電控汽油噴油器動態響應及流量特性測試系統研究*

葉昌張振東程強郭輝

（1.上海理工大學；2.上海工程技術大學）

電控汽油噴油器動態響應及流量特性測試系統研究*

葉昌1張振東1程強1郭輝2

（1.上海理工大學；2.上海工程技術大學）

分析了進氣道噴射式電控汽油噴油器的結構及工作原理，利用鋼球完全開啟及完全關閉時刻線圈電流曲線出現拐點的特點，提出一種基于線圈電流變化的電控汽油噴油器動態響應時間測量方法，并以單片機為控制核心開發了電控汽油噴油器動態響應及流量特性測試系統。試驗結果表明，該檢測系統能夠對電控汽油噴油器的動態響應及流量特性進行高精度檢測，開啟延遲時間的相對測試誤差小于1.67%，關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動機燃油噴射系統的重要部件，主要負責燃油噴射量的精確控制，其性能對汽車發動機動力性、燃油經濟性及排放性能有著重要影響[1，2]。流量特性和動態響應特性是反映電控汽油噴油器性能的關鍵指標。目前，我國有多家企業從事電控汽油噴油器的生產，但對其關鍵性能的檢測設備十分缺乏，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；而對于動態響應特性通常采用針閥行程測量儀檢測柴油機噴油器動態響應，但由于需要在噴油器內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，必須開發一種汽車電控汽油噴油器性能檢測系統，以滿足企業對電控汽油噴油器流量特性及動態響應特性檢測的需要。

本文從電控汽油噴油器的工作機理出發，建立了線圈電流曲線拐點與鋼球開啟和關閉時刻的對應關系，以此為依據提出了一種動態響應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設計了一種電控汽油噴油器流量特性測試方法，從而構建了電控汽油噴油器綜合性能檢測系統。

2 電控汽油噴油器的結構及工作原理

圖1為電控汽油噴油器的結構[6]，由噴管主體、噴管進口、球閥、銜鐵、導磁體、線圈、閥座、鐵心、定位環、回位彈簧以及噴孔網等部件組成。

當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合力作用下被壓緊在閥座上；當線圈通電后，線圈內電磁力迅速增大，球閥克服復合力阻礙向上運動，燃油壓力將汽油從噴孔內壓出；當線圈斷電后，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噴油過程。

3 測試系統結構及測試原理

測試系統結構如圖2所示，該系統由燃油供給模塊、驅動模塊、信號采集模塊以及參數處理模塊等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、壓力調節閥、電控汽油噴油器等組成；驅動模塊由單片機、驅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、量筒以及動態響應時間采集電路等組成；參數處理模塊由單片機和上位機組成。

3.1 動態響應時間測試

電控汽油噴油器動態響應時間包括開啟延遲時間和關閉滯后時間。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最大開啟位置時刻所經歷的時間；關閉滯后時間tc則為線圈斷電時刻到球閥回落閥座時刻所經歷的時間。為評價電控汽油噴油器的動態響應性能，需要對球閥開啟延時及關閉滯后時間進行精確測量。

3.1.1 開啟延遲時間測試

當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，當電磁吸力小于回位彈簧的預緊力時，球閥被壓緊在閥座上處于靜止狀態，所經歷的時間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規律增加。

當電磁吸力大于回位彈簧預緊力與其它運動阻力之和時，球閥離開閥座向鐵芯方向運動，并在B時刻達到最大開啟位置，所經歷的時間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規律增加，直至達到飽和值。t1與t2之和為球閥開啟延遲時間，即t0=t1+t2。根據球閥開啟階段的運動狀態與線圈電流的對應關系可知，通過檢測線圈電流極小值出現的時刻并結合線圈通電時刻，可確定球閥開啟延遲時間[7，8]。

根據上述測試原理，設計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換電路等組成。通過在線圈電路中串聯一個小阻值采樣電阻R0將線圈電流信號轉化為電壓信號，信號放大電路對采樣電壓信號進行放大處理，微分電路將電壓極值點轉化為電壓脈沖，再通過比較電路將電壓脈沖轉化為方波信號，電平轉換電路最終將方波信號轉化為TTL電平信號，由于該信號為負值，因此需要經過反相器處理后單片機才可采集該信號。

本文采用中斷的方式記錄線圈電流極小值出現的時刻，由圖4可看出，檢測過程中測試電路設置了比較電壓，將實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的時刻。線圈通電時刻（單片機發出噴油脈沖的時刻）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行測試。

3.1.2 關閉滯后時間測試

關閉滯后時間測試原理如圖5所示。

針對現有的進氣道噴射式電控汽油噴油器消磁時間大于球閥關閉時間這一特點進行分析可知，當線圈斷電后，線圈中電流逐漸減小，鐵芯對球閥的電磁吸力逐漸變弱，當電磁力大于回位彈簧力時，球閥處于最大開啟位置，所經歷的時間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規律減小。

當電磁吸力小于回位彈簧預緊力與其它運動阻力之和時，球閥離開最大開啟位置向閥座運動，并在E時刻回到閥座，所經歷的時間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規律下降。t3與t4之和為球閥關閉滯后時間，即tc=t3+t4。同理，通過檢測線圈電流極大值出現的時刻并結合線圈斷電時刻就可確定球閥關閉滯后時間。

根據斷電后線圈兩端產生的電動勢變化規律，設計了一種球閥完全關閉時刻檢測電路，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差動放大電路進行處理。其它電路處理過程與完全開啟時刻檢測電路的設計一致，且信號不需要經過反相器處理，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關系[9，10]。流量特性的測試過程為：首先通過上位機界面設定噴油周期T、噴油脈寬Th、噴射次數n等噴油控制參數，啟動測試后，上位機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發送給單片機，單片機接收到噴油控制參數后利用下位機控制程序產生相應的噴油控制信號，通過驅動電路控制電控汽油噴油器執行預定的噴油動作。完成規定的噴油次數后，單片機向上位機發送噴油完成信號，上位機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的噴油量，進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動電路如圖7所示。為防止干擾信號竄入單片機系統，采用光耦元件對模擬和數字電路進行隔離。另外，為防止線圈電路斷電瞬間產生的感應電動勢造成功率器件損壞，在線圈兩端并聯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 軟件設計

測試系統軟件的設計分為下位機控制程序和上位機數據處理程序兩部分。下位機以89C51單片機為核心，作用是驅動電控汽油噴油器、采集動態響應時間參數以及與上位機進行通訊。上位機除控制噴油器參數設定、測試項目選擇外，還負責對采集后的數據進行處理、分析、保存和顯示等操作。測試系統的控制流程如圖8所示。

上位機界面基于Labview軟件編寫，可實現參數設置、測試項目選擇、啟動停止以及數據保存等操作，同時可顯示線圈電流變化曲線、開啟延遲時間、關閉滯后時間、流量性能曲線等數據。上位機界面如圖9所示。

5 試驗驗證

選取某公司電控汽油噴油器作為試驗對象，分別針對動態響應時間和流量性能參數進行測量，通過試驗對比來驗證測試系統的精度。為保證試驗安全、可靠，測試介質選用化學性質穩定、物理性質與汽油相似的正庚烷。在工作電壓為14V、試驗介質壓力為300 kPa、測試環境溫度為20℃的標準條件下進行試驗[11]。

5.1 動態響應時間測試驗證

設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閉滯后時間進行測量，并通過奧地利Dewetron公司高精度數據采集儀對電流波形進行實時監測，對比測試結果如表1所列。

表1 動態響應時間測試結果對比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.單片機工作過程中軟件程序的延時，可以通過軟件設計補償；

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

d.運算放大器產生的瞬態響應，一般為5 μs；

e.比較電路中比較電壓的取值會對測試系統精度造成影響，因為單片機的響應較快，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，測試系統測得的開啟延遲時間相對于波形監測結果的誤差為1.67%，關閉滯后測量結果的相對誤差為1.56%。考慮發動機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行了測試，結果如圖10所示。

5.2 流量性能測試驗證

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1 000、噴油脈寬1 ms為基礎，并以1 ms為基數累加噴油脈寬，對電控汽油噴油器的流量特性曲線進行了測試，如圖11所示。從圖11可看出，在脈寬接近2 ms時噴油流量進入線性區域，這個結果與前文測量開啟延遲時間的數據結果基本一致。

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臺的開發和試驗分析.中國機械工程，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現.汽車電子，2009，25（5-2）：252～253.

5岳曉峰，梁亮，韓立強.電控噴油器流量性能檢測試驗裝置.農業機械學報，2007，38（6）：46～47.

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

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

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

9張振東，劉堅，周萍.電控噴油器開啟過程影響因素分析.農業機械學報，2003，34（6）：14～17.

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

11中國機械工業聯合會.GB/T25363-2010汽油機電磁閥式噴油器總成試驗方法.北京：中國標準出版社，2011.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年4月25日。

汽車傳動領域行業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、混合動力和電力驅動技術”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在中國蘇州。據悉，CTI論壇作為汽車傳動領域的最富盛名的行業盛會，已經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代表、專家和學者前來參加。

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“創新汽車變速器、混合動力和電力驅動技術”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、時刻關注最新發展趨勢的特點，成為美國的汽車傳動與驅動領域極具聲望的年度盛會。CTI論壇進入中國時間不長，但有了在歐洲和美國的成功經驗，CTI論壇有信心，與業內專家共同將中國CTI論壇打造成亞洲汽車市場極富贊譽的行業盛會。

為亞洲汽車市場提供最佳技術解決方案

“中國政府對未來中國汽車行業的可持續發展有著清晰的構想，因此對于國內外汽車驅動技術供應商來說，為了可以為中國及亞洲市場提供最佳技術解決方案，加強相互之間需求的了解，圍繞汽車驅動技術展開廣泛交流和探討就變得尤其重要。”CTI德國論壇的專家顧問委員會主席、德國布倫瑞克工業大學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。汽車傳動及驅動系統是影響能源消耗的關鍵因素，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、經濟及法律等眾多條件的綜合作用下，汽車傳動及驅動在現代汽車的研發中處于前所未有的重要地位，從而促進了近年來傳動行業的蓬勃發展。

交流、學習及建立聯系的絕佳平臺

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，將就傳統和電力驅動系統以及各種傳動概念方面跨學科的基本知識和實踐經驗進行介紹。在之后的兩天論壇中，來自世界各地的業內專家將從科技與經濟兩個角度分析市場發展趨勢，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展覽會，參展商可以面對面的與來自世界各地的參會者進行交流和互動，該技術展覽會意在為企業提供一個展示新產品和創新技術以及發現潛在客戶的平臺。

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，主辦方預測，相較于去年，本屆論壇將會吸引更多的國內外專家學者慕名而來，共同參與到此行業盛會之中！

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

電控汽油機噴油器動態響應流量特性

U464.136+.2

A

1000-3703（2014）07-0034-04

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