电控喷油器针阀升程自动测试

2013-10-08张幽彤张更云

装甲兵工程学院学报 2013年3期

王军，何炼，张幽彤，张更云

(1.装甲兵工程学院机械工程系，北京100072;2.北京理工大学机械与车辆工程学院，北京100081)

高压共轨喷油系统能灵活地实现喷油压力、喷油定时、喷油量、喷射次数的调节，该系统由液力部件和电控单元组成，其中液力部件包括高压油泵、共轨管、电控喷油器。电控喷油器是该系统中的关键部件，由高速电磁阀和机械喷油部分组成，其工作原理是通过电磁阀控制实现喷油定时和喷油次数的调节［1］。针阀升程是电控喷油器的重要参数，对其进行精确测量对电控喷油的模拟仿真、柴油机工作过程性能改进等具有重大意义［2］。在机械式喷油器上，常采用电感式或霍尔传感器安装在柱塞末端测量针阀升程，而在电控喷油器中，由于电磁阀占据了喷油器顶端空间，使传感器无法安装，同时，电磁阀的磁电变化也会影响传感器的测量精度，所以传统的针阀测量方法已经无法满足电控喷油器的测量要求［3］。为此，笔者采用非接触式测量方法，利用激光位移传感器的高灵敏度和高精度、抗电磁场干扰能力强、集传感与传输于一体等特性［4］，将其用于测量电控喷油器的针阀升程，取得了预期的效果。

1 电控喷油器

电控喷油器是利用电磁阀的开闭来实现喷油开始和结束的。电控喷油器由电磁阀、出油量孔A、进油量孔Z、控制柱塞、针阀偶件组成，连接关系如图1所示。由控制柱塞副传递运动关系，将电磁阀运动与针阀开关联系起来。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭柱塞腔顶部的出油量孔A，高压燃油一路通过进油量孔Z进入柱塞腔，另一路通过油道进入压力室，由于柱塞与针阀的面积差，向下的合力推动控制柱塞下行，使针阀落座，喷油器不喷油;当电磁阀通电时，出油量孔A被打开，柱塞腔内的燃油压力迅速降低，向上的合力使控制柱塞和针阀上行，喷油器开始喷油［5］。

图1 电控喷油器结构

2 测试系统

2.1 测量原理

在电控喷油器中，各零件连接紧密、配合间隙小，工作时零件动作均在瞬间完成，因此，在喷油器上安装传感器极为困难。笔者采用非接触式测量方法，可较好地解决上述问题。采用激光反射原理测量柱塞的运动，如图2所示。在喷油器体上垂直于其轴线方向开测试窗口，在与开测试窗口对应高度的控制柱塞圆柱面上加工1×45°的锥面，形成一个圆锥台。激光在锥面上的入射光线和反射光线构成光线平面，当活塞上下运动时，激光光斑照射在锥面上，锥面会使激光光斑产生水平位移，1×45°的锥面能使水平位移等于轴向位移，由此导出针阀在喷油过程中的轴向位移，即针阀升程。

2.2 系统组成

图2 激光测试原理

测试系统由激光位移传感器、电流传感器、喷油泵转速传感器、信号处理电路、数据采集卡和计算机等组成，如图3所示。当电控喷油器工作时，转速传感器测得喷油泵的转速信号，电流传感器测得电控喷油器电磁阀的电流信号，激光位移传感器测量电控喷油器针阀升程，这些信号分别由各自对应的信号处理电路进行处理，均由采集卡采集数据，再经计算机数据处理后，喷油器针阀升程、针阀开启持续时间、电磁阀电流等参数值由计算机监控界面显示或由打印机输出。

图3 测试系统组成

3 测试系统的硬件和软件

3.1 激光位移传感器

激光位移传感器利用激光束的干涉原理测量位移，采用迈克尔干涉仪结构，由光源、准直望远镜、分光镜、参考镜、测量镜、光电转换装置、信号处理器和信号输出组成［6］，如图4所示。当被测物体运动而反映到测量镜沿光轴方向移动L时，2束激光的光程差为2L，由相干光束产生亮纹的条件可知:

式中:K、λ分别为条纹数和波长。

图4 激光位移传感器组成

当测试镜中被测物体移动半个波长的距离，接收系统中接收到的条纹级次就增加1，即有1个亮纹移过。根据接收系统记录的亮纹总数，即可获得被测物体移动的距离［7］。激光位移传感器的技术参数分别为:有效测试距离25 mm;量程0～2 mm;测量精度 0.1 μm;响应频率 20 kHz;取样频率40 kHz;输出电压0～10 V;线性度±0.05%。

3.2 测试硬件

由于激光位移传感器数据采集频率为40 kHz，为了确保测试数据不丢失，数据采集卡用于位移数据的采样速率应大于80 kHz。笔者采用NI公司数据采集卡，该卡具有PCI总线控制方式，A/D转换精度为12位，采样频率达到1 MHz;16路单端模拟量输入或组合输入方式，16路数字输入输出通道;单个模拟量数据采集可采用预触发、后触发、匹配触发和延时触发等触发模式;带有1 kHz用于A/D采样的FIFO，并支持DMA数据传输方式［8］。

由于油泵转速信号、电磁阀电流信号和针阀升程信号的类型不同，因此需要不同的信号处理电路进行处理。其中:针阀升程信号和电磁阀电流信号为模拟信号，在量程范围内保持线性变化，通过滤波和放大器放大后即可达到A/D转换所需的要求;而油泵转速信号为脉冲信号，只需将信号放大、调节到满足采集卡输入要求的TTL电平即可。

3.3 测试软件

测试软件包括主控制模块、数据采集模块、数据处理模块、试验结果显示模块、数据输出模块、打印模块、结果保存和重新打开模块等。其中数据采集原理如图5所示，数据采集完成后，所有数据由计算机处理，试验结果由计算机的显示模块实现显示参数、实时显示曲线。

图5 数据采集原理

4 检测结果分析

4.1 测试方案及标定

由于激光位移传感器是利用激光的反射原理形成干涉，产生明暗条纹实现测量的，需要进行传感器标定试验，以确定测量位移与传感器输出电压的关系［9］。由于测量面为斜面，光线平面与柱塞的布置方案、柱塞表面的状况会影响激光的反射效果。取不同的布置方案和测量表面状况进行传感器标定试验，其标定曲线如图6所示，其中:曲线1为光线平面与柱塞运动方向平行布置时的标定曲线;曲线2为光线平面与柱塞运动方向垂直布置时的标定曲线;曲线3为被测件表面有柴油时的标定曲线。从图6可以看出:3种情况下所测量的位移S与传感器输出电压U基本呈线性关系;每种情况下的标定曲线有所不同，当光线平面与柱塞运动方向平行布置时，激光光斑照射在斜面上，受到斜面的影响，使得入射光线和反射光线的角度增大，光程差增加，导致测量值增大，可见曲线1的所有测量值偏高;当光线平面与柱塞运动方向垂直布置时，不受斜面的影响，使得入射光线和反射光线的角度保持不变，曲线2反映了较真实的测量值;当柱塞表面有柴油时，曲线3所有测量值偏小，这是由于表面有柴油会减小光程差，进而影响测量基准值。对比3条曲线可知，曲线2的线性度好于曲线1，因此笔者将光线平面与柱塞运动方向的垂直布置作为测试方案。

图6 标定试验曲线

4.2 喷油器针阀升程测试

在高压共轨喷油系统试验台上进行电控喷油器针阀升程测试试验。试验设备选用CP1H型喷油泵、GT1霍尔转速传感器、MicrotrakⅡ型激光位移传感器、1146A型电流传感器、具有信号输出和存储功能的XJ420A型示波器、12 V直流稳压电源。

当控制脉冲电压 V为5 V、控制脉宽时间为1.7 ms时，电磁阀线圈上的控制电流I实测信号和喷油器针阀升程hv信号如图7所示。从图7中可以看出:从经数字滤波器滤波后的电流信号I、升程hv信号的曲线对应关系，说明该传感器能够清晰地显示出喷油器针阀的喷油升程过程，能反映出电磁阀响应时刻与针阀抬起和落座时刻之间延迟时间［10］，这可为研究喷油器的喷油过程和喷油规律提供依据。