燃油加注計量過程的變頻控制技術(shù)

上海自儀公司為改善傳統(tǒng)加油方式的不足，提高泵送效率、壓力穩(wěn)定性和加油準(zhǔn)確度，減少泵送過程中的過沖量，抑制水擊現(xiàn)象，本文應(yīng)用變頻技術(shù)的新型加油方式對傳統(tǒng)加油方式進(jìn)行改進(jìn)，并對容積式流量計的流量誤差特性曲線進(jìn)行分析，提出了運用變頻技術(shù)控制流量，減小誤差，提高加油準(zhǔn)確度的方法。

加油機(jī)加注過程中的壓力穩(wěn)定性和加油準(zhǔn)確度是衡量加油機(jī)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在傳統(tǒng)的加油模式下，雙閥結(jié)構(gòu)會增加管路壓降，產(chǎn)生水擊效應(yīng)，增大過沖量，降低加油準(zhǔn)確度。對傳統(tǒng)燃油加油機(jī)存在的弊端，本文提出引入變頻技術(shù)的新型加油模式。通過變頻技術(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速從而達(dá)到控制流量的目的，并對容積式流量計誤差特性曲線進(jìn)行分析，得到非常佳流速范圍，實現(xiàn)減小能源損耗、保證泵送過程的壓力穩(wěn)定性，提高加油準(zhǔn)確度的目的。

一、基于變頻技術(shù)的新型加油方式

變頻調(diào)速通過改變供給電動機(jī)電源的頻率值達(dá)到改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。交流異步電動機(jī)的變頻調(diào)速原理，可以從異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程中得出

n=60f（1-s）/p （1）式中：n——異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；f——異步電動機(jī)的頻率；s——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p——電動機(jī)的極對數(shù)。由式（1）可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的定子供電頻率 f，即可平滑調(diào)節(jié)電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n。由于轉(zhuǎn)子是跟隨旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)的，當(dāng)頻率 f 在 0~50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的范圍非常寬。

變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。變頻模式下加油機(jī)的系統(tǒng)組成如圖 1 所示，在變頻加油模式下，編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)可以反映加油時油液流量的大??；故在不同擋位加油時，流量不同使得編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)不同，由控制電路檢測編碼器的脈沖數(shù)判斷加油流量，從而選取合適的電機(jī)頻率帶動泵的轉(zhuǎn)動，輸出合適的油液流量。變頻器和流量測量變換器的結(jié)合可以代替電磁閥在加油機(jī)中的作用，不需要再通過電磁閥的開閉控制流量，因此可以在保證加油準(zhǔn)確度的同時，將電磁閥的雙閥改成單閥甚至去掉電磁閥。圖 2 表示簡化后的單電磁閥在大、中擋位下加油的脈沖曲線，可看出經(jīng)過優(yōu)化之后水擊現(xiàn)象得到很好改善。相較于傳統(tǒng)的加油方式，變頻加油模式優(yōu)化了加油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮小了成本，并且在降低能耗、提高部件使用壽命和提高加油準(zhǔn)確度方面有著顯著的優(yōu)越性。提起油槍但未開始加油時，變頻技術(shù)能保證電機(jī)在較低頻率下運轉(zhuǎn)；加油后期通過改變電機(jī)頻率來改變泵的運轉(zhuǎn)速度，以較低流量將油液泵進(jìn)車內(nèi)，減小對電磁閥的沖擊，抑制水擊效應(yīng)，同時也可以保證加油機(jī)的測量準(zhǔn)確度。

二、容積式流量計誤差曲線分析

加油機(jī)中使用的流量測量變換器一般為容積式流量計，也叫作定排量流量計，其測量準(zhǔn)確度高，在石油類流體測量中廣泛應(yīng)用。容積式流量計存在一個誤差特性曲線，其實際流量與示值流量之間存在誤差。容積式流量計的基本誤差可用式（2）表示：式中：l——流量計示值；V——通過流量計的實際值。

在測量實際流量時，通過流量計的實際值 V 一般是未知的，常用示值相對誤差即式（3）來表示：式中：I——流量計累計示值；V——通過流量計的實際值。

假設(shè)流量計測量元件周期動作一次能送出的流體量為 v，在 t 時間內(nèi)流量計動作次數(shù)為 N，則 t 時間內(nèi)通過流量計的流體總

量 V 可用式（4）表示：V=Nv（4）這是在理想情況下通過流量計的實際值，但容積式流量計除了濕式氣體流量計之外，會存在漏流現(xiàn)象。為得到實際誤差曲線，現(xiàn)假設(shè)通過間隙的漏流量為 Δq，當(dāng)以流量 q v 通過流量計的流體總量為V 時，通過間隙漏過流量計的總漏流量為當(dāng)容積式流量計存在漏流現(xiàn)象時，實際通過流量計的流體總量為V=Nv+ΔV （6）在 t 時間內(nèi)流量計測量元件動作 N 次，通過齒輪機(jī)構(gòu)將測量元件的動作傳遞到指示機(jī)構(gòu)，使刻度盤上的指針走動以顯示通過流量計流體體積，故通過流量計的顯示值 I 和 N、齒輪比常數(shù) a 的關(guān)系為I=aN（7）整理得得到實際誤差表達(dá)式為由式（9）可知，流量計實際誤差與計量室空間的容積v、齒輪比常數(shù)a、漏油量Δq以及流量q v 有關(guān)。容積式流量計誤差曲線如圖 3 所示：曲線 1 為理想的誤差特性曲線，由于漏流現(xiàn)象，實際誤差曲線更接近曲線 2、曲線 3 以及曲線 4。從實際誤差曲線可以看出，當(dāng)流量較小時，誤差會隨著流量的減小而增大，實際誤差曲線急劇向負(fù)方向傾斜；隨著流量的增加，誤差曲線逐漸正向移動并穩(wěn)定在一值，當(dāng)流量過大時，又向負(fù)方向傾斜。通過對容積式流量計誤差特性曲線進(jìn)行分析，得出存在一個非常佳流量范圍，使得流量計的誤差非常小。根據(jù)誤差特性曲線計算出在誤差非常小時的流量范圍，結(jié)合變頻技術(shù)可以調(diào)速的優(yōu)點，控制泵的轉(zhuǎn)速使得油液以非常佳流量泵入車內(nèi)，可以提高加油準(zhǔn)確度。

三、變頻模式下加油機(jī)系統(tǒng)性能測試

1. 壓力穩(wěn)定性測試

本文從泵送過程中壓力穩(wěn)定性和加油準(zhǔn)確度兩個指標(biāo)，對傳統(tǒng)加油方式和基于變頻技術(shù)的新型加油方式進(jìn)行分析。在傳統(tǒng)加油模式下和變頻模式下壓力隨時間變化的曲線。

在傳統(tǒng)模式下，電磁閥門的突然閉合使流速突然降低，流量沖擊電磁閥門導(dǎo)致壓力在泵送過程出現(xiàn)兩個尖端脈沖，瞬時壓力遠(yuǎn)大于其他時刻的壓力，形成水擊現(xiàn)象，增加管路的壓降。采用變頻技術(shù)可以對流量速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過單電磁閥使管路中的阻力減小，壓力在泵送過程中隨時間平滑下降，不會出現(xiàn)流速突然變化沖擊閥門的情況，提高了加油系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性，水擊現(xiàn)象得到明顯改善。

2. 加油準(zhǔn)確度測試

加油準(zhǔn)確度，即加油量的相對誤差，為實際加油量和顯示加油量的相對誤差。已知傳統(tǒng)加油方式通過控制閥門開度控制流速，引入變頻技術(shù)的新型加油機(jī)通過改變變頻器的輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)流速。實驗室采用定量加油的方法，計算兩種加油方式在不同流量下的加油準(zhǔn)確度，經(jīng)過實驗測試，得出實驗數(shù)據(jù)并畫出兩種加油方式的準(zhǔn)確度曲線如圖 5 所示。通過對比新型加油模式和傳統(tǒng)加油模式下的相對誤差可以看出，在引入變頻技術(shù)的新型加油模式下，加油機(jī)在不同流量下加油，加油準(zhǔn)確度優(yōu)于傳統(tǒng)加油模式。在傳統(tǒng)加油模式下，相對誤差主要是由過沖量引起。新型加油方式由于引入了變頻技術(shù)，隨著流速的變化來調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到所需油量，減小過沖量，因此可以獲得非常精確的超調(diào)控制，相較于傳統(tǒng)的加油方式，可以提高加油準(zhǔn)確度。同時，可以得出流量誤差特性曲線的非常佳流量大概在38L/min 左右，此時相對誤差接近零，加油準(zhǔn)確度達(dá)到非常高。

四、結(jié)論

與傳統(tǒng)加油模式相比，引入變頻技術(shù)的新型加油方式可以消除過沖量，提高加油準(zhǔn)確度。由于可取消傳統(tǒng)加油模式用來控制過沖量的雙流量電磁閥，上海自儀公司減少了加注過程中的壓力損失，從而抑制了定量加注過程中電磁閥關(guān)斷引起的水擊效應(yīng)。