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电控喷油器喷雾测试系统开发及应用 |
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作者：肖琼 颜伏伍 邹华 |
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一、前言
汽油机可燃混合气的形成是燃油的空间分布特性问题，取决于燃油的喷雾、进气道气流运动之间的密切配合等因素。汽油机电控喷油器是由电路子系统、磁路子系统、机械运动子系统和流体运动子系统组成的复杂系统，在喷油器的诸多特性中，喷雾特性是至关重要的。目前测量喷雾特性的方法一般采用以激光为光源的高速摄影法，但该测试系统价格昂贵。作者自行设计了一套电控喷油器喷雾特性测试系统，对某一型号喷油器的喷雾锥角大小和均匀性进行了测试和分析。
二、测试系统的组成及原理
电控喷油器喷雾特性测试系统主要由供油系统、测试系统及电控单元组成（图1）。
图1 喷油器喷雾测试系统示意图
供油与测试系统由电动燃油泵、燃油滤清器、压力表、压力调节器、燃油分配管、喷油器、电磁阀、电子天平、喷雾锥角测试装置及喷雾均匀性测试装置等组成。其中，燃油泵用于给供油系统输送具有一定压力的燃油；燃油滤清器用于滤除燃油中的杂质；压力表用于监控油路的压力是否稳定；压力调节器用于保持油路与燃油分配管之间的压差恒定，并把多余的燃油送回油箱；喷油器由控制单元通过驱动电路控制其开启或关闭，并喷出适量的燃油；电磁阀用于被测油路的选择性通过；电子天平用于测量燃油的质量流量。
在电控单元中，计算机作为监视/控制单元，通过Visual Basic 6.0编制的界面来设定喷油脉宽、喷油周期、喷油次数和选择需要测试的喷油器，同时可以通过控制电磁阀驱动电路选择其开启与关闭。通信单元的功能就是确保电控单元和计算机之间的数据传输，它包括1个双端口RAM、1个通信单片机和1个串行接口电路。控制单元采用89C52单片机，通过内部脉冲计数来定时，当其计数满后自动溢出中断，以此达到单片机给驱动电路发出通电和断电信号，从而控制喷油器的打开或关闭。
电磁阀驱动电路采用继电器控制，通过I/O开关量板卡（与计算机ISA插槽相连）对电磁阀开启或关闭进行控制。
喷油器驱动电路见图2。该电路采用光电耦合器将控制信号输出电路与喷油器驱动电路相隔离，从而抑制喷油器驱动电路的高频干扰进入控制电路部分，以保证其正常工作。电阻R6和二极管D在喷油器关闭时构成放电通路，以防止功率三极管损坏，它们和喷油器线圈组成喷油器的消弧电路。
图2 喷油器驱动电路
三、喷雾特性参数测试
1．喷雾测试条件及准备措施
（1）如图1所示，等分扇形圆盘收集器必须位于喷油器喷孔的正下方。
（2）设计、加工和装配精度必须保证喷油器的安装基准和同心圆盘收集器的中心线之间的误差控制在0.025mm以内。
（3）试验中供给喷油器的驱动电压为12.0V±0.05V直流电。
（4）测试前用测试液清洗喷油器和测试装置，以除去系统中的空气、蒸汽和杂质；让喷油器以5ms为喷油脉宽、10ms为一喷油周期持续喷射测试液1500次；用以清洗的测试液仅可一次性使用。
2．喷雾锥角测试原理
采用空心锥角喷雾测试方法测试喷雾锥角，定义的喷雾锥角为所覆盖的喷雾角度中最大喷油量对应的角度。图3描述了喷雾锥角测试装置的原理。
图3 喷雾锥角测试装置原理图
喷雾锥角测试装置由同心圆盘和有机玻璃罩组成。同心圆盘收集器由8个同心圆腔构成，在加工时采用线切割。每个腔壁的高度为15mm，并且前缘逐渐变小，这样设计的优点是可以把燃油的反弹降低到最低。每个圆腔都有一个小孔与连接管相连，将燃油通往天平，用于计量所收集的油量多少。
运用几何原理可以得出每个同心圆腔对应的喷雾锥角α的计算公式为α=2arctan[d/（2h）]（1）式中d为同心圆腔的直径，h为喷油器顶端的喷孔片到收集圆盘腔壁前缘的垂直高度。表1列出了不同的同心圆腔的直径，以及在不同的喷油器安装高度下每个同心圆腔所对应的喷雾锥角。表1 喷油器的安装高度和相应的喷雾锥角
 在作者设计的测试系统中，h=180mm±1mm，该测试系统适用于喷雾锥角范围在6°～24°的喷油器，大部分汽油机喷油器均被涵盖在这个角度范围内。如果喷雾锥角太小，则油仅喷入内圆的1、2圆腔，而外圆圆腔所收集的油量非常有限，从而无法准确地分析喷雾角的分布。反之如果喷雾锥角过大，则大部分油被第8圆腔所收集，也无法分析。
3．喷雾均匀性测试原理
喷雾均匀性测试装置由等分扇形圆盘、有机玻璃罩、耐油密封圈和喷油器等组成，主要用于单束喷油器的测试。为了与喷雾锥角测试装置安装相匹配，喷油器的定位高度选定180mm。等分扇形收集盘由6块面积相等、分布均匀的扇形区域组成，如图4，其中的分隔挡板厚度设计为1mm，顶端逐渐变小，可以减小油束的反弹。
图4 等分扇形圆盘
每个扇形区都有一个小孔与连接管相连，电子天平计量所收集油量的多少。当喷油器在给定的脉宽下连续喷射一段时间后，通过比较每个扇形区收集的油量多少来分析油束的分布情况。亦可通过透明的有机玻璃罩观察喷雾的雾化形状。
对于双油束喷油器，由于喷雾形状为两个圆锥形油束，可依据本测试装置另设计一划分数个等分单元的方形收集盘来收集其油束分布流量。
四、测试结果分析
以某型喷油器为例，分别测试其喷雾锥角与喷雾均匀性。通过计算机操作界面输入喷油器的喷射周期以及连续喷射次数（多组试验中设定为一恒值），喷油量可通过质量法直接从电子天平上读出。
1．喷雾锥角测试结果
通过多组试验，分别记录下各个同心圆腔所收集的喷油量，并计算出其平均值占总喷油量平均值的百分比，如图5所示，编号1～8分别对应由内到外分布的各个同心圆腔。
图5 各同心圆腔对应的油量百分比
由图可以看出，从中心到外圆，油量先增加后减少，最大值出现在第4个同心圆腔，则该喷油器的最大锥角分布在圆腔4，第4个同心圆腔的直径d4=40mm，由式（1）可求出喷雾锥角α=12.731°。
2．喷雾均匀性测试结果
记录试验中各个扇形区对应的油量并计算其平均值占总喷油量均值的百分比，如图6所示，编号1～6分别代表6个均匀分布扇形区。
图6 各扇形区对应的油量百分比
通过试验数据可以看出，6个等分扇形区对应的喷油量百分比分布在16.52%～16.83%之间，该组数据的平均偏差为1%，每个扇形区的喷油量基本相等，反映该喷油器的喷雾均匀性较好。
五、结论
电控喷油器喷雾特性是衡量喷油器性能的主要指标，作者设计的喷油器喷雾特性测试系统具有结构简单、造价低的特点，基本达到测试精度的要求，并且具有方便的计算机控制操作界面。对某一型号喷油器的喷雾锥角和均匀性进行了初步测试研究，试验结果表明，该测试系统能满足测试需要。
信息来源： 汽车工程 (end)
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(10/26/2006) |
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