最小被测量精密加注控制研究

蔡俊，刘亚俊，王志泳，邬国秀

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640;2.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳441053)

目前，燃油加油机一般由油泵 (包括电机)、油气分离器、计量装置、电磁阀和管口等部分组成，按照执行功能可分为控制部分 (包括控制泵送的内嵌计算机系统及与内部销售系统通信的部分)和机械部分 (泵送部分、剂量装置、脉冲发生器和阀)。其中计量的准确性是加油机的主要要求之一。以美国与主要发达国家国标为例，明确规定燃油加油机的最大允许误差不能超过相应加油温度的加油量的±0.3%。

图1 加油系统原理图

目前，燃油加油机加注方式有两种:一种是定量加油，即定油量或定金额加注。在该种方式下，工作人员只需确认加油量或加油金额，并输入到控制系统即可。另外一种是随机加注。例如加满油箱等，在这种情况下，工作人员需要频繁调整加油机的启动和停止键，才能达到所需的量。

由于转动惯量，切断电机电源的同时，电机并不会立即停转，造成加注过多油品，影响加油计量精度。在定量加油过程中，这种现象被称作“过冲”。过冲量与油体的流速成正比例关系，流速越高，过冲量越多。因此，定量加油过程中最主要的问题就是如何减少过冲量。加油机通常通过在管口安装电磁阀来减小“过冲量”(如图1所示)，中国燃油加油机的技术标准中要求加油系统中必须安装电磁阀，以减少过冲量。尽管电磁阀能减少定量加油过程中的过冲量，但会使能耗和压力损失增加。而且会产生“水击效应”，使电磁阀的泄漏量增加。

为了减少加油误差的同时，避免电磁阀带来的“水击效应”，提出了变频加油的方式。由于在定量加油过程中，过冲量与转速成比例，变频器可以通过控制泵的转速以来减少过冲量。在此种加注方式中，变频器通流速反馈信号控制泵送系统，从而取代传统加油系统中的电磁阀。

1 计算加油过程中的过冲量

1.1 算加油过程中的过冲量

图2是用来计算定量加油过程中过冲量的模型。

图2 计算加油过程中产生过冲量的原理图

对电动机:

式中:M2代表电动机的阻力矩;J2代表电动机的转动惯量;θ2代表电动机的转角。

对泵:

式中:M1代表泵的驱动力矩;M代表泵的阻力矩;J1代表泵的转动惯量;θ1代表泵的转角。

带传动的传动效率为80%，故有:

如果忽视带传动的滑动率，则有:

式中:D1、D2分别代表泵和电机带轮的直径。有:

式中:R代表泵的转子的半径;c代表黏度系数;q代表流速。

联立式 (1)— (6)，可得到式(7):

式中:Q代表过冲量;qm代表每转的流量;θ代表转子的转角。

联立式 (7)和 (8)可以得到过冲量:

由式 (9)可知，在定量加油过程中可以通过改变q1来控制过冲量。

在理想情况下，式 (9)中的时间t是无穷的。但实际上，当管道中的压力不足以推进流量计中的活塞移动时，泵就会停止工作。假定这时候泵的速度为ωc，可以得到式 (10):

与q1对应的泵的角速度为ω1

时间t可以通过下式来计算:

其中:ωc为流量为0时的角速度;ω1为起始的转速。

将t和所有已知条件代入式(9)，可以得到过冲量:

图3 过冲量与泵送速度的关系

2 变频加油模式设计和参数设置

2.1 模式设计

目前，在定量加油过程中，流量计出口的过冲量由电磁阀控制 (如图1所示)。图1中采用的是二位电磁阀实现定量的燃油加注，工作中为了获得较大流速，因此所有的阀口都保持开位。当加油量还剩余0.3 L时，电磁阀主通道关闭，剩余的燃油量通过低速加注方式实现，直到完成要求的燃油量。在这种加油方式中，电磁阀用来确保加注误差在允许范围内。

文中提出的加油方式是基于流速信号反馈与变频器实现控制。具体的方法如下:设定加油量后，泵高速转动加注到剩余0.3 L，旋转编码器的电压信号反馈至变频器，从而使泵的转速达到控制过冲量所需要的转速 (称为缓冲转速)。此种加注方式避免了电磁阀使用所带来的“水击效应”，有利于提高加注精度。

2.2 参数设置

在这种新的加油方式中，变频器开始工作的频率(称为起始频率，它与开始加油的转速成比例)和还剩余0.3 L时的工作频率 (称为缓冲频率，它与缓冲转速成比例)是用来控制过冲量的两个主要参数。

2.2.1 起始频率设置

为了减少燃油挥发造成的空气污染，美国环境保护署要求燃料挥发率最大值应控制在38 L/min以内。较高的加油速度产生的蒸汽会超过油汽回收系统的吸收能力，导致燃油挥发量增加。同时也会使汽油回溅到汽车、地面或加油的工作人员身上。试验中，将加油过程中的流速设置为35～38 L/min。

在加油过程中通过调节变频器可以测得不同频率下的油体流速，测试结果如表1所示。从表1可知变频器的频率在36 Hz时对应的燃油流速为37.5 L/min。系统将该频率设置为定量加油的起始频率。

表1 变频加油模式中频率和流速的关系

2.2.2 缓冲频率设置

在传统的定量加油过程中，由于无截止流量的装置，电机断电后，泵不会立即停止工作，由此产生过冲现象，造成多加注了油品。变频加油中可以通过设置缓冲频率来控制过冲量。

加油的准确性通常用实际的加油量与名义的加油量的相对误差来表征。在定量加油过程中，过冲量是影响加油准确性的主要因素，因此过冲量必须符合国标。我国国标 (GB/T 9081-2008)规定加油误差必须控制在0.3%以内，为了降低加油误差所带来的加油准确性问题，实验中将过冲量引起的误差控制在0.1%以内。图4列出了在不同的名义加油量下过冲量与缓冲频率之间的关系。

图4 过冲量和缓冲频率的关系

由图4可知，名义加油量为45 L时缓冲频率不能小于42 Hz，名义加油量为2 L时缓冲频率不能小于17 Hz。但图4仅仅给出缓冲频率的最大值，合适的频率还必须在实验中得到。

为了检验加油机加油的准确性，将油箱注入定量的油 (实验中设置为2 L)，并且统计在不同缓冲频率下加油的准确性。

表2 变频加油模式中不同缓冲频率加油的准确性

从表2可知，在定量加油过程中，缓冲频率在9～15 Hz范围变化时，加油的准确性可以控制在±0.3%。兼顾加注准确性与效率，将14 Hz设为缓冲频率。

3 结论

在定量加油过程中，提出了变频加油方式。采用此种加注方式，可以将加油误差控制在标准规定的范围内。

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