葉昌張振東程強(qiáng)郭輝

（1.上海理工大學(xué)；2.上海工程技術(shù)大學(xué)）

電控汽油噴油器動態(tài)響應(yīng)及流量特性測試系統(tǒng)研究*

葉昌1張振東1程強(qiáng)1郭輝2

（1.上海理工大學(xué)；2.上海工程技術(shù)大學(xué)）

分析了進(jìn)氣道噴射式電控汽油噴油器的結(jié)構(gòu)及工作原理，利用鋼球完全開啟及完全關(guān)閉時刻線圈電流曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的特點(diǎn)，提出一種基于線圈電流變化的電控汽油噴油器動態(tài)響應(yīng)時間測量方法，并以單片機(jī)為控制核心開發(fā)了電控汽油噴油器動態(tài)響應(yīng)及流量特性測試系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)能夠?qū)﹄娍仄蛧娪推鞯膭討B(tài)響應(yīng)及流量特性進(jìn)行高精度檢測，開啟延遲時間的相對測試誤差小于1.67%，關(guān)閉滯后時間的相對測試誤差小于1.56%，流量特性的測試誤差小于0.01 mg。

1 前言

電控汽油噴油器作為發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的重要部件，主要負(fù)責(zé)燃油噴射量的精確控制，其性能對汽車發(fā)動機(jī)動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能有著重要影響[1，2]。流量特性和動態(tài)響應(yīng)特性是反映電控汽油噴油器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，我國有多家企業(yè)從事電控汽油噴油器的生產(chǎn)，但對其關(guān)鍵性能的檢測設(shè)備十分缺乏，對于流量特性的檢測普遍采用容積法或離線稱重法[3～5]，但測量誤差大，自動化程度低；而對于動態(tài)響應(yīng)特性通常采用針閥行程測量儀檢測柴油機(jī)噴油器動態(tài)響應(yīng)，但由于需要在噴油器內(nèi)部安裝針閥行程傳感器，也不適合用于電控汽油噴油器的批量檢測。因此，必須開發(fā)一種汽車電控汽油噴油器性能檢測系統(tǒng)，以滿足企業(yè)對電控汽油噴油器流量特性及動態(tài)響應(yīng)特性檢測的需要。

本文從電控汽油噴油器的工作機(jī)理出發(fā)，建立了線圈電流曲線拐點(diǎn)與鋼球開啟和關(guān)閉時刻的對應(yīng)關(guān)系，以此為依據(jù)提出了一種動態(tài)響應(yīng)時間的非接觸式測量方法，并以油溫恒溫控制及在線稱重法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種電控汽油噴油器流量特性測試方法，從而構(gòu)建了電控汽油噴油器綜合性能檢測系統(tǒng)。

2 電控汽油噴油器的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為電控汽油噴油器的結(jié)構(gòu)[6]，由噴管主體、噴管進(jìn)口、球閥、銜鐵、導(dǎo)磁體、線圈、閥座、鐵心、定位環(huán)、回位彈簧以及噴孔網(wǎng)等部件組成。

當(dāng)電控汽油噴油器線圈未通電時，球閥在回位彈簧力、鋼球重力和燃油壓力等復(fù)合力作用下被壓緊在閥座上；當(dāng)線圈通電后，線圈內(nèi)電磁力迅速增大，球閥克服復(fù)合力阻礙向上運(yùn)動，燃油壓力將汽油從噴孔內(nèi)壓出；當(dāng)線圈斷電后，電磁力迅速衰減并消失，球閥再次回落到閥座，噴油停止。至此，電控汽油噴油器完成一次循環(huán)噴油過程。

3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測試原理

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)由燃油供給模塊、驅(qū)動模塊、信號采集模塊以及參數(shù)處理模塊等4部分組成。燃油供給模塊由油箱、電動燃油泵、燃油濾清器、恒溫器、油軌、壓力調(diào)節(jié)閥、電控汽油噴油器等組成；驅(qū)動模塊由單片機(jī)、驅(qū)動電路及電控汽油噴油器等組成；信號采集模塊由精密電子天平、串口卡、量筒以及動態(tài)響應(yīng)時間采集電路等組成；參數(shù)處理模塊由單片機(jī)和上位機(jī)組成。

3.1 動態(tài)響應(yīng)時間測試

電控汽油噴油器動態(tài)響應(yīng)時間包括開啟延遲時間和關(guān)閉滯后時間。開啟延遲時間to即電控汽油噴油器線圈通電時刻至球閥到達(dá)最大開啟位置時刻所經(jīng)歷的時間；關(guān)閉滯后時間tc則為線圈斷電時刻到球閥回落閥座時刻所經(jīng)歷的時間。為評價電控汽油噴油器的動態(tài)響應(yīng)性能，需要對球閥開啟延時及關(guān)閉滯后時間進(jìn)行精確測量。

3.1.1 開啟延遲時間測試

當(dāng)電控汽油噴油器線圈通電后，線圈中電流逐漸增加，鐵芯對銜鐵的電磁吸力逐漸變強(qiáng)，當(dāng)電磁吸力小于回位彈簧的預(yù)緊力時，球閥被壓緊在閥座上處于靜止?fàn)顟B(tài)，所經(jīng)歷的時間t1如圖3中OA段所示，此時由于銜鐵工作氣隙一定，線圈總磁阻不變，所以線圈電流按一定的指數(shù)規(guī)律增加。

當(dāng)電磁吸力大于回位彈簧預(yù)緊力與其它運(yùn)動阻力之和時，球閥離開閥座向鐵芯方向運(yùn)動，并在B時刻達(dá)到最大開啟位置，所經(jīng)歷的時間t2如圖3中AB段所示，在此階段，由于銜鐵工作氣隙及磁路總磁阻逐漸減小，導(dǎo)致線圈電感逐漸變大，使得線圈電流逐漸下降，在球閥完全開啟時刻，線圈電流出現(xiàn)極小值。此后，銜鐵工作氣隙又保持一定，線圈電流又以一定的指數(shù)規(guī)律增加，直至達(dá)到飽和值。t1與t2之和為球閥開啟延遲時間，即t0=t1+t2。根據(jù)球閥開啟階段的運(yùn)動狀態(tài)與線圈電流的對應(yīng)關(guān)系可知，通過檢測線圈電流極小值出現(xiàn)的時刻并結(jié)合線圈通電時刻，可確定球閥開啟延遲時間[7，8]。

根據(jù)上述測試原理，設(shè)計(jì)了一種球閥完全開啟時刻檢測電路，如圖4所示。該電路由線圈電流采樣電路、信號放大電路、微分電路、比較電路以及電平轉(zhuǎn)換電路等組成。通過在線圈電路中串聯(lián)一個小阻值采樣電阻R0將線圈電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，信號放大電路對采樣電壓信號進(jìn)行放大處理，微分電路將電壓極值點(diǎn)轉(zhuǎn)化為電壓脈沖，再通過比較電路將電壓脈沖轉(zhuǎn)化為方波信號，電平轉(zhuǎn)換電路最終將方波信號轉(zhuǎn)化為TTL電平信號，由于該信號為負(fù)值，因此需要經(jīng)過反相器處理后單片機(jī)才可采集該信號。

本文采用中斷的方式記錄線圈電流極小值出現(xiàn)的時刻，由圖4可看出，檢測過程中測試電路設(shè)置了比較電壓，將實(shí)際的尖頂波信號變成了方波信號，利用方波信號的邊沿時刻代替實(shí)際的尖頂波信號。因此，為了提高精度，測試時分別測量方波信號上升沿和下降沿時刻，然后求取二者平均值作為尖頂波信號出現(xiàn)的時刻。線圈通電時刻（單片機(jī)發(fā)出噴油脈沖的時刻）可由編程確定。因此，通過上述方式可對電控汽油噴油器的開啟延遲時間進(jìn)行測試。

3.1.2 關(guān)閉滯后時間測試

關(guān)閉滯后時間測試原理如圖5所示。

針對現(xiàn)有的進(jìn)氣道噴射式電控汽油噴油器消磁時間大于球閥關(guān)閉時間這一特點(diǎn)進(jìn)行分析可知，當(dāng)線圈斷電后，線圈中電流逐漸減小，鐵芯對球閥的電磁吸力逐漸變?nèi)?，?dāng)電磁力大于回位彈簧力時，球閥處于最大開啟位置，所經(jīng)歷的時間t3如圖5中CD段所示，此時由于銜鐵工作氣隙一定，線圈總磁阻不變，線圈電流按一定的指數(shù)規(guī)律減小。

當(dāng)電磁吸力小于回位彈簧預(yù)緊力與其它運(yùn)動阻力之和時，球閥離開最大開啟位置向閥座運(yùn)動，并在E時刻回到閥座，所經(jīng)歷的時間t4如圖5中DE段所示。在此階段，由于銜鐵工作氣隙及磁路總磁阻逐漸增大，導(dǎo)致線圈電感逐漸減小，使得線圈電流逐漸增大，在球閥完全回落閥座時刻，線圈電流出現(xiàn)極大值。此后，銜鐵工作氣隙再一次保持恒定，線圈電流又以一定的指數(shù)規(guī)律下降。t3與t4之和為球閥關(guān)閉滯后時間，即tc=t3+t4。同理，通過檢測線圈電流極大值出現(xiàn)的時刻并結(jié)合線圈斷電時刻就可確定球閥關(guān)閉滯后時間。

根據(jù)斷電后線圈兩端產(chǎn)生的電動勢變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種球閥完全關(guān)閉時刻檢測電路，如圖6所示。電路由信號放大電路、微分電路、比較電路以及電平轉(zhuǎn)換電路等組成。為提高電路的輸入阻抗，信號放大電路采用了同相串聯(lián)差動放大電路進(jìn)行處理。其它電路處理過程與完全開啟時刻檢測電路的設(shè)計(jì)一致，且信號不需要經(jīng)過反相器處理，信號的處理算法也采用了平均值法。

3.2 流量特性測試

流量特性是指電控汽油噴油器燃油噴射量與噴油時間的對應(yīng)關(guān)系[9，10]。流量特性的測試過程為：首先通過上位機(jī)界面設(shè)定噴油周期T、噴油脈寬Th、噴射次數(shù)n等噴油控制參數(shù)，啟動測試后，上位機(jī)界面首先通過串口卡讀取電子天平（精度0.01 mg）的初始稱重值m0，并通過串行通信方式將噴油控制參數(shù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到噴油控制參數(shù)后利用下位機(jī)控制程序產(chǎn)生相應(yīng)的噴油控制信號，通過驅(qū)動電路控制電控汽油噴油器執(zhí)行預(yù)定的噴油動作。完成規(guī)定的噴油次數(shù)后，單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送噴油完成信號，上位機(jī)接收到噴油完成信號后，再次讀取電子天平的稱重值m1，則m1與m0之差即為噴油時間為Th時的n次噴油量。采用上述方法，通過改變Th的大小可獲得不同噴油時間所對應(yīng)的噴油量，進(jìn)而可得到汽油噴油器的流量特性曲線。

電控汽油噴油器的驅(qū)動電路如圖7所示。為防止干擾信號竄入單片機(jī)系統(tǒng)，采用光耦元件對模擬和數(shù)字電路進(jìn)行隔離。另外，為防止線圈電路斷電瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢造成功率器件損壞，在線圈兩端并聯(lián)了一個由二極管和電阻組成的放電回路，如圖中R4和U5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)分為下位機(jī)控制程序和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理程序兩部分。下位機(jī)以89C51單片機(jī)為核心，作用是驅(qū)動電控汽油噴油器、采集動態(tài)響應(yīng)時間參數(shù)以及與上位機(jī)進(jìn)行通訊。上位機(jī)除控制噴油器參數(shù)設(shè)定、測試項(xiàng)目選擇外，還負(fù)責(zé)對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、保存和顯示等操作。測試系統(tǒng)的控制流程如圖8所示。

上位機(jī)界面基于Labview軟件編寫，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、測試項(xiàng)目選擇、啟動停止以及數(shù)據(jù)保存等操作，同時可顯示線圈電流變化曲線、開啟延遲時間、關(guān)閉滯后時間、流量性能曲線等數(shù)據(jù)。上位機(jī)界面如圖9所示。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取某公司電控汽油噴油器作為試驗(yàn)對象，分別針對動態(tài)響應(yīng)時間和流量性能參數(shù)進(jìn)行測量，通過試驗(yàn)對比來驗(yàn)證測試系統(tǒng)的精度。為保證試驗(yàn)安全、可靠，測試介質(zhì)選用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、物理性質(zhì)與汽油相似的正庚烷。在工作電壓為14V、試驗(yàn)介質(zhì)壓力為300 kPa、測試環(huán)境溫度為20℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)[11]。

5.1 動態(tài)響應(yīng)時間測試驗(yàn)證

設(shè)置電控噴油器的脈寬為10 ms、周期為20 ms，分別對開啟延遲時間和關(guān)閉滯后時間進(jìn)行測量，并通過奧地利Dewetron公司高精度數(shù)據(jù)采集儀對電流波形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對比測試結(jié)果如表1所列。

表1 動態(tài)響應(yīng)時間測試結(jié)果對比ms

可知影響測量精度的因素主要為：

a.采樣電阻的引入引起的汽油噴油器線圈電流變化，使開啟延遲時間略有增加，約為5 μs；

b.單片機(jī)工作過程中軟件程序的延時，可以通過軟件設(shè)計(jì)補(bǔ)償；

c.單片機(jī)定時器的精度，本文選用12 MHz精度的晶振，其分辨率為1 μs；

d.運(yùn)算放大器產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)，一般為5 μs；

e.比較電路中比較電壓的取值會對測試系統(tǒng)精度造成影響，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的響應(yīng)較快，所以方波脈寬很短就可以采集到上下沿信號，約為1.5 μs。

根據(jù)以上影響因素可知，造成開啟延遲過程中測量誤差的最大值約為12.5 μs，關(guān)閉滯后過程中測量誤差的最大值約為7.5 μs。

由表1可知，測試系統(tǒng)測得的開啟延遲時間相對于波形監(jiān)測結(jié)果的誤差為1.67%，關(guān)閉滯后測量結(jié)果的相對誤差為1.56%。考慮發(fā)動機(jī)與電控汽油噴油器匹配過程中工作電壓對噴油量的影響，針對開啟延時階段進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖10所示。

5.2 流量性能測試驗(yàn)證

測試時采用的高精密電子天平分辨率為0.01mg，量程為300 g。以周期20 ms、噴射次數(shù)1 000、噴油脈寬1 ms為基礎(chǔ)，并以1 ms為基數(shù)累加噴油脈寬，對電控汽油噴油器的流量特性曲線進(jìn)行了測試，如圖11所示。從圖11可看出，在脈寬接近2 ms時噴油流量進(jìn)入線性區(qū)域，這個結(jié)果與前文測量開啟延遲時間的數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。

1John B.Heywood.Internal Combustion Engine Fundamentals.Mc GRAW HILL INTERAIONAL EDITIONS，1988. 2Stephan Schmidt，Martin Joyce，Jonathan Wall，et al.Investigations on Low Pressure Gasoline Direct Injection for a StandardGDICombustionSystem.SAEPaper，2010-32-0094.

3肖瓊，顏伏伍，鄒華，等.電控噴油器流量特性試驗(yàn)臺的開發(fā)和試驗(yàn)分析.中國機(jī)械工程，2005，16（16）：1419～1422.

4陳偉雄，姚錫凡，林焯華.電控噴油器流量特性檢測的實(shí)現(xiàn).汽車電子，2009，25（5-2）：252～253.

5岳曉峰，梁亮，韓立強(qiáng).電控噴油器流量性能檢測試驗(yàn)裝置.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（6）：46～47.

6戈非，張亮.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴油器高速電磁閥特性研究.汽車技術(shù)，2013（12）：5～7.

7胡俊，姚錫凡，顏亮.新型國產(chǎn)電控噴油器動態(tài)特性分析及關(guān)鍵參數(shù)測量.裝備制造技術(shù)，2007（7）：7～9.

8顏伏伍，鄒華，肖瓊.電控噴油器動態(tài)過程模擬分析.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（12）：79～82.

9張振東，劉堅(jiān)，周萍.電控噴油器開啟過程影響因素分析.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34（6）：14～17.

10郭輝，張振東，程強(qiáng)，等.一種電控噴油器動態(tài)時間參數(shù)測量方法.中國機(jī)械工程，2012，23（5）：626～628.

11中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會.GB/T25363-2010汽油機(jī)電磁閥式噴油器總成試驗(yàn)方法.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年4月25日。

汽車傳動領(lǐng)域行業(yè)盛會即將首次登陸中國蘇州

國際CTI第三屆中國論壇和展會“汽車變速器、混合動力和電力驅(qū)動技術(shù)”將于2014年9月17日-19日在中國蘇州隆重開幕，這也是CTI論壇首次將舉辦地設(shè)在中國蘇州。據(jù)悉，CTI論壇作為汽車傳動領(lǐng)域的最富盛名的行業(yè)盛會，已經(jīng)在中國成功舉辦了兩屆，每次都吸引了眾多來自世界各地的企業(yè)代表、專家和學(xué)者前來參加。

作為CTI中國論壇的姊妹盛事，CTI論壇每年也會在德國和美國舉辦。德國論壇“創(chuàng)新汽車變速器、混合動力和電力驅(qū)動技術(shù)”每年都會吸引近千名與會者和參展商相聚首都柏林，該論壇可以說是世界汽車傳動領(lǐng)域最重要的盛會之一。同樣在美國，CTI論壇也成功舉辦了七屆，并憑借其論壇緊密連接市場、時刻關(guān)注最新發(fā)展趨勢的特點(diǎn)，成為美國的汽車傳動與驅(qū)動領(lǐng)域極具聲望的年度盛會。CTI論壇進(jìn)入中國時間不長，但有了在歐洲和美國的成功經(jīng)驗(yàn)，CTI論壇有信心，與業(yè)內(nèi)專家共同將中國CTI論壇打造成亞洲汽車市場極富贊譽(yù)的行業(yè)盛會。

為亞洲汽車市場提供最佳技術(shù)解決方案

“中國政府對未來中國汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著清晰的構(gòu)想，因此對于國內(nèi)外汽車驅(qū)動技術(shù)供應(yīng)商來說，為了可以為中國及亞洲市場提供最佳技術(shù)解決方案，加強(qiáng)相互之間需求的了解，圍繞汽車驅(qū)動技術(shù)展開廣泛交流和探討就變得尤其重要?！盋TI德國論壇的專家顧問委員會主席、德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)汽車研究所所長兼教授以及CTI委員會主席Ferit Kü?ükay博士說道。汽車傳動及驅(qū)動系統(tǒng)是影響能源消耗的關(guān)鍵因素，同時也在客戶的汽車購買行為中扮演著重要角色。在政治、社會、經(jīng)濟(jì)及法律等眾多條件的綜合作用下，汽車傳動及驅(qū)動在現(xiàn)代汽車的研發(fā)中處于前所未有的重要地位，從而促進(jìn)了近年來傳動行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

交流、學(xué)習(xí)及建立聯(lián)系的絕佳平臺

中國CTI論壇于9月17日將在蘇州正式拉開序幕，前后歷時3天。論壇首日（9月17日）為介紹日，將就傳統(tǒng)和電力驅(qū)動系統(tǒng)以及各種傳動概念方面跨學(xué)科的基本知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行介紹。在之后的兩天論壇中，來自世界各地的業(yè)內(nèi)專家將從科技與經(jīng)濟(jì)兩個角度分析市場發(fā)展趨勢，并展示市場最新科技成果。

屆時，論壇期間還將舉辦一年一度的傳動技術(shù)展覽會，參展商可以面對面的與來自世界各地的參會者進(jìn)行交流和互動，該技術(shù)展覽會意在為企業(yè)提供一個展示新產(chǎn)品和創(chuàng)新技術(shù)以及發(fā)現(xiàn)潛在客戶的平臺。

CTI論壇已成功在中國舉辦了兩屆，并已在中國和亞洲汽車市場形成了一定的影響力，主辦方預(yù)測，相較于去年，本屆論壇將會吸引更多的國內(nèi)外專家學(xué)者慕名而來，共同參與到此行業(yè)盛會之中！

Research on Dynamic Response of Electronic Gasoline Injector and Flow Characteristics Test System

Ye Chang1，Zhang Zhendong1，Cheng Qiang1，Guo Hui2
（1.University of Shanghai for Science and Technology;2.Shanghai University of Engineering Science）

A port injection type electronic gasoline injector is analyzed on its structure and operating principle. Based on the characteristics that the inflection points emerge in the coil current curve at the moment when the steel ball is fully open or fully closed，a dynamic response time measurement method of the electronic gasoline injector based on coil current variation is put forward.Using the single chip computer as ECU，a testing system has been developed to measure the dynamic response and flow characteristic.The test results show that the testing system can measure effectively and accurately the dynamic response and flow characteristics of the injector，with the relative error of the opening lag time less than 1.67%，the relative error of the closing lag time less than 1.56%，the test error of the flow characteristic is less than 0.01mg.

Electronic gasoline engine Injector Dynamic response Flow characteristic

電控汽油機(jī)噴油器動態(tài)響應(yīng)流量特性

U464.136+.2

A

1000-3703（2014）07-0034-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號：51275309）；上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目（13YZ110）；上海理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（編號：JWCXSL1201）；上海市研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（編號：JWCXSL1202）。