電控汽油噴油器開(kāi)啟延遲時(shí)間檢測(cè)方法研究

謝宏斌,蔣兆杰,劉軒銘,高崴，楊世杰,畢仕強(qiáng)

(1.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214121;2.中國(guó)第一汽車股份有限公司無(wú)錫油泵油嘴研究所，江蘇 無(wú)錫 214063)

電控汽油噴油器是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中非常重要的部件,它接受電子控制單元的控制脈寬,精確計(jì)量噴油量并將其霧化噴射到燃燒室內(nèi)。噴油器是通過(guò)高速電磁閥實(shí)現(xiàn)噴射控制的,因此，電磁閥的性能直接影響噴油器的響應(yīng)速度和控制精度,是噴油器總成的核心元件。

在電磁閥開(kāi)啟過(guò)程中，從發(fā)出驅(qū)動(dòng)命令到噴油器完全開(kāi)啟存在滯后現(xiàn)象。滯后的原因主要是受電磁閥密封偶件的配合精度、流體黏性阻力、電磁鐵特性變化等因素的影響。因此，同型號(hào)不同噴油器，由于制造、裝配以及應(yīng)用環(huán)境的差異，會(huì)導(dǎo)致不同噴油器在相同驅(qū)動(dòng)脈寬作用下，因滯后時(shí)間不同造成實(shí)際噴油持續(xù)時(shí)間不同，導(dǎo)致噴油量出現(xiàn)偏差。甚至是對(duì)于同一個(gè)噴油器，由于長(zhǎng)期使用、電磁閥老化以及應(yīng)用環(huán)境條件的改變也會(huì)導(dǎo)致噴油量出現(xiàn)偏差。特別是在小油量工況下，偏差可能更大。為減小這種偏差，可以通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電磁閥的實(shí)際開(kāi)啟時(shí)刻，并以此為依據(jù)對(duì)噴射驅(qū)動(dòng)脈寬進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。為此，需要尋找并提取電磁閥完全開(kāi)啟時(shí)的特征信號(hào)，文獻(xiàn)[1-4]研究表明，當(dāng)電磁閥完全開(kāi)啟時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生拐點(diǎn)。通過(guò)檢測(cè)該拐點(diǎn)的生成時(shí)刻即可得到電磁閥實(shí)際開(kāi)啟時(shí)刻。

唐超等[1]采用高速AD采樣的辦法，實(shí)時(shí)采集驅(qū)動(dòng)電流的數(shù)據(jù)，測(cè)控軟件基于該數(shù)據(jù)描繪出電流曲線，通過(guò)觀測(cè)電流曲線來(lái)確定噴油器實(shí)際開(kāi)啟時(shí)刻的區(qū)間。這種方法在維修檢測(cè)和出廠品質(zhì)檢測(cè)時(shí)非常適用，但這種技術(shù)很難集成到電控單元中。陳林等[2]也使用高速AD采樣的辦法，并基于采集的數(shù)據(jù)，采用濾波、防抖算法來(lái)求取電流拐點(diǎn)的生成時(shí)刻。該方法需要高頻采集電流數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)復(fù)雜的抗干擾算法，來(lái)保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還需設(shè)計(jì)防抖算法確保電流拐點(diǎn)生成時(shí)刻的準(zhǔn)確性。需占用大量CPU資源，影響軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性，增加設(shè)計(jì)成本。

文獻(xiàn)[3-8]均使用了微分電路來(lái)檢測(cè)電流拐點(diǎn)的生成時(shí)刻，微分電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，已經(jīng)成為目前使用的主流方法，但該方法也存在較大的局限性。為解決現(xiàn)存方法的弊端，本研究提出了一種新型汽油電控噴油器開(kāi)啟延遲時(shí)間的檢測(cè)方法，該方法取消微分電路，構(gòu)建一種動(dòng)態(tài)比較電路，該電路的閾值可在線漸進(jìn)逼近電流拐點(diǎn)，能在電流拐點(diǎn)生成時(shí)刻可靠地觸發(fā)窄脈沖。應(yīng)用該方法可提高噴油器開(kāi)啟延遲時(shí)間檢測(cè)的可靠性和精確性。

1 電控噴油器運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

圖1示出典型的汽油電控噴油器電磁閥結(jié)構(gòu)[9]。電磁閥主要由鐵芯、導(dǎo)磁片、線圈、銜鐵組件(包括銜鐵和鋼球)、導(dǎo)向管等組成。其工作過(guò)程包括以下三個(gè)階段:

圖1 電控噴油器電磁閥結(jié)構(gòu)示意

1) 關(guān)閉狀態(tài)。電磁閥內(nèi)部設(shè)置一組電磁線圈,并且將噴油器頭部閥芯和銜鐵整合成一體,構(gòu)成閥體運(yùn)動(dòng)組件。當(dāng)噴射過(guò)程未開(kāi)始時(shí),彈簧力和燃油壓力將閥體壓在閥座上，此時(shí)處在關(guān)閉狀態(tài)。

2) 開(kāi)啟過(guò)程。當(dāng)線圈通電后,銜鐵所受的電磁力迅速增大,當(dāng)電磁力大于摩擦力、燃油壓力和彈簧力后,銜鐵開(kāi)始升起,燃油即從噴口流出,隨即導(dǎo)致噴口處產(chǎn)生壓降,引起壓力波動(dòng),噴油器內(nèi)的燃油流動(dòng)并不穩(wěn)定。當(dāng)銜鐵上升碰到限位平面后會(huì)有小幅反彈振動(dòng)現(xiàn)象,最終被電磁力吸牢在限位平面上,此后噴油器內(nèi)燃油流動(dòng)保持穩(wěn)定，噴油量和時(shí)間呈線性關(guān)系。

3) 關(guān)閉過(guò)程。當(dāng)電磁閥線圈斷電后,銜鐵受到的電磁力迅速下降,當(dāng)電磁力小于彈簧力及附加阻力時(shí),銜鐵在彈簧力作用下開(kāi)始下行,同時(shí)導(dǎo)致噴口處壓力升高,進(jìn)而產(chǎn)生壓力波動(dòng),噴油器內(nèi)燃油再次出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng),銜鐵碰到閥座經(jīng)反彈后被彈簧力壓牢在底座上,從而完成了一次噴油過(guò)程。

2 電磁閥銜鐵吸合時(shí)電流拐點(diǎn)產(chǎn)生的原因和條件

電磁閥開(kāi)啟過(guò)程是指從噴油器被施加驅(qū)動(dòng)電壓到噴油器電磁閥銜鐵完全吸合這一動(dòng)態(tài)過(guò)程。在這一過(guò)程中,噴油器電磁閥的電路和磁路均發(fā)生了一系列的變化,下面就這一過(guò)程進(jìn)行理論分析[10]。

電磁閥的等效磁路圖見(jiàn)圖2。圖中Φ為電磁閥磁通，I為電磁閥線圈的電流，N為線圈匝數(shù)，Rm為磁路總磁阻。

圖2 噴油器電磁閥的等效磁路圖

如上圖所示，在噴油器電磁閥的等效磁路中，若忽略磁漏時(shí)有如下公式：

ΦRm=NI。

(1)

噴油器電磁閥工作時(shí)的等效電路見(jiàn)圖3。

圖3 噴油器電磁閥的等效電路圖

如圖3所示,在噴油器電磁閥的等效電路中設(shè)整個(gè)電路的導(dǎo)通電阻為R,則整個(gè)回路的電壓方程如下:

(2)

式中:U為電磁鐵兩端的驅(qū)動(dòng)電壓;Φ為電磁鐵的等效磁通。結(jié)合式(1)與式(2)可得：

(3)

由式(3)可得電磁閥驅(qū)動(dòng)電流變化率的表達(dá)式：

(4)

(5)

設(shè)

圖4 噴油器電磁閥開(kāi)啟過(guò)程電流波形圖

圖4中B,C兩個(gè)電流拐點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于銜鐵運(yùn)動(dòng)始點(diǎn)和吸合點(diǎn)。銜鐵吸合點(diǎn)即是噴油器完全開(kāi)啟點(diǎn)。tdl就是噴油器實(shí)際完全開(kāi)啟的延遲時(shí)間。

3 微分檢測(cè)電路的誤差分析

文獻(xiàn)[3-8]介紹的檢測(cè)方法均是以微分電路為核心構(gòu)建的，如圖5所示。

圖5 基于微分電路的開(kāi)啟點(diǎn)檢測(cè)電路

由圖6可見(jiàn)，在噴油器開(kāi)啟(C點(diǎn))時(shí)刻，檢測(cè)電路會(huì)輸出一個(gè)脈沖M，單片機(jī)計(jì)算該脈沖相對(duì)于驅(qū)動(dòng)起始時(shí)刻的延遲時(shí)間，從而得到噴油器實(shí)際的開(kāi)啟時(shí)刻,即圖6中的S脈沖的上升沿和C點(diǎn)觸發(fā)脈沖M中線的時(shí)間差值T。計(jì)算時(shí)，單片機(jī)捕獲S脈沖上升沿和觸發(fā)脈沖M上升沿的時(shí)間差值TD，然后再捕獲M脈沖的脈寬值TM。即

(6)

圖6示出了開(kāi)啟時(shí)刻驅(qū)動(dòng)電流波形和微分檢測(cè)電路輸出波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻(B點(diǎn))和銜鐵完全吸合時(shí)刻(C點(diǎn))，即噴油器實(shí)際開(kāi)啟時(shí)刻，微分檢測(cè)電路會(huì)輸出2個(gè)尖峰。比較器電路在負(fù)尖峰的時(shí)刻產(chǎn)生觸發(fā)脈沖M。

圖6 不同比較器閾值對(duì)微分檢測(cè)電路輸出的影響

當(dāng)比較器取不同的閾值時(shí)(分別?、?Ⅱ,Ⅲ)，檢測(cè)電路會(huì)產(chǎn)生不同脈寬的觸發(fā)脈沖，如圖6中(1)、(2)、(3)所示。當(dāng)取閾值I的時(shí)候，生成的觸發(fā)脈沖很窄，取閾值Ⅱ,Ⅲ時(shí)會(huì)生成較寬的觸發(fā)脈沖。由圖6中(3)可以看出，噴油器開(kāi)啟點(diǎn)C并不是觸發(fā)脈沖M的中點(diǎn)，即T1和T2的值并不相等。由式(6)可以看出，要想提高檢測(cè)誤差需要降低觸發(fā)脈寬的值，因此比較電路的閾值需要恰到好處，要和噴油器的參數(shù)高度匹配。實(shí)際應(yīng)用中噴油器電磁閥的阻抗參數(shù)總是存在一定的差異，因此，每只噴油器驅(qū)動(dòng)電流波形在開(kāi)啟點(diǎn)前后的電流斜率并不完全相同，會(huì)存在一定的差異(見(jiàn)圖7)。圖7比較了2個(gè)噴油器的驅(qū)動(dòng)波形，它們的電流波形在完全開(kāi)啟點(diǎn)(C,C’)前的斜率(BC和B’C’)和開(kāi)啟點(diǎn)后的斜率(CD和C’D’)有一定的差異。虛線所示噴油器在開(kāi)啟點(diǎn)前后的斜率都要大于實(shí)線所示噴油器。因此虛線所示噴油器的微分檢測(cè)電路輸出信號(hào)在開(kāi)啟點(diǎn)C’的電壓值要大于實(shí)線所示噴油器開(kāi)啟點(diǎn)C的電壓值，如圖7中微分電路輸出波形的C，C’點(diǎn)。

圖7 驅(qū)動(dòng)電流波形差異對(duì)比較器閾值取值的影響

當(dāng)比較電路取閾值Ⅱ時(shí)，實(shí)線所示噴油器的觸發(fā)脈沖為M2,虛線所示噴油器的觸發(fā)脈沖為M3。M2和M3的脈寬都很大，由前文的分析可知，此時(shí)的檢測(cè)結(jié)果精度較低，當(dāng)比較電路取閾值Ⅰ時(shí)，虛線所示噴油器的觸發(fā)脈沖較小，此時(shí)對(duì)該噴油器的測(cè)量精度較高，但對(duì)于實(shí)線所示的噴油器而言，此時(shí)不能生成觸發(fā)脈沖，無(wú)法完成測(cè)量。因此微分檢測(cè)電路的方法對(duì)于參數(shù)的設(shè)置非?？量?，比較電路閾值的設(shè)置尤其關(guān)鍵，如一味強(qiáng)調(diào)測(cè)量的精度，使得觸發(fā)脈沖的脈寬處于較小范圍，則有可能會(huì)導(dǎo)致一些噴油器不能生成觸發(fā)脈沖，不能進(jìn)行測(cè)量。如果將比較電路的閾值設(shè)置得較低，使得噴油器都能產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，則測(cè)量的精度不能保證，因此這種方法存在一定的局限性。而且即使是同一個(gè)噴油器，使用時(shí)間長(zhǎng)了，也可能出現(xiàn)電磁閥參數(shù)變化的情況，影響到微分電路的輸出，進(jìn)而影響到比較電路的輸出，導(dǎo)致檢測(cè)精度下降。

另外構(gòu)成微分電路的R,C參數(shù)非常關(guān)鍵，由圖5的電路可知微分電路的輸出電壓[11]為

(7)

在實(shí)際的應(yīng)用中，電阻要使用萬(wàn)分之一精度的高精度電阻，電容也要用NPO級(jí)別的高品級(jí)電容，以便抑制溫漂的不利影響。因此電路的設(shè)計(jì)成本也較高。

汽車電控單元的使用環(huán)境非常惡劣，檢測(cè)電路的輸入信號(hào)極可能受到干擾，產(chǎn)生一些雜散毛刺信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)讓微分電路產(chǎn)生假信號(hào)，干擾檢測(cè)結(jié)果，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法檢測(cè)。為了抑制這些假信號(hào)，需要加入軟件濾波算法，這也增加了設(shè)計(jì)成本。因此基于微分電路的檢測(cè)電路在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性，設(shè)計(jì)成本也較高，為此本研究提出了一種更加實(shí)用的檢測(cè)方法。

4 新型檢測(cè)電路的工作原理

4.1 電路結(jié)構(gòu)

新型檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8，該結(jié)構(gòu)主要由DA轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大電路、比較電路、CPLD、MCU組成。MCU通過(guò)SPI口在線調(diào)節(jié)DA轉(zhuǎn)換電路改變輸出電壓值，然后通過(guò)比較電路觸發(fā)生成相關(guān)的脈沖。CPLD的作用是處理檢測(cè)電路生成的觸發(fā)脈沖，得到可檢測(cè)開(kāi)啟時(shí)間的脈沖。

圖8 新型檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)

4.2 電路工作原理

每次驅(qū)動(dòng)前，MCU通過(guò)SPI接口在線調(diào)節(jié)DA轉(zhuǎn)換電路的輸出值，由于驅(qū)動(dòng)波形存在2個(gè)電流拐點(diǎn)，即前述的B點(diǎn)和C點(diǎn)，因此檢測(cè)電路有2個(gè)DA轉(zhuǎn)換電路，DA1的值用來(lái)觸發(fā)電流拐點(diǎn)B，DA2的值用來(lái)觸發(fā)電流拐點(diǎn)C。在開(kāi)始檢測(cè)時(shí)，分別設(shè)置DA轉(zhuǎn)換電路的初始值(見(jiàn)圖9)，在噴油器運(yùn)行的一段時(shí)間內(nèi)，MCU調(diào)節(jié)DA輸出值，按照一定的步長(zhǎng)逼近電流拐點(diǎn)。即DA1是從大到小逐漸逼近，DA2是從小到大逐漸逼近。當(dāng)DA值接近電流拐點(diǎn)的電壓值時(shí)比較電路會(huì)產(chǎn)生小脈沖，這個(gè)小脈沖的觸發(fā)時(shí)刻以及脈寬是檢測(cè)開(kāi)啟點(diǎn)時(shí)間的關(guān)鍵變量。但產(chǎn)生小脈沖的同時(shí)，也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生不需要的脈沖。如圖9所示，當(dāng)DA1值接近電流拐點(diǎn)B時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)小脈沖，但也會(huì)從F點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)脈寬脈沖。B點(diǎn)實(shí)際觸發(fā)脈沖除了對(duì)檢測(cè)有用的小脈沖外，但也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)無(wú)用的長(zhǎng)脈寬脈沖，為此需要通過(guò)CPLD對(duì)無(wú)用信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。本研究引入DA1比較使能信號(hào)來(lái)過(guò)濾B點(diǎn)實(shí)際觸發(fā)脈沖，即只在使能信號(hào)的有效脈寬內(nèi)，使得B點(diǎn)實(shí)際觸發(fā)脈沖有效，不在有效脈寬內(nèi)無(wú)效，這樣就能從B點(diǎn)實(shí)際觸發(fā)脈沖中過(guò)濾掉無(wú)用脈沖，只保留對(duì)檢測(cè)有用的脈沖。對(duì)于C點(diǎn)來(lái)說(shuō)也設(shè)計(jì)DA2比較使能信號(hào)，來(lái)過(guò)濾C點(diǎn)實(shí)際觸發(fā)脈沖中的無(wú)用脈沖信號(hào)。

圖9 檢測(cè)信號(hào)相位圖a

由于DA1的逼近是從大到小逐漸逼近，在設(shè)置DA1使能信號(hào)的脈寬時(shí)可以按照如下的原則:當(dāng)生成小脈沖之后，從F點(diǎn)開(kāi)始，B點(diǎn)實(shí)際觸發(fā)脈沖將生成一個(gè)無(wú)用的長(zhǎng)脈寬脈沖，只要設(shè)置DA1比較使能信號(hào)從起始時(shí)刻開(kāi)始，在F點(diǎn)之前結(jié)束即可，即DA1比較使能信號(hào)的脈寬TDA1小于TB。同理DA2的逼近是從小到大的逼近，在觸發(fā)生成小脈沖之前，C點(diǎn)實(shí)際觸發(fā)脈沖從起始時(shí)刻到E點(diǎn)生成一個(gè)無(wú)用觸發(fā)脈沖，設(shè)置DA2比較使能信號(hào)的起始時(shí)刻大于E點(diǎn)即可，即DA2比較使能信號(hào)的起始時(shí)刻延遲值TDA2要大于TC。整個(gè)過(guò)程觸發(fā)脈沖生成的相位關(guān)系見(jiàn)圖9。

當(dāng)DA2的值非常接近拐點(diǎn)C的電壓值時(shí)會(huì)在C點(diǎn)觸發(fā)生成小脈沖，但是在C點(diǎn)之前，從起始時(shí)刻開(kāi)始就會(huì)生成無(wú)效的脈沖，直到E點(diǎn)結(jié)束。同理，當(dāng)DA1的值非常接近拐點(diǎn)B的電壓值時(shí),會(huì)在B點(diǎn)觸發(fā)生成小脈沖，之后從F點(diǎn)開(kāi)始生成無(wú)用的脈沖。如果CPLD邏輯使能信號(hào)晚于E點(diǎn)開(kāi)始，早于F點(diǎn)結(jié)束，即在取值窗口內(nèi)就可濾掉B，C點(diǎn)的觸發(fā)脈沖中的無(wú)效信號(hào)，這樣只需一個(gè)使能窗口信號(hào)就可以滿足要求(見(jiàn)圖10)。實(shí)際CPLD邏輯使能信號(hào)的起止邊界應(yīng)根據(jù)不同型號(hào)噴油器確定。

圖10 檢測(cè)信號(hào)相位圖b

圖10示出實(shí)際關(guān)鍵檢測(cè)信號(hào)的相位圖。B，C點(diǎn)觸發(fā)脈沖均是經(jīng)過(guò)CPLD濾掉無(wú)用脈沖的信號(hào)。B點(diǎn)觸發(fā)的小脈沖信號(hào)的中點(diǎn)，可表示電磁閥銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，如果小脈沖的脈寬足夠小，則銜鐵運(yùn)動(dòng)起始時(shí)刻就足夠精確。C點(diǎn)觸發(fā)的小脈沖信號(hào)的中點(diǎn)，可表示電磁閥銜鐵完全吸合時(shí)刻，即噴油器開(kāi)啟時(shí)刻，只要這個(gè)脈沖脈寬足夠小，噴油器的開(kāi)啟時(shí)刻就足夠精確。

CPLD根據(jù)這2個(gè)輸入信號(hào)的上升沿合成銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間脈沖，通過(guò)檢測(cè)該脈沖的脈寬以及B，C點(diǎn)的觸發(fā)脈沖脈寬就能得到電磁閥銜鐵的運(yùn)動(dòng)時(shí)間T3，即

T3=t3+Δt1/2-Δt2/2。

(8)

只要能將生成的觸發(fā)脈沖脈寬控制在很小的值，檢測(cè)的結(jié)果就比較精確。

CPLD根據(jù)電流拐點(diǎn)C生成的觸發(fā)脈沖以及驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)生成噴油器開(kāi)啟延時(shí)脈沖，通過(guò)檢測(cè)該脈沖脈寬的長(zhǎng)度時(shí)間t1以及C點(diǎn)觸發(fā)脈沖脈寬來(lái)確定噴油器開(kāi)啟延遲時(shí)間T4，即

T4=t1+Δt1/2。

(9)

觸發(fā)脈沖的生成是個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，也就是說(shuō)觸發(fā)脈沖是在噴油器正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過(guò)N個(gè)驅(qū)動(dòng)周期后，通過(guò)在線逐漸調(diào)節(jié)DA的值，使之逐漸逼近產(chǎn)生電流拐點(diǎn)時(shí)的電壓值，直到生成滿足測(cè)量要求的小脈沖為止，在每個(gè)驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)DA的值是不變的，每次驅(qū)動(dòng)結(jié)束后，根據(jù)判斷條件來(lái)決定下個(gè)周期DA值如何調(diào)節(jié)。整個(gè)流程需要按照一定的邏輯來(lái)進(jìn)行。該邏輯的流程圖見(jiàn)圖11。當(dāng)生成滿足要求的測(cè)量脈沖后，本次測(cè)量過(guò)程結(jié)束，此時(shí)需要重新將DA值重置到初始狀態(tài)，為下一次的測(cè)量做準(zhǔn)備。

圖11 檢測(cè)邏輯流程圖

當(dāng)檢測(cè)電流拐點(diǎn)C時(shí)，DA2的值是由小到大逼近電流拐點(diǎn)的電壓值，相應(yīng)的邏輯流程應(yīng)為先逐漸增加步長(zhǎng)，當(dāng)累計(jì)的電壓值超過(guò)電流拐點(diǎn)電壓值太多時(shí)，此時(shí)生成的脈沖的脈寬值可能會(huì)超過(guò)設(shè)定的脈寬值M，此時(shí)按照一定的步長(zhǎng)再減少DA2值。當(dāng)檢測(cè)電流拐點(diǎn)B時(shí)，DA1的值是由大到小逼近電流拐點(diǎn)的電壓值，對(duì)應(yīng)于圖11中括號(hào)里的情況，DA1值的增減邏輯和DA2值相反。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證本研究提出方法的有效性和準(zhǔn)確性，采用Polytec的單點(diǎn)式激光測(cè)振儀來(lái)驗(yàn)證電磁閥開(kāi)啟階段銜鐵運(yùn)動(dòng)的起始、結(jié)束時(shí)刻。該設(shè)備通過(guò)光學(xué)頭發(fā)出一束激光照射到目標(biāo)上，同時(shí)接收目標(biāo)反射回的激光，產(chǎn)生激光干涉多普勒效應(yīng)。控制器以此物理現(xiàn)象為依據(jù)進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算處理，得到被測(cè)目標(biāo)的位移和速度。該設(shè)備可準(zhǔn)確測(cè)量噴油器銜鐵的運(yùn)動(dòng)位移。

該設(shè)備測(cè)量的最小位移可達(dá)0.4 μm,汽油電控汽油噴油器的工作氣隙[12]一般在40～100 μm，其測(cè)量精度在1%到0.4%之間。鑒于該設(shè)備測(cè)量精度較高，因此，本研究使用微分電路檢測(cè)法和新型檢測(cè)電路法分別與激光測(cè)振儀進(jìn)行對(duì)照測(cè)試和分析。

如圖12所示，波形1是噴油器驅(qū)動(dòng)電流波形，波形2是激光測(cè)振儀檢測(cè)得到的銜鐵位移波形，波形3是微分電路產(chǎn)生的電壓變化率波形，波形4、波形5是比較器電路產(chǎn)生的短脈沖,波形5對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為電流拐點(diǎn)C的生成時(shí)刻。

圖12 微分電路法、激光測(cè)振儀對(duì)照波形

試驗(yàn)采用10個(gè)BOSCH EV6型噴油器作為樣本進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。使用微分電路檢測(cè)法、激光測(cè)振儀的方法進(jìn)行對(duì)照檢測(cè)。由圖中可看出銜鐵完全吸合時(shí)，其位移達(dá)到最大，銜鐵吸合的瞬間產(chǎn)生振動(dòng)，因此對(duì)應(yīng)的波形2在吸合時(shí)刻會(huì)有抖動(dòng)的現(xiàn)象。銜鐵位移的最大點(diǎn)完全對(duì)應(yīng)電流拐點(diǎn)C，該點(diǎn)也是銜鐵完全吸合的時(shí)刻。比較電路在電流波形起始時(shí)刻及電流拐點(diǎn)生成時(shí)刻(C點(diǎn))產(chǎn)生2個(gè)短脈沖，其中波形5的生成時(shí)刻對(duì)應(yīng)電流拐點(diǎn)的生成時(shí)刻。當(dāng)運(yùn)放比較電路的閾值設(shè)置為-1.65 V和-1.75 V時(shí)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1 閾值為-1.65 V時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 閾值為-1.75 V時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1與表2可看出，當(dāng)閾值為-1.65 V時(shí)，該電壓值大于微分電路輸出電壓的低值，且相差較多，此時(shí)10個(gè)噴油器的開(kāi)啟時(shí)間都能測(cè)出,但精度較低，大部分誤差超過(guò)2%。當(dāng)閾值為-1.75 V時(shí)，該電壓值接近微分電路輸出電壓的低值，此時(shí)有2個(gè)噴油器不能生成觸發(fā)脈沖，無(wú)法完成測(cè)量，但其他能檢測(cè)出的開(kāi)啟時(shí)間數(shù)據(jù)精度較高，誤差在2%以內(nèi)，和新型檢測(cè)電路法的檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差精度相當(dāng)。這種現(xiàn)象和第4小節(jié)的分析結(jié)果基本一致。

如圖13所示，波形1是噴油器驅(qū)動(dòng)電流波形，波形2是激光測(cè)振儀檢測(cè)得到的銜鐵位移波形，波形3、波形4是檢測(cè)電路在電流拐點(diǎn)(B和C)觸發(fā)生成的短脈沖。

圖13 新型檢測(cè)電路法、激光測(cè)振儀對(duì)照波形

根據(jù)邏輯流程，M的取值是觸發(fā)生成小脈寬脈沖的限制條件，當(dāng)M值取5 μs，4 μs,3 μs時(shí)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,表4與表5。

表3 M值為5 μs時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 M值為4 μs時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 M值為3 μs時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3至表5的數(shù)據(jù)表明，M取值越小，測(cè)量的誤差率越小，但當(dāng)M值進(jìn)一步減小時(shí)，誤差率的改變并不明顯。當(dāng)M取值從4 μs下降到3 μs時(shí)，誤差率僅從1.74%降低到1.5%。試驗(yàn)表明，M值取到5 μs時(shí)，檢測(cè)精度就能達(dá)到2.1%，即使疊加激光測(cè)振儀本身的誤差，其綜合誤差率也能達(dá)到3%以內(nèi)。之所以出現(xiàn)M值進(jìn)一步縮小，而誤差率沒(méi)有明顯減低的現(xiàn)象，是因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)生誤差的主要原因在于電流采樣電路、調(diào)理電路、比較電路的延時(shí)。

另外通過(guò)本研究的方法也可以檢測(cè)噴油器的落座時(shí)間，其原理和邏輯結(jié)構(gòu)與開(kāi)啟時(shí)間類似，即圖13中的電流拐點(diǎn)D,E。還可檢測(cè)出銜鐵的運(yùn)動(dòng)時(shí)間T3,如果該值出現(xiàn)了明顯的變化，可能意味著噴油特性發(fā)生了改變，因此T3的值可作為噴油器的性能診斷判據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種新型檢測(cè)電路，可以穩(wěn)定地在驅(qū)動(dòng)電流拐點(diǎn)產(chǎn)生的時(shí)刻觸發(fā)生成窄脈沖，克服了微分檢測(cè)電路易受干擾、設(shè)計(jì)成本較高的缺點(diǎn)。通過(guò)和激光測(cè)振儀的比對(duì)試驗(yàn)表明本方法的誤差率較低。

本方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較易集成到電控單元中，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)開(kāi)啟及落座延遲時(shí)間，為噴油正時(shí)控制策略提供決策依據(jù)。