发动机用喷气阀特性测试平台设计及实验分析

2012-09-18李高坚袁观练颜伏伍

汽车科技 2012年4期

李高坚，袁观练，孙明，邹斌，颜伏伍

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545000；2.武汉理工大学汽车工程学院，武汉430070)

随着全球石油危机及燃油汽车对城市环境污染的日益严重，发展新能源汽车已经势在必行。液化石油气 (Liquefied Petroleum Gas，LPG）/汽油两用燃料汽车在原有以汽油为燃料的基础上增设一套LPG供给系统，实现在两种燃料之间切换，燃气采用多点电控喷射，电控单元通过控制喷气阀喷出的燃气以适应各种不同的工况。为了保证汽车在使用LPG时具有良好的动力性、经济性及排放性能等，必须获得喷气阀的流量特性，本文针对其测试平台设计及流量特性分析进行研究。

1 喷气阀测试内容

1.1 流量特性参数

喷气阀的流量特性是指喷气阀单次喷气量与喷气脉宽的关系曲线。为了测试流量特性，首先需要了解其结构及工作原理。喷气阀是电磁阀结构的一种，主要由针阀、针阀座、电磁线圈、回位弹簧以及喷气阀体等组成，喷气阀是一个复杂的电路、磁路、流体运动及机械运动系统。在燃气喷射系统中，电控单元根据所采集的传感器信号，计算所需喷气量，根据喷气量给喷气阀一个喷气脉冲，脉冲宽度的大小就决定了喷气阀单次喷射的燃气量[1]。

参考喷油器的特性参数，描述喷气阀流量特性主要技术参数包括：

（1）静态喷射率（Vs）。当喷气阀处于全开位置时，流经喷气阀的燃气量随时间的变化，它是喷气阀的最大喷射率[2]。

（2）动态喷射量（Vd）。动态喷射量是指喷气阀在给定的喷气脉宽下所供给的喷气量（ml/pulse）。

（3）线性偏差（LD）。在给定喷气脉宽下测量的流量或实际流量和计算流量之差与计算流量的百分比。

（4）喷气斜率（M）。根据流量特性曲线计算出的线性回归流量，即单位脉宽下喷气量的变化。

（5）流量范围（LFF和WFR）。用来衡量喷气阀最大与最小流量，定义为最大动态流量与最小动态流量之比，其中包括线性流量范围（LFR）与工作流量范围（WFR）。

鉴于LPG为气体喷射，不需对其做喷射分布测试。

1.2 稳定性

稳定性的要求是在标准的实验条件下，以任意脉冲宽度喷射1 000次，喷气阀的开启时间与关闭时间误差应保持在2%范围内。

1.3 蓄电池电压及喷射压力的影响

不同的蓄电池电压及喷射压力下的喷气阀动态流量曲线，用于标定喷气阀流量对于电压及喷射压力变化的修正曲线，正确补偿喷气量。

2 测试平台及实施方案

2.1 气路系统

为了能够准确得到喷气阀流量特性，需要有可靠的技术方案及实现方法，测试平台的设计应考虑实验环境条件与特性参数实验条件，整个测试系统包括气路系统与喷气控制系统。设计测试平台模型如图1所示。

气路系统主要由储气罐、蒸发减压阀、气体滤清器以及喷气阀组成，由于LPG中丙烷与丁烷均易燃易爆，且压力不易于控制，故试验中用空气替代。测试前，使用空气压缩机给储气罐加气，气体压力根据实验需要调节。测试过程中，调节蒸发减压阀输出气压，一般设定喷气阀的喷射压力为0.12 MPa，气体通过流量传感器与压力传感器，进入喷气阀气轨。喷气阀根据控制单元的脉冲信号实现开启与关闭动作，并喷出适量的气体。其中流量传感器可测量质量流量、体积流量、累计质量以及累计体积等参数。

2.2 喷气控制系统

控制系统包括硬件部分及软件程序，硬件部分主要由计算机、控制器模块、喷气阀驱动电路及信号、串口通信模块、振动信号采集模块构成。

（1）计算机。通过VB软件编写图形化控制界面，与控制器通信，实现喷气脉冲各段时间、脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号频率、占空比以及喷射次数的设置。

（2）控制器模块。采用飞思卡尔S12X系列单片机中的MC9S12XDP512，该单片机集成了定时器、脉冲宽度调制、A/D转换以及串口通信（SCI）等模块。在接收到计算机发来的数据后，利用该单片机即可产生喷气阀所需脉冲信号，该信号精度可达1 us，此外还接收流量传感器与压力传感器信号，并进行A/D转换。

（3）喷气阀驱动电路及驱动信号。喷气阀的驱动形式有两种，即电压型驱动电路与电流型驱动电路，此次测试中使用的喷气阀为低阻型，线圈阻值为3 Ω，使用电流型驱动方式。测试中通过控制器脉宽调制功能实现电流型驱动效果，控制器输出驱动信号如图2所示，驱动电路如图3所示［3］。

喷气阀驱动信号号喷射周期为T，喷射时间为Tinj，由两部分组成，即峰值电压时间Tpeak与保持时间Tpwm。在Tpeak时间内，给出100%占空比信号，此段中喷气阀加载电压为蓄电池电压，电流迅速上升，以使喷气阀迅速开启。Tpwm时间内输出频率为10 kHz的PWM信号，线圈中只需较小电流保持喷气阀阀杆的位置，PWM信号结束后关闭定时器与PWM模块，停止信号输出，直至喷射周期结束。

（4）串口通信模块。该模块主要实现计算机与控制器之间的通信，计算机通过串口RS232与控制器建立连接，并将设定的参数发送到控制器，控制器按照要求对喷气阀输出相应的信号脉冲，同时通过该模块采集传感器信号，记录喷射压力值及喷气量。

（5）振动信号参数的采集。喷气阀开启与关闭时的振动信号由压电陶瓷片检测，通过A/D模块输入计算机，该信号对A/D模块转换速率要求较高，处理结果用于分析喷气阀的稳定性。

3 测试过程及分析

3.1 静态喷射率Vs与动态喷射量Vd

静态喷射率也反映了喷气阀的最大喷射率，在标准测试条件下，保持喷气阀处于全开位置20 s，每隔2 s通过控制器读取体积流量一次，完成后取平均值，即为喷气阀动态喷射率[4]。

动态喷射量即在动态工作过程中实际的喷气量，是发动机运转时供气量的主要依据。在保证测试中喷射压力与驱动电压等工作条件不变的情况下，给定喷气阀周期T=10 ms。实验中每个测试点的喷气次数设定为1 000，然后根据所测值求出每个测试点的动态喷气量ml/pulse，作出其Vd-t图，如图4所示。

理想的喷气阀，其开启与关闭都是瞬间完成，喷气阀流量为线性的，但实际上并非如此。喷气阀在通电后并非瞬间开启，由于喷气阀电感作用，电流逐步上升，产生的磁场增强，吸引阀杆克服外力，从而使喷气阀开启［5］。在喷气阀上的电压断开后，电流下降，当磁场不足以克服外力时，阀杆落在喷气孔座上，喷气阀关闭。开启延迟使得喷气阀在小范围的脉冲宽度时，喷气量并非线性增长，而关闭延迟导致在脉冲宽度接近喷射周期时连续测试中，前一次喷射喷气阀刚刚关闭或未完全关闭，后一次的喷射脉冲又开始，流量增速加大，最终喷气阀一直保持完全开启，流量不变。

3.2 稳定性

喷气阀开启与关闭对于其流量特性有较大的影响，喷气阀的稳定性是用来度量喷气阀开启时间与关闭时间的变化，也是脉冲时间性能或频率的一种间接度量。实验时至少对1 000次连续脉冲的开启与关闭时间进行记录。开启时间是驱动电路脉冲开始输出后，喷气阀铁芯首次达到它的全开位置所需要的时间，关闭时间是驱动电路脉冲输出中断后，喷气阀铁芯首次达到它的全关位置所需要的时间。

测量喷气阀开启与关闭时间要通过喷气阀体的振动来判断，在此选用压电陶瓷片，将其固定安装在喷气阀体上，该信号通过A/D模块转换，得到的数值由计算机记录，图5为示波器测量的喷气阀开启与关闭时间。从图5可以看出，在脉冲信号开始后一段时间后，压电陶瓷片发出振动信号，同样在关闭后，振动信号也有延迟。

3.3 喷射压力的影响

根据伯努利方程可知，喷气量与喷射压力和喷射出口之间的压差有一定的关系。通过调整蒸发减压阀，使得喷射压力逐渐变化，作出不同喷射压力下的流量特性图，如图6所示。从图6可以看出，随着喷气压力的增大，对应的流量曲线的斜率也逐渐增大，即在相同的喷射时间内喷气量变大，由此，在发动机工作时，若喷射压力有变化，喷射脉冲应能及时做出相应的补偿，以保证发动机正常运转［6］。

3.4 蓄电池电压的影响

发动机在运转时，蓄电池直接将电压供给喷气阀，而蓄电池的电压并非一直不变，由于车上用电设备的开启与关断以及发电机的关系，势必会造成电压波动，由此影响喷气阀的流量特性，因而需要通过蓄电池电压与流量特性的关系对电压波动进行补偿。测试过程中需要调整供电电压，以测试不同电压对流量特性的影响关系，即得到不同电压下的流量特性曲线，如图7所示。随着驱动电压的下降，喷气阀开启时间增大，因而喷气阀在实际工作时，当蓄电池电压偏高则应减少喷射占空比，而如果电压下降则应延长喷射时间，以此达到理想的空燃比。