电控汽油喷射器开启响应特性测试台的研制

张振东，程 强，徐晓丽

(上海理工大学 机械工程学院，上海200093)

0 引 言

汽车保有量的迅猛增长以及日趋严重的环境污染和能源问题，迫使人们对汽车进行严格的排放控制和提出更高的节能要求。电控汽油喷射系统作为汽车发动机的一种新型供油方式，具有能够最大限度地提高发动性能和降低排气污染等优点而被广泛采用［1-5］。近年来，为实现电控汽油喷射器的自主生产，国内一些企业对电控汽油喷射器进行了技术攻关，但与国外先进技术相比，在关键性能检测、结构优化设计、加工及装配工艺等方面尚存在较大差距［6-8］。开启响应时间是反映电控汽油喷射器动态性能的重要指标之一［9-12］，一般利用线圈通电后钢球开始运动时刻以及钢球完全升起时刻等参数进行表征。本文在分析电控汽油喷射器结构及工作过程的基础上，研究了通电后球阀开启过程中线圈电流曲线的变化特点，以单片机为核心开发了电控汽油喷射器球阀开启响应特性测试台，实现了开启响应时间参数的精确检测。

1 电控汽油喷射器结构组成及工作原理

在电控汽油喷射系统中，汽油喷射器是一个关键部件［13］，如图1 所示。汽油喷射器主要由电磁线圈、铁芯、衔铁钢球组件、轭铁及复位弹簧等组成。从原理上看，汽油喷射器本质上是一种电磁阀［14-15］，电磁线圈不通电时，衔铁钢球组件在复位弹簧和燃油压力作用下被压紧在阀座上;电磁线圈通电后，衔铁受到电磁力的作用，当电磁力超过弹簧压力和燃油压力后，钢球从阀座升起，具有一定压力的燃油从喷孔喷出;线圈断电后，钢球落座，完成一次喷射过程。

图1 电控汽油喷射器结构简图

1.1 球阀开启过程中线圈的电流方程

电控汽油喷射器线圈通电时的等效电路如图2 所示，R 和L 分别为电磁线圈的等效电阻和电感，电路的电压平衡方程为:

图3 电磁线圈通电时的等效电路

结合初始条件:t =0 时，i =0，可求得球阀开启过程中线圈电流的变化关系:

由式(2)可知，通电后线圈电流随时间按照指数规律增长。

1.2 球阀开启不同阶段线圈电流的变化特点

由式(2)可知，在球阀开启的不同阶段，由于工作气隙会发生变化，导致开启不同阶段的电流会出现不同的变化特点。通电开始后，汽油喷射器线圈电流变化情况如图3 所示。图中，OA 阶段代表线圈中电流和磁通从零增长到使电磁吸力等于弹簧反力所经历的过程，在此过程中钢球不动，工作气隙保持最大值，线圈中的电流按照一定的指数规律增长，OA 段所经历的时间t1称为开启迟滞时间。在AB 阶段，电磁吸力大于弹簧力，钢球向上运动，由于工作气隙不断减小，线圈电感L 增加，线圈电流逐渐下降，在钢球达到满行程时，线圈电流降为一个极小值(B 点)，AB 段经历的时间t2称为开启运动时间。t1与t2之和称为球阀的开启延迟时间，以tdk表示。此后，工作气隙保持最小值不变，线圈电流又以新的指数规律增长，直至达到饱和值(U0/R)。

图3 通电后汽油喷射器线圈电流曲线

由图3 可知，汽油喷射器线圈通电后，在钢球开始运动时刻电流会出现极大值(A 点);在钢球完全开启时刻线圈电流会出现极小值(B 点)。依据线圈电流曲线的上述变化特点，通过检测电流曲线上A 点及B点出现的时刻可获得汽油喷射器的开启响应时间参数。

2 汽油喷射器开启响应特性测试

2.1 测试系统的组成及工作原理

测试系统主要由80C196 单片机［16］、发动机供油系统、喷射器驱动电路、钢球运动检测电路及数字示波器等组成，其结构如图4 所示。其中，供油系统由汽油泵、汽油滤清器、压力调节器、汽油喷射器等组成，用以实现燃油的持续供给。80C196 单片机HSO.0 引脚发出的连续喷油脉冲信号经驱动电路放大后，对汽油喷射器的喷油过程进行控制;80C196 单片机的HSI.1 引脚检测钢球开始运动及完全开启时刻，即分别记录图3 中A 点和B 点出现的时刻。

图4 开启响应特性检测系统结构简图

汽油喷射器驱动电路如图5 所示，HSO.0 引脚输出的电平信号经反相器N1、光耦及反相器N2进行电平转换后，施加在功率三极管T 的基极。当HSO.0 为高电平时，三极管T 饱和导通，喷射器线圈中有电流流过并产生电磁吸力，当电磁吸力大于弹簧反力时，喷射器开启喷油;当HSO.0 为低电平时，T 截止，喷射器线圈断电。喷射器两端并联保护二极管可为断电时线圈中产生的感应电动势提供放电回路，起到保护功率三极管的作用。另外，电路中接入一个小阻值电阻R0以采集喷射器线圈电流，为钢球开启特性检测电路提供初始信号。

图5 驱动系统电路图

汽油喷射器开启特性检测电路框图如图6 所示，主要由放大电路、微分电路、电压电压比较电路和电平转换电路等组成。其中，放大电路对采样电阻R0所采集的线圈电流信号进行放大处理;微分电路通过微分处理将电流曲线上的A、B 点极值信号转变成尖脉冲信号;电压比较电路用于将尖脉冲转变为方波信号;电平转换电路将方波信号转变为单片机可接受的电平信号。

2.2 钢球开启特性测试过程

喷射器开启特性的测试过程如下:80C196 单片机的HSO.0 引脚向驱动电路发出喷油脉冲命令的同时清零定时器T0，在喷射器内部钢球开始运动时刻及完全开启时刻，单片机的HSI.1 脚分别出现负脉冲信号，该脉冲的下降沿触发HSI 数据有效中断，在中断服务程序中可分别读取开始运动时刻ts及完全开启时刻tw。喷油脉冲信号与ts和tw信号之间的关系如图7 所示。

图6 球阀开启/落座时刻检测电路

图7 喷油脉冲与钢球开启过程电信号之间的关系

图7 中，a 表示喷油脉冲信号;b 为喷射器开启过程出现的特征信号。喷射器刚通电时对应的定时器T0的时刻为t0，钢球刚运动对应的时刻为ts，钢球完全开启对应的时刻为tw。假定喷射器脉冲信号持续的时间为tp，则可得下列关系:

3 测试结果及分析

依据上述检测方法，开发了汽油喷射器开启特性测试台，如图8 所示。首先，利用高精度数字示波器采集线圈电流波形，并借助图形存储功能提取t1、t2时间值的方式对本文检测方法的有效性进行了验证。对比结果表明，两者的测试误差小于0.5%，证明本文的检测方法具有较高的检测精度，能够满足汽油喷射器开启特性实际检测的需要。

图8 线圈电流曲线示波器截图

在此基础上，选取了博世、德尔福柳州源创公司各1 款汽油喷射器，对其钢球开启特性时间参数进行了实验测试，结果如表1 所示。

表1 实验测试结果ms

由表1 可见，不同的汽油喷射器其开启响应特性存在较大差别，开启延迟时间越短代表汽油喷射器的动态响应能力越好。本文汽油喷射器开启响应特性测试台的开发为汽油喷射器开启响应特性的精确检测提供了一种新方法。

4 结 语

开启响应特性是反映汽油喷射器动态工作性能的关键参数。作者在分析钢球开启不同阶段线圈电流变化特点的基础上，开发了钢球开启过程时间参数测试台，通过对比实验的方法验证了本文测试方法的可行性和有效性，为汽油喷射器开启特性的科学评价提供了一种有效手段。

［1］ 邸立明，韩宗奇，夏怀成. 电控喷油器流量特性的仿真研究［J］.汽车工程，2009，31(5):451-455.

［2］ 尹丛勃，张振东，刘志远，等. 电控喷油器流量特性试验台的设计与试验［J］. 农机化研究，2007，12(12):194-196.

［3］ Yin Congbo，Zhang Zhendong，Guo Hui. Computations of transient flows and sprays of port fuel injector［J］. Applied Mechanics and Materials，2012(130-134):3636-3639

［4］ 肖 琼，颜伏伍，邹 华. 电控喷油器流量特性试验台的开发与试验分析［J］. 中国机械工程，2005，16(16):1419-1422.

［5］ 何付斌，杨铁皂，徐宙斌. 电控喷油器喷射量特性小喷油脉宽非线性段研究［J］. 河南科技大学学报，2010，31(5):29-31，39.

［6］ 袁守利，颜伏伍，邹 斌. 电控喷油器综合性能试验台的研究与开发［J］. 武汉理工大学学报，2007，29(10):77-81.

［7］ 李育学，张静秋，欧阳光耀. 电控喷油器的优化设计［J］. 内燃机学报，2006，24(3):270-274

［8］ 郭 辉，张振东，孙跃东. 电控汽油喷射阀参数优化及性能测试研究［J］. 中国机械工程，2010，21(18):2264-2267.

［9］ Spurk J H，Betael T，Simon N. Interaction of nonlinear dynamics and unsteady flow in fuel injectors ［C］//SAE Paper，920621，1992.

［10］ 张振东，刘 坚，周 萍. 电控喷油器开启过程影响因素分析［J］. 农业机械学报，2003，34(6):14-17.

［11］ 肖龙发，张振东，郭 辉. 电磁喷油器开启及落座滞后时间测试研究［J］. 上海理工大学学报，2010，32(3):297-301.

［12］ 郭 辉，张振东，程 强. 一种电控喷油器动态时间参数测试方法［J］. 中国机械工程，2012，23(5):626-628.

［13］ 周龙保，刘巽俊，高宗英. 内燃机学［M］. 北京:机械工业出版社，1999.

［14］ 马忠杰，钱耀义，于秀敏. 电控喷油器喷射过程的计算模型［J］.内燃机学报，1997，15 (2):231-236

［15］ 郭 辉. 电控喷油器动态性能仿真与结构优化研究［D］. 上海:上海理工大学，2012.

［16］ 刘复华. 8XC196KX 单片机及其应用系统设计［M］. 北京:清华大学出版社，2002.