王 軍，何 煉，張幽彤，張更云

(1.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072;2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京100081)

高壓共軌噴油系統(tǒng)能靈活地實(shí)現(xiàn)噴油壓力、噴油定時(shí)、噴油量、噴射次數(shù)的調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)由液力部件和電控單元組成，其中液力部件包括高壓油泵、共軌管、電控噴油器。電控噴油器是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，由高速電磁閥和機(jī)械噴油部分組成，其工作原理是通過電磁閥控制實(shí)現(xiàn)噴油定時(shí)和噴油次數(shù)的調(diào)節(jié)［1］。針閥升程是電控噴油器的重要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量對(duì)電控噴油的模擬仿真、柴油機(jī)工作過程性能改進(jìn)等具有重大意義［2］。在機(jī)械式噴油器上，常采用電感式或霍爾傳感器安裝在柱塞末端測(cè)量針閥升程，而在電控噴油器中，由于電磁閥占據(jù)了噴油器頂端空間，使傳感器無法安裝，同時(shí)，電磁閥的磁電變化也會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度，所以傳統(tǒng)的針閥測(cè)量方法已經(jīng)無法滿足電控噴油器的測(cè)量要求［3］。為此，筆者采用非接觸式測(cè)量方法，利用激光位移傳感器的高靈敏度和高精度、抗電磁場干擾能力強(qiáng)、集傳感與傳輸于一體等特性［4］，將其用于測(cè)量電控噴油器的針閥升程，取得了預(yù)期的效果。

1 電控噴油器

電控噴油器是利用電磁閥的開閉來實(shí)現(xiàn)噴油開始和結(jié)束的。電控噴油器由電磁閥、出油量孔A、進(jìn)油量孔Z、控制柱塞、針閥偶件組成，連接關(guān)系如圖1所示。由控制柱塞副傳遞運(yùn)動(dòng)關(guān)系，將電磁閥運(yùn)動(dòng)與針閥開關(guān)聯(lián)系起來。在電磁閥不通電時(shí)，電磁閥關(guān)閉柱塞腔頂部的出油量孔A，高壓燃油一路通過進(jìn)油量孔Z進(jìn)入柱塞腔，另一路通過油道進(jìn)入壓力室，由于柱塞與針閥的面積差，向下的合力推動(dòng)控制柱塞下行，使針閥落座，噴油器不噴油;當(dāng)電磁閥通電時(shí)，出油量孔A被打開，柱塞腔內(nèi)的燃油壓力迅速降低，向上的合力使控制柱塞和針閥上行，噴油器開始噴油［5］。

圖1 電控噴油器結(jié)構(gòu)

2 測(cè)試系統(tǒng)

2.1 測(cè)量原理

在電控噴油器中，各零件連接緊密、配合間隙小，工作時(shí)零件動(dòng)作均在瞬間完成，因此，在噴油器上安裝傳感器極為困難。筆者采用非接觸式測(cè)量方法，可較好地解決上述問題。采用激光反射原理測(cè)量柱塞的運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。在噴油器體上垂直于其軸線方向開測(cè)試窗口，在與開測(cè)試窗口對(duì)應(yīng)高度的控制柱塞圓柱面上加工1×45°的錐面，形成一個(gè)圓錐臺(tái)。激光在錐面上的入射光線和反射光線構(gòu)成光線平面，當(dāng)活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，激光光斑照射在錐面上，錐面會(huì)使激光光斑產(chǎn)生水平位移，1×45°的錐面能使水平位移等于軸向位移，由此導(dǎo)出針閥在噴油過程中的軸向位移，即針閥升程。

2.2 系統(tǒng)組成

圖2 激光測(cè)試原理

測(cè)試系統(tǒng)由激光位移傳感器、電流傳感器、噴油泵轉(zhuǎn)速傳感器、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等組成，如圖3所示。當(dāng)電控噴油器工作時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得噴油泵的轉(zhuǎn)速信號(hào)，電流傳感器測(cè)得電控噴油器電磁閥的電流信號(hào)，激光位移傳感器測(cè)量電控噴油器針閥升程，這些信號(hào)分別由各自對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，均由采集卡采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后，噴油器針閥升程、針閥開啟持續(xù)時(shí)間、電磁閥電流等參數(shù)值由計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面顯示或由打印機(jī)輸出。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)組成

3 測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件

3.1 激光位移傳感器

激光位移傳感器利用激光束的干涉原理測(cè)量位移，采用邁克爾干涉儀結(jié)構(gòu)，由光源、準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、分光鏡、參考鏡、測(cè)量鏡、光電轉(zhuǎn)換裝置、信號(hào)處理器和信號(hào)輸出組成［6］，如圖4所示。當(dāng)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)而反映到測(cè)量鏡沿光軸方向移動(dòng)L時(shí)，2束激光的光程差為2L，由相干光束產(chǎn)生亮紋的條件可知:

式中:K、λ分別為條紋數(shù)和波長。

圖4 激光位移傳感器組成

當(dāng)測(cè)試鏡中被測(cè)物體移動(dòng)半個(gè)波長的距離，接收系統(tǒng)中接收到的條紋級(jí)次就增加1，即有1個(gè)亮紋移過。根據(jù)接收系統(tǒng)記錄的亮紋總數(shù)，即可獲得被測(cè)物體移動(dòng)的距離［7］。激光位移傳感器的技術(shù)參數(shù)分別為:有效測(cè)試距離25 mm;量程0～2 mm;測(cè)量精度 0.1 μm;響應(yīng)頻率 20 kHz;取樣頻率40 kHz;輸出電壓0～10 V;線性度±0.05%。

3.2 測(cè)試硬件

由于激光位移傳感器數(shù)據(jù)采集頻率為40 kHz，為了確保測(cè)試數(shù)據(jù)不丟失，數(shù)據(jù)采集卡用于位移數(shù)據(jù)的采樣速率應(yīng)大于80 kHz。筆者采用NI公司數(shù)據(jù)采集卡，該卡具有PCI總線控制方式，A/D轉(zhuǎn)換精度為12位，采樣頻率達(dá)到1 MHz;16路單端模擬量輸入或組合輸入方式，16路數(shù)字輸入輸出通道;單個(gè)模擬量數(shù)據(jù)采集可采用預(yù)觸發(fā)、后觸發(fā)、匹配觸發(fā)和延時(shí)觸發(fā)等觸發(fā)模式;帶有1 kHz用于A/D采樣的FIFO，并支持DMA數(shù)據(jù)傳輸方式［8］。

由于油泵轉(zhuǎn)速信號(hào)、電磁閥電流信號(hào)和針閥升程信號(hào)的類型不同，因此需要不同的信號(hào)處理電路進(jìn)行處理。其中:針閥升程信號(hào)和電磁閥電流信號(hào)為模擬信號(hào)，在量程范圍內(nèi)保持線性變化，通過濾波和放大器放大后即可達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換所需的要求;而油泵轉(zhuǎn)速信號(hào)為脈沖信號(hào)，只需將信號(hào)放大、調(diào)節(jié)到滿足采集卡輸入要求的TTL電平即可。

3.3 測(cè)試軟件

測(cè)試軟件包括主控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、試驗(yàn)結(jié)果顯示模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、打印模塊、結(jié)果保存和重新打開模塊等。其中數(shù)據(jù)采集原理如圖5所示，數(shù)據(jù)采集完成后，所有數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)處理，試驗(yàn)結(jié)果由計(jì)算機(jī)的顯示模塊實(shí)現(xiàn)顯示參數(shù)、實(shí)時(shí)顯示曲線。

圖5 數(shù)據(jù)采集原理

4 檢測(cè)結(jié)果分析

4.1 測(cè)試方案及標(biāo)定

由于激光位移傳感器是利用激光的反射原理形成干涉，產(chǎn)生明暗條紋實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，需要進(jìn)行傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，以確定測(cè)量位移與傳感器輸出電壓的關(guān)系［9］。由于測(cè)量面為斜面，光線平面與柱塞的布置方案、柱塞表面的狀況會(huì)影響激光的反射效果。取不同的布置方案和測(cè)量表面狀況進(jìn)行傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，其標(biāo)定曲線如圖6所示，其中:曲線1為光線平面與柱塞運(yùn)動(dòng)方向平行布置時(shí)的標(biāo)定曲線;曲線2為光線平面與柱塞運(yùn)動(dòng)方向垂直布置時(shí)的標(biāo)定曲線;曲線3為被測(cè)件表面有柴油時(shí)的標(biāo)定曲線。從圖6可以看出:3種情況下所測(cè)量的位移S與傳感器輸出電壓U基本呈線性關(guān)系;每種情況下的標(biāo)定曲線有所不同，當(dāng)光線平面與柱塞運(yùn)動(dòng)方向平行布置時(shí)，激光光斑照射在斜面上，受到斜面的影響，使得入射光線和反射光線的角度增大，光程差增加，導(dǎo)致測(cè)量值增大，可見曲線1的所有測(cè)量值偏高;當(dāng)光線平面與柱塞運(yùn)動(dòng)方向垂直布置時(shí)，不受斜面的影響，使得入射光線和反射光線的角度保持不變，曲線2反映了較真實(shí)的測(cè)量值;當(dāng)柱塞表面有柴油時(shí)，曲線3所有測(cè)量值偏小，這是由于表面有柴油會(huì)減小光程差，進(jìn)而影響測(cè)量基準(zhǔn)值。對(duì)比3條曲線可知，曲線2的線性度好于曲線1，因此筆者將光線平面與柱塞運(yùn)動(dòng)方向的垂直布置作為測(cè)試方案。

圖6 標(biāo)定試驗(yàn)曲線

4.2 噴油器針閥升程測(cè)試

在高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行電控噴油器針閥升程測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備選用CP1H型噴油泵、GT1霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、MicrotrakⅡ型激光位移傳感器、1146A型電流傳感器、具有信號(hào)輸出和存儲(chǔ)功能的XJ420A型示波器、12 V直流穩(wěn)壓電源。

當(dāng)控制脈沖電壓 V為5 V、控制脈寬時(shí)間為1.7 ms時(shí)，電磁閥線圈上的控制電流I實(shí)測(cè)信號(hào)和噴油器針閥升程hv信號(hào)如圖7所示。從圖7中可以看出:從經(jīng)數(shù)字濾波器濾波后的電流信號(hào)I、升程hv信號(hào)的曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明該傳感器能夠清晰地顯示出噴油器針閥的噴油升程過程，能反映出電磁閥響應(yīng)時(shí)刻與針閥抬起和落座時(shí)刻之間延遲時(shí)間［10］，這可為研究噴油器的噴油過程和噴油規(guī)律提供依據(jù)。

圖7 電控噴油器針閥升程測(cè)試曲線

5 結(jié)論

1)本文提出了基于激光傳感器的針閥升程非接觸式測(cè)量方法，構(gòu)建了電控噴油器針閥測(cè)試系統(tǒng)，解決了電控噴油器升程測(cè)量中電磁干擾和結(jié)構(gòu)布置難的實(shí)際問題。

2)結(jié)合傳感器標(biāo)定曲線，確定了光線平面與柱塞運(yùn)動(dòng)方向的垂直布置為傳感器布置方案;通過對(duì)實(shí)測(cè)針閥升程曲線和綜合曲線進(jìn)行分析，證明了該方法在測(cè)量電控噴油器針閥升程上的有效性。

3)該方法的準(zhǔn)確性應(yīng)在后續(xù)研究和試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

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