基于STM32的汽車噴油器動態(tài)響應(yīng)特性檢測系統(tǒng)

李炎昊，劉 斌，李建文，雷 威

(1.天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，天津 300384；2.軍事交通學(xué)院，天津 300161)

0 引言

汽車噴油器作為汽車發(fā)動機的關(guān)鍵部件，其性能直接影響發(fā)動機的工作狀態(tài)。噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間，即開啟與關(guān)閉時間，是噴油器的一項重要特性參數(shù)，在發(fā)動機工作期間，為應(yīng)對發(fā)動機不同工況的噴射要求，噴油器是否能快速響應(yīng)，直接影響發(fā)動機的燃油特性與動力性能。

目前，國內(nèi)的專家學(xué)者大多對噴油器的流量特性以及噴霧特性檢測開展研究[1-3]，較少有直接對噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間進(jìn)行精確檢測的系統(tǒng)設(shè)計[4]。

本文結(jié)合進(jìn)氣道式電壓型噴油器自身特點，設(shè)計了一種檢測噴油器動態(tài)響應(yīng)特性的在線檢測裝置，基于STM32單片機研制了噴油器檢測系統(tǒng)，并通過實驗驗證其準(zhǔn)確性和有效性。

1 噴油器工作原理

噴油器主要分為進(jìn)氣道式噴油器與直噴式噴油器，由于進(jìn)氣道式噴油器成本較低以及控制方式簡單等特點，被廣泛應(yīng)用。圖1為進(jìn)氣道式電壓型噴油器。

圖1 噴油器結(jié)構(gòu)圖

電壓型噴油器主要由中磁線圈、針閥、鋼球、彈簧、閥座、噴孔等組成。進(jìn)氣道式噴油器中的電壓型噴油器，因其穩(wěn)定性較高，成為被大量研究的對象。

1.1 噴油器電流規(guī)律

噴油器工作原理是噴油器內(nèi)中磁線圈通電后，吸合銜鐵，從而噴油器開啟。噴油器完全開啟與關(guān)閉的時間與噴油器中針閥的位移有關(guān)，但直接檢測噴油器針閥的位移較困難，文獻(xiàn)[5]提出了可通過檢測噴油器線圈中電流的方式，實現(xiàn)噴油器動態(tài)響應(yīng)時間的檢測。噴油器電磁閥等效電路[6]如圖2所示。

圖2 電磁閥等效電路

由圖2中等效電路及KVL定律可得其電壓方程：

(1)

式中：L為電磁閥線圈電感；i為電路中電流；R1為線圈的內(nèi)阻；R2為電路中的等效電阻；U為電源電壓。

根據(jù)電壓方程以及電感的充放電規(guī)律可得每一時刻電流的變化規(guī)律，如式(2)所示：

(2)

根據(jù)式(2)以及線圈的特點，可知在噴油器針閥上下運動過程中，對線圈電感值的影響會造成電流變化。

1.2 噴油器動態(tài)性能檢測原理

噴油器工作時理想的電流變化曲線如圖3所示，由于噴油器針閥位移的變化，使得其線圈中的電流曲線在A、E兩點發(fā)生了不規(guī)律的變化。

圖3 噴油器電流變化曲線

當(dāng)有脈沖信號時，通過噴油器內(nèi)線圈的電流逐漸增大，其磁通量也逐漸增大，使噴油器內(nèi)針閥產(chǎn)生位移運動。在針閥向上運動的過程中，由于線圈的氣隙磁阻逐漸減小，而線圈的電感逐漸增大，根據(jù)式(2)原理，其電流在某時刻會逐漸下降，到A時刻時，由于針閥停止運動，電流下降到最小值而后開始上升，到C時刻噴油器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)脈沖信號停止時，從D時刻開始噴油器內(nèi)線圈的電流迅速下降，使針閥快速落座，由于線圈的磁通量逐漸減小，由式(2)可知，感應(yīng)電動勢線圈中的電流會稍有上升。當(dāng)E時刻時，針閥完全落座，其電流又重新開始下降。

根據(jù)上述原理，只需檢測O、A兩點的時間差即可得到噴油器的開啟時間tOA；檢測D、E兩點之間的時間差可得到噴油器的關(guān)閉時間tDE。

2 噴油器在線檢測裝置

噴油器在線檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其主要利用氣壓方式對噴射介質(zhì)進(jìn)行加壓處理，配有流量計以及壓力傳感器等精密檢測元件，使噴射介質(zhì)到達(dá)噴油器入油口并保持穩(wěn)定的油壓供給，再通過噴油器檢測系統(tǒng)模塊，達(dá)到檢測噴油器動態(tài)響應(yīng)時間的目的。即可在穩(wěn)定的工作環(huán)境下對噴油器進(jìn)行開啟與關(guān)閉時間的檢測。

圖4 在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 噴油器檢測系統(tǒng)

噴油器檢測系統(tǒng)，主要由主控模塊、驅(qū)動模塊、信號放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和通信模塊構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 噴油器檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主控模塊主要有STM32單片機組成，用于產(chǎn)生驅(qū)動噴油器的脈沖信號。A/D轉(zhuǎn)換模塊主要采用12位轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)噴油器電流信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。驅(qū)動模塊主要用于對驅(qū)動信號的功率放大。信號放大模塊主要由采樣電阻與放大電路構(gòu)成，用于采集噴油器的電流信號并對其進(jìn)行放大處理。通訊模塊通過CAN通信方式將檢測結(jié)果上傳至上位機，同時接受上位機命令。

3.1 噴油器驅(qū)動模塊

噴油器驅(qū)動模塊主要由驅(qū)動芯片IR2106以及高、低邊MOS管構(gòu)成[7]，如圖6所示。

圖6 噴油器驅(qū)動模塊

噴油器檢測系統(tǒng)共有6組驅(qū)動模塊，驅(qū)動芯片U1用于放大單片機的驅(qū)動信號，噴油器L嵌位于高邊MOS管Q1與低邊MOS管Q2之間，由Q1控制噴油器進(jìn)行工作，Q2進(jìn)行六組噴油器的選通工作。當(dāng)Q2保持開啟時，通過PWM驅(qū)動信號控制Q1使得噴油器工作。圖6中R3為采樣電阻，與信號放大電路相連接，用于采集噴油器的狀態(tài)信號。為檢測噴油器真實的動態(tài)響應(yīng)時間，本驅(qū)動模塊沒有采用續(xù)流回路提高噴油器動態(tài)性能。

3.2 信號放大模塊

通過采樣電阻與信號放大模塊以及主控模塊中的A/D信號采集功能，實現(xiàn)噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間檢測功能，信號放大模塊電路圖如圖7所示。

圖7 信號放大模塊

噴油器開啟或關(guān)斷時，其線圈電流通過采樣電阻R3轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過信號放大器放大40倍，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過單片機定時器進(jìn)行定時采樣，得到圖3中A、E兩點的峰值時間，從而得出到開啟時間tOA與關(guān)閉時間tDE。

4 實驗與分析

圖8為進(jìn)氣道式電壓型噴油器，在噴射壓力為300 kPa，電壓為12 V，工作周期10 ms，脈寬為5 ms時，依托于檢測系統(tǒng)與示波器采集的實際電流曲線。從圖中可清晰分辨噴油器在工作時電流變化的各個節(jié)點。

圖8 實際電流曲線

4.1 不同噴射壓強的影響

分別在400 kPa、350 kPa、300 kPa、250 kPa和200 kPa的噴射壓強下，對標(biāo)定后的10支噴油器開啟與關(guān)閉時間進(jìn)行檢測。檢測過程中，電壓保持12 V，噴射周期為10 ms，噴射脈寬為5 ms。檢測結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 變壓強開啟時間

圖10 變壓強關(guān)閉時間

從實驗結(jié)果中可以看出，隨著噴射壓力的增大，噴油器的開啟時間逐漸增大，同時其關(guān)閉時間逐漸減小。由于噴射介質(zhì)的壓強直接作用在噴油器內(nèi)部針閥的頂端，產(chǎn)生相應(yīng)的壓力，導(dǎo)致噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間隨噴射壓力的變化而改變。根據(jù)壓力與作用面積的關(guān)系，針閥頂端的面積大小會直接影響噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[8-10]，進(jìn)氣道式噴油器的標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境為噴射壓強300 kPa，電壓12 V。圖9與圖10中的虛線表示在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下，標(biāo)定后的噴油器的標(biāo)準(zhǔn)開啟為2 ms，標(biāo)準(zhǔn)關(guān)閉時間為1.4 ms。從實驗中可以看出，噴油器檢測系統(tǒng)檢測噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間，與標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)響應(yīng)時間的相對誤差小于2%，根據(jù)噴油器使用說明規(guī)定的4%，符合使用標(biāo)準(zhǔn)，噴油器檢測系統(tǒng)滿足噴油器動態(tài)響應(yīng)時間的檢測要求。

4.2 不同驅(qū)動電壓的影響

如圖11、12所示，分別在8～14 V的驅(qū)動電壓下，以1 V電壓遞增，對標(biāo)定后的同一支噴油器進(jìn)行7組檢測實驗，每組進(jìn)行10次檢測取平均值。測試環(huán)境為噴射介質(zhì)壓強300 kPa，噴射周期為10 ms，脈寬為5 ms。

圖11 變電壓開啟時間

圖12 變電壓關(guān)閉時間

實驗表明，隨著驅(qū)動電壓的增加，噴油器的開啟時間遞減，其關(guān)閉時間遞增。驅(qū)動電壓的大小直接影響噴油器的動態(tài)響應(yīng)特性，驅(qū)動電壓越大，噴油器線圈通過的電流也隨之增大，其磁通量增加也就越快，使噴油器針閥的開啟速度加快；同時線圈通過的電流越大，其線圈放電速度越慢，使針閥的關(guān)閉時間越慢。

5 結(jié)論

基于STM32設(shè)計了一種噴油器動態(tài)響應(yīng)特性檢測系統(tǒng)，實驗表明，該檢測系統(tǒng)檢測噴油器動態(tài)響應(yīng)時間的相對誤差小于2%，具有較好的穩(wěn)定性，符合噴油器檢測的要求。由于噴油器針閥頂部會受到噴射介質(zhì)的作用，噴射壓強的大小對噴油器的動態(tài)響應(yīng)時間造成了直接的影響，隨著壓強的增大，噴油器的開啟時間逐漸增大，同時其關(guān)閉時間逐漸減小。由于不同大小的驅(qū)動電壓，會改變噴油器內(nèi)部線圈通過的電流，直接影響噴油器的動態(tài)響應(yīng)特性，隨著驅(qū)動電壓的增加，噴油器的開啟時間遞減，其關(guān)閉時間遞增。