激光多普勒测振仪在共轨喷油器衔铁行程测量中的应用

孙立晶

摘 要：共轨喷油器衔铁行程会直接影响到喷油器电磁阀动态响应、喷油一致性和稳定性，在装配过程中实现对衔铁行程的准确测量对提高喷油器一次装配合格率具有重要意义。本文提出了采用激光多普勒测振仪测量衔铁行程的方法并对该方法进行了验证，实现了对共轨喷油器装配过程中衔铁行程的精确控制，有助于进一步提高喷油器一次装配合格率并保证喷油器一致性和稳定性。

关键词：共轨喷油器；衔铁行程；激光多普勒

引言：

随着对排放法规和油耗要求的不断提高，当前柴油机已广泛采用高压共轨系统，共轨系统的电控喷油器（以下简称：喷油器）采用电磁阀通过液力放大机构对喷油过程进行控制和调节。喷油器电磁阀的衔铁行程会直接影响电磁阀的动态响应过程，从而影响到喷油器的喷油一致性和稳定性，是喷油器装配过程中需要精确和重点控制的关键参数。实际工作中通常采用霍尔效应式、电磁感应式或电涡流式传感器实现对微小位移的准确测量，然而由于喷油器电磁阀衔铁行程很小，一般为几十微米，并且电磁阀布置在喷油器顶部，在工作时会产生磁场，导致传统的微小位移测量传感器难以安装或无法正常使用。

在前期喷油器的装配工作中，出于经济性考虑，采用了测杆加三角式激光位移传感器的间接方式实现对衔铁行程的测量。但是该方法存在测杆干涉折断的风险和测量结果偏差较大等问题。为进一步提高衔铁行程测量的稳定性和准确性，引入了测试精度高、抗电磁干扰的激光多普勒测振仪对装配过程中的衔铁行程进行测量，经过实际装配测量验证，该方法可以实现对衔铁行程的精确测量，确保在装配过程中对衔铁行程的精确控制，能够进一步提升喷油器一次装配合格率并保证喷油器喷油性能的一致性和稳定性。

一、控制衔铁行程的目的

电磁阀是共轨喷油器的核心部件，衔铁行程是电磁阀最重要的参数之一，直接决定了电磁阀的动态响应特性，会影响喷油器控制腔进、出油量孔开启和关闭的时刻，从而间接影响喷油器的喷油一致性和稳定性，是喷油器在生产装配中需要精确控制的关键参数。

衔铁行程对喷油器总成性能影响的具体表现为：1、若衔铁行程过小，会降低控制阀密封球升程，增加控制腔回油的节流作用，导致油嘴针阀开启延迟增加和关闭延迟的减小，从而缩短实际喷油持续期并且喷油过程受压力波动影响较大，引起循环喷油量减小、喷油稳定性变差和喷油量方差变大，甚至导致中小脉宽工况下喷油器无法正常工作。2、若衔铁行程过大，会导致电磁阀的响应速度变慢，导致油嘴针阀的开启和关闭延迟时间增长，使实际喷油持续期增长，引起循环喷油量增大。同时，较大的衔铁行程会降低电磁力，导致电磁阀动作过程中易于受压力波动的影响从而导致喷油量一致性变差。当进一步增加衔铁行程后，会出现因电磁力过小而衔铁无法吸起的现象从而使喷油器无法正常工作。3、当衔铁行程处于正常范围内时，电磁阀的响应特性和电磁力符合喷油器正常工作的要求，噴油器可以正常工作并且此时循环喷油量、喷油量一致性和稳定性能够满足设计要求。

喷油器衔铁行程具有以下特性：1、精度要求高：公差仅为正负5μm；2、装配精度不易控制：衔铁行程易于受零部件加工质量、调整垫片测量精度以及相关零部件受力变形等诸多因素的影响；3、对喷油器总成性能影响大。鉴于喷油器电磁阀衔铁行程的以上特性，衔铁行程的精确测量和控制技术已成为共轨喷油器装配工艺的核心技术和关键环节。

二、激光多普勒测振仪工作原理：

基于激光多普勒原理的非接触式激光测振仪，设备核心是一台高精度激光干涉仪和一台信号处理器，高精度激光干涉仪内的激光器发出的偏振光（设频率为F0）由分光镜分成两路，一路作为测量，一路用于参考。测量光通过声光调制器具有一定频移（F），再被聚焦到被测物体表面，物体振动引起频移（f=2v/λ）。系统收集反射光并与参考光汇聚在传感器上，从而使两束光在传感器表面发生干涉，干涉信号的频率为F+f，携带了被测物体的振动信息，信号处理器经频移信号转换为速度和位移信号。

激光多普勒测振仪，具有出色的频率和相位响应，抗干扰能力强，测量表面无需处理，测量方便快捷，可实时输出振动信号，能够实现非接触的微小位移测量并且无任何附加质量影响，在满足高精度、高速测量需求的同时，还可以弥补无法实现接触式测量测量的缺陷。

三、测量装置及试验对比结果

根据以上测量原理以及对衔铁行程装配控制的要求，利用激光多普勒测振仪并设计和制作了用以测量衔铁行程的测量装置。该装置由激光多普勒测振仪、喷油器及激光干涉仪固定机构、喷油器驱动系统和计算机系统（数据处理及结果显示）等四个单元组成。测量数据经计算机处理并可以直接显示出多次测量的平均值、偏差以及每次测量时的动态曲线。该测量装置的主要功能特点是：1、可实现非接触测量，不存在其它测量误差，且无其它消耗件；2、测量速度快，可实时显示测量结果；3、测得的衔铁行程动态曲线可以在监控界面上实时显示，便于观察和对比。

采用原测杆加三角式激光位移传感器测量方法与激光多普勒测振仪测量结果对比如表1所示，可见之前采用测杆加三角式激光位移传感器的测量方法，衔铁行程仅可精确至1μm，且测量结果的标准差均大于2，而采用激光多普勒测振仪的测量装置，衔铁行程可精确至0.1μm，并且测量结果的标准差降低至0.2以内，测量准确度和稳定性均有显著提高。

四、结论

1、共轨喷油器在装配过程中，其电磁阀衔铁行程测量和控制的准确性会直接影响喷油器总成喷油量的一致性和稳定性；

2、采用激光多普勒测振仪对喷油器衔铁行程进行测量的方法，衔铁行程测量可精确至0.1μm，测量结果的标准差可控制在0.2以内，测量的准确性和稳定性均有显著提高；

3、基于激光多普勒测振仪设计制作的共轨喷油器衔铁行程测量装置可实现非接触测量、无需附加机构、测量速度快并可以实时监控和对比，适合在大批量产品生产过程中应用。