發動機用噴氣閥特性測試平臺設計及實驗分析

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境污染的日益嚴重，發展新能源汽車已經勢在必行。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，實現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 噴氣閥測試內容

1.1 流量特性參數

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。在燃氣噴射系統中，電控單元根據所采集的傳感器信號，計算所需噴氣量，根據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，描述噴氣閥流量特性主要技術參數包括：

（1）靜態噴射率（Vs）。當噴氣閥處于全開位置時，流經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）動態噴射量（Vd）。動態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實際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，定義為最大動態流量與最小動態流量之比，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 穩定性

穩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。

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

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方法，測試平臺的設計應考慮實驗環境條件與特性參數實驗條件，整個測試系統包括氣路系統與噴氣控制系統。設計測試平臺模型如圖1所示。

氣路系統主要由儲氣罐、蒸發減壓閥、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，氣體壓力根據實驗需要調節。測試過程中，調節蒸發減壓閥輸出氣壓，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。噴氣閥根據控制單元的脈沖信號實現開啟與關閉動作，并噴出適量的氣體。其中流量傳感器可測量質量流量、體積流量、累計質量以及累計體積等參數。

2.2 噴氣控制系統

控制系統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，實現噴氣脈沖各段時間、脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號頻率、占空比以及噴射次數的設置。

（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、脈沖寬度調制、A/D轉換以及串口通信（SCI）等模塊。在接收到計算機發來的數據后，利用該單片機即可產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轉換。

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

噴氣閥驅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，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，并將設定的參數發送到控制器，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模塊轉換速率要求較高，處理結果用于分析噴氣閥的穩定性。

3 測試過程及分析

3.1 靜態噴射率Vs與動態噴射量Vd

靜態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，即為噴氣閥動態噴射率[4]。

動態噴射量即在動態工作過程中實際的噴氣量，是發動機運轉時供氣量的主要依據。在保證測試中噴射壓力與驅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設定為1 000，然后根據所測值求出每個測試點的動態噴氣量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次連續脈沖的開啟與關閉時間進行記錄。開啟時間是驅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模塊轉換，得到的數值由計算機記錄，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。通過調整蒸發減壓閥，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噴氣量變大，由此，在發動機工作時，若噴射壓力有變化，噴射脈沖應能及時做出相應的補償，以保證發動機正常運轉［6］。

3.4 蓄電池電壓的影響

發動機在運轉時，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）對噴氣閥的靜態噴射率、動態噴射量、穩定性、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［J］.武漢理工大學學報，2007（29），10:77-81.

［5］肖龍發，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.