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        基于STM32的汽車噴油器動態(tài)響應(yīng)特性檢測系統(tǒng)

        2019-12-09 07:00:38李炎昊李建文
        儀表技術(shù)與傳感器 2019年11期
        關(guān)鍵詞:檢測

        李炎昊,劉 斌,李建文,雷 威

        (1.天津理工大學電氣電子工程學院,天津 300384;2.軍事交通學院,天津 300161)

        0 引言

        汽車噴油器作為汽車發(fā)動機的關(guān)鍵部件,其性能直接影響發(fā)動機的工作狀態(tài)。噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間,即開啟與關(guān)閉時間,是噴油器的一項重要特性參數(shù),在發(fā)動機工作期間,為應(yīng)對發(fā)動機不同工況的噴射要求,噴油器是否能快速響應(yīng),直接影響發(fā)動機的燃油特性與動力性能。

        目前,國內(nèi)的專家學者大多對噴油器的流量特性以及噴霧特性檢測開展研究[1-3],較少有直接對噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間進行精確檢測的系統(tǒng)設(shè)計[4]。

        本文結(jié)合進氣道式電壓型噴油器自身特點,設(shè)計了一種檢測噴油器動態(tài)響應(yīng)特性的在線檢測裝置,基于STM32單片機研制了噴油器檢測系統(tǒng),并通過實驗驗證其準確性和有效性。

        1 噴油器工作原理

        噴油器主要分為進氣道式噴油器與直噴式噴油器,由于進氣道式噴油器成本較低以及控制方式簡單等特點,被廣泛應(yīng)用。圖1為進氣道式電壓型噴油器。

        圖1 噴油器結(jié)構(gòu)圖

        電壓型噴油器主要由中磁線圈、針閥、鋼球、彈簧、閥座、噴孔等組成。進氣道式噴油器中的電壓型噴油器,因其穩(wěn)定性較高,成為被大量研究的對象。

        1.1 噴油器電流規(guī)律

        噴油器工作原理是噴油器內(nèi)中磁線圈通電后,吸合銜鐵,從而噴油器開啟。噴油器完全開啟與關(guān)閉的時間與噴油器中針閥的位移有關(guān),但直接檢測噴油器針閥的位移較困難,文獻[5]提出了可通過檢測噴油器線圈中電流的方式,實現(xiàn)噴油器動態(tài)響應(yīng)時間的檢測。噴油器電磁閥等效電路[6]如圖2所示。

        圖2 電磁閥等效電路

        由圖2中等效電路及KVL定律可得其電壓方程:

        (1)

        式中:L為電磁閥線圈電感;i為電路中電流;R1為線圈的內(nèi)阻;R2為電路中的等效電阻;U為電源電壓。

        根據(jù)電壓方程以及電感的充放電規(guī)律可得每一時刻電流的變化規(guī)律,如式(2)所示:

        (2)

        根據(jù)式(2)以及線圈的特點,可知在噴油器針閥上下運動過程中,對線圈電感值的影響會造成電流變化。

        1.2 噴油器動態(tài)性能檢測原理

        噴油器工作時理想的電流變化曲線如圖3所示,由于噴油器針閥位移的變化,使得其線圈中的電流曲線在A、E兩點發(fā)生了不規(guī)律的變化。

        圖3 噴油器電流變化曲線

        當有脈沖信號時,通過噴油器內(nèi)線圈的電流逐漸增大,其磁通量也逐漸增大,使噴油器內(nèi)針閥產(chǎn)生位移運動。在針閥向上運動的過程中,由于線圈的氣隙磁阻逐漸減小,而線圈的電感逐漸增大,根據(jù)式(2)原理,其電流在某時刻會逐漸下降,到A時刻時,由于針閥停止運動,電流下降到最小值而后開始上升,到C時刻噴油器進入穩(wěn)定狀態(tài)。

        當脈沖信號停止時,從D時刻開始噴油器內(nèi)線圈的電流迅速下降,使針閥快速落座,由于線圈的磁通量逐漸減小,由式(2)可知,感應(yīng)電動勢線圈中的電流會稍有上升。當E時刻時,針閥完全落座,其電流又重新開始下降。

        根據(jù)上述原理,只需檢測O、A兩點的時間差即可得到噴油器的開啟時間tOA;檢測D、E兩點之間的時間差可得到噴油器的關(guān)閉時間tDE。

        2 噴油器在線檢測裝置

        噴油器在線檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,其主要利用氣壓方式對噴射介質(zhì)進行加壓處理,配有流量計以及壓力傳感器等精密檢測元件,使噴射介質(zhì)到達噴油器入油口并保持穩(wěn)定的油壓供給,再通過噴油器檢測系統(tǒng)模塊,達到檢測噴油器動態(tài)響應(yīng)時間的目的。即可在穩(wěn)定的工作環(huán)境下對噴油器進行開啟與關(guān)閉時間的檢測。

        圖4 在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        3 噴油器檢測系統(tǒng)

        噴油器檢測系統(tǒng),主要由主控模塊、驅(qū)動模塊、信號放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和通信模塊構(gòu)成,如圖5所示。

        圖5 噴油器檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        主控模塊主要有STM32單片機組成,用于產(chǎn)生驅(qū)動噴油器的脈沖信號。A/D轉(zhuǎn)換模塊主要采用12位轉(zhuǎn)換芯片,負責噴油器電流信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。驅(qū)動模塊主要用于對驅(qū)動信號的功率放大。信號放大模塊主要由采樣電阻與放大電路構(gòu)成,用于采集噴油器的電流信號并對其進行放大處理。通訊模塊通過CAN通信方式將檢測結(jié)果上傳至上位機,同時接受上位機命令。

        3.1 噴油器驅(qū)動模塊

        噴油器驅(qū)動模塊主要由驅(qū)動芯片IR2106以及高、低邊MOS管構(gòu)成[7],如圖6所示。

        圖6 噴油器驅(qū)動模塊

        噴油器檢測系統(tǒng)共有6組驅(qū)動模塊,驅(qū)動芯片U1用于放大單片機的驅(qū)動信號,噴油器L嵌位于高邊MOS管Q1與低邊MOS管Q2之間,由Q1控制噴油器進行工作,Q2進行六組噴油器的選通工作。當Q2保持開啟時,通過PWM驅(qū)動信號控制Q1使得噴油器工作。圖6中R3為采樣電阻,與信號放大電路相連接,用于采集噴油器的狀態(tài)信號。為檢測噴油器真實的動態(tài)響應(yīng)時間,本驅(qū)動模塊沒有采用續(xù)流回路提高噴油器動態(tài)性能。

        3.2 信號放大模塊

        通過采樣電阻與信號放大模塊以及主控模塊中的A/D信號采集功能,實現(xiàn)噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間檢測功能,信號放大模塊電路圖如圖7所示。

        圖7 信號放大模塊

        噴油器開啟或關(guān)斷時,其線圈電流通過采樣電阻R3轉(zhuǎn)化為電壓信號,經(jīng)過信號放大器放大40倍,再由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,通過單片機定時器進行定時采樣,得到圖3中A、E兩點的峰值時間,從而得出到開啟時間tOA與關(guān)閉時間tDE。

        4 實驗與分析

        圖8為進氣道式電壓型噴油器,在噴射壓力為300 kPa,電壓為12 V,工作周期10 ms,脈寬為5 ms時,依托于檢測系統(tǒng)與示波器采集的實際電流曲線。從圖中可清晰分辨噴油器在工作時電流變化的各個節(jié)點。

        圖8 實際電流曲線

        4.1 不同噴射壓強的影響

        分別在400 kPa、350 kPa、300 kPa、250 kPa和200 kPa的噴射壓強下,對標定后的10支噴油器開啟與關(guān)閉時間進行檢測。檢測過程中,電壓保持12 V,噴射周期為10 ms,噴射脈寬為5 ms。檢測結(jié)果如圖9、圖10所示。

        圖9 變壓強開啟時間

        圖10 變壓強關(guān)閉時間

        從實驗結(jié)果中可以看出,隨著噴射壓力的增大,噴油器的開啟時間逐漸增大,同時其關(guān)閉時間逐漸減小。由于噴射介質(zhì)的壓強直接作用在噴油器內(nèi)部針閥的頂端,產(chǎn)生相應(yīng)的壓力,導致噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間隨噴射壓力的變化而改變。根據(jù)壓力與作用面積的關(guān)系,針閥頂端的面積大小會直接影響噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間。

        根據(jù)標準[8-10],進氣道式噴油器的標準測試環(huán)境為噴射壓強300 kPa,電壓12 V。圖9與圖10中的虛線表示在標準測試環(huán)境下,標定后的噴油器的標準開啟為2 ms,標準關(guān)閉時間為1.4 ms。從實驗中可以看出,噴油器檢測系統(tǒng)檢測噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間,與標準動態(tài)響應(yīng)時間的相對誤差小于2%,根據(jù)噴油器使用說明規(guī)定的4%,符合使用標準,噴油器檢測系統(tǒng)滿足噴油器動態(tài)響應(yīng)時間的檢測要求。

        4.2 不同驅(qū)動電壓的影響

        如圖11、12所示,分別在8~14 V的驅(qū)動電壓下,以1 V電壓遞增,對標定后的同一支噴油器進行7組檢測實驗,每組進行10次檢測取平均值。測試環(huán)境為噴射介質(zhì)壓強300 kPa,噴射周期為10 ms,脈寬為5 ms。

        圖11 變電壓開啟時間

        圖12 變電壓關(guān)閉時間

        實驗表明,隨著驅(qū)動電壓的增加,噴油器的開啟時間遞減,其關(guān)閉時間遞增。驅(qū)動電壓的大小直接影響噴油器的動態(tài)響應(yīng)特性,驅(qū)動電壓越大,噴油器線圈通過的電流也隨之增大,其磁通量增加也就越快,使噴油器針閥的開啟速度加快;同時線圈通過的電流越大,其線圈放電速度越慢,使針閥的關(guān)閉時間越慢。

        5 結(jié)論

        基于STM32設(shè)計了一種噴油器動態(tài)響應(yīng)特性檢測系統(tǒng),實驗表明,該檢測系統(tǒng)檢測噴油器動態(tài)響應(yīng)時間的相對誤差小于2%,具有較好的穩(wěn)定性,符合噴油器檢測的要求。由于噴油器針閥頂部會受到噴射介質(zhì)的作用,噴射壓強的大小對噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間造成了直接的影響,隨著壓強的增大,噴油器的開啟時間逐漸增大,同時其關(guān)閉時間逐漸減小。由于不同大小的驅(qū)動電壓,會改變噴油器內(nèi)部線圈通過的電流,直接影響噴油器的動態(tài)響應(yīng)特性,隨著驅(qū)動電壓的增加,噴油器的開啟時間遞減,其關(guān)閉時間遞增。

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