電磁閥式噴油器電氣特性檢測(cè)系統(tǒng)

朱均超 ，張 斌 ，張寶峰 ，劉 斌 ，李建文

（1.天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院 天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.軍事交通學(xué)院 車輛工程系，天津 300161）

電磁閥式噴油器電氣特性檢測(cè)系統(tǒng)

朱均超1，張 斌1，張寶峰1，劉 斌1，李建文2

（1.天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院 天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.軍事交通學(xué)院 車輛工程系，天津 300161）

參考國(guó)內(nèi)外噴油器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，該文研制了一套電磁閥式噴油器電氣特性自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了噴油器靜態(tài)最小電壓、動(dòng)態(tài)最小工作電壓、靜態(tài)牽引電流和靜態(tài)保持電流的檢測(cè)。該系統(tǒng)具備自動(dòng)溫壓控制子系統(tǒng)，用以構(gòu)建21℃，300 kPa的介質(zhì)溫度、壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境；噴油器驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)，用以根據(jù)測(cè)試要求調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖參數(shù)；實(shí)時(shí)信號(hào)采集子系統(tǒng)，用以精確測(cè)量噴油器振動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電壓。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)溫度、壓力控制的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.512℃和0.755 kPa，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的±0.5%kPa，±2℃范圍內(nèi)，電氣特性參數(shù)檢測(cè)結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2%，可有效評(píng)價(jià)噴油器電氣特性。

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；電磁閥式噴油器；溫壓控制；驅(qū)動(dòng)控制；信號(hào)采集；電氣特性

隨著汽車行業(yè)飛速發(fā)展，環(huán)境和能源危機(jī)也逐漸加重，人們對(duì)于汽油機(jī)汽車在節(jié)約能源以及控制污染物排放等方面的要求日趨嚴(yán)格[1]，國(guó)家也逐步出臺(tái)了關(guān)于節(jié)能環(huán)保的相關(guān)政策。電磁閥式噴油器作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)的核心部分[2]，其性能的優(yōu)劣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)熱效率、環(huán)保性等有著重要的影響[3-4]，而電氣特性作為噴油器最主要性能之一，從根本上決定了燃油控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)性[5]。因此，研發(fā)精確檢測(cè)噴油器電氣特性，并對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)劣評(píng)價(jià)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。

在此，通過(guò)對(duì)美國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SAE J1832，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2563—2010和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) QC/T 967—2014等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分析，確定了電磁閥式噴油器電氣特性的檢測(cè)方案。針對(duì)靜態(tài)最小工作電壓SMOV，動(dòng)態(tài)最小工作電壓DMOV，靜態(tài)牽引電流I/S-ON和靜態(tài)保持電流I/S-OFF等4個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)[6-8]，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)介質(zhì)狀態(tài)控制模塊、噴油器驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)采集模塊等多個(gè)系統(tǒng)功能模塊[9]。

1 檢測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成

1.1 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，運(yùn)行著汽車噴油器電氣特性測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用軟件，通過(guò)以太網(wǎng)、串口連接外部設(shè)備，完成相應(yīng)控制和測(cè)試任務(wù)[10-11]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the hardware system

介質(zhì)狀態(tài)控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)的溫度和壓力以及對(duì)油路系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要由高低溫循環(huán)機(jī)和PLC兩部分組成。根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)介質(zhì)需在 300（1±0.5%）kPa，（21±2）℃狀態(tài)下進(jìn)行噴射。高低溫循環(huán)機(jī)通過(guò)串口與工控機(jī)通信，負(fù)責(zé)對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)的加熱和制冷；PLC經(jīng)編程后通過(guò)串口與工控機(jī)互聯(lián)，負(fù)責(zé)介質(zhì)的壓力控制和油路系統(tǒng)中電磁閥的控制。此外還完成相應(yīng)的溫度、壓力等傳感器信號(hào)采集，人工信號(hào)監(jiān)測(cè)，設(shè)備控制信號(hào)輸出等。

噴油器采集模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)噴油器振動(dòng)信號(hào)和噴油器驅(qū)動(dòng)電壓的高速采集，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAE1832得知，目前是利用精密加速度傳感器和高速測(cè)量?jī)x器實(shí)時(shí)采集噴油器振動(dòng)信號(hào)來(lái)判斷噴油器開(kāi)啟或關(guān)閉的。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用了美國(guó)National Instruments公司的NI-CDAQ9181，對(duì)噴油器振動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行高達(dá)100 k/s的信號(hào)采集，通過(guò)以太網(wǎng)與工控機(jī)互聯(lián)，按照測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法，在噴油器開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)刻，將采集到的電壓值傳給上位機(jī)。

噴油器驅(qū)動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)為噴油器提供驅(qū)動(dòng)電壓和電流，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求，系統(tǒng)需在一定條件下為噴油器提供高精度的階梯電壓和階梯電流。為此，采用了電壓和電流輸出可調(diào)的程序控制電源，設(shè)定精度為1 mV和0.1 mA，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的要求，通過(guò)串口與工控機(jī)通信，根據(jù)上位機(jī)命令，持續(xù)輸出高精度電壓和電流。

電子稱重即高精度電子天平，通過(guò)串口與工控機(jī)互聯(lián)，完成動(dòng)態(tài)啟動(dòng)電壓測(cè)試中對(duì)流量的稱重，量程0～500 g，精度高達(dá)0.001 g，滿足標(biāo)準(zhǔn)精度要求。

1.2 油路系統(tǒng)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求，如何將試驗(yàn)介質(zhì)控制在300 kPa，21℃測(cè)試條件下穩(wěn)定的進(jìn)入噴油器進(jìn)行噴射，是一個(gè)非常重要的問(wèn)題[12]。在此，設(shè)計(jì)了一套由溫控器和PLC控制的油路系統(tǒng)，如圖2所示。該油路系統(tǒng)主要由氣路子系統(tǒng)、熱交換子系統(tǒng)和噴射子系統(tǒng)等3部分組成。

圖2 油路系統(tǒng)Fig.2 Oil circuit system

氣路子系統(tǒng)主要通過(guò)PLC對(duì)電磁閥的控制，使油路系統(tǒng)穩(wěn)定在測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求的壓力之下。其主要工作過(guò)程為壓縮空氣從調(diào)壓過(guò)濾閥進(jìn)入，通過(guò)電氣比例閥進(jìn)入氣控調(diào)壓閥。氮?dú)鈴牡獨(dú)庹{(diào)壓閥進(jìn)入，經(jīng)過(guò)調(diào)壓過(guò)濾閥進(jìn)入到氣控調(diào)壓閥中，受到空氣壓力的控制后，通過(guò)電磁閥進(jìn)入油罐，以此控制油罐內(nèi)的壓力?？諝鈩t通過(guò)油霧分離器被排出。

熱交換系統(tǒng)由高低溫循環(huán)機(jī)控制，負(fù)責(zé)對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)加熱或制冷，使介質(zhì)溫度達(dá)到測(cè)試要求。其工作過(guò)程為介質(zhì)通過(guò)循環(huán)泵經(jīng)過(guò)球閥進(jìn)入恒溫槽，加熱或制冷后回到油罐。

噴射子系統(tǒng)由2路組成：一路介質(zhì)由油罐出發(fā)，經(jīng)過(guò)循環(huán)泵、手動(dòng)球閥、噴油器，再回到油罐構(gòu)成循環(huán)，另一路由電磁閥控制介質(zhì)直接進(jìn)入噴油器進(jìn)行噴射。PLC負(fù)責(zé)電磁閥通斷以及油罐內(nèi)壓差、溫度、壓力等傳感器信號(hào)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油罐內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)。

采用多個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)工作的方式，可以使油路系統(tǒng)效率更高，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，也可以較快地分析故障問(wèn)題，保證了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件通過(guò)與系統(tǒng)硬件的通信實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)原則，結(jié)合電氣特性測(cè)試內(nèi)容，設(shè)計(jì)了測(cè)試軟件的基本架構(gòu)，分為應(yīng)用層、功能層、驅(qū)動(dòng)層三大模塊，如圖3所示。

圖3 軟件基本架構(gòu)Fig.3 Software basic architecture

測(cè)試系統(tǒng)軟件可監(jiān)控試驗(yàn)介質(zhì)環(huán)境狀態(tài)，高速采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)處理測(cè)試數(shù)據(jù)，基于MySQL的數(shù)據(jù)查詢功能可保存和查詢?cè)囼?yàn)噴油器的廠家型號(hào)以及測(cè)試數(shù)據(jù)。軟件主界面如圖4所示。

2.2 軟件測(cè)試流程

根據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的分析總結(jié)，考慮軟件測(cè)試系統(tǒng)的總體構(gòu)架，設(shè)計(jì)出了總體的軟件測(cè)試主流程，如圖5所示。

圖4 軟件主界面Fig.4 Software main interface

在正式進(jìn)行電氣特性測(cè)試之前，需錄入噴油器信息，然后在介質(zhì)狀態(tài)控制模塊輸入目標(biāo)溫度和壓力進(jìn)行介質(zhì)環(huán)境控制，軟件可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)的溫度、壓力以及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境穩(wěn)定后，需配置噴油器的驅(qū)動(dòng)類型，如噴油器類型、脈寬、周期、噴射次數(shù)等。設(shè)置完成后進(jìn)行預(yù)噴射，預(yù)噴射的目的是使用測(cè)試液清洗噴油器，以去除殘留的空氣及其他液體。

電氣特性測(cè)試后，可根據(jù)保存的噴油器信息、測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)分類查找、修改、刪除等，最后可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出和打印。

圖5 測(cè)試主流程Fig.5 Test main flow chart

2.3 電氣特性測(cè)試

參考標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試，設(shè)計(jì)了電氣特性測(cè)試流程。在每次參數(shù)測(cè)試前，進(jìn)行周期為10 ms，脈寬為5 ms，1000次的預(yù)噴射，以保證測(cè)試的準(zhǔn)確性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可得，靜態(tài)最小電壓Us，min為噴油器開(kāi)啟時(shí)刻的最小電壓，動(dòng)態(tài)最小工作電壓Ud，min為從Us，min開(kāi)始逐步升壓，流量值超過(guò)14.0 V時(shí)流量值50%的電壓，靜態(tài)牽引電流Is，on為噴油器開(kāi)啟時(shí)刻的最小電流，靜態(tài)保持電流Is，off為保持噴油器噴射狀態(tài)的最小電流（即關(guān)閉時(shí)刻電流）。具體測(cè)試流程如圖6所示。

圖6 電氣特性的參數(shù)測(cè)試流程Fig.6 Parameter test flow chart of electrical

3 試驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)電磁閥式噴油器電氣特性檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究的基礎(chǔ)上，選擇Bosch公司的高阻性、電壓驅(qū)動(dòng)的電控噴油器作為測(cè)試對(duì)象，并根據(jù)SAE J1832標(biāo)準(zhǔn)選擇正庚烷為噴射介質(zhì)。為確保系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)所用溫度和壓力傳感器均送往天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)檢定與校準(zhǔn)，認(rèn)證編號(hào)分別為2016JZ030500729和RGyw1600343。系統(tǒng)整體實(shí)物如7所示。

噴射介質(zhì)狀態(tài)的穩(wěn)定性是檢測(cè)系統(tǒng)正常工作的重要因素。在系統(tǒng)正常測(cè)試之前，設(shè)備從初始狀態(tài)達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定狀態(tài)需約10 min。在連續(xù)測(cè)試狀態(tài)下，隨機(jī)記錄20個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度和壓力值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。系統(tǒng)的溫度、壓力波動(dòng)如圖8所示，由此可見(jiàn)系統(tǒng)溫度、壓力的穩(wěn)定性。

圖7 電磁閥式噴油器電氣特性檢測(cè)系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.7 Solenoid valve type injector electrical characteristic detection system photo

圖8 系統(tǒng)溫度和壓力的波動(dòng)Fig.8 System temperature and pressure fluctuations

標(biāo)準(zhǔn)要求噴油器需在 300（1±0.5%）kPa，（21±2）℃噴射環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)得出，實(shí)測(cè)值平均壓力為300.085 kPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.755 kPa；平均溫度為21.075℃，標(biāo)準(zhǔn)差0.512℃，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的波動(dòng)范圍，證明連續(xù)測(cè)試下系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的噴射環(huán)境，使檢測(cè)準(zhǔn)確性大大提升。

對(duì)噴油器進(jìn)行3組電氣特性試驗(yàn)，每次試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)性測(cè)量，以試驗(yàn)平均值作為代表去評(píng)價(jià)噴油器電氣特性，測(cè)試結(jié)果如表1和圖9所示。

Bosch噴油器的電氣特性測(cè)試結(jié)果：靜態(tài)最小工作電壓 Us，min=7.633 V，動(dòng)態(tài)最小工作電壓 Ud，min=7.689 V，靜態(tài)牽引電流 Is，on=0.560 A，靜態(tài)保持電流Is，off=0.158 A。

表1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Experimental test results

圖9 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.9 Experimental test result

通過(guò)試驗(yàn)可知，溫度壓力控制穩(wěn)定，檢測(cè)結(jié)果精確，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)使較為繁瑣的測(cè)試流程一鍵化，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，該系統(tǒng)已交付國(guó)家汽車電氣零部件產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心正式使用。

4 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)研發(fā)的電磁閥式噴油器電氣特性自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)噴油器靜態(tài)最小電壓、動(dòng)態(tài)最小工作電壓、靜態(tài)牽引電流和靜態(tài)保持電流進(jìn)行了精確檢測(cè)，具有自動(dòng)溫壓控制、噴油器驅(qū)動(dòng)控制、實(shí)時(shí)信號(hào)采集等多個(gè)功能。系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，通過(guò)以太網(wǎng)和串口與硬件模塊進(jìn)行互聯(lián)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了噴油器電氣特性測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用軟件，以機(jī)器檢測(cè)替代了人工，提高了工作效率。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)溫度、壓力控制的標(biāo)準(zhǔn)差為0.512℃和 0.755 kPa，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的±0.5%kPa，±2℃范圍內(nèi)，電氣特性參數(shù)檢測(cè)結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2%，可有效評(píng)價(jià)噴油器電氣特性。

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Solenoid Valve Type Injector Electrical Characteristic Detection System

ZHU Jun-chao1，ZHANG Bin1，ZHANG Bao-feng1，LIU Bin1，LI Jian-wen2
（1.Tianjin Key Laboratory of Complex System Control Theory and Application，School of Electrical and Electronic Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.Department of Vehicle Engineering，Academy of Military Transportation，Tianjin 300161，China）

Aiming at the detection standard of injector at home and abroad，a set of solenoid valve type injector electrical characteristic automatic detection system was developed to realize the detection of static minimum voltage，dynamic minimum working voltage，static traction current and static holding current.The system has three subsystems.Automatic temperature and pressure control subsystem is used to build a standard test environment for temperature and pressure at 300 kPa，21 ℃.The injector drive control subsystem is used to adjust the drive pulse parameters according to the test requirements.Real time signal acquisition subsystem is used to accurately measure the injector vibration signal and drive voltage.The actual test results show that the standard deviation of the system temperature and pressure is 0.512 ℃ and 0.755 kPa，and the relative standard deviation of the electrical characteristic parameter is less than 2%within 0.5%kPa and ±2℃.Can effectively evaluate the electrical characteristics of the injector.

automatic detection system；solenoid valve type injector；temperature and pressure control；drive control；signal acquisition；electrical characteristics

TP274+.5

B

1001-9944（2017）11-0015-05

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.004

2017-05-16；

2017-09-01

朱均超（1972—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)闄z測(cè)裝置與檢測(cè)技術(shù)；張斌（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)閭鞲屑夹g(shù)與自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。