電控噴油器流量測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電控噴油器流量測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0發(fā)動(dòng)機(jī)噴油流量特性在噴射電機(jī)的高壓管理系統(tǒng)中，勵(lì)磁裝置通過(guò)控制噴油器的噴油脈寬來(lái)控制噴油量，以滿足不同條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的需要。噴油量的精確性將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能等,因此,有必要對(duì)噴油器的一個(gè)極為重要的特性——流量特性進(jìn)行試驗(yàn)和研究。流量特性是指噴油器單次噴油量與噴油脈寬的關(guān)系曲線。1非線性流量開啟和關(guān)閉階段噴油器是一個(gè)復(fù)雜的電路、磁路、流體運(yùn)動(dòng)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),噴射過(guò)程較為復(fù)雜,同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路形式對(duì)噴油器的流量特性也有一定的影響。按噴油器的動(dòng)態(tài)流量特性,將噴油器工作過(guò)程分為如下幾個(gè)階段:(1)開啟遲滯階段噴油器收到來(lái)自驅(qū)動(dòng)電路的電壓信號(hào)前,閥桿組件在外力(彈簧預(yù)緊力、油壓和自重)的作用下被壓緊在閥座上。當(dāng)收到電壓信號(hào)后,線圈內(nèi)的磁通量逐漸增大,閥桿組件所受磁力增大并克服外力,從而噴油器開啟。(2)非線性流量開啟階段閥桿組件加速上升直到與上管套相碰,經(jīng)過(guò)幾個(gè)回合的反復(fù)碰撞后,動(dòng)能逐漸損失而牢牢地吸在上管套下端。(3)線性流量階段噴油器保持全開,噴油器收到斷電信號(hào)后,由于電感使得線圈中電流逐漸減小,閥桿組件所受磁力也逐漸減小,直到磁力與外力達(dá)到瞬時(shí)平衡。根據(jù)伯努利方程可知此階段的流量為Q˙=2gρΔpAx????????√(1)Q˙=2gρΔpAx(1)式中,Q˙Q˙為單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量流量;g為重力加速度;ρ為燃油密度;Δp為噴油器內(nèi)與噴射出口的壓差;Ax為噴孔截面積。由式(1)可知,對(duì)某一噴油器而言,保持其噴射壓力恒定,全開時(shí)的噴油量Q˙Q˙為常數(shù)。(4)非線性流量關(guān)閉階段閥桿組件加速向下運(yùn)動(dòng),直到碰到閥座,同樣經(jīng)過(guò)幾個(gè)反復(fù)碰撞后,貼在閥座上。汽車上的噴油器普遍使用的驅(qū)動(dòng)電路是電流式驅(qū)動(dòng)電路和電壓式驅(qū)動(dòng)電路,本測(cè)試裝置中使用的控制電路是電壓式驅(qū)動(dòng)電路,相應(yīng)地,使用的噴油器為高阻型噴油器,其線圈阻值為16Ω。2試驗(yàn)裝置的組成和工作原則筆者設(shè)計(jì)的流量特性測(cè)試裝置如圖1所示,該裝置操作簡(jiǎn)單,計(jì)算機(jī)界面友好。2.1噴油器的熱交換器及空氣減振器測(cè)試液經(jīng)電動(dòng)燃油泵、燃油濾清器、熱交換器、空氣減振器、燃油分配管然后到噴油器,噴油器噴出的測(cè)試液經(jīng)集油槽收集后流入油箱。熱交換器用于確保測(cè)試液的溫度在測(cè)試過(guò)程中的變化范圍始終為±1℃;同時(shí)為了把油泵產(chǎn)生的液壓波動(dòng)的影響減小到最低,本測(cè)試臺(tái)架用了自行設(shè)計(jì)的空氣減振器,使其上部維持最小為30mL的空氣量。試驗(yàn)證明,測(cè)試過(guò)程中,能使噴油器進(jìn)口壓力始終穩(wěn)定在±0.1kPa以內(nèi),對(duì)壓力波動(dòng)起到有效的緩沖作用。在空氣減振器的下部連接有壓力和溫度傳感器,用以監(jiān)測(cè)油壓和油溫。2.2測(cè)控、通訊、測(cè)試控制實(shí)現(xiàn)控制部分的硬件由板卡和計(jì)算機(jī)組成,通過(guò)串口互相傳遞數(shù)據(jù)。板卡上主要集成有驅(qū)動(dòng)電路、放大電路、測(cè)控單片機(jī)、12位A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和通訊單片機(jī),其中測(cè)控單片機(jī)和通訊單片機(jī)的型號(hào)均為89C52,采用的晶振頻率均為11.0592MHz。軟件部分由控制界面、單片機(jī)控制程序和串口通訊程序組成,前者由VB完成開發(fā),后兩個(gè)程序用匯編語(yǔ)言完成編譯。測(cè)控單片機(jī)使用內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)來(lái)定時(shí),通過(guò)預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)初值的計(jì)數(shù)方法,使其計(jì)數(shù)滿后自動(dòng)溢出中斷,以此達(dá)到單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出通電和斷電信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器噴油脈寬和周期的精確控制。除此以外,測(cè)控單片機(jī)還接受經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化后的油壓和油溫?cái)?shù)字信號(hào)。通訊單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和控制單元的數(shù)據(jù)傳輸,通過(guò)串口通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包括計(jì)算機(jī)發(fā)給控制單元的測(cè)試參數(shù)及測(cè)試命令,測(cè)控單片機(jī)傳輸給計(jì)算機(jī)的油壓和油溫信息。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是一個(gè)雙口RAM,通訊單片機(jī)和測(cè)控單片機(jī)都可以對(duì)它進(jìn)行讀寫,因此通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)了通訊單片機(jī)和測(cè)控單片機(jī)的信息共享,實(shí)現(xiàn)了通訊單片機(jī)和測(cè)控單片機(jī)的連接。這樣,測(cè)控單片機(jī)可以通過(guò)通訊單片機(jī)得到計(jì)算機(jī)指定的測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試命令,計(jì)算機(jī)也可以通過(guò)通訊單片機(jī)得到測(cè)控單片機(jī)接收的傳感器數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)主要提供一個(gè)測(cè)試控制界面,通過(guò)此界面來(lái)設(shè)定噴油周期(或發(fā)動(dòng)機(jī)模擬轉(zhuǎn)速)、噴油脈寬、噴油次數(shù)和任意選擇需要測(cè)試的噴油器。油壓和油溫從該界面可以直接讀出。表1和表2分別為本測(cè)試系統(tǒng)能達(dá)到的精度要求和輸入?yún)?shù)的可調(diào)范圍。3流量特性測(cè)試3.1噴油器工藝測(cè)試試驗(yàn)中使用了一種低揮發(fā)性的碳?xì)浠衔镆后w——正庚烷,其物理性質(zhì)、粘度和密度與汽油接近。試驗(yàn)中供給噴油器的驅(qū)動(dòng)電壓為(14.0±0.05)V直流電,測(cè)試過(guò)程中壓力波動(dòng)范圍控制在0.1kPa內(nèi),在噴油器燃油入口處測(cè)定的測(cè)試液溫度穩(wěn)定在(20±1.0)℃。測(cè)試前用測(cè)試液清洗噴油器和測(cè)試裝置,以除去系統(tǒng)中的空氣、蒸汽和雜質(zhì);以5ms為噴油脈寬,10ms為一噴油周期,讓噴油器持續(xù)噴射1000次;用于清洗的測(cè)試液一次性通過(guò)噴油器,不回收使用。3.2重要參數(shù)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果的分析3.2.1最大噴射率靜態(tài)噴射率是指當(dāng)噴油器處于全開位置時(shí)流經(jīng)噴油器的燃油量隨時(shí)間的變化,它是噴油器的最大噴射率。在本試驗(yàn)中,在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下,讓噴油器噴射20s,測(cè)得流量為52.2mL,通過(guò)密度(在當(dāng)時(shí)條件下測(cè)得的汽油密度為0.723g/mL)轉(zhuǎn)換后,計(jì)算得到其靜態(tài)噴射率為1.887g/s。3.2.2噴油器動(dòng)態(tài)流量曲線的建立動(dòng)態(tài)噴射量是指噴油器在給定噴油脈寬(PW)下所供給的燃油量(mg),即在動(dòng)態(tài)工作過(guò)程中實(shí)際供給的燃油量。在保證測(cè)試時(shí)油壓、油溫和驅(qū)動(dòng)電壓不變的情況下,給定噴油器周期T=10ms,噴油脈寬從1.2ms逐漸增加到10ms。其中,小流量脈寬范圍(1.2~2.0ms)步長(zhǎng)為0.1ms,線性流量脈寬范圍(2.0~9.0ms)步長(zhǎng)為0.5ms,大流量脈寬范圍(9.0~10ms)步長(zhǎng)為0.1ms(9.0~9.5ms)和0.5ms(9.5~10ms),共29個(gè)測(cè)試點(diǎn)。在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行1000次噴射,即可求出單位脈寬下1000次的噴射量,其單位為mL/1000次,通過(guò)密度轉(zhuǎn)換后即可求出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量點(diǎn),作出Q-t圖(圖2)。試驗(yàn)表明,脈寬小于1.2ms不足以開啟噴油器,9.5~10ms范圍內(nèi)噴油器保持全開,其流量也保持不變,數(shù)值上,噴油器動(dòng)態(tài)流量曲線線性段的斜率大小就是靜態(tài)流量值,靜態(tài)流量的單位為g/s。理論上,在噴油器的全程流量范圍內(nèi),噴油器的流量應(yīng)該是線性的,且與噴油脈寬成正比,但實(shí)際上并非如此:在動(dòng)態(tài)流量曲線的始端即噴油器開啟階段,由于脈寬太小,加之開啟延遲,球閥剛剛開啟(或還沒(méi)有到達(dá)全開位置)就收到斷電信號(hào),閥桿組件由向上做加速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為減速運(yùn)動(dòng),速度為零后向下加速運(yùn)動(dòng)直到與閥座緊密貼合,因此在小脈寬范圍,流量隨脈寬的增加而成非線性增長(zhǎng);在動(dòng)態(tài)流量曲線的末端,由于關(guān)閉延遲,噴油器在收到斷油脈沖信號(hào)后,閥桿組件不能及時(shí)下落,等到剛剛下落不久(或還未與閥座貼合)噴油器就收到供油脈沖信號(hào),使其再次被銜鐵吸合,所以在大脈寬階段,隨脈寬的增加,流量有所增加并逐漸趨于平緩,到最后隨脈寬增加流量已不再變化,閥桿組件始終處于全開位置。3.2.3流量擬合曲線擬合用最小二乘法對(duì)測(cè)得的動(dòng)態(tài)流量曲線線性段(在本計(jì)算中取的是2.5~8.5ms,間隔0.5ms)的動(dòng)態(tài)流量點(diǎn)進(jìn)行求解便可得出流量擬合曲線,從而求出噴油斜率m(即該直線的斜率),m定義為單位脈寬下的噴油量的變化,m=ΔQdc/(ΔPW),計(jì)算后的流量擬合曲線的斜率m=1.879g/s,與前面測(cè)得的靜態(tài)流量值在數(shù)值上幾乎相等。3.2.4噴油量和流量由圖2,根據(jù)流量擬合曲線可以計(jì)算出噴油器在任一脈寬下的計(jì)算噴油量Qdc=mPW-y=m(PW-x),本試驗(yàn)中計(jì)算的時(shí)間偏移量x=0.369ms,流量偏移量y=-0.696mg。3.2.5噴油器動(dòng)態(tài)流量曲線線性偏差指在給定噴油脈寬下測(cè)量流量Qd和計(jì)算流量Qdc之差與計(jì)算流量的百分比,即LD=(Qd-Qdc)/Qdc×100%,圖3是由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的噴油器動(dòng)態(tài)流量曲線與流量擬合曲線的偏差百分比。3.2.6差的5%處的實(shí)際流量的最大qx動(dòng)態(tài)流量范圍即噴油器的可用流量范圍。由圖2、圖3可以得出噴油器的動(dòng)態(tài)流量范圍,它是用線性流量偏差的5%處的實(shí)際流量的最大值Qmax與最小值Qmin的比值來(lái)表示的,即LFR=Qmax/Qmin。本測(cè)試中,噴油脈寬PW=1.8ms時(shí)對(duì)應(yīng)的流量Qmin=4.1mL,9.2ms時(shí)對(duì)應(yīng)的流量Qmax=24.5mL,算得LFR=5.98,通過(guò)此數(shù)值可以比較不同噴油器之間的動(dòng)態(tài)流量范圍。3.3噴油器開啟時(shí)間汽車運(yùn)行時(shí),蓄電池直接將電壓供給噴油器,蓄電池的電壓是波動(dòng)的,必將影響噴油器的流量特性。因此需要通過(guò)蓄電池電壓與流量特性曲線的關(guān)系對(duì)電壓波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。試驗(yàn)中,通過(guò)調(diào)整加載在噴油器兩端的輸入電壓U,得出不同電壓下的Qd-t圖,見圖4。由圖可知,隨著電壓的減小,噴油器開啟時(shí)間逐漸增大,同一噴油脈寬下對(duì)應(yīng)的噴油量不斷減小,在大流量范圍,這種減小的趨勢(shì)明顯縮小。由此,噴油器在實(shí)際工作時(shí),若蓄電池的電壓較低,適當(dāng)增加噴油時(shí)間,而當(dāng)電壓較高時(shí)相應(yīng)減少噴油時(shí)間,混合氣的空燃比就可得到精確控制。3.4油壓力的影響與電壓類似,供油壓力p也將影響噴油器的流量特性。通過(guò)調(diào)整泄壓閥的開度進(jìn)行油壓調(diào)整,作出不同油壓下的Qd-t圖,得出油壓對(duì)噴油器流量特性的影響,如圖5所示。隨噴射壓力的減小,對(duì)應(yīng)的流量曲線線性段的斜率也不斷變小,即噴油量也明顯減小,因此,其噴油量也應(yīng)隨噴射壓力的不同作出相應(yīng)調(diào)整。4噴油器的類型及qd-t圖修正(1)通過(guò)理論分析和試驗(yàn)可得出,驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)供油壓力、蓄電池電壓等對(duì)噴油器流