摘要：為客觀、定量地評(píng)價(jià)電控雙閥泵噴嘴快速響應(yīng)能力，準(zhǔn)確測(cè)量其響應(yīng)時(shí)間，該文基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)一套檢測(cè)系統(tǒng)。首先通過(guò)凸輪驅(qū)動(dòng)泵噴嘴柱塞泵油，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)噴射，利用動(dòng)態(tài)壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)噴嘴端的壓力波形并找出特征值，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法綜合考慮到各種干擾因素，測(cè)量數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映泵噴嘴的真實(shí)性能，對(duì)比實(shí)驗(yàn)也能驗(yàn)汪該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：測(cè)試系統(tǒng)；壓力波形；響應(yīng)時(shí)間；雙閥；泵噴嘴

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2015）02-0072-04

引 言

目前，為了適應(yīng)日益嚴(yán)格的柴油機(jī)排放法規(guī)，對(duì)燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)化已變得越來(lái)越重要，高噴射壓力、可變噴油定時(shí)、靈活可調(diào)的噴油規(guī)律都已成為現(xiàn)代柴油機(jī)燃油系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中不懈追求的目標(biāo)。電控雙閥泵噴嘴是在現(xiàn)有電控單閥泵噴嘴系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝一個(gè)針閥控制閥，提高整個(gè)系統(tǒng)的控制自由度，使其同時(shí)具備電控單閥泵噴嘴和共軌系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，具有極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?。其各?xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于電控單元（electronic， conl.rol unit.ECU）的精確控制。在現(xiàn)有的控制策略中，主要通過(guò)控制電磁閥通斷電時(shí)刻控制噴油系統(tǒng)的工作。在電磁閥驅(qū)動(dòng)的電液伺服式噴油器中，燃油是通過(guò)電磁閥和針閥的聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)噴射的。從控制信號(hào)始點(diǎn)到執(zhí)行器動(dòng)作始點(diǎn)存在延遲，稱之為響應(yīng)時(shí)間。

泵噴嘴響應(yīng)時(shí)間是影響控制精度的重要因素之一，由電磁閥動(dòng)作的電力延遲和針閥動(dòng)作的液力延遲兩部分組成。所以，檢查電控噴射系統(tǒng)必須綜合考慮各方面的因素。

1.測(cè)量原理

目前泵噴嘴響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量方法主要針對(duì)電控單閥泵噴嘴，常用的有兩種：1）通過(guò)振動(dòng)測(cè)量電磁閥的響應(yīng)時(shí)間；2）將電磁閥從系統(tǒng)中分解開(kāi)，固定在特定的夾具上，通過(guò)測(cè)量電量、幾何量、運(yùn)動(dòng)量等參數(shù)計(jì)算電磁閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。在電控雙閥泵噴嘴中，溢流控制閥（spill control valve，SCV）和針閥控制閥（needle concrol valve，NCV）依照不同的動(dòng)作順序組合，使得噴射系統(tǒng)具備了靈活多樣的控制方式，但同時(shí)也增加了測(cè)量響應(yīng)時(shí)間的難度。采用以上兩種方法測(cè)量電控雙閥泵噴嘴的結(jié)果均不理想，不能滿足工程需求，因此目前主要采取更換總成的方法解決此型泵噴嘴的故障。為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性、延長(zhǎng)電控雙閥泵噴嘴的使用壽命、降低測(cè)量響應(yīng)時(shí)間的難度，本文設(shè)計(jì)了一種新的測(cè)試方案。

電控泵噴嘴（eleccronic， uniL injector，EUI）的噴油過(guò)程呈靴型噴射規(guī)律，如圖1所示。當(dāng)針閥開(kāi)啟時(shí)，高壓燃油迅速噴射，而后續(xù)燃油由于慣性和柱塞運(yùn)動(dòng)相對(duì)較慢，造成壓力有一定的下降[1.5-6]，噴油壓力曲線斜率明顯降低（如圖l中A點(diǎn)），此時(shí)斜率≤0。所以，EUI開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間T1是指從控制系統(tǒng)發(fā)出激發(fā)電流信號(hào)開(kāi)始，到噴嘴壓力腔壓力曲線在上升過(guò)程中出現(xiàn)較明顯下降為止。

在電控雙閥泵噴嘴中，SCV閥的開(kāi)啟和NCV閥的關(guān)閉都能實(shí)現(xiàn)停止噴油。SCV閥開(kāi)啟時(shí)刻、NCV閥關(guān)閉時(shí)刻、兩者時(shí)間間隔的不同組合，可以得到不同的針閥關(guān)閉壓力，即噴嘴油腔中壓力值不同，此壓力值為控制背壓。在控制系統(tǒng)中將噴嘴關(guān)閉壓力值作為特征值反映SCV閥、NCV閥的動(dòng)作順序。所以，EUI關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間To是指維持電流下降沿到噴嘴端壓力變化至控制背壓（如圖1中B點(diǎn)）所經(jīng)歷的時(shí)間。

本文利用噴嘴端油腔內(nèi)的壓力波形測(cè)量EUI的響應(yīng)時(shí)間。具體方法是將EUI夾裝在試驗(yàn)臺(tái)上，使之處于正常工作狀態(tài)，基于單片機(jī)技術(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電量和壓力量測(cè)定EUI的響應(yīng)時(shí)間。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量環(huán)境與實(shí)際使用環(huán)境更為接近，測(cè)量結(jié)果包含了內(nèi)部燃油壓力、粘滯、溫度、機(jī)械振動(dòng)等因素的影響；實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能全面，除了可以測(cè)量響應(yīng)時(shí)間，還可測(cè)量油量等性能參數(shù)；通過(guò)輸出的壓力波形，可判斷故障，在工程上具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

2.測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

由于該方法是首次應(yīng)用于電控雙閥泵噴嘴響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，為驗(yàn)證其可行性、有效評(píng)價(jià)電控雙閥泵噴嘴的性能，本文開(kāi)發(fā)了一套測(cè)試系統(tǒng)，如圖2所示。

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)按一定程序控制電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使EUI正常工作；記錄各測(cè)量單元的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算響應(yīng)時(shí)間。本文采用飛思卡爾公司的MC9S12XEPIOO型單片機(jī)，具有總線頻率高、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間短等特點(diǎn)。

電控雙閥泵噴嘴的響應(yīng)時(shí)間一般在0.5～3ms范圍內(nèi)，為提高測(cè)量精度，使用12MHz的外部晶振，即機(jī)器周期為1μs，對(duì)時(shí)間的測(cè)量即轉(zhuǎn)換為時(shí)鐘周期數(shù)的測(cè)量。

2.2 電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)單元

為電磁閥供電，并按設(shè)定程序驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電磁閥開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)刻的控制。為保證電磁閥的正常工作，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提出了開(kāi)啟快速、維持穩(wěn)定、關(guān)閉干脆的要求。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，并保證工程應(yīng)用價(jià)值，檢測(cè)系統(tǒng)移植了原發(fā)動(dòng)機(jī)上的高低雙電壓驅(qū)動(dòng)方式。在驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作時(shí)，激發(fā)電流由50V電源供給，線圈電流飛速上升，電磁閥閥芯迅速啟動(dòng)。閥芯啟動(dòng)瞬間，改用12V電源供電，閥芯維持在工作位置。由于在啟動(dòng)時(shí)采用強(qiáng)激磁電流，而啟動(dòng)后又用較小的維持電流維持閥芯位置，使電磁閥復(fù)位時(shí)磁力消退加快，既減少了電磁系統(tǒng)延遲對(duì)電磁閥啟閉響應(yīng)時(shí)間的影響，又節(jié)約了能源。

2.3 凸輪（驅(qū)動(dòng)單元）

用于驅(qū)動(dòng)EUI的柱塞泵油。凸輪通過(guò)軸及爪盤(pán)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，轉(zhuǎn)速傳感器安裝在爪盤(pán)附近。爪盤(pán)一周僅有一個(gè)齒，當(dāng)該齒通過(guò)傳感器時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。傳感器輸出的是與轉(zhuǎn)速成正比的正弦波信號(hào)，通過(guò)限幅、放大、整形后將之轉(zhuǎn)換為5 V的方波脈沖信號(hào)，該信號(hào)用于測(cè)量凸輪轉(zhuǎn)速。同時(shí)作為轉(zhuǎn)速控制程序的反饋，使凸輪按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。由于只有一個(gè)脈沖信號(hào)，可為電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供基準(zhǔn)。

2.4 壓力信號(hào)采集與處理

壓力傳感器采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，安裝在噴嘴上，實(shí)時(shí)檢測(cè)噴嘴內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力值，并進(jìn)行信號(hào)處理。信號(hào)處理包括濾波和A/D轉(zhuǎn)換兩部分，復(fù)雜的濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路占用空間大并且穩(wěn)定性不好。本系統(tǒng)采用RC濾波電路濾去高頻干擾，采用軟件濾波實(shí)現(xiàn)濾波的功能。A/D轉(zhuǎn)換采用微處理器自帶的有16路轉(zhuǎn)換位數(shù)可選的A/D轉(zhuǎn)換模塊，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，壓力信號(hào)采集與處理電路如圖3所示。將壓力信號(hào)的輸出端與單片機(jī)的PAD6引腳連接。

該硬件濾波電路簡(jiǎn)化了ECU的硬件，但對(duì)軟件濾波的要求較高。為使輸出波形具有良好的平滑性，采用滑動(dòng)平均值濾波和中值濾波相結(jié)合的方法，既降低了周期性干擾，又減少了偶然因素引起的變化。具體方法是設(shè)置一個(gè)3n-維數(shù)組，用于存放壓力信號(hào)AD值，將各數(shù)值從大到小排列后去掉n個(gè)最大項(xiàng)和幾個(gè)最小項(xiàng)，再將剩下的n項(xiàng)求算術(shù)平均值作為輸出值。接下來(lái)再重新賦值，重復(fù)上述計(jì)算。在這種算法中，n值太小，濾波效果不理想；n值太大又會(huì)影響實(shí)時(shí)性。從試驗(yàn)結(jié)果看，n選4時(shí)結(jié)果較理想。

由于測(cè)量準(zhǔn)確度需在±10bar（1bar=105Pa），所以A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)要能使檢測(cè)精度高于測(cè)量要求。對(duì)應(yīng)的目標(biāo)壓力從0～3000bar變化，輸出電壓為0.5～4.5V，每單位壓力對(duì)應(yīng)1.33 mV電壓。如要分辨lObar的變化，A/D的分辨率至少為13.3mV。系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為10位，其分辨率為4.88mV，能滿足分辨率的要求。

2.5 同步控制

為保證測(cè)量的精確性，計(jì)時(shí)信號(hào)必須與觸發(fā)信號(hào)同步。本文中的同步控制是通過(guò)單片機(jī)的串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）實(shí)現(xiàn)的。

3.測(cè)量結(jié)果

將EUI固定在安裝套件中，壓力傳感器用于測(cè)量噴嘴端的動(dòng)態(tài)壓力，控制信號(hào)由電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)線輸送至電磁閥，安裝套件用于固定泵噴嘴，凸輪使柱塞按照一定的規(guī)律泵油。

測(cè)試界面中泵噴嘴信息欄顯示的是當(dāng)前待測(cè)泵噴嘴及相應(yīng)維修套件的基本信息；工況參數(shù)欄顯示的是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基本工作參數(shù)；為提高測(cè)量系統(tǒng)的靈活性，將測(cè)試流程分為若干步驟，可根據(jù)需要自由選擇；測(cè)試結(jié)果欄顯示每個(gè)步驟下的測(cè)量結(jié)果，并具有上下限報(bào)警功能；通過(guò)功能選擇欄可使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的其他功能。

為便于對(duì)試驗(yàn)輸出量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還設(shè)計(jì)了信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。其功能類似于示波器，能將試驗(yàn)中系統(tǒng)的電流、壓力等參數(shù)的詳細(xì)情況以圖形的方式直觀顯示出來(lái)，并且可以保存圖形。這對(duì)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試及EUI故障的判斷都很有幫助。圖4所示是監(jiān)控模塊顯示的某型泵噴嘴的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果。

為驗(yàn)證此方法的可行性，選用一組電控雙閥泵噴嘴進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。振動(dòng)法在Bosch EUS實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成。

表1是分別使用振動(dòng)法和波形法檢測(cè)6只EUI開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間的結(jié)果，該型EUI開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間的最大允許值是1.800ms，每只EUI各檢測(cè)一次。從試驗(yàn)結(jié)果看，僅5號(hào)和6號(hào)EUI在兩種方法下檢測(cè)結(jié)果相差小于1%，其他4只相差較大。根據(jù)振動(dòng)法的檢測(cè)結(jié)果，1，2，4號(hào)EUI正常；根據(jù)波形法的檢測(cè)結(jié)果，1，2，3號(hào)EUI正常；根據(jù)實(shí)機(jī)使用效果看，l，2，3號(hào)EUI正常，即波形法檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際相符，振動(dòng)法對(duì)于3號(hào)、4號(hào)兩只EUI的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際不符。

表2是對(duì)于2號(hào)EUI分別用振動(dòng)法和波形法進(jìn)行重復(fù)性檢測(cè)的結(jié)果。從表中可看出，用波形法檢測(cè)6次的結(jié)果較為接近，并都符合使用標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)機(jī)使用效果相同。用振動(dòng)法檢測(cè)6次結(jié)果相差較大，而且第3次、第5次檢測(cè)結(jié)果顯示此泵噴嘴不可用，與真實(shí)情況不符。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，就單個(gè)電磁閥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言，其規(guī)律與黃茂陽(yáng)等建立的高速電磁閥靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型相一致。

從以上試驗(yàn)可知：由于電控雙閥泵噴嘴在工作時(shí)振動(dòng)信號(hào)復(fù)雜，使用振動(dòng)法測(cè)量其響應(yīng)時(shí)間是不準(zhǔn)確的。而使用波形法測(cè)量的結(jié)果真實(shí)反映了泵噴嘴的性能。因此，波形法測(cè)量電控雙閥泵噴嘴響應(yīng)時(shí)間的方法是可行的。目前此方法已用于實(shí)際檢測(cè)維修，效果良好。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文利用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套測(cè)量電控雙閥泵噴嘴響應(yīng)時(shí)間的裝置，此裝置模擬EUI的實(shí)際工作環(huán)境，通過(guò)噴嘴端油腔的動(dòng)態(tài)壓力進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果真實(shí)反映了電控雙閥泵噴嘴的性能，滿足實(shí)際檢測(cè)維修的需求，同時(shí)也為下一步研究、優(yōu)化控制策略及故障分析奠定基礎(chǔ)。