電控雙閥泵噴嘴響應時間測試方法研究

摘要：為客觀、定量地評價電控雙閥泵噴嘴快速響應能力，準確測量其響應時間，該文基于單片機技術設計一套檢測系統。首先通過凸輪驅動泵噴嘴柱塞泵油，再通過驅動電路驅動電磁閥動作以實現噴射，利用動態壓力傳感器實時檢測噴嘴端的壓力波形并找出特征值，實現響應時間的測量。實驗結果表明：該方法綜合考慮到各種干擾因素，測量數據能準確反映泵噴嘴的真實性能，對比實驗也能驗汪該方法的可行性。

關鍵詞：測試系統；壓力波形；響應時間；雙閥；泵噴嘴

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2015）02-0072-04

引 言

目前，為了適應日益嚴格的柴油機排放法規，對燃油噴射系統的優化已變得越來越重要，高噴射壓力、可變噴油定時、靈活可調的噴油規律都已成為現代柴油機燃油系統優化過程中不懈追求的目標。電控雙閥泵噴嘴是在現有電控單閥泵噴嘴系統的基礎上加裝一個針閥控制閥，提高整個系統的控制自由度，使其同時具備電控單閥泵噴嘴和共軌系統的優點，具有極強的發展潛力。其各項功能的實現都依賴于電控單元（electronic， conl.rol unit.ECU）的精確控制。在現有的控制策略中，主要通過控制電磁閥通斷電時刻控制噴油系統的工作。在電磁閥驅動的電液伺服式噴油器中，燃油是通過電磁閥和針閥的聯動來實現噴射的。從控制信號始點到執行器動作始點存在延遲，稱之為響應時間。

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

1.測量原理

目前泵噴嘴響應時間的測量方法主要針對電控單閥泵噴嘴，常用的有兩種：1）通過振動測量電磁閥的響應時間；2）將電磁閥從系統中分解開，固定在特定的夾具上，通過測量電量、幾何量、運動量等參數計算電磁閥的靜態特性和動態特性。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）依照不同的動作順序組合，使得噴射系統具備了靈活多樣的控制方式，但同時也增加了測量響應時間的難度。采用以上兩種方法測量電控雙閥泵噴嘴的結果均不理想，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。為提高測量的準確性、延長電控雙閥泵噴嘴的使用壽命、降低測量響應時間的難度，本文設計了一種新的測試方案。

電控泵噴嘴（eleccronic， uniL injector，EUI）的噴油過程呈靴型噴射規律，如圖1所示。當針閥開啟時，高壓燃油迅速噴射，而后續燃油由于慣性和柱塞運動相對較慢，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），此時斜率≤0。所以，EUI開啟響應時間T1是指從控制系統發出激發電流信號開始，到噴嘴壓力腔壓力曲線在上升過程中出現較明顯下降為止。

在電控雙閥泵噴嘴中，SCV閥的開啟和NCV閥的關閉都能實現停止噴油。SCV閥開啟時刻、NCV閥關閉時刻、兩者時間間隔的不同組合，可以得到不同的針閥關閉壓力，即噴嘴油腔中壓力值不同，此壓力值為控制背壓。在控制系統中將噴嘴關閉壓力值作為特征值反映SCV閥、NCV閥的動作順序。所以，EUI關閉響應時間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）所經歷的時間。

本文利用噴嘴端油腔內的壓力波形測量EUI的響應時間。具體方法是將EUI夾裝在試驗臺上，使之處于正常工作狀態，基于單片機技術，通過監測電量和壓力量測定EUI的響應時間。該方法具有以下優點：測量環境與實際使用環境更為接近，測量結果包含了內部燃油壓力、粘滯、溫度、機械振動等因素的影響；實驗臺功能全面，除了可以測量響應時間，還可測量油量等性能參數；通過輸出的壓力波形，可判斷故障，在工程上具有更高的應用價值。

2.測試系統開發

由于該方法是首次應用于電控雙閥泵噴嘴響應時間的測量，為驗證其可行性、有效評價電控雙閥泵噴嘴的性能，本文開發了一套測試系統，如圖2所示。

2.1 單片機

單片機按一定程序控制電磁閥驅動信號，使EUI正常工作；記錄各測量單元的數據，并對數據進行處理，計算響應時間。本文采用飛思卡爾公司的MC9S12XEPIOO型單片機，具有總線頻率高、A/D轉換時間短等特點。

電控雙閥泵噴嘴的響應時間一般在0.5～3ms范圍內，為提高測量精度，使用12MHz的外部晶振，即機器周期為1μs，對時間的測量即轉換為時鐘周期數的測量。

2.2 電磁閥驅動信號單元

為電磁閥供電，并按設定程序驅動電磁閥動作，實現電磁閥開啟、關閉時刻的控制。為保證電磁閥的正常工作，對驅動電路提出了開啟快速、維持穩定、關閉干脆的要求。

為實現以上功能，并保證工程應用價值，檢測系統移植了原發動機上的高低雙電壓驅動方式。在驅動電磁閥動作時，激發電流由50V電源供給，線圈電流飛速上升，電磁閥閥芯迅速啟動。閥芯啟動瞬間，改用12V電源供電，閥芯維持在工作位置。由于在啟動時采用強激磁電流，而啟動后又用較小的維持電流維持閥芯位置，使電磁閥復位時磁力消退加快，既減少了電磁系統延遲對電磁閥啟閉響應時間的影響，又節約了能源。

2.3 凸輪（驅動單元）

用于驅動EUI的柱塞泵油。凸輪通過軸及爪盤與驅動電機連接，轉速傳感器安裝在爪盤附近。爪盤一周僅有一個齒，當該齒通過傳感器時，產生感應電動勢。傳感器輸出的是與轉速成正比的正弦波信號，通過限幅、放大、整形后將之轉換為5 V的方波脈沖信號，該信號用于測量凸輪轉速。同時作為轉速控制程序的反饋，使凸輪按照設定的轉速平穩旋轉。由于只有一個脈沖信號，可為電磁閥驅動信號提供基準。

2.4 壓力信號采集與處理

壓力傳感器采用電阻應變式壓力傳感器，安裝在噴嘴上，實時檢測噴嘴內的動態壓力值，并進行信號處理。信號處理包括濾波和A/D轉換兩部分，復雜的濾波電路和A/D轉換電路占用空間大并且穩定性不好。本系統采用RC濾波電路濾去高頻干擾，采用軟件濾波實現濾波的功能。A/D轉換采用微處理器自帶的有16路轉換位數可選的A/D轉換模塊，簡化了電路的設計，壓力信號采集與處理電路如圖3所示。將壓力信號的輸出端與單片機的PAD6引腳連接。

該硬件濾波電路簡化了ECU的硬件，但對軟件濾波的要求較高。為使輸出波形具有良好的平滑性，采用滑動平均值濾波和中值濾波相結合的方法，既降低了周期性干擾，又減少了偶然因素引起的變化。具體方法是設置一個3n-維數組，用于存放壓力信號AD值，將各數值從大到小排列后去掉n個最大項和幾個最小項，再將剩下的n項求算術平均值作為輸出值。接下來再重新賦值，重復上述計算。在這種算法中，n值太小，濾波效果不理想；n值太大又會影響實時性。從試驗結果看，n選4時結果較理想。

由于測量準確度需在±10bar（1bar=105Pa），所以A/D轉換的位數要能使檢測精度高于測量要求。對應的目標壓力從0～3000bar變化，輸出電壓為0.5～4.5V，每單位壓力對應1.33 mV電壓。如要分辨lObar的變化，A/D的分辨率至少為13.3mV。系統中A/D轉換位數為10位，其分辨率為4.88mV，能滿足分辨率的要求。

2.5 同步控制

為保證測量的精確性，計時信號必須與觸發信號同步。本文中的同步控制是通過單片機的串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）實現的。

3.測量結果

將EUI固定在安裝套件中，壓力傳感器用于測量噴嘴端的動態壓力，控制信號由電磁閥驅動信號線輸送至電磁閥，安裝套件用于固定泵噴嘴，凸輪使柱塞按照一定的規律泵油。

測試界面中泵噴嘴信息欄顯示的是當前待測泵噴嘴及相應維修套件的基本信息；工況參數欄顯示的是當前實驗臺的基本工作參數；為提高測量系統的靈活性，將測試流程分為若干步驟，可根據需要自由選擇；測試結果欄顯示每個步驟下的測量結果，并具有上下限報警功能；通過功能選擇欄可使用實驗臺的其他功能。

為便于對試驗輸出量進行實時監控，還設計了信號實時監控模塊。其功能類似于示波器，能將試驗中系統的電流、壓力等參數的詳細情況以圖形的方式直觀顯示出來，并且可以保存圖形。這對系統軟硬件設計、調試及EUI故障的判斷都很有幫助。圖4所示是監控模塊顯示的某型泵噴嘴的實際檢測結果。

為驗證此方法的可行性，選用一組電控雙閥泵噴嘴進行對比試驗。振動法在Bosch EUS實驗臺上完成。

表1是分別使用振動法和波形法檢測6只EUI開啟響應時間的結果，該型EUI開啟響應時間的最大允許值是1.800ms，每只EUI各檢測一次。從試驗結果看，僅5號和6號EUI在兩種方法下檢測結果相差小于1%，其他4只相差較大。根據振動法的檢測結果，1，2，4號EUI正常；根據波形法的檢測結果，1，2，3號EUI正常；根據實機使用效果看，l，2，3號EUI正常，即波形法檢測結果與實際相符，振動法對于3號、4號兩只EUI的檢測結果與實際不符。

表2是對于2號EUI分別用振動法和波形法進行重復性檢測的結果。從表中可看出，用波形法檢測6次的結果較為接近，并都符合使用標準，與實機使用效果相同。用振動法檢測6次結果相差較大，而且第3次、第5次檢測結果顯示此泵噴嘴不可用，與真實情況不符。

通過試驗發現，就單個電磁閥的實驗結果而言，其規律與黃茂陽等建立的高速電磁閥靜態模型和動態模型相一致。

從以上試驗可知：由于電控雙閥泵噴嘴在工作時振動信號復雜，使用振動法測量其響應時間是不準確的。而使用波形法測量的結果真實反映了泵噴嘴的性能。因此，波形法測量電控雙閥泵噴嘴響應時間的方法是可行的。目前此方法已用于實際檢測維修，效果良好。

4.結束語

本文利用單片機技術，設計了一套測量電控雙閥泵噴嘴響應時間的裝置，此裝置模擬EUI的實際工作環境，通過噴嘴端油腔的動態壓力進行測量，其測量結果真實反映了電控雙閥泵噴嘴的性能，滿足實際檢測維修的需求，同時也為下一步研究、優化控制策略及故障分析奠定基礎。