低压电控喷油器无效喷油时间测量方法

叶 昌 张振东 程 强

上海理工大学，上海，200093

0 引言

低压电控喷油器作为进气管喷射式发动机电子燃油控制系统的核心部件，其每循环燃油喷射质量对发动机性能具有重大的影响［1］。理论上，电控喷油器的喷射量与有效喷油脉宽成正比［2］。但实际中，衔铁组件在开启和关闭阶段的运动受到电磁力和运动反力等作用影响，造成电控喷油器存在开启延迟和关闭滞后两种时滞效应，预定喷油脉宽与有效喷油脉宽并不相等，二者差值一般称为无效喷油时间［3－4］。无效喷油时间的存在导致喷油的计量出现偏差，影响发动机系统的控制精度，因此需要对其进行测量。近年来，国内外研究人员针对无效喷油时间的检测方法展开了相应研究。文献［5－6］利用光电位移传感器测量针阀行程，得到了无效喷油时间等重要参数。夏尚飞等［7］通过自行设计的针阀位移传感器来获得无效喷油时间，但这种方法需要针对不同喷油器设计不同的位移传感器，通用性较差。胡俊等［8］设计了针对国产喷油器流量测试的装置，取得了较好的测量效果，但对无效喷油时间的研究较少。欧大生［9］主要研究了平面阀和锥阀等不同种类阀的开启关闭时间。本文以低压电控喷油器为研究对象，对无效喷油时间的测量展开研究。

1 电控喷油器运动过程分析

如图1所示，电控喷油器由铁芯、导磁片、线圈、衔铁组件（包括衔铁和钢球）、导向管等组成，其工作过程为：线圈断电时，衔铁组件在回位弹簧力、自身重力和燃油压力等运动阻力的作用下，被压紧在阀座上，喷油器处于关闭状态；线圈通电后，迅速产生电磁力，衔铁组件在其作用下克服运动阻力向上运动，喷油器开启［10］。

图1 电控喷油器磁路模型

衔铁组件运动过程中，完全开启时刻到完全关闭时刻所经历的时间就是喷油器的有效喷油脉宽，如图2所示。因此只要测得完全开启时刻C和完全关闭时刻F，即可计算出无效喷油时间t＝tOD－tCF。

图2 无效喷油时间示意图

1.1 衔铁组件开启过程分析

开启阶段的电控喷油器相当于一个用电器，电路的电能由外界提供，其结构可简化为图3、图4所示的等效电路和等效磁路［11］。由电压平衡方程得

式中，U0为蓄电池电压；R为电磁线圈电阻；I为线圈电流；Ψ为磁链。

图3 开启阶段等效电路

图4 等效磁路

由麦克斯威磁路方程得

由衔铁组件运动方程得

式中，N为线圈匝数；φb为磁通；RM为总磁阻；F为电磁力；μ0为真空磁导率；S为气隙截面积；Ff为回位弹簧力；G为衔铁组件重力；Fp为燃油作用力。

开启阶段衔铁组件位移与时间关系曲线如图5a所示。线圈通电后，OB阶段衔铁和线圈电流的变化规律可由式（2）和式（3）推得。这一阶段，线圈磁通变大，电流增大，电磁力快速增大，但小于运动阻力，衔铁组件静止不动。BC阶段，电磁力大于运动阻力。由式（4）可知，衔铁组件加速上升，此时工作气隙减小，总磁阻变小，线圈电感增加，最终导致线圈电流略微下降，并在衔铁组件完全开启时刻达到极小值，即图5b中的C时刻。此后，工作气隙不再变化，电流重新增加达到饱和。

图5 开启阶段线圈电流与衔铁位移关系

1.2 衔铁组件关闭过程分析

关闭阶段等效电路如图6所示。由于喷油器断电瞬间会产生很高的感应电动势，造成驱动电路损坏，所以在线圈两端并联1个由二极管和电阻组成的保护电路。线圈断电后，线圈相当一个电源，向保护电路电阻RD放电。由电压平衡方程得

图6 关闭阶段等效电路

关闭阶段衔铁组件位移与时间关系曲线如图7a所示。DE阶段衔铁和线圈电流的变化规律可由式（2）和式（3）推得，这一阶段，线圈磁通变小，电流减小，电磁力迅速减弱，但仍大于运动阻力，衔铁组件保持在最大开启位置。EF阶段，电磁力小于运动阻力后，由式（4）可知，衔铁组件加速下落，工作气隙增大，总磁阻增加，磁通减小，产生的感应电动势使线圈两端的电压增加，并在衔铁组件完全关闭时刻达到极大值，即图7b中的F时刻。此后，由于工作气隙不再变化，电流再次减小直至消失。

图7 关闭阶段线圈电流与衔铁位移关系

2 检测系统设计

检测系统主要由供油系统、上位机操作系统、单片机控制系统、喷油器驱动电路、完全开启/落座时刻检测电路等部分组成，具体结构如图8所示。测试过程中，上位机向单片机发送喷油控制信号，单片机接收喷油脉宽等参数信息，驱动喷油器工作。同时，利用输入捕捉功能实时记录衔铁组件完全开启的时刻和完全关闭的时刻，通过计算得到无效喷油时间并将结果发送回上位机显示。

图8 检测系统结构组成

2.1 完全开启时刻信号检测

衔铁组件完全开启时的测量电路由比例放大电路、微分电路、比较电路、电平转换电路和反相电路组成。为了能够有效检测到线圈电流的变化，在电控喷油器下方串联一个小阻值的采样电阻，将电流信号转化为电压信号，通过比例放大电路进行信号放大处理。然后，通过微分电路将电压信号拐点处的波形处理成尖顶波形，再利用比较电路将尖顶波信号转换为容易采集的方波信号。此外，为了让单片机能够有效识别到该方波信号，还需要通过电平转换电路、反相电路的处理将信号变为TTL电平，完全开启时刻的检测电路如图9所示。

图9 完全开启时刻检测电路

综合以上分析，衔铁组件开启阶段经各电路处理后的电压信号变化过程如图10中a～f点采样的信号波形所示，其中，C点时刻即为衔铁组件完全开启时刻。

2.2 完全关闭时刻信号检测

衔铁组件完全关闭时的检测电路由差分放大电路、微分电路、比较电路和电平转换电路组成。由上文分析可知，线圈断电后，电控汽油喷射器相当于一个电源，电控喷油器的正负极变换位置，向保护电路迅速放电，线圈两端电压不断下降。根据这一特点，关闭阶段测量电路通过比较放电阶段线圈两端的电压与12V基准电压之间差值的变化来反映衔铁组件的运动过程。如图11所示，电压信号经过同相串联差动放大电路处理后，经历微分、比较等处理最终进入单片机。

衔铁组件关闭阶段经各电路处理后的电压信号变化过程如图12中a～e点采样的信号波形所示，其中，F点时刻为衔铁组件完全关闭时刻。

图10 开启阶段信号变化历程

3 实验验证

实验选取BOSCH公司EV6系列3种不同型号的低压电控汽油喷射器为测试对象，在工作电压12V、介质压力300kPa、测试温度20℃的实验条件下，设置喷油周期10ms、脉宽5ms，对无效喷油时间进行了测量，并利用线性流量阶段持续时间的间接测量法对测量系统的结果进行了对比分析。

利用数据采集仪记录一个周期内线圈电流变化的数据，并绘制曲线，如图13所示。为进一步验证测试方法的可行性，通过数据采集仪测量了衔铁组件开启阶段线圈电压信号经过微分处理后的波形，如图14所示。对比图10中C点采样的信号曲线可以看出，实际测量的波形与理论分析的结果基本一致，说明本测试方法可以用于无效喷油时间的测量。

数据采集仪有响应迅速、能直接采集喷油器线圈电流波形的特点，所以测量结果的误差非常小，但这种设备昂贵且检测效率低，不适于大批量的检测，试验过程中仅将这种方法的测量结果作为比较基准。

对比试验中，首先将数据采集仪的测量结果与间接法测量的结果进行对比，如表1所示（文中结果均为测量50次取平均值后的结果，舍入误差取小数点后两位）。

图11 完全关闭时刻检测电路

再利用开发的测试系统测量喷油器的无效喷油时间，对比数据采集仪直接测量的结果，如表2所示。

由对比两组结果可知，利用间接法测得无效喷油时间的结果绝对误差最大值为0.03ms，相对误差最大值为4.61%；开发的测量系统的绝对误差最大值为0.02ms，相对误差最大值为2.94%。

图12 关闭阶段信号变化历程

图13 喷油周期内电流变化曲线

图14 开启阶段经微分处理的电压曲线

表1 实验结果对比1

表2 实验结果对比2

测量系统引起测量误差的因素可能为：①开启延迟阶段测量电路引入的采样电阻R0将对线圈产生分压效果。此时，线圈两端的电压小于理论值，导致开启阶段的延迟时间将略长于理论时间。②受单片机采样频率的影响，比较电压一般略低于峰值电压。③运算放大器的瞬态效应。④软件处理过程中的误差。系统中采样电阻的阻值为10mΩ，开启阶段产生的时间延迟不大于5 μs；完全开启时刻和完全关闭时刻测量的比较电压并不是尖顶波的峰值点（2次测量取电平的上升和下降边沿时刻的平均值），由此产生的误差不大于2μs；开启阶段反向器延时产生的误差一般不超过5μs；其他由软件处理过程中产生的误差和单片机产生的误差可以通过软件设置进行补偿，所以产生的误差忽略不计。综上，理论上测试系统无效喷射时间最大绝对误差不大于12μs，最大相对误差不大于1.82%。

4 结论

（1）通过对低压电控喷油器电磁结构的理论分析，总结了衔铁组件运动过程和线圈电流变化规律之间的关系，利用完全开启和关闭时刻电流出现极值的特点，提出了一种无效喷油时间的测量方法。

（2）设计了衔铁组件完全开启和完全关闭时刻的检测电路，开发了1套用于测量无效喷油时间的系统。

（3）通过试验对比可知，所开发的系统将测量结果的绝对误差控制在0.02ms以内，相对误差控制在3%以内，较好地满足了低压电控喷油器生产过程中针对无效喷油时间批量检测的要求。

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