汽车电控喷油器流量特性试验台的设计与初步试验研究

【摘 要】本文论述了开发电控喷油器微机测试系统的意义；为检测电喷发动机喷油性能，介绍了以8098为核心的喷油器流量试验台；阐述了喷油器流量试验台设计思想、硬件结构和软件设计方法。以高阻型喷油器为例，在整个流量范围内对其进行测试，并对测试数据加以分析总结，得出了该喷油器流量特性的一些重要参数。目前，电控喷油器微机测试系统已投入使用，取得了良好的实际效果。

【关键词】动力机械工程；电控喷油器；试验研究；流量特性

0 引言

现代电子控制技术在发动机喷射系统中的应用大大改善了发动机性能。电控喷油器作为电控喷射系统的一个关键部件，其工作特性对汽油机与电喷系统的匹配和燃油的计量精度都有很大的影响。在电喷发动机的电控系统中，电控单元通过调节喷油器的喷油脉宽来控制喷油量，从而适应发动机各种工况的需要。喷油量的精确性将直接影响发动机的动力性、经济性及排放性能等。因此，对喷油器喷油量的高精度和高效率测量是喷油器及发动机生产企业重要的质量保证手段。由于发动机在实际工作中，喷油器每次喷油时间非常短（几毫秒），所以必须精确控制喷油器的喷射时间，并采用精密的电子测试装置对喷出的油量进行测量，才能正确反映喷油器的流量特性。

为了对电控喷油器的工作特性进行研究，深入了解影响喷油器性能的因素，本文专门研制开发了电控喷油器流量特性试测试系统。

1 电控喷油器的工作原理

喷油器是一种电磁阀，由电磁线圈、衔铁、针阀及回位弹簧等部分组成，喷油器头部的衔铁和针阀组合成一体。喷油器的针阀在工作过程中受到液体压力、弹簧力、惯性力、摩擦力和电磁吸力的综合作用。线圈通电前，喷油器针阀在液体压力和弹簧力的作用下被压紧在阀座上。通电后，线圈产生的电磁吸力大于其他力的作用之和时，针阀上升开启，具有一定压力的燃油从针阀周边缝隙喷出。 在稳定流动的情况下，通过喷油器喷孔的喷油量mf可表示为：mf=uAt■（1）式中：uA—喷孔的有效流通面积；ρf—燃油密度；t—喷油器的通电时间；Δp—喷孔前后的压力差。压力差定由压力调节器保持恒定， 所以mf又可表示为： mf=Kt （2），式中：K—常数，表明喷油量和通电时间成正比。

2 试验台的整体组成

本测试系统的整体组成如图1所示。

图1 电控喷油器测试系统示意图

目前，国内对电控喷油器流量特性的检测普遍采用以下两种方法进行测试：容积法或离线称重法，其中容积法的缺点是测试精度低，离线称重法的缺点是测试效率低，不能满足高效、高精度测试的需要。为此，本文针对高电阻式喷油器的工作特点，研制开发了一套基于8098单片机的电控喷油器流量特性自动测试系统。

汽油从油箱经电动汽油泵、汽油滤清器、脉动减振器和燃油分配管，然后到喷油器。喷油器喷出的测试液经量杯收集后再由电子秤确定喷油流量。汽油泵用来给供油管路输送具有一定压力的燃油；滤清器用来滤除燃油中的杂质；喷油器由控制器通过驱动电路控制其打开或关闭，并喷出适量的燃油；脉动减振器把油泵产生的液压波动的影响减小到最低，测试过程中能使喷油器的进口压力始终稳定在±0.1KPa以内，对压力波动起到有效的缓冲作用；压力调节器保持油路与进气管之间的压差恒定，并把多余的燃油送回油箱；电子称能采集压力传感器输出的频率信号，并将其转换为汽油流量，将流量值显示出。在研制过程中，选用MCS-8098单片机作为控制器。8098单片机与微机之间通过RS-232串口通信来完成控制程序的编制及调试。单片机使用内部脉冲计数来定时，通过预设计数初值的计数方法，使其计数满后自动溢出中断。单片机发出脉冲信号经驱动电路放大以后加到喷油器上，控制喷油器的打开或关闭，从而实现对喷油器喷油脉宽和周期的精确控制。8098片机通过与电子秤的通信，将流量值输出并显示。喷油器采用电压控制型的驱动电路，如图2所示。8098单片机通过HSO.x高速输出口发出喷油器驱动信号，使功率三极管T处于饱和或截止状态，相应地使喷油器线圈通电或断电。驱动模块采用光电耦合器件，将单片机的信号输出电路与喷油器驱动电路隔离开，可抑制喷油器驱动电路的高频干扰进入单片机电路，以保证单片机正常工作。图2中电阻4R和二极管D1在喷油器关闭时提供放电通路，以防止功率三极管损坏。喷油器的喷射周期设定为30ms。

图2 电控喷油器驱动电路

图3 不同电压下的动态喷油流量曲线

3 喷油器性能测试实例

给出了喷油器线圈电压反向微分后的计算波形，可以看出在B、E点皆有跳跃，这为测量提供了依据，微分后的信号经比较器后以方波输出，经电平转换后，可输入到单片机的中断引脚。用设计的测试系统对一种高阻喷油器进行了测试。测量时，单片机HSO.x引脚输出周期一定的脉宽调制信号，通过改变信号的占空比调节喷油时间。固定喷油脉冲周期为30ms，按从小到大的顺序依次加大喷油脉宽，在小流量区域脉宽每步增加0.1ms，其他区域每步增加1ms。喷油器的流量用电子秤来测定。由于喷油器的循环喷油量很小，为了提高对燃油喷射量的计量精度，对应每一个喷油脉冲宽度，均采用多次重复计量取平均值的办法。喷油的次数可随意设定，当喷油次数达到设定值时，喷油器自动停止喷油。

根据测试数据作出流量特性曲线。由实测的喷油器流量特性可以看出，电控喷油器在绝大部分流量范围内呈现良好的线性关系，仅在小流量区域呈现非线性。喷油器针阀只有在电磁力大于其他力的合力时才开启喷油，所以喷油器存在开启滞后时间的情况。由测试结果可知，最小线性脉宽约为2ms，开启滞后时间为1ms。

理论上，在喷油器的全程流量范围内，喷油器的流量应该是线性的，且与喷油脉宽成正比，但实际上并非如此。在动态流量曲线的始端（喷油器开启阶段），由于脉宽太小，加之开启延迟，球阀刚刚开启（或还没有到达全开位置）就收到断电信号，阀杆组件由向上加速运动转为减速运动，速度为零后向下加速运动直到与阀座紧密贴合，因此在小脉宽范围内，流量随脉宽的增加而成非线性增长；非线性流量开启阶段，阀杆组件加速上升直到与上管套相碰，经过几个回合的反复碰撞后，其动能逐渐损失而牢牢地吸在上管套的下端，因此在小脉宽范围非线性流量开启阶段，流量曲线会有小范围波动。为了获得喷油器流量特性的直线方程，利用最小二乘法对喷油器的测试结果进行了直线拟合。已知点（x1，y1），（x2，y2），…，（x，y），设直线拟合方程为y=a1x+a0， 依据最小二乘法， 可确定出a1和a0的大小。拟合结果为a1=0.0026，a0=0.0021，线性相关系数为0.9993。

汽车运行时，蓄电池直接将电压供给喷油器，蓄电池的电压是波动的，必将影响喷油器的流量特性。因此，需要通过蓄电池电压与流量特性曲线的关系对电压波动进行补偿。试验中，通过调整加载，在喷油器两端的输入电压U，得出不同电压下的Q-t图，见图3所示。由图3可知，随着电压的减小，喷油器开启时间逐渐增大，同一喷油脉宽下对应的喷油量不断减少。因此，喷油器在实际工作时，若蓄电池的电压较低，则适当增加喷油时间，而当电压较高时，相应减少喷油时间，混合气的空燃比就可以得到精确控制。

4 结论

1）电控喷油器的流量特性对电控汽油机的性能具有重要影响。在实际使用中，可以根据喷油器的类型以及该喷油器对应的Q-t图对其进行修正，以确保精确控制所需要的燃油量。

2）本测试装置结构简单、安装方便且性能可靠，通过8098单片机可精确设置喷油时间，显示喷油器流量值。因而，可在整个流量范围内真实再现喷油器流量的变化情况。

[责任编辑：汤静]

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