郭 輝 張振東 程 強 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

汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高要求電控噴油器的一個噴油周期在幾毫秒之內(nèi)，并在這段時間內(nèi)噴射出精確計量的燃油，以滿足發(fā)動機對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態(tài)響應(yīng)性能，即開啟過程和關(guān)閉過程的時間要盡可能短［1－2］。

在噴油器的設(shè)計開發(fā)、制造及與發(fā)動機匹配過程中，需要對噴油器的各種性能進行測量，如靜態(tài)流量特性、動態(tài)流量特性、線性度、靜態(tài)最低開啟電壓、動態(tài)最低開啟電壓，以及噴油器的開啟和關(guān)閉的響應(yīng)時間等參數(shù)。國內(nèi)已經(jīng)研制出多套各具特色的測試系統(tǒng)或裝置［3－5］，可供噴油器的性能試驗、出廠測試使用，但這些裝置幾乎不能直接測量噴油器的動態(tài)時間參數(shù)，即開啟和關(guān)閉的響應(yīng)時間。因此，急需一種簡單的測試方法，以設(shè)計檢測噴油器的動態(tài)時間參數(shù)的測試系統(tǒng)。

1 動態(tài)時間參數(shù)測試方法

1.1 結(jié)構(gòu)與原理

某一型號電控噴油器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)主要由噴管主體、噴管進口、球閥、銜鐵、閥座、彈簧、鐵芯、線圈、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，打開或關(guān)閉燃油通路，完成將精確計量的燃油在規(guī)定時刻噴射到進氣門處。

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)朗貝爾運動方程（忽略噴油器內(nèi)部流體對銜鐵、鐵心等的作用力），可以導(dǎo)出下列描述電控噴油器動態(tài)過程的解析方程［6－7］：

式中，U0、R、i、ψ分別為等效電路中線圈電壓、線圈電阻、線圈電流、磁鏈；Φδ、μ0、S分別為等效磁路中磁通（工作氣隙為δ時）、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、運動件質(zhì)量、銜鐵—球閥的位移；R為線圈電阻，與線圈匝數(shù)N、線徑、導(dǎo)線的電阻率有關(guān)。

圖2 等效磁路和等效電路

圖3 球閥受力示意圖

1.3 測試機理

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

圖4 電控噴油器工作過程中電流變化曲線

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

在D點，控制電壓降為0，由于電感的存在，線圈兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并很快衰減。在球閥落座過程中，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，勢必在電磁線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使電磁線圈兩端迅速下降的電動勢復(fù)又增加，在球閥落座終了時刻達(dá)到最大值（圖4中E點）。此后由于氣隙不再改變，該電動勢又很快衰減，使得電流逐漸減小至0。這樣分別檢測到D、E兩點的時刻，其差便是關(guān)閉響應(yīng)時間td2。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

噴油器開啟、關(guān)閉動態(tài)響應(yīng)時間的測試系統(tǒng)框圖如圖5所示，單片機發(fā)出的控制信號經(jīng)驅(qū)動電路控制電控噴油器工作，線圈電流由一精密微小阻值的電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)信號放大電路、微分電路、電壓比較電路及電平轉(zhuǎn)換電路處理后進入單片機，記錄下噴射器動態(tài)工作過程中的O、B、D及E點（圖4）的時刻，經(jīng)RS232傳送到PC機以便對數(shù)據(jù)進行處理。電源模塊對單片機及噴油器供電，調(diào)節(jié)旋鈕組件包含多個調(diào)節(jié)旋鈕，可分別調(diào)節(jié)各運算放大器的增益，保證B、E兩點容易被單片機捕獲。同時，該系統(tǒng)也可以完成對噴油器的電壓及噴射壓力的調(diào)節(jié)，用以測量不同電壓、不同壓力下噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間。運行于PC機的上位機不僅可以記錄、保存所采集到的噴油器動態(tài)響應(yīng)時間，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。同時，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、動態(tài)流量特性、線性度、靜態(tài)最低開啟電壓、動態(tài)最低開啟電壓等參數(shù)的測量。

3 結(jié)果及誤差分析

3.1 測試結(jié)果

采用圖5所示的測試系統(tǒng)對幾種類型的電控噴油器開啟及關(guān)閉動態(tài)響應(yīng)時間進行實際測試，測試條件及結(jié)果如表1所示。由于在電控噴油器標(biāo)定及與發(fā)動機匹配的過程中，需考慮供電電壓變化對噴油器噴油量的影響，因此要對噴油脈寬進行實時補償，以達(dá)到對噴油量的精確控制。本文對型號1噴油器在供電電壓改變的情況下，對其開啟響應(yīng)時間進行測試，結(jié)果如圖6所示。

圖5 開啟與關(guān)閉動態(tài)響應(yīng)時間檢測系統(tǒng)框圖

表1 測試條件及結(jié)果列表

圖6 開啟響應(yīng)時間隨供電電壓的變化曲線

3.2 誤差分析

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

在噴油器開啟動態(tài)響應(yīng)時間檢測電路中，為了把線圈的電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，在線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5μs；運算放大器響應(yīng)產(chǎn)生的時間延遲正常情況下不會大于5μs；C8051F310單片機16位定時器T0的分辨率為1μs［10］；處理軟件造成的誤差可通過軟件進行補償，使其不超過單片機的一個機器周期即0.25μs。因此，可能造成的最大誤差δtd1＝11.25μs，δtd2＝6.25μs。

對于型號1噴油器而言，td1和td2的測試誤差分別為0.90%和1.14%?？梢姡摐y試方法具有足夠高的測量精度，滿足電控噴油器開發(fā)、出廠測試試驗以及與發(fā)動機匹配標(biāo)定試驗等需要。

4 結(jié)束語

本文在給出電控噴油器的結(jié)構(gòu)組成、動態(tài)工作過程的基礎(chǔ)上，提出了一種基于噴油器線圈電流變化規(guī)律的電控噴油器動態(tài)特性時間參數(shù)的測試方法。根據(jù)所設(shè)計的測試系統(tǒng)對多款噴油器實測結(jié)果表明，該方法簡單、便捷，測量精度高，可滿足噴油器設(shè)計、制造加工過程中的檢測要求。該測試系統(tǒng)還可測量供電電壓改變時開啟響應(yīng)時間的變化，以用于在電控噴油器標(biāo)定及與發(fā)動機匹配過程中，需考慮供電電壓變化對噴油器噴油量的影響，對噴油脈寬進行實時補償，以達(dá)到對噴油量的精確控制。

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