一種電控噴油器動(dòng)態(tài)時(shí)間參數(shù)測(cè)試方法

郭 輝 張振東 程 強(qiáng) 孫躍東

1.上海理工大學(xué)，上海，200093 2.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海，201620

0 引言

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高要求電控噴油器的一個(gè)噴油周期在幾毫秒之內(nèi)，并在這段時(shí)間內(nèi)噴射出精確計(jì)量的燃油，以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空燃比的精確控制需要，達(dá)到日益嚴(yán)格的排放法規(guī)及降低燃油消耗的要求。故電控噴油器需具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，即開(kāi)啟過(guò)程和關(guān)閉過(guò)程的時(shí)間要盡可能短［1－2］。

在噴油器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、制造及與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配過(guò)程中，需要對(duì)噴油器的各種性能進(jìn)行測(cè)量，如靜態(tài)流量特性、動(dòng)態(tài)流量特性、線(xiàn)性度、靜態(tài)最低開(kāi)啟電壓、動(dòng)態(tài)最低開(kāi)啟電壓，以及噴油器的開(kāi)啟和關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制出多套各具特色的測(cè)試系統(tǒng)或裝置［3－5］，可供噴油器的性能試驗(yàn)、出廠測(cè)試使用，但這些裝置幾乎不能直接測(cè)量噴油器的動(dòng)態(tài)時(shí)間參數(shù)，即開(kāi)啟和關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間。因此，急需一種簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，以設(shè)計(jì)檢測(cè)噴油器的動(dòng)態(tài)時(shí)間參數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)。

1 動(dòng)態(tài)時(shí)間參數(shù)測(cè)試方法

1.1 結(jié)構(gòu)與原理

某一型號(hào)電控噴油器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)主要由噴管主體、噴管進(jìn)口、球閥、銜鐵、閥座、彈簧、鐵芯、線(xiàn)圈、導(dǎo)磁體、噴孔網(wǎng)、防積碳板等組成。噴油器本質(zhì)上是一種電磁閥，球閥和閥座上的圓錐面相配合起到閥門(mén)的作用，在電磁力、彈簧力、銜鐵－閥芯組件的重力以及內(nèi)部燃油壓力的共同作用下，打開(kāi)或關(guān)閉燃油通路，完成將精確計(jì)量的燃油在規(guī)定時(shí)刻噴射到進(jìn)氣門(mén)處。

圖1 噴射器結(jié)構(gòu)圖

1.2 數(shù)值模型

電控噴油器的等效電路、等效磁路如圖2所示，其中的球閥受力如圖3所示。根據(jù)電路平衡方程、麥克斯韋爾磁路方程、達(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)方程（忽略噴油器內(nèi)部流體對(duì)銜鐵、鐵心等的作用力），可以導(dǎo)出下列描述電控噴油器動(dòng)態(tài)過(guò)程的解析方程［6－7］：

式中，U0、R、i、ψ分別為等效電路中線(xiàn)圈電壓、線(xiàn)圈電阻、線(xiàn)圈電流、磁鏈；Φδ、μ0、S分別為等效磁路中磁通（工作氣隙為δ時(shí)）、真空磁導(dǎo)率、氣隙截面積；Fmag、Fsp、Fpre、m、x分別為電磁力、彈簧力、燃油壓力、運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量、銜鐵—球閥的位移；R為線(xiàn)圈電阻，與線(xiàn)圈匝數(shù)N、線(xiàn)徑、導(dǎo)線(xiàn)的電阻率有關(guān)。

圖2 等效磁路和等效電路

圖3 球閥受力示意圖

1.3 測(cè)試機(jī)理

噴射器動(dòng)態(tài)工作過(guò)程可分為電磁線(xiàn)圈加控制電壓開(kāi)始到球閥達(dá)到最大行程時(shí)的開(kāi)啟過(guò)程、球閥持續(xù)保持開(kāi)啟的全開(kāi)過(guò)程以及控制電壓斷開(kāi)到球閥完全回落的關(guān)閉過(guò)程。對(duì)于本質(zhì)上為一電磁閥的噴油器來(lái)講，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性主要指銜鐵－閥芯組件的位移隨時(shí)間變化的特性。但由于銜鐵位移難以直接測(cè)量，而電磁線(xiàn)圈的電流響應(yīng)比較容易測(cè)取，并且線(xiàn)圈電流變化可間接反映電磁鐵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性［8］，因此，電控噴油器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間可通過(guò)測(cè)量其線(xiàn)圈工作電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線(xiàn)來(lái)獲取。噴油器的電流變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 電控噴油器工作過(guò)程中電流變化曲線(xiàn)

在O點(diǎn)線(xiàn)圈收到電壓控制信號(hào)之后，線(xiàn)圈內(nèi)磁通量逐漸增大，由于工作氣隙磁阻的變化，使得線(xiàn)圈的電感增大，導(dǎo)致按指數(shù)規(guī)律增加的電流稍有下降，當(dāng)達(dá)到完全開(kāi)啟位置球閥停止移動(dòng)時(shí)，電流降低到一較低值B點(diǎn)，隨后電流又以新的時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，噴油器完全開(kāi)啟。因此，只要檢測(cè)出電流變化曲線(xiàn)上特性點(diǎn)B出現(xiàn)的時(shí)刻，就得到了噴油器開(kāi)啟終了時(shí)刻［9］，此時(shí)刻與發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間差，即球閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間td1。

在D點(diǎn)，控制電壓降為0，由于電感的存在，線(xiàn)圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并很快衰減。在球閥落座過(guò)程中，由于氣隙磁阻的變化，使得磁路中的磁通減小。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，勢(shì)必在電磁線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使電磁線(xiàn)圈兩端迅速下降的電動(dòng)勢(shì)復(fù)又增加，在球閥落座終了時(shí)刻達(dá)到最大值（圖4中E點(diǎn)）。此后由于氣隙不再改變，該電動(dòng)勢(shì)又很快衰減，使得電流逐漸減小至0。這樣分別檢測(cè)到D、E兩點(diǎn)的時(shí)刻，其差便是關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間td2。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴油器開(kāi)啟、關(guān)閉動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖5所示，單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制電控噴油器工作，線(xiàn)圈電流由一精密微小阻值的電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大電路、微分電路、電壓比較電路及電平轉(zhuǎn)換電路處理后進(jìn)入單片機(jī)，記錄下噴射器動(dòng)態(tài)工作過(guò)程中的O、B、D及E點(diǎn)（圖4）的時(shí)刻，經(jīng)RS232傳送到PC機(jī)以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。電源模塊對(duì)單片機(jī)及噴油器供電，調(diào)節(jié)旋鈕組件包含多個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕，可分別調(diào)節(jié)各運(yùn)算放大器的增益，保證B、E兩點(diǎn)容易被單片機(jī)捕獲。同時(shí)，該系統(tǒng)也可以完成對(duì)噴油器的電壓及噴射壓力的調(diào)節(jié)，用以測(cè)量不同電壓、不同壓力下噴油器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。運(yùn)行于PC機(jī)的上位機(jī)不僅可以記錄、保存所采集到的噴油器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，還具有豐富的繪圖功能，將不同工況下的結(jié)果以圖形的形式表示出來(lái)。同時(shí)，如果給該系統(tǒng)配以精密電子天平，還可以完成諸如靜態(tài)流量特性、動(dòng)態(tài)流量特性、線(xiàn)性度、靜態(tài)最低開(kāi)啟電壓、動(dòng)態(tài)最低開(kāi)啟電壓等參數(shù)的測(cè)量。

3 結(jié)果及誤差分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

采用圖5所示的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)幾種類(lèi)型的電控噴油器開(kāi)啟及關(guān)閉動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試條件及結(jié)果如表1所示。由于在電控噴油器標(biāo)定及與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的過(guò)程中，需考慮供電電壓變化對(duì)噴油器噴油量的影響，因此要對(duì)噴油脈寬進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以達(dá)到對(duì)噴油量的精確控制。本文對(duì)型號(hào)1噴油器在供電電壓改變的情況下，對(duì)其開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

圖5 開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)系統(tǒng)框圖

表1 測(cè)試條件及結(jié)果列表

圖6 開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間隨供電電壓的變化曲線(xiàn)

3.2 誤差分析

就整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)而言，影響測(cè)量精度的因素有：①測(cè)量系統(tǒng)的引入引起的td1、td2的變化；②運(yùn)算放大器的瞬態(tài)效應(yīng)；③定時(shí)器的定時(shí)精度；④軟件處理過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。

在噴油器開(kāi)啟動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)電路中，為了把線(xiàn)圈的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，在線(xiàn)圈電路中串入了精密小阻值電阻，該電阻的引入將使td1略有增加。在本系統(tǒng)中，選定該電阻的阻值為10mΩ，由此產(chǎn)生的誤差不超過(guò)5μs；運(yùn)算放大器響應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間延遲正常情況下不會(huì)大于5μs；C8051F310單片機(jī)16位定時(shí)器T0的分辨率為1μs［10］；處理軟件造成的誤差可通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，使其不超過(guò)單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期即0.25μs。因此，可能造成的最大誤差δtd1＝11.25μs，δtd2＝6.25μs。

對(duì)于型號(hào)1噴油器而言，td1和td2的測(cè)試誤差分別為0.90%和1.14%?？梢?jiàn)，該測(cè)試方法具有足夠高的測(cè)量精度，滿(mǎn)足電控噴油器開(kāi)發(fā)、出廠測(cè)試試驗(yàn)以及與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配標(biāo)定試驗(yàn)等需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在給出電控噴油器的結(jié)構(gòu)組成、動(dòng)態(tài)工作過(guò)程的基礎(chǔ)上，提出了一種基于噴油器線(xiàn)圈電流變化規(guī)律的電控噴油器動(dòng)態(tài)特性時(shí)間參數(shù)的測(cè)試方法。根據(jù)所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)多款噴油器實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)單、便捷，測(cè)量精度高，可滿(mǎn)足噴油器設(shè)計(jì)、制造加工過(guò)程中的檢測(cè)要求。該測(cè)試系統(tǒng)還可測(cè)量供電電壓改變時(shí)開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間的變化，以用于在電控噴油器標(biāo)定及與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配過(guò)程中，需考慮供電電壓變化對(duì)噴油器噴油量的影響，對(duì)噴油脈寬進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以達(dá)到對(duì)噴油量的精確控制。

［1］Hideyuki W，Shinya I，Takahiro N，et al.Development of Compact and High performance Fuel Injector Using Electromagnetic Field Simulation［J］.SAE Paper，2005－32－0019.

［2］Stephan Schmidt，Martin Joyce，Jonathan Wall，et al.Investigations on Low Pressure Gasoline Direct Injection for a Standard GDI Combustion System［J］.SAE Paper，2010－32－0094.

［3］肖瓊，顏伏武，鄒華，等.電控噴油器流量特性試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)分析［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2005，16（16）：1419－1422.

［4］張付軍，孫業(yè)保，黃英，等.電控噴油器流量特性的試驗(yàn)研究［J］.汽車(chē)工程，1994，16（2）：80－86.

［5］岳曉峰，梁亮，韓立強(qiáng).電控噴油器流量性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（6）：46－48.

［6］尹叢勃，張振東，劉志遠(yuǎn)，等.電控噴油器流量特性試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007（12）：194－196.

［7］張振東，劉堅(jiān)，周萍.電控噴油器開(kāi)啟過(guò)程影響因素分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34（6）：14－17.

［8］馬忠杰，錢(qián)耀義，于秀敏.電控噴油器噴射過(guò)程的計(jì)算模型［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1997，15（2）：231－236.

［9］郭輝，張振東，孫躍東，等.電控汽油噴射器參數(shù)優(yōu)化及性能測(cè)試研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（18）：2264－2267.

［10］潘琢金，施國(guó)君.C8051FXXX高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.