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(yè)的快速發(fā)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(chǎn)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(fā)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(jù)易氣化介質(zhì)的定義，汽油和 (E10)乙醇汽油都屬于易汽化介質(zhì)。當加油站從事汽油和其他易汽化介質(zhì)銷售活動時，至少發(fā)生兩次油氣排放，揮發(fā)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(huán)境。

油氣回收系統(tǒng)能夠有效地對揮發(fā)的油氣進行回收，節(jié)約能源并且很大程度上減少了危害。油氣回收技術(shù)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(diào)節(jié)閥的方式。此方式是利用加油時的油液流速產(chǎn)生的壓力來控制調(diào)節(jié)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(tǒng)。這種油氣回收系統(tǒng)是通過管道內(nèi)油液的流動產(chǎn)生的液壓動力來驅(qū)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(zhuǎn)速或者調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(tǒng)的油氣回收系統(tǒng)都固定回收氣液比為1∶1，忽略了環(huán)境溫度對燃油流量與油氣揮發(fā)性能的影響，本文作者針對傳統(tǒng)油氣回收系統(tǒng)的這些不足之處，設計了一種新型的油氣回收系統(tǒng)，達到了更好的油氣回收效果。

1 新型油氣回收系統(tǒng)設計

1.1 常用油氣回收系統(tǒng)簡介

目前市場上占有率較高的ECVR油氣回收系統(tǒng)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(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，且流量計此時檢測加油流量發(fā)出脈沖信號，加油機電腦根據(jù)流量脈沖的頻率產(chǎn)生控制信號送給VR(油氣回收)控制器，VR控制器通過調(diào)節(jié)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(tǒng)簡圖

在實際情況中，環(huán)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(tǒng)不僅未考慮溫度對易氣化介質(zhì)泵送過程中流量及揮發(fā)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(tǒng)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(tǒng)設計

由于環(huán)境溫度對油氣揮發(fā)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(tǒng)，如圖4所示。新系統(tǒng)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(jù)環(huán)境溫度及流量的變化調(diào)節(jié)真空泵電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)氣液比的自適應調(diào)節(jié)。

圖4 新型油氣回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 油氣回收氣液比參數(shù)優(yōu)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(nèi)油氣濃度進行測試試驗，從而確定油氣回收的氣液比參數(shù)。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(zhuǎn)換成電信號，利用NI數(shù)據(jù)采集卡收集數(shù)據(jù)，并用計算機的Signal Express軟件顯示出該信號數(shù)據(jù)。

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(wěn)定值的平均值。再利用origin軟件進行繪圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 油氣濃度信號穩(wěn)定值隨氣液回收比的變化規(guī)律

以50 mV濃度信號穩(wěn)定值為限，可以得出不同溫度環(huán)境下的氣液比參數(shù)如表1所示。

表1 油氣回收氣液比的設置

2 真空泵系統(tǒng)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(tǒng)。調(diào)節(jié)變頻器頻率改變電機轉(zhuǎn)速，從而改變真空泵轉(zhuǎn)速，測試10～50 Hz頻率范圍內(nèi)，DURR MEX0831-11型號真空泵的抽氣量。

圖6 真空泵系統(tǒng)抽氣性能實驗平臺

對實驗數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)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(guān)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(diào)頻的方式可以非常精確地控制油氣回收系統(tǒng)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(tǒng)抽氣能力曲線

3 新型油氣回收系統(tǒng)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(shù)，即K=f(t)。用溫度傳感器測量溫度，控制器根據(jù)函數(shù)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(tǒng)抽氣量y=1.130x+3.953，其中x為變頻器輸出頻率。根據(jù)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(tǒng)變頻器輸出頻率

分別對傳統(tǒng)油氣回收系統(tǒng)與新型回收系統(tǒng)做油氣回收效果實驗，在0～40℃范圍內(nèi)的不同溫度下，測量每加一升油系統(tǒng)所回收氣體量。實驗結(jié)果如圖9所示，隨著環(huán)境溫度的逐漸升高，傳統(tǒng)的油氣回收系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)論

新型的油氣回收系統(tǒng)省略比例閥，用調(diào)頻的方式調(diào)節(jié)真空泵轉(zhuǎn)速達到對油氣回收過程的精確控制，解決了當前傳統(tǒng)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(huán)境溫度對汽油揮發(fā)的影響，添加溫度信號，根據(jù)流量及溫度的變化調(diào)節(jié)真空泵電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)氣液比的自適應調(diào)節(jié)，達到了將排放的油氣完全回收的效果。

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