汽油機電磁閥式噴油器耐久性試驗臺設計

梁家玉，李建文，謝俊武

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161； 2.66173部隊，山西 大同 037034；3.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161； 4.天津理工大學 自動化學院，天津 300384)

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● 車輛工程 Vehicle Engineering

汽油機電磁閥式噴油器耐久性試驗臺設計

梁家玉1,2，李建文3，謝俊武4

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161； 2.66173部隊，山西 大同 037034；3.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161； 4.天津理工大學 自動化學院，天津 300384)

通過對汽油機電磁閥式噴油器國內外相關標準的解析，得出噴油器耐久性檢測的技術條件及功能需求，據此設計噴油器耐久性試驗臺。試驗臺由穩壓系統、溫控系統、下位機控制系統和上位機人機交互系統等組成。穩壓系統采用并聯式活塞蓄能器恒壓調控的新方法，減少了壓力調節元件，降低了成本，提高了壓力控制可靠性和精度；溫控系統采用二級熱交換和二級溫度反饋控制方案，實現了熱量快速換能控制，減小了試驗介質溫度波動。試驗結果表明，試驗臺達到標準規定的耐久性技術指標要求。

汽油機電磁閥式噴油器；穩壓恒溫控制；試驗臺設計

汽油機電磁閥式噴油器是汽車電控噴油系統中一個關鍵執行器，作用是精確計量燃油量并形成最佳霧化燃油混合氣[1]。汽油機電磁閥式噴油器耐久性是評價其性能的一個重要指標，其耐久性是指噴油器在規定的工作環境下，保持正常流量特性和工作特性的時間(一般用噴油次數指標評價)。為評價噴油器耐久性，需設計出符合標準測試條件的可靠性好、重復性強、精度高的噴油器耐久性檢測試驗臺[2]。

近年來，我國學者對汽油機電磁閥式噴油器性能測試進行了大量的研究，主要集中在流量特性、電特性、噴霧特性及噴油器結構對性能的影響等方面。如：張振東等[3-4]設計了汽油機電控噴油器性能測試試驗臺，實現了檢測電控噴油器開啟特性，驗證了噴油器結構參數對噴油器性能影響規律；崔厚學[5]研究了噴油器制造關鍵技術，開發出以Y1Cr17TiRe不銹鋼作為電磁閥式噴油器制造專用材料，并通過性能測試試驗臺進行了分析。研究發現，對汽油機電磁閥式噴油器耐久性能研究的文獻相對較少，同時符合最新標準的汽油機電磁閥式噴油器試驗平臺未見報道。

本文在參閱相關文獻基礎上，依據國內外有關標準的要求，設計研制了一種基于虛擬儀器技術和PLC控制技術的汽油機電磁閥式噴油器耐久性試驗臺。

1 噴油器耐久性檢測技術指標分析

1.1 噴油器耐久性試驗技術條件

目前，有關汽油機電磁閥式噴油器的主要標準有SAE J1832LowPressureGasolineFuelInjector、GB/T 25362—2010《汽油機電磁閥式噴油器總成 技術條件》、GB/T 25363—2010《汽油機電磁閥式噴油器總成 試驗方法》和QC/T 967—2014《汽油機進氣道噴射式噴油器》，其中有關耐久性試驗技術條件見表1。

表1 汽油機電磁閥式噴油器耐久性試驗技術條件

1.2 噴油器耐久性試驗臺技術指標

根據標準技術條件，噴油器耐久性試驗臺的技術指標包括技術性指標和安全性指標。

1.2.1 技術性指標

(1)可靠的穩壓系統。試驗時噴油器進口常用試驗液壓力300 kPa、波動范圍在±1 kPa以內，同時為滿足不同廠家噴油器需求，壓力應在0～1 MPa范圍內可調。

(2)可靠的溫控系統。試驗時噴油器進口試驗液溫度21 ℃，波動范圍在±2 ℃。

(3)可靠的驅動模塊。試驗時噴油器驅動電路驅動電壓14 V，波動范圍在±0.05 V，且能設置不同的周期和脈寬，脈沖寬度精度≤0.1%。

(4)設計方案和選型件具有良好的可靠性。在一個噴油器耐久性完整試驗進程中，噴油器需在噴油周期5 ms、噴油脈寬2.5 ms工況下，噴射600×106次，大約需要834 h，需要良好的可靠性來保證試驗臺穩定運行。

1.2.2 安全性指標

(1)汽油為易燃易爆品，采用惰性氣體增壓；

(2)油路、氣路密封性好，無滴油、漏氣；

(3)油路控制閥應滿足絕緣等級要求；

(4)具有故障報警和急停功能。

2 試驗臺架構設計

2.1 試驗臺構成

在分析噴油器耐久性檢測技術條件和技術指標的基礎上，設計了由穩壓系統、溫控系統、下位機控制系統和上位機人機交互系統等組成的試驗臺，試驗臺壓力、溫度調節原理和試驗臺控制流程分別如圖1和圖2所示。

圖1 耐久性試驗臺壓力、溫度調節原理

圖2 耐久性試驗臺控制流程

2.2 試驗臺架構功能分析

2.2.1 穩壓系統

穩壓模塊的作用是實現噴油器耐久性測試時流經噴油器的汽油壓力穩定在300±1 kPa。研究[6-8]發現，當前，穩壓控制常采用的方案是“液壓油泵泵油—減壓閥減壓—比例閥調壓—蓄能器穩壓—溢流閥泄壓”，這種壓力控制方案高精度調壓元件多、成本較高，同時在耐久性試驗中元件長時間連續工作會產生疲勞累積，可靠性大大降低。

本文設計了并聯式活塞蓄能器恒壓調控的新方法(如圖3所示)。

工作時通過兩路控制實現持續穩壓：一是單缸壓力穩定性控制；二是切換工作缸時壓力穩定性控制。

圖3 并聯式活塞式蓄能器恒壓調控裝置

(1)單缸壓力穩定性控制。以活塞式蓄能器Ⅰ為例，噴油器壓力值由壓力變送器15實時檢測油軌處壓力值獲得，并發送到下位機PLC反饋給上位機，根據壓力值大小，上位機發送調節信號，調節電氣比例閥2控制電壓值，從而實現壓力穩定控制。

(2)切換工作缸時壓力穩定性控制。試驗開始活塞式蓄能器Ⅰ補液，補液至額定位置時，活塞式蓄能器Ⅰ開始加壓至300±1 kPa后，噴油器開始工作；同時活塞式蓄能器Ⅱ開始補液，補液完成后并加壓至300±1 kPa；當活塞式蓄能器Ⅰ液面降低到額定位置時，切換至活塞式蓄能器Ⅱ，然后活塞式蓄能器Ⅰ開始補液加壓。按此交替工作，實現連續供壓。

此方案與文獻中常用的液壓調壓閥控制方案相比，一是壓力供應可靠性好、精度高,方案中壓力輸出的調節元件只有電氣比例閥，同時是交替間歇性工作，可靠性得到大幅提升；二是成本大幅降低。

2.2.2 溫控系統

溫控系統的作用是實現噴油器內的工作介質溫度穩定在21±2 ℃，研究[9-10]發現，常用的方式采用熱交換方式通過PID控制實現溫度穩定。由于試驗過程中，試驗介質隨噴油器噴射循環流動快，溫度易受外界環境影響。

本文溫控系統采用了二級熱交換和二級溫度反饋控制方案，由高低溫循環機18和熱交換器17組合實現。兩級熱交換指：一是高低溫循環機通過加熱/制冷功能實現熱交換液的熱交換；二是熱交換液與汽油在熱交換器內熱交換。在兩級熱交換中分別設有溫度傳感器，用來檢測熱交換液和汽油的溫度。二級溫度反饋控制指：一是上位機通過溫度傳感器16采集溫度，控制高低溫循環機18執行加熱/制冷功能；二是設定熱交換液工作溫度范圍，當熱交換液溫度(由內傳感器反饋)在設定范圍內時，高低溫循環機暫停工作，超出范圍時，高低溫循環機18執行加熱/制冷功能。為減小油路熱量損失和外界溫度干擾，熱交換器安裝在接近噴油器油軌處，結合兩級溫度控制，汽油溫度波動范圍大幅降低。

2.2.3 上位機控制系統

上位機控制系統的作用是實現和下位機的交互控制，設置工作參數、顯示工作狀態等。上位機控制系統包括工控機和人機交互系統，人機交互系統采用了LabVIEW編程設計，結合壓力控制、溫度控制、噴油器控制等參數設計了人機交互界面(如圖4所示)。

圖4 試驗臺人機交互界面

人機交互界面有5個部分組成。

(1) 機械裝置狀態控制。包括設置報警壓力、高低溫循環機溫度上下限、報表生成間隔時間、顯示壓力和溫度控制閥的工作狀態等。

(2)噴油器參數設定。包括設定噴油器類型、噴油脈寬、噴油周期、噴油次數、反饋周期、噴油計數等。

(3) 工作參數設定及狀態監測。包括設定工作壓力、工作溫度，顯示電氣比例閥加壓狀態、液位狀態等。

(4)噴油器工作狀態。包括各噴油器進程和故障報警顯示，含斷路和短路故障。

(5)程序操控。包括CAN通信、斷開重啟控制、程序停止和退出等。

2.2.4 下位機控制系統

下位機包括歐姆龍PLC、驅動模塊和高低溫循環機控制模塊。

(1)歐姆龍PLC。歐姆龍PLC通過Hostlink通信與上位機連接，歐姆龍PLC的作用是控制試驗臺開關、調節壓力、故障報警燈功能。歐姆龍PLC通過采集壓力變送器、位置傳感器數據，控制電磁閥、電氣比例閥工作狀態實現壓力的調節控制。

(2)噴油器驅動模塊。噴油器驅動模塊的作用是為噴油器提供14±0.05 V的驅動工作電壓，設置噴油脈寬和噴油周期，采集記錄噴油次數，監測噴油器故障(包括噴油器斷路或短路)。本文采用的驅動模塊系統由S9S08DZ128F2MLF-48控制芯片和場效應管驅動芯片IR4427組成，包括控制電路單元、電源電路單元、噴油器功率驅動電路單元、通信電路單元，驅動模塊采用CAN通信，通過PCI-9820I接口與上位機連接。

(3)高低溫循環機控制模塊。高低溫循環機控制模塊的作用是通過RS232通信實現高低溫循環機和上位機連接，控制高低溫循環機的工作狀態，實現溫度穩定控制。控制流程如圖5所示。

圖5 溫度控制流程

3 試驗驗證

3.1 試驗環境及參數設定

試驗室內溫度：31 ℃；設定高低溫循環機額定溫度：21 ℃；設定高低溫循環機溫度工作范圍：17～21 ℃；壓力設定：300 kPa；試驗介質：汽油；試驗噴油器類型：德爾福Multec 3；噴油器數量：4個；試驗臺狀態：已連續運行2周。

3.2 試驗結果及分析

數據采集時間段：10:56:48—11:37:18，采集數據間隔時間30 s。試驗采集的噴油器噴射次數分別為：噴油器1：492 027次；噴油器2：490 778次；噴油器3：489 398次；噴油器4：488 098次。

壓力和溫度變化曲線如圖6和圖7所示。

圖6 壓力分布曲線

圖7 溫度分布曲線

從圖中可以看出：

(1)試驗臺在兩周連續運行中，性能穩定；

(2)汽油壓力符合標準要求，在規定的范圍內波動；

(3)汽油溫度符合標準要求，在規定的范圍內波動。

4 結 語

本文在研究汽油機電磁閥式噴油器相關標準基礎上，對試驗臺功能需求進行了分析，開發了符合標準要求的電磁閥式噴油器耐久性試驗臺。提出并應用一種并聯式活塞蓄能器恒壓調控的方法，減少了試驗臺壓力控制系統的壓力調節元件，實現了低成本下的高精度穩壓控制，同時可靠性大幅提高；溫控系統采用二級熱交換和二級溫度反饋控制方案，實現了熱量快速換能控制，使得試驗介質溫度小范圍波動，滿足了相關標準要求。

[1] KONRAD Reif.BOSCH汽車電氣與電子[M].孫澤昌,譯.北京:北京理工大學出版社,2014:3-6.

[2] 李光攀,過學迅,楊波,等.汽車耐久可靠性試驗方法[J].天津汽車,2008(10):34-37.

[3] 張振東,逞強,徐曉麗.電控汽油噴射器開啟響應特性測試臺的研制[J].實驗室研究與探索,2013(4):7-10.

[4] 張賀鯤,張振東,謝乃流.電控噴油器關鍵結構參數的匹配優化研究[J].機電工程,2016,33(6):739-743,759．

[5] 崔厚學.一種先進的轎車發動機噴油器制造關鍵技術的開發研究[D].武漢:華中科技大學,2010.

[6] 夏衛明,駱桂林,王義平,等.一種無級可調恒壓控制液壓系統及其應用[J].鍛壓裝備與制造技術,2010(5):39-40．

[7] 游紅.基于PLC的智能恒溫穩壓系統[J].液壓與氣動,2012(6):8-10．

[8] 劉建,黃迷梅,毛智勇.高精恒壓液壓系統研究[J].液壓與氣動,2010(10):36-38．

[9] 李勇.基于優化PID的食品加工恒溫控制研究[J].電氣技術,2015(12):76-80．

[10] 張業明,王帥,李博,等.基于Matlab的恒溫控制系統研究[J].實驗技術與管理,2016,33(3):75-77．

(編輯：張峰)

Design of Durability Test-bed for Gasoline Solenoid Value Injector

LIANG Jiayu1, 2, LI Jianwen3, XIE Junwu4

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Unit 66173, Datong 037034, China; 3.Military Vehicle Department, Military Transportation University,Tianjin 300161, China; 4.School of Automation, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Through the analysis of domestic and foreign relevant standards of the gasoline solenoid value injector, the technical specifications and functional requirements of injector durability testing are obtained and the durability test-bed is designed. The test-bed is composed of pressure regulating system, temperature control system, lower computer control system and human-machine interaction system. The pressure regulating system adopts the new method of constant pressure control of the parallel piston accumulator, which reduces the pressure regulating elements and cost, and improves the reliability and precision of pressure control. The temperature control system adopts two stage heat exchanges and two stage temperature control feedback scheme, which realizes the fast heat exchange control and decreases the temperature fluctuation of the test medium. The test result shows that the test-bed can meet the requirements of durability technical index standard.

gasoline solenoid value injector; pressure regulation and constant temperature control; design of test-bed

2016-09-20；

2016-10-26．

梁家玉(1983—)，男，碩士研究生； 李建文(1964—)，男，博士，教授，碩士研究生導師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.12.013

U467.4

A

1674-2192(2016)12- 0053- 05