李高堅，袁觀練 ，孫 明 ，鄒 斌 ，顏伏伍

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545000；2.武漢理工大學 汽車工程學院，武漢430070)

隨著全球石油危機及燃油汽車對城市環(huán)境污染的日益嚴重，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)勢在必行。液化石油氣 (Liquefied Petroleum Gas，LPG）/汽油兩用燃料汽車在原有以汽油為燃料的基礎上增設一套LPG供給系統(tǒng)，實現(xiàn)在兩種燃料之間切換，燃氣采用多點電控噴射，電控單元通過控制噴氣閥噴出的燃氣以適應各種不同的工況。為了保證汽車在使用LPG時具有良好的動力性、經(jīng)濟性及排放性能等，必須獲得噴氣閥的流量特性，本文針對其測試平臺設計及流量特性分析進行研究。

1 噴氣閥測試內(nèi)容

1.1 流量特性參數(shù)

噴氣閥的流量特性是指噴氣閥單次噴氣量與噴氣脈寬的關系曲線。為了測試流量特性，首先需要了解其結構及工作原理。噴氣閥是電磁閥結構的一種，主要由針閥、針閥座、電磁線圈、回位彈簧以及噴氣閥體等組成，噴氣閥是一個復雜的電路、磁路、流體運動及機械運動系統(tǒng)。在燃氣噴射系統(tǒng)中，電控單元根據(jù)所采集的傳感器信號，計算所需噴氣量，根據(jù)噴氣量給噴氣閥一個噴氣脈沖，脈沖寬度的大小就決定了噴氣閥單次噴射的燃氣量[1]。

參考噴油器的特性參數(shù)，描述噴氣閥流量特性主要技術參數(shù)包括：

（1）靜態(tài)噴射率（Vs）。當噴氣閥處于全開位置時，流經(jīng)噴氣閥的燃氣量隨時間的變化，它是噴氣閥的最大噴射率[2]。

（2）動態(tài)噴射量（Vd）。動態(tài)噴射量是指噴氣閥在給定的噴氣脈寬下所供給的噴氣量（ml/pulse）。

（3）線性偏差（LD）。在給定噴氣脈寬下測量的流量或?qū)嶋H流量和計算流量之差與計算流量的百分比。

（4）噴氣斜率（M）。根據(jù)流量特性曲線計算出的線性回歸流量，即單位脈寬下噴氣量的變化。

（5）流量范圍（LFF和WFR）。用來衡量噴氣閥最大與最小流量，定義為最大動態(tài)流量與最小動態(tài)流量之比，其中包括線性流量范圍（LFR）與工作流量范圍（WFR）。

鑒于LPG為氣體噴射，不需對其做噴射分布測試。

1.2 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性的要求是在標準的實驗條件下，以任意脈沖寬度噴射1 000次，噴氣閥的開啟時間與關閉時間誤差應保持在2%范圍內(nèi)。

1.3 蓄電池電壓及噴射壓力的影響

不同的蓄電池電壓及噴射壓力下的噴氣閥動態(tài)流量曲線，用于標定噴氣閥流量對于電壓及噴射壓力變化的修正曲線，正確補償噴氣量。

2 測試平臺及實施方案

2.1 氣路系統(tǒng)

為了能夠準確得到噴氣閥流量特性，需要有可靠的技術方案及實現(xiàn)方法，測試平臺的設計應考慮實驗環(huán)境條件與特性參數(shù)實驗條件，整個測試系統(tǒng)包括氣路系統(tǒng)與噴氣控制系統(tǒng)。設計測試平臺模型如圖1所示。

氣路系統(tǒng)主要由儲氣罐、蒸發(fā)減壓閥、氣體濾清器以及噴氣閥組成，由于LPG中丙烷與丁烷均易燃易爆，且壓力不易于控制，故試驗中用空氣替代。測試前，使用空氣壓縮機給儲氣罐加氣，氣體壓力根據(jù)實驗需要調(diào)節(jié)。測試過程中，調(diào)節(jié)蒸發(fā)減壓閥輸出氣壓，一般設定噴氣閥的噴射壓力為0.12 MPa，氣體通過流量傳感器與壓力傳感器，進入噴氣閥氣軌。噴氣閥根據(jù)控制單元的脈沖信號實現(xiàn)開啟與關閉動作，并噴出適量的氣體。其中流量傳感器可測量質(zhì)量流量、體積流量、累計質(zhì)量以及累計體積等參數(shù)。

2.2 噴氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括硬件部分及軟件程序，硬件部分主要由計算機、控制器模塊、噴氣閥驅(qū)動電路及信號、串口通信模塊、振動信號采集模塊構成。

（1）計算機。通過VB軟件編寫圖形化控制界面，與控制器通信，實現(xiàn)噴氣脈沖各段時間、脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號頻率、占空比以及噴射次數(shù)的設置。

（2）控制器模塊。采用飛思卡爾S12X系列單片機中的MC9S12XDP512，該單片機集成了定時器、脈沖寬度調(diào)制、A/D轉(zhuǎn)換以及串口通信（SCI）等模塊。在接收到計算機發(fā)來的數(shù)據(jù)后，利用該單片機即可產(chǎn)生噴氣閥所需脈沖信號，該信號精度可達1 us，此外還接收流量傳感器與壓力傳感器信號，并進行A/D轉(zhuǎn)換。

（3）噴氣閥驅(qū)動電路及驅(qū)動信號。噴氣閥的驅(qū)動形式有兩種，即電壓型驅(qū)動電路與電流型驅(qū)動電路，此次測試中使用的噴氣閥為低阻型，線圈阻值為3 Ω，使用電流型驅(qū)動方式。測試中通過控制器脈寬調(diào)制功能實現(xiàn)電流型驅(qū)動效果，控制器輸出驅(qū)動信號如圖2所示，驅(qū)動電路如圖3所示［3］。

噴氣閥驅(qū)動信號號噴射周期為T，噴射時間為Tinj，由兩部分組成，即峰值電壓時間Tpeak與保持時間Tpwm。在Tpeak時間內(nèi)，給出100%占空比信號，此段中噴氣閥加載電壓為蓄電池電壓，電流迅速上升，以使噴氣閥迅速開啟。Tpwm時間內(nèi)輸出頻率為10 kHz的PWM信號，線圈中只需較小電流保持噴氣閥閥桿的位置，PWM信號結束后關閉定時器與PWM模塊，停止信號輸出，直至噴射周期結束。

（4）串口通信模塊。該模塊主要實現(xiàn)計算機與控制器之間的通信，計算機通過串口RS232與控制器建立連接，并將設定的參數(shù)發(fā)送到控制器，控制器按照要求對噴氣閥輸出相應的信號脈沖，同時通過該模塊采集傳感器信號，記錄噴射壓力值及噴氣量。

（5）振動信號參數(shù)的采集。噴氣閥開啟與關閉時的振動信號由壓電陶瓷片檢測，通過A/D模塊輸入計算機，該信號對A/D模塊轉(zhuǎn)換速率要求較高，處理結果用于分析噴氣閥的穩(wěn)定性。

3 測試過程及分析

3.1 靜態(tài)噴射率Vs與動態(tài)噴射量Vd

靜態(tài)噴射率也反映了噴氣閥的最大噴射率，在標準測試條件下，保持噴氣閥處于全開位置20 s，每隔2 s通過控制器讀取體積流量一次，完成后取平均值，即為噴氣閥動態(tài)噴射率[4]。

動態(tài)噴射量即在動態(tài)工作過程中實際的噴氣量，是發(fā)動機運轉(zhuǎn)時供氣量的主要依據(jù)。在保證測試中噴射壓力與驅(qū)動電壓等工作條件不變的情況下，給定噴氣閥周期T=10 ms。實驗中每個測試點的噴氣次數(shù)設定為1 000，然后根據(jù)所測值求出每個測試點的動態(tài)噴氣量ml/pulse，作出其Vd-t圖，如圖4所示。

理想的噴氣閥，其開啟與關閉都是瞬間完成，噴氣閥流量為線性的，但實際上并非如此。噴氣閥在通電后并非瞬間開啟，由于噴氣閥電感作用，電流逐步上升，產(chǎn)生的磁場增強，吸引閥桿克服外力，從而使噴氣閥開啟［5］。在噴氣閥上的電壓斷開后，電流下降，當磁場不足以克服外力時，閥桿落在噴氣孔座上，噴氣閥關閉。開啟延遲使得噴氣閥在小范圍的脈沖寬度時，噴氣量并非線性增長，而關閉延遲導致在脈沖寬度接近噴射周期時連續(xù)測試中，前一次噴射噴氣閥剛剛關閉或未完全關閉，后一次的噴射脈沖又開始，流量增速加大，最終噴氣閥一直保持完全開啟，流量不變。

3.2 穩(wěn)定性

噴氣閥開啟與關閉對于其流量特性有較大的影響，噴氣閥的穩(wěn)定性是用來度量噴氣閥開啟時間與關閉時間的變化，也是脈沖時間性能或頻率的一種間接度量。實驗時至少對1 000次連續(xù)脈沖的開啟與關閉時間進行記錄。開啟時間是驅(qū)動電路脈沖開始輸出后，噴氣閥鐵芯首次達到它的全開位置所需要的時間，關閉時間是驅(qū)動電路脈沖輸出中斷后，噴氣閥鐵芯首次達到它的全關位置所需要的時間。

測量噴氣閥開啟與關閉時間要通過噴氣閥體的振動來判斷，在此選用壓電陶瓷片，將其固定安裝在噴氣閥體上，該信號通過A/D模塊轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)值由計算機記錄，圖5為示波器測量的噴氣閥開啟與關閉時間。從圖5可以看出，在脈沖信號開始后一段時間后，壓電陶瓷片發(fā)出振動信號，同樣在關閉后，振動信號也有延遲。

3.3 噴射壓力的影響

根據(jù)伯努利方程可知，噴氣量與噴射壓力和噴射出口之間的壓差有一定的關系。通過調(diào)整蒸發(fā)減壓閥，使得噴射壓力逐漸變化，作出不同噴射壓力下的流量特性圖，如圖6所示。從圖6可以看出，隨著噴氣壓力的增大，對應的流量曲線的斜率也逐漸增大，即在相同的噴射時間內(nèi)噴氣量變大，由此，在發(fā)動機工作時，若噴射壓力有變化，噴射脈沖應能及時做出相應的補償，以保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)［6］。

3.4 蓄電池電壓的影響

發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時，蓄電池直接將電壓供給噴氣閥，而蓄電池的電壓并非一直不變，由于車上用電設備的開啟與關斷以及發(fā)電機的關系，勢必會造成電壓波動，由此影響噴氣閥的流量特性，因而需要通過蓄電池電壓與流量特性的關系對電壓波動進行補償。測試過程中需要調(diào)整供電電壓，以測試不同電壓對流量特性的影響關系，即得到不同電壓下的流量特性曲線，如圖7所示。隨著驅(qū)動電壓的下降，噴氣閥開啟時間增大，因而噴氣閥在實際工作時，當蓄電池電壓偏高則應減少噴射占空比，而如果電壓下降則應延長噴射時間，以此達到理想的空燃比。

4 結論

（1）針對噴氣閥特性測試要求搭建了噴氣閥特性測試平臺，該平臺滿足流量測試所需精度。

（2）對噴氣閥的靜態(tài)噴射率、動態(tài)噴射量、穩(wěn)定性、蓄電池電壓與噴射壓力對噴氣閥流量特性的影響進行測試及分析，測試得到的結果與理論相符，可對其流量特性進行修正補償，正確控制噴射量，實現(xiàn)噴氣閥的標定。

［1］尹叢勃，張振東，劉志遠，等.電控噴油器流量特性試驗臺的設計與試驗［J］.農(nóng)機化研究，2007，12:194-196.

［2］GB/T 25362-2010汽油機電磁閥式噴油器總成技術條件［S］.

［3］李豪，李云清.噴油器特性測量及驅(qū)動電路性能研究［J］.山西電子技術，2008，（1）:40-42.

［4］袁守利，顏伏伍，鄒斌.電控噴油器綜合性能試驗臺的研究與開發(fā)［J］.武漢理工大學學報，2007（29），10:77-81.

［5］肖龍發(fā)，張振東，郭輝.電控噴油器開啟及落座時間的測試［J］.汽車科技，2010，（2）:57-61.

［6］何付斌，楊鐵皂，徐宙斌，等.電控噴油器噴射量特性小噴油脈寬非線性段研究［J］.河南科技大學學報（自然科學版），2010（31），5:29-39.