激光多普勒測振儀在共軌噴油器銜鐵行程測量中的應用

孫立晶

摘 要：共軌噴油器銜鐵行程會直接影響到噴油器電磁閥動態響應、噴油一致性和穩定性，在裝配過程中實現對銜鐵行程的準確測量對提高噴油器一次裝配合格率具有重要意義。本文提出了采用激光多普勒測振儀測量銜鐵行程的方法并對該方法進行了驗證，實現了對共軌噴油器裝配過程中銜鐵行程的精確控制，有助于進一步提高噴油器一次裝配合格率并保證噴油器一致性和穩定性。

關鍵詞：共軌噴油器；銜鐵行程；激光多普勒

引言：

隨著對排放法規和油耗要求的不斷提高，當前柴油機已廣泛采用高壓共軌系統，共軌系統的電控噴油器（以下簡稱：噴油器）采用電磁閥通過液力放大機構對噴油過程進行控制和調節。噴油器電磁閥的銜鐵行程會直接影響電磁閥的動態響應過程，從而影響到噴油器的噴油一致性和穩定性，是噴油器裝配過程中需要精確和重點控制的關鍵參數。實際工作中通常采用霍爾效應式、電磁感應式或電渦流式傳感器實現對微小位移的準確測量，然而由于噴油器電磁閥銜鐵行程很小，一般為幾十微米，并且電磁閥布置在噴油器頂部，在工作時會產生磁場，導致傳統的微小位移測量傳感器難以安裝或無法正常使用。

在前期噴油器的裝配工作中，出于經濟性考慮，采用了測桿加三角式激光位移傳感器的間接方式實現對銜鐵行程的測量。但是該方法存在測桿干涉折斷的風險和測量結果偏差較大等問題。為進一步提高銜鐵行程測量的穩定性和準確性，引入了測試精度高、抗電磁干擾的激光多普勒測振儀對裝配過程中的銜鐵行程進行測量，經過實際裝配測量驗證，該方法可以實現對銜鐵行程的精確測量，確保在裝配過程中對銜鐵行程的精確控制，能夠進一步提升噴油器一次裝配合格率并保證噴油器噴油性能的一致性和穩定性。

一、控制銜鐵行程的目的

電磁閥是共軌噴油器的核心部件，銜鐵行程是電磁閥最重要的參數之一，直接決定了電磁閥的動態響應特性，會影響噴油器控制腔進、出油量孔開啟和關閉的時刻，從而間接影響噴油器的噴油一致性和穩定性，是噴油器在生產裝配中需要精確控制的關鍵參數。

銜鐵行程對噴油器總成性能影響的具體表現為：1、若銜鐵行程過小，會降低控制閥密封球升程，增加控制腔回油的節流作用，導致油嘴針閥開啟延遲增加和關閉延遲的減小，從而縮短實際噴油持續期并且噴油過程受壓力波動影響較大，引起循環噴油量減小、噴油穩定性變差和噴油量方差變大，甚至導致中小脈寬工況下噴油器無法正常工作。2、若銜鐵行程過大，會導致電磁閥的響應速度變慢，導致油嘴針閥的開啟和關閉延遲時間增長，使實際噴油持續期增長，引起循環噴油量增大。同時，較大的銜鐵行程會降低電磁力，導致電磁閥動作過程中易于受壓力波動的影響從而導致噴油量一致性變差。當進一步增加銜鐵行程后，會出現因電磁力過小而銜鐵無法吸起的現象從而使噴油器無法正常工作。3、當銜鐵行程處于正常范圍內時，電磁閥的響應特性和電磁力符合噴油器正常工作的要求，噴油器可以正常工作并且此時循環噴油量、噴油量一致性和穩定性能夠滿足設計要求。

噴油器銜鐵行程具有以下特性：1、精度要求高：公差僅為正負5μm；2、裝配精度不易控制：銜鐵行程易于受零部件加工質量、調整墊片測量精度以及相關零部件受力變形等諸多因素的影響；3、對噴油器總成性能影響大。鑒于噴油器電磁閥銜鐵行程的以上特性，銜鐵行程的精確測量和控制技術已成為共軌噴油器裝配工藝的核心技術和關鍵環節。

二、激光多普勒測振儀工作原理：

基于激光多普勒原理的非接觸式激光測振儀，設備核心是一臺高精度激光干涉儀和一臺信號處理器，高精度激光干涉儀內的激光器發出的偏振光（設頻率為F0）由分光鏡分成兩路，一路作為測量，一路用于參考。測量光通過聲光調制器具有一定頻移（F），再被聚焦到被測物體表面，物體振動引起頻移（f=2v/λ）。系統收集反射光并與參考光匯聚在傳感器上，從而使兩束光在傳感器表面發生干涉，干涉信號的頻率為F+f，攜帶了被測物體的振動信息，信號處理器經頻移信號轉換為速度和位移信號。

激光多普勒測振儀，具有出色的頻率和相位響應，抗干擾能力強，測量表面無需處理，測量方便快捷，可實時輸出振動信號，能夠實現非接觸的微小位移測量并且無任何附加質量影響，在滿足高精度、高速測量需求的同時，還可以彌補無法實現接觸式測量測量的缺陷。

三、測量裝置及試驗對比結果

根據以上測量原理以及對銜鐵行程裝配控制的要求，利用激光多普勒測振儀并設計和制作了用以測量銜鐵行程的測量裝置。該裝置由激光多普勒測振儀、噴油器及激光干涉儀固定機構、噴油器驅動系統和計算機系統（數據處理及結果顯示）等四個單元組成。測量數據經計算機處理并可以直接顯示出多次測量的平均值、偏差以及每次測量時的動態曲線。該測量裝置的主要功能特點是：1、可實現非接觸測量，不存在其它測量誤差，且無其它消耗件；2、測量速度快，可實時顯示測量結果；3、測得的銜鐵行程動態曲線可以在監控界面上實時顯示，便于觀察和對比。

采用原測桿加三角式激光位移傳感器測量方法與激光多普勒測振儀測量結果對比如表1所示，可見之前采用測桿加三角式激光位移傳感器的測量方法，銜鐵行程僅可精確至1μm，且測量結果的標準差均大于2，而采用激光多普勒測振儀的測量裝置，銜鐵行程可精確至0.1μm，并且測量結果的標準差降低至0.2以內，測量準確度和穩定性均有顯著提高。

四、結論

1、共軌噴油器在裝配過程中，其電磁閥銜鐵行程測量和控制的準確性會直接影響噴油器總成噴油量的一致性和穩定性；

2、采用激光多普勒測振儀對噴油器銜鐵行程進行測量的方法，銜鐵行程測量可精確至0.1μm，測量結果的標準差可控制在0.2以內，測量的準確性和穩定性均有顯著提高；

3、基于激光多普勒測振儀設計制作的共軌噴油器銜鐵行程測量裝置可實現非接觸測量、無需附加機構、測量速度快并可以實時監控和對比，適合在大批量產品生產過程中應用。