又能减少加油过程中的管路阻力，避免水击现象的发生。

1 基于变频技术的新方法

针对上述加油过程中存在的不足，我们提出一种能防止燃油加油机定量加油过程“过冲”的新方法，即在采用变频技术的燃油加油机液压控制系统的基础上，将液压系统中的电磁阀去掉，以简化液压系统的结构，降低整机成本，通过使用定量加油的新控制方法，使去掉了电磁阀的加油机在定量加油控制方面能达到更好的效果。采用变频技术，并将电磁阀去掉之后的变频控制流程图如图1所示。

开始加油时，加油员在控制主板的面板上设定好加油升数，比如50L，然后提起油枪，此时控制主板发出信号给变频器，控制电机拖动容积泵以转速2运转。当加油量到达49.7L，即当加油量还剩0.3L时，控制主板发出一个信号给变频器控制电机降速，以一个相对较低的速度（转速1）运转来加完剩下的0.3L油。当加油值达到设定的加油量时，控制主板发出信号给变频器控制电机停止转动，接着加油员将油枪挂到加油机上关闭开关，加油过程完成。由于加油机“过冲量”的大小与加油完毕前油液的流速成正比，应用变频技术的加油机是以一个相对较低的速度运转来加完剩下的0.3L油的，此时“过冲量”可以忽略不计。于是基于变频技术的新方法可以很好解决加油机定量加油过程中的“过冲”问题。

图1 变频控制流程图

2 变频控制加油过冲量理论分析

在变频模式下取消电磁阀后，对加油机的“过冲量”进行理论上的估算。理论模型如下：

电机停转后，电机和泵的惯性能被摩擦阻力和液压阻力所消耗：

其中，为泵转子的转动惯量，为泵的角速度，为管道压力，为流量，为时间， 即为“过冲量”。由于整个过程中摩擦阻力很小，我们将摩擦阻力忽略不计。根据条件有：

其中 为转子质量，为转子半径。在整个停转过程中、为随时间变化的量，为简化计算我们假设 为恒定值，即为停转时刻的压力。在50L定量加油时，、、、，将已知量带入式（1）、式（2）有：于是可以得出估算出的“过冲量”百分比：

从计算结果可以看出，新方法的加油“过冲量”理论估计值远远小于国家标准规定加油精度的±0.3%，可见基于变频技术新方法下的“过冲量”对加油精度的影响微乎极微。

3 变频模式下定量加油精度实验验证

虽然基于变频技术新方法下的“过冲量”对加油精度的影响很小，但是对于新方法整体加油精度是否达到国家标准规定的要求，还需要进行实验上的验证。

实验时，对加油机采用定量加油的方法，如定量加油50L，将油加到一个量桶中，记录其液面高度和油液的温度。然后采用公式（5）、（6）、（7）算出加油的相对误差，即加油精度值。

其中，A0、V1、V0都是标准量器的一些参数，当定量加油50L时，A0=3mL/mm，V1=V50=100.26mm，V0=VJ=50L，H为量器液位刻度，VB为标准量器示值（不计温度），VB1为标准量器示值（考虑温度），T为量器内温度，EV为加油体积相对误差（即加油精度）。测量结果如表1所示。

表1 测试加油精度结果

由表1我们可以看出，去掉电磁阀的变频燃油加油机，在频率为22～36赫兹时，加油精度仍然达到国家标准，即加油相对误差均在±0.3%之间，并且达到了相当好的精度水平。

4 基于变频技术新方法的优点

图2为变频新方法和传统方法在定量加油过程中实时测量的管道压力曲线。从图中可以看出，基于变频技术的新方法，不仅能在去掉电磁阀后，解决定量加油的“过冲”问题，而且与传统加油机相比，具有如下优点。

1）加油过程中当加油量剩下设定的提前量（0.3L）时由于液压系统中没有电磁阀，也就没有了因电磁阀关闭而引起的加油管路横截面积的突然变化，虽然加油流速也是突然变小，但却是由于电机的频率降低使进油量减少造成的，因而水击效应得到了很好的改善。从图2中可以看出，使用变频方法的管道压力波动明显减小。

图2 变频新方法和传统方法在定量加油过程中的管道压力曲线

2）由于液压系统去掉了电磁阀，大大简化了液压系统的内部结构，降低了加油机的成本，同时也减小了管路的压降，达到了节能的效果，从图2中可以看到，使用变频技术的管道压阻整体小于使用电磁阀的管道压阻。

3）由于采用了变频技术，使得加油机在加最后的提前量时的流量变得可控。因为引进变频技术后，加油流量由电机转速控制，而电机转速又由变频器输出频率控制，因此我们可以通过改变变频器的输出频率，来控制电机转速，进而调节加油的流量，使流量可控。

5 结论

理论和实验表明，基于变频技术的新方法，不仅能解决加油机定量加油过程中出现的“过冲”问题，而且能减小管路的压降，避免引进电磁阀后出现的“水击”效应。同时基于变频技术的新方法也能够将加油精度控制在国家标准规定的范围内。这说明新方法能够更好的代替现有的电磁阀结构，使加油机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机动车燃油加油机[S].

[2]吕凤彬.加油机电磁阀的重要作用[J].中国计量,2004,（02）：58.

[3]刘亚俊,刘森林,刘利攀,叶传春.燃油加油机工作过程中的水击效应研究[J].流体传动与控制,2007,（05）：16-19.