電控汽油噴射器開啟響應特性測試臺的研制

張振東，程 強，徐曉麗

(上海理工大學 機械工程學院，上海200093)

0 引 言

汽車保有量的迅猛增長以及日趨嚴重的環境污染和能源問題，迫使人們對汽車進行嚴格的排放控制和提出更高的節能要求。電控汽油噴射系統作為汽車發動機的一種新型供油方式，具有能夠最大限度地提高發動性能和降低排氣污染等優點而被廣泛采用［1-5］。近年來，為實現電控汽油噴射器的自主生產，國內一些企業對電控汽油噴射器進行了技術攻關，但與國外先進技術相比，在關鍵性能檢測、結構優化設計、加工及裝配工藝等方面尚存在較大差距［6-8］。開啟響應時間是反映電控汽油噴射器動態性能的重要指標之一［9-12］，一般利用線圈通電后鋼球開始運動時刻以及鋼球完全升起時刻等參數進行表征。本文在分析電控汽油噴射器結構及工作過程的基礎上，研究了通電后球閥開啟過程中線圈電流曲線的變化特點，以單片機為核心開發了電控汽油噴射器球閥開啟響應特性測試臺，實現了開啟響應時間參數的精確檢測。

1 電控汽油噴射器結構組成及工作原理

在電控汽油噴射系統中，汽油噴射器是一個關鍵部件［13］，如圖1 所示。汽油噴射器主要由電磁線圈、鐵芯、銜鐵鋼球組件、軛鐵及復位彈簧等組成。從原理上看，汽油噴射器本質上是一種電磁閥［14-15］，電磁線圈不通電時，銜鐵鋼球組件在復位彈簧和燃油壓力作用下被壓緊在閥座上;電磁線圈通電后，銜鐵受到電磁力的作用，當電磁力超過彈簧壓力和燃油壓力后，鋼球從閥座升起，具有一定壓力的燃油從噴孔噴出;線圈斷電后，鋼球落座，完成一次噴射過程。

圖1 電控汽油噴射器結構簡圖

1.1 球閥開啟過程中線圈的電流方程

電控汽油噴射器線圈通電時的等效電路如圖2 所示，R 和L 分別為電磁線圈的等效電阻和電感，電路的電壓平衡方程為:

圖3 電磁線圈通電時的等效電路

結合初始條件:t =0 時，i =0，可求得球閥開啟過程中線圈電流的變化關系:

由式(2)可知，通電后線圈電流隨時間按照指數規律增長。

1.2 球閥開啟不同階段線圈電流的變化特點

由式(2)可知，在球閥開啟的不同階段，由于工作氣隙會發生變化，導致開啟不同階段的電流會出現不同的變化特點。通電開始后，汽油噴射器線圈電流變化情況如圖3 所示。圖中，OA 階段代表線圈中電流和磁通從零增長到使電磁吸力等于彈簧反力所經歷的過程，在此過程中鋼球不動，工作氣隙保持最大值，線圈中的電流按照一定的指數規律增長，OA 段所經歷的時間t1稱為開啟遲滯時間。在AB 階段，電磁吸力大于彈簧力，鋼球向上運動，由于工作氣隙不斷減小，線圈電感L 增加，線圈電流逐漸下降，在鋼球達到滿行程時，線圈電流降為一個極小值(B 點)，AB 段經歷的時間t2稱為開啟運動時間。t1與t2之和稱為球閥的開啟延遲時間，以tdk表示。此后，工作氣隙保持最小值不變，線圈電流又以新的指數規律增長，直至達到飽和值(U0/R)。

圖3 通電后汽油噴射器線圈電流曲線

由圖3 可知，汽油噴射器線圈通電后，在鋼球開始運動時刻電流會出現極大值(A 點);在鋼球完全開啟時刻線圈電流會出現極小值(B 點)。依據線圈電流曲線的上述變化特點，通過檢測電流曲線上A 點及B點出現的時刻可獲得汽油噴射器的開啟響應時間參數。

2 汽油噴射器開啟響應特性測試

2.1 測試系統的組成及工作原理

測試系統主要由80C196 單片機［16］、發動機供油系統、噴射器驅動電路、鋼球運動檢測電路及數字示波器等組成，其結構如圖4 所示。其中，供油系統由汽油泵、汽油濾清器、壓力調節器、汽油噴射器等組成，用以實現燃油的持續供給。80C196 單片機HSO.0 引腳發出的連續噴油脈沖信號經驅動電路放大后，對汽油噴射器的噴油過程進行控制;80C196 單片機的HSI.1 引腳檢測鋼球開始運動及完全開啟時刻，即分別記錄圖3 中A 點和B 點出現的時刻。

圖4 開啟響應特性檢測系統結構簡圖

汽油噴射器驅動電路如圖5 所示，HSO.0 引腳輸出的電平信號經反相器N1、光耦及反相器N2進行電平轉換后，施加在功率三極管T 的基極。當HSO.0 為高電平時，三極管T 飽和導通，噴射器線圈中有電流流過并產生電磁吸力，當電磁吸力大于彈簧反力時，噴射器開啟噴油;當HSO.0 為低電平時，T 截止，噴射器線圈斷電。噴射器兩端并聯保護二極管可為斷電時線圈中產生的感應電動勢提供放電回路，起到保護功率三極管的作用。另外，電路中接入一個小阻值電阻R0以采集噴射器線圈電流，為鋼球開啟特性檢測電路提供初始信號。

圖5 驅動系統電路圖

汽油噴射器開啟特性檢測電路框圖如圖6 所示，主要由放大電路、微分電路、電壓電壓比較電路和電平轉換電路等組成。其中，放大電路對采樣電阻R0所采集的線圈電流信號進行放大處理;微分電路通過微分處理將電流曲線上的A、B 點極值信號轉變成尖脈沖信號;電壓比較電路用于將尖脈沖轉變為方波信號;電平轉換電路將方波信號轉變為單片機可接受的電平信號。

2.2 鋼球開啟特性測試過程

噴射器開啟特性的測試過程如下:80C196 單片機的HSO.0 引腳向驅動電路發出噴油脈沖命令的同時清零定時器T0，在噴射器內部鋼球開始運動時刻及完全開啟時刻，單片機的HSI.1 腳分別出現負脈沖信號，該脈沖的下降沿觸發HSI 數據有效中斷，在中斷服務程序中可分別讀取開始運動時刻ts及完全開啟時刻tw。噴油脈沖信號與ts和tw信號之間的關系如圖7 所示。

圖6 球閥開啟/落座時刻檢測電路

圖7 噴油脈沖與鋼球開啟過程電信號之間的關系

圖7 中，a 表示噴油脈沖信號;b 為噴射器開啟過程出現的特征信號。噴射器剛通電時對應的定時器T0的時刻為t0，鋼球剛運動對應的時刻為ts，鋼球完全開啟對應的時刻為tw。假定噴射器脈沖信號持續的時間為tp，則可得下列關系:

3 測試結果及分析

依據上述檢測方法，開發了汽油噴射器開啟特性測試臺，如圖8 所示。首先，利用高精度數字示波器采集線圈電流波形，并借助圖形存儲功能提取t1、t2時間值的方式對本文檢測方法的有效性進行了驗證。對比結果表明，兩者的測試誤差小于0.5%，證明本文的檢測方法具有較高的檢測精度，能夠滿足汽油噴射器開啟特性實際檢測的需要。

圖8 線圈電流曲線示波器截圖

在此基礎上，選取了博世、德爾福柳州源創公司各1 款汽油噴射器，對其鋼球開啟特性時間參數進行了實驗測試，結果如表1 所示。

表1 實驗測試結果ms

由表1 可見，不同的汽油噴射器其開啟響應特性存在較大差別，開啟延遲時間越短代表汽油噴射器的動態響應能力越好。本文汽油噴射器開啟響應特性測試臺的開發為汽油噴射器開啟響應特性的精確檢測提供了一種新方法。

4 結 語

開啟響應特性是反映汽油噴射器動態工作性能的關鍵參數。作者在分析鋼球開啟不同階段線圈電流變化特點的基礎上，開發了鋼球開啟過程時間參數測試臺，通過對比實驗的方法驗證了本文測試方法的可行性和有效性，為汽油噴射器開啟特性的科學評價提供了一種有效手段。

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