电控汽油喷油器动态响应及流量特性测试系统研究*

叶昌张振东程强郭辉

（1.上海理工大学；2.上海工程技术大学）

电控汽油喷油器动态响应及流量特性测试系统研究*

叶昌1张振东1程强1郭辉2

（1.上海理工大学；2.上海工程技术大学）

分析了进气道喷射式电控汽油喷油器的结构及工作原理，利用钢球完全开启及完全关闭时刻线圈电流曲线出现拐点的特点，提出一种基于线圈电流变化的电控汽油喷油器动态响应时间测量方法，并以单片机为控制核心开发了电控汽油喷油器动态响应及流量特性测试系统。试验结果表明，该检测系统能够对电控汽油喷油器的动态响应及流量特性进行高精度检测，开启延迟时间的相对测试误差小于1.67%，关闭滞后时间的相对测试误差小于1.56%，流量特性的测试误差小于0.01 mg。

1 前言

电控汽油喷油器作为发动机燃油喷射系统的重要部件，主要负责燃油喷射量的精确控制，其性能对汽车发动机动力性、燃油经济性及排放性能有着重要影响[1，2]。流量特性和动态响应特性是反映电控汽油喷油器性能的关键指标。目前，我国有多家企业从事电控汽油喷油器的生产，但对其关键性能的检测设备十分缺乏，对于流量特性的检测普遍采用容积法或离线称重法[3～5]，但测量误差大，自动化程度低；而对于动态响应特性通常采用针阀行程测量仪检测柴油机喷油器动态响应，但由于需要在喷油器内部安装针阀行程传感器，也不适合用于电控汽油喷油器的批量检测。因此，必须开发一种汽车电控汽油喷油器性能检测系统，以满足企业对电控汽油喷油器流量特性及动态响应特性检测的需要。

本文从电控汽油喷油器的工作机理出发，建立了线圈电流曲线拐点与钢球开启和关闭时刻的对应关系，以此为依据提出了一种动态响应时间的非接触式测量方法，并以油温恒温控制及在线称重法为基础设计了一种电控汽油喷油器流量特性测试方法，从而构建了电控汽油喷油器综合性能检测系统。

2 电控汽油喷油器的结构及工作原理

图1为电控汽油喷油器的结构[6]，由喷管主体、喷管进口、球阀、衔铁、导磁体、线圈、阀座、铁心、定位环、回位弹簧以及喷孔网等部件组成。

当电控汽油喷油器线圈未通电时，球阀在回位弹簧力、钢球重力和燃油压力等复合力作用下被压紧在阀座上；当线圈通电后，线圈内电磁力迅速增大，球阀克服复合力阻碍向上运动，燃油压力将汽油从喷孔内压出；当线圈断电后，电磁力迅速衰减并消失，球阀再次回落到阀座，喷油停止。至此，电控汽油喷油器完成一次循环喷油过程。

3 测试系统结构及测试原理

测试系统结构如图2所示，该系统由燃油供给模块、驱动模块、信号采集模块以及参数处理模块等4部分组成。燃油供给模块由油箱、电动燃油泵、燃油滤清器、恒温器、油轨、压力调节阀、电控汽油喷油器等组成；驱动模块由单片机、驱动电路及电控汽油喷油器等组成；信号采集模块由精密电子天平、串口卡、量筒以及动态响应时间采集电路等组成；参数处理模块由单片机和上位机组成。

3.1 动态响应时间测试

电控汽油喷油器动态响应时间包括开启延迟时间和关闭滞后时间。开启延迟时间to即电控汽油喷油器线圈通电时刻至球阀到达最大开启位置时刻所经历的时间；关闭滞后时间tc则为线圈断电时刻到球阀回落阀座时刻所经历的时间。为评价电控汽油喷油器的动态响应性能，需要对球阀开启延时及关闭滞后时间进行精确测量。

3.1.1 开启延迟时间测试

当电控汽油喷油器线圈通电后，线圈中电流逐渐增加，铁芯对衔铁的电磁吸力逐渐变强，当电磁吸力小于回位弹簧的预紧力时，球阀被压紧在阀座上处于静止状态，所经历的时间t1如图3中OA段所示，此时由于衔铁工作气隙一定，线圈总磁阻不变，所以线圈电流按一定的指数规律增加。

当电磁吸力大于回位弹簧预紧力与其它运动阻力之和时，球阀离开阀座向铁芯方向运动，并在B时刻达到最大开启位置，所经历的时间t2如图3中AB段所示，在此阶段，由于衔铁工作气隙及磁路总磁阻逐渐减小，导致线圈电感逐渐变大，使得线圈电流逐渐下降，在球阀完全开启时刻，线圈电流出现极小值。此后，衔铁工作气隙又保持一定，线圈电流又以一定的指数规律增加，直至达到饱和值。t1与t2之和为球阀开启延迟时间，即t0=t1+t2。根据球阀开启阶段的运动状态与线圈电流的对应关系可知，通过检测线圈电流极小值出现的时刻并结合线圈通电时刻，可确定球阀开启延迟时间[7，8]。

根据上述测试原理，设计了一种球阀完全开启时刻检测电路，如图4所示。该电路由线圈电流采样电路、信号放大电路、微分电路、比较电路以及电平转换电路等组成。通过在线圈电路中串联一个小阻值采样电阻R0将线圈电流信号转化为电压信号，信号放大电路对采样电压信号进行放大处理，微分电路将电压极值点转化为电压脉冲，再通过比较电路将电压脉冲转化为方波信号，电平转换电路最终将方波信号转化为TTL电平信号，由于该信号为负值，因此需要经过反相器处理后单片机才可采集该信号。

本文采用中断的方式记录线圈电流极小值出现的时刻，由图4可看出，检测过程中测试电路设置了比较电压，将实际的尖顶波信号变成了方波信号，利用方波信号的边沿时刻代替实际的尖顶波信号。因此，为了提高精度，测试时分别测量方波信号上升沿和下降沿时刻，然后求取二者平均值作为尖顶波信号出现的时刻。线圈通电时刻（单片机发出喷油脉冲的时刻）可由编程确定。因此，通过上述方式可对电控汽油喷油器的开启延迟时间进行测试。

3.1.2 关闭滞后时间测试

关闭滞后时间测试原理如图5所示。

针对现有的进气道喷射式电控汽油喷油器消磁时间大于球阀关闭时间这一特点进行分析可知，当线圈断电后，线圈中电流逐渐减小，铁芯对球阀的电磁吸力逐渐变弱，当电磁力大于回位弹簧力时，球阀处于最大开启位置，所经历的时间t3如图5中CD段所示，此时由于衔铁工作气隙一定，线圈总磁阻不变，线圈电流按一定的指数规律减小。

当电磁吸力小于回位弹簧预紧力与其它运动阻力之和时，球阀离开最大开启位置向阀座运动，并在E时刻回到阀座，所经历的时间t4如图5中DE段所示。在此阶段，由于衔铁工作气隙及磁路总磁阻逐渐增大，导致线圈电感逐渐减小，使得线圈电流逐渐增大，在球阀完全回落阀座时刻，线圈电流出现极大值。此后，衔铁工作气隙再一次保持恒定，线圈电流又以一定的指数规律下降。t3与t4之和为球阀关闭滞后时间，即tc=t3+t4。同理，通过检测线圈电流极大值出现的时刻并结合线圈断电时刻就可确定球阀关闭滞后时间。

根据断电后线圈两端产生的电动势变化规律，设计了一种球阀完全关闭时刻检测电路，如图6所示。电路由信号放大电路、微分电路、比较电路以及电平转换电路等组成。为提高电路的输入阻抗，信号放大电路采用了同相串联差动放大电路进行处理。其它电路处理过程与完全开启时刻检测电路的设计一致，且信号不需要经过反相器处理，信号的处理算法也采用了平均值法。

3.2 流量特性测试

流量特性是指电控汽油喷油器燃油喷射量与喷油时间的对应关系[9，10]。流量特性的测试过程为：首先通过上位机界面设定喷油周期T、喷油脉宽Th、喷射次数n等喷油控制参数，启动测试后，上位机界面首先通过串口卡读取电子天平（精度0.01 mg）的初始称重值m0，并通过串行通信方式将喷油控制参数发送给单片机，单片机接收到喷油控制参数后利用下位机控制程序产生相应的喷油控制信号，通过驱动电路控制电控汽油喷油器执行预定的喷油动作。完成规定的喷油次数后，单片机向上位机发送喷油完成信号，上位机接收到喷油完成信号后，再次读取电子天平的称重值m1，则m1与m0之差即为喷油时间为Th时的n次喷油量。采用上述方法，通过改变Th的大小可获得不同喷油时间所对应的喷油量，进而可得到汽油喷油器的流量特性曲线。

电控汽油喷油器的驱动电路如图7所示。为防止干扰信号窜入单片机系统，采用光耦元件对模拟和数字电路进行隔离。另外，为防止线圈电路断电瞬间产生的感应电动势造成功率器件损坏，在线圈两端并联了一个由二极管和电阻组成的放电回路，如图中R4和U5所示。

4 软件设计

测试系统软件的设计分为下位机控制程序和上位机数据处理程序两部分。下位机以89C51单片机为核心，作用是驱动电控汽油喷油器、采集动态响应时间参数以及与上位机进行通讯。上位机除控制喷油器参数设定、测试项目选择外，还负责对采集后的数据进行处理、分析、保存和显示等操作。测试系统的控制流程如图8所示。

上位机界面基于Labview软件编写，可实现参数设置、测试项目选择、启动停止以及数据保存等操作，同时可显示线圈电流变化曲线、开启延迟时间、关闭滞后时间、流量性能曲线等数据。上位机界面如图9所示。

5 试验验证

选取某公司电控汽油喷油器作为试验对象，分别针对动态响应时间和流量性能参数进行测量，通过试验对比来验证测试系统的精度。为保证试验安全、可靠，测试介质选用化学性质稳定、物理性质与汽油相似的正庚烷。在工作电压为14V、试验介质压力为300 kPa、测试环境温度为20℃的标准条件下进行试验[11]。

5.1 动态响应时间测试验证

设置电控喷油器的脉宽为10 ms、周期为20 ms，分别对开启延迟时间和关闭滞后时间进行测量，并通过奥地利Dewetron公司高精度数据采集仪对电流波形进行实时监测，对比测试结果如表1所列。

表1 动态响应时间测试结果对比ms

可知影响测量精度的因素主要为：

a.采样电阻的引入引起的汽油喷油器线圈电流变化，使开启延迟时间略有增加，约为5 μs；

b.单片机工作过程中软件程序的延时，可以通过软件设计补偿；

c.单片机定时器的精度，本文选用12 MHz精度的晶振，其分辨率为1 μs；

d.运算放大器产生的瞬态响应，一般为5 μs；

e.比较电路中比较电压的取值会对测试系统精度造成影响，因为单片机的响应较快，所以方波脉宽很短就可以采集到上下沿信号，约为1.5 μs。

根据以上影响因素可知，造成开启延迟过程中测量误差的最大值约为12.5 μs，关闭滞后过程中测量误差的最大值约为7.5 μs。

由表1可知，测试系统测得的开启延迟时间相对于波形监测结果的误差为1.67%，关闭滞后测量结果的相对误差为1.56%。考虑发动机与电控汽油喷油器匹配过程中工作电压对喷油量的影响，针对开启延时阶段进行了测试，结果如图10所示。

5.2 流量性能测试验证

测试时采用的高精密电子天平分辨率为0.01mg，量程为300 g。以周期20 ms、喷射次数1 000、喷油脉宽1 ms为基础，并以1 ms为基数累加喷油脉宽，对电控汽油喷油器的流量特性曲线进行了测试，如图11所示。从图11可看出，在脉宽接近2 ms时喷油流量进入线性区域，这个结果与前文测量开启延迟时间的数据结果基本一致。

1John B.Heywood.Internal Combustion Engine Fundamentals.Mc GRAW HILL INTERAIONAL EDITIONS，1988. 2Stephan Schmidt，Martin Joyce，Jonathan Wall，et al.Investigations on Low Pressure Gasoline Direct Injection for a StandardGDICombustionSystem.SAEPaper，2010-32-0094.

3肖琼，颜伏伍，邹华，等.电控喷油器流量特性试验台的开发和试验分析.中国机械工程，2005，16（16）：1419～1422.

4陈伟雄，姚锡凡，林焯华.电控喷油器流量特性检测的实现.汽车电子，2009，25（5-2）：252～253.

5岳晓峰，梁亮，韩立强.电控喷油器流量性能检测试验装置.农业机械学报，2007，38（6）：46～47.

6戈非，张亮.缸内直喷汽油机喷油器高速电磁阀特性研究.汽车技术，2013（12）：5～7.

7胡俊，姚锡凡，颜亮.新型国产电控喷油器动态特性分析及关键参数测量.装备制造技术，2007（7）：7～9.

8颜伏伍，邹华，肖琼.电控喷油器动态过程模拟分析.武汉理工大学学报，2004，26（12）：79～82.

9张振东，刘坚，周萍.电控喷油器开启过程影响因素分析.农业机械学报，2003，34（6）：14～17.

10郭辉，张振东，程强，等.一种电控喷油器动态时间参数测量方法.中国机械工程，2012，23（5）：626～628.

11中国机械工业联合会.GB/T25363-2010汽油机电磁阀式喷油器总成试验方法.北京：中国标准出版社，2011.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2014年4月25日。

汽车传动领域行业盛会即将首次登陆中国苏州

国际CTI第三届中国论坛和展会“汽车变速器、混合动力和电力驱动技术”将于2014年9月17日-19日在中国苏州隆重开幕，这也是CTI论坛首次将举办地设在中国苏州。据悉，CTI论坛作为汽车传动领域的最富盛名的行业盛会，已经在中国成功举办了两届，每次都吸引了众多来自世界各地的企业代表、专家和学者前来参加。

作为CTI中国论坛的姊妹盛事，CTI论坛每年也会在德国和美国举办。德国论坛“创新汽车变速器、混合动力和电力驱动技术”每年都会吸引近千名与会者和参展商相聚首都柏林，该论坛可以说是世界汽车传动领域最重要的盛会之一。同样在美国，CTI论坛也成功举办了七届，并凭借其论坛紧密连接市场、时刻关注最新发展趋势的特点，成为美国的汽车传动与驱动领域极具声望的年度盛会。CTI论坛进入中国时间不长，但有了在欧洲和美国的成功经验，CTI论坛有信心，与业内专家共同将中国CTI论坛打造成亚洲汽车市场极富赞誉的行业盛会。

为亚洲汽车市场提供最佳技术解决方案

“中国政府对未来中国汽车行业的可持续发展有着清晰的构想，因此对于国内外汽车驱动技术供应商来说，为了可以为中国及亚洲市场提供最佳技术解决方案，加强相互之间需求的了解，围绕汽车驱动技术展开广泛交流和探讨就变得尤其重要。”CTI德国论坛的专家顾问委员会主席、德国布伦瑞克工业大学汽车研究所所长兼教授以及CTI委员会主席Ferit Küçükay博士说道。汽车传动及驱动系统是影响能源消耗的关键因素，同时也在客户的汽车购买行为中扮演着重要角色。在政治、社会、经济及法律等众多条件的综合作用下，汽车传动及驱动在现代汽车的研发中处于前所未有的重要地位，从而促进了近年来传动行业的蓬勃发展。

交流、学习及建立联系的绝佳平台

中国CTI论坛于9月17日将在苏州正式拉开序幕，前后历时3天。论坛首日（9月17日）为介绍日，将就传统和电力驱动系统以及各种传动概念方面跨学科的基本知识和实践经验进行介绍。在之后的两天论坛中，来自世界各地的业内专家将从科技与经济两个角度分析市场发展趋势，并展示市场最新科技成果。

届时，论坛期间还将举办一年一度的传动技术展览会，参展商可以面对面的与来自世界各地的参会者进行交流和互动，该技术展览会意在为企业提供一个展示新产品和创新技术以及发现潜在客户的平台。

CTI论坛已成功在中国举办了两届，并已在中国和亚洲汽车市场形成了一定的影响力，主办方预测，相较于去年，本届论坛将会吸引更多的国内外专家学者慕名而来，共同参与到此行业盛会之中！

Research on Dynamic Response of Electronic Gasoline Injector and Flow Characteristics Test System

Ye Chang1，Zhang Zhendong1，Cheng Qiang1，Guo Hui2
（1.University of Shanghai for Science and Technology;2.Shanghai University of Engineering Science）

A port injection type electronic gasoline injector is analyzed on its structure and operating principle. Based on the characteristics that the inflection points emerge in the coil current curve at the moment when the steel ball is fully open or fully closed，a dynamic response time measurement method of the electronic gasoline injector based on coil current variation is put forward.Using the single chip computer as ECU，a testing system has been developed to measure the dynamic response and flow characteristic.The test results show that the testing system can measure effectively and accurately the dynamic response and flow characteristics of the injector，with the relative error of the opening lag time less than 1.67%，the relative error of the closing lag time less than 1.56%，the test error of the flow characteristic is less than 0.01mg.

Electronic gasoline engine Injector Dynamic response Flow characteristic

电控汽油机喷油器动态响应流量特性

U464.136+.2

A

1000-3703（2014）07-0034-04

国家自然科学基金资助项目（编号：51275309）；上海市教委科研创新项目（13YZ110）；上海理工大学研究生创新基金（编号：JWCXSL1201）；上海市研究生创新基金项目（编号：JWCXSL1202）。