（动力机械及工程专业论文）fai电喷系统主要部件的检测技术及方法的研究.pdf

摘要 摘要 为了加快已获得权威机构认可的f a i 电喷系统进行规模生产，确保这个 系统的主要部件的质量，本文通过对它的主要部件的结构、功能和特性迸行 分析并结合实际的生产要求，开发了相应的检测系统。 本文主要阐述了三套检铡系统的开发，即节气门体总成检测系统、喷油 器检测系统和氧传感器检测系统。首先，在节气门体总成检测系统的研究过 程中，要运用到气体动力学，还要结合控制单元( e c u ) 的控制策略、通讯协 议进行数据采集、传输；此外，要针对摩托车整车实际运行情况进行必要的 振动、耐久模拟检测。其次，对于喷油器检测系统的开发，则要复杂得多， 在采用单片机( m c u ) 控制驱动喷油器、采集数据时要考虑到外界和内部众多 的干扰因素并采取有效措施予以抵抗；上位机的v b 编程则要考虑实际操作时 人机交互的灵活性：要满足一个上位机按严密的时序控制多个下位机实施即 时检测的高效性，并要处理随着而来的复杂的通讯协议和多机通讯问题；此 外，还有从实际操作要方便、安全等方面考虑。最后，对于氧传感器检测系 统的研究，鉴于实际整车的尾气成分难以完全模拟，而采用简易的检测模式， 但仍然涉及多路下位机电子控制、数据采集和传输，多机通讯，上位机的v b 编程( 数据处理、显示、存储) ，友好的人机交互以及实际生产操作过程中的 方便、安全、节能等方面。 实验结果表明，三套检测系统完全符合生产检测要求，并已投入到实际 的生产运用中，为f a i 电喷系统的规模生产提供了重要保障。 关键词：f a i 电喷系统 数据采集 检测效率 多机通讯 安全 v b 编程 a b s t r a c r a b s t r a c t e f is y s t e mw i t hf a ih a sg a i n e dh i g ha p p r a i s e m e n to ft h ea u t h o r i t y s o t o q u i c k e ni t sp r o d u c t i o no nal a r g es c a l ea n de n s u r et h eq u a l i t yo f i t sm a i np a r t s ，t h e a u t h o rh a v er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dc o r r e l a t i v et e s t i n gs y s t e m sb ya n a l y z i n gt h e s t r u c t u r e f u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fi t sm a i np a r t s a i l dt l l ed e s c r i p t i o no f t h e s es y s t e m sc a nb eo b t a i n e di nt h i st h e s i s t h et h e s i sm a i n l ye x p a t i a t e st h r e et e s t i n gs y s t e m s ：at e s t i n ga n di n s p e c t i o n s y s t e mo ft h et h r o t t l eb o d ya s s e m b l y , at e s t i n gs y s t e mo ft h ei n j e c t o r , at e s t i n g s y s t e mo ft h eo x y g e ns e n s o lf i r s t l y , d u r i n gt h e r e s e a r c ho ft h et e s t i n ga n d i n s p e c t i o ns y s t e mo ft h et h r o t t l eb o d ya s s e m b l y 、t h ea e r o d y n a m i c si su s e d ，t h e c o n t r o l l i n gs t r a t e g ya n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fe c ua r ec o n t a c t e d f o r a c q u i r i n ga n dt r a n s f e r r i n gd a t a f u r t h e r m o r e ，i nv i e wo ft h er e a ld r i v i n gi n s t a n c e o fm o t o r c y c l e i ti s i m p o r t a n tt 1 1 a tl i b r a t i n ga n dl a s t i n gs i m u l a t i v e t e s t sa r e p e r f o r m e d s e c o n d l y , a sf o rt h er e s e a r c ho ft h et e s t i n gs y s t e mo ft h ei n j e c t o r , t h e c o n d i t i o ni sm o r ec o m p l i c a t e d w h e nm c ui su s e df o rc o n t r o l l i n gt l l ed r i v i n g m i e c t o ra n da c q u i r i n gd a t a ，e x t e r n a la n di n t e m a li n t r u d e rm u s tb et a k e ni n t o a c c o u n t t h e nc o r r e s p o n d i n gc o u n t e r a c t i v em e a s u r e sw i l lb es e a r c h e da f t e ra n d t a k e n a b o u tt h ep r o g r a m m i n go fh o s tc o m p u t e rw i t hv b ，t h ec o n v e n i e n t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n du s e rs h o u l db es u p p l i e d a n dt h ed e m a n d t h a tah o s tc o m p u t e rc o n t r o l ss e v e r a lm c ub yo b e y i n gar i g o r o u st i m i n go r d e r m u s tb em e t s u r e l y , t h ef o l l o w i n gq u e s t i o nt h a tc o m p l i c a t e dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ns e v e r a lm c u a n dah o s tc o m p u t e rh a v et o b es o l v e d m o r e o v e r , t h es e c u r i t yi sn e c e s s a r y ，t o o t h el a s t ，a sf a ra st h et e s t i n g s y s t e mo ft h eo x y g e ns e n s o ri sc o n s i d e r e d ，s i m p l et e s t i n gm o d ei sp r e f e r r e d b e c a u s et h ee x h a u s tg a so fm o t o r c y c l ei s d i f f i c u l t l ys i m u l a t e dc o m p l e t e l y h o w e v e r , m a n ya s p e c t sa r es t i l lr e f e r r e d ，s u c ha sah o s tc o m p u t e rc o n t r o l l i n g s e v e r a lm c u ，a c q u i r i n ga n dt r a n s f e r r i n gd a t a , m u l t i m c uc o m m u n i c a t i o n ， p r o g r a m m i n go fh o s tc o m p u t e rw i t hv b ( d i s p o s i n g d i s p l a y i n ga n dm e m o r i z i n g d a t a ) ，t h ev i s u a l i z a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nu s e ra n dt h es y s t e m ，s e c u r i t ya n dl o w c o n s u m p t i o na n ds oo n 1 1 1 er e s u l to fe x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h et h r e et e s t i n g s y s t e m sm e e t a b s o l u t e l yt h em a n u f a c t u r i n gd e m a n da n dh a v eb e e nu s e di nw o r k s h o p ，w h i c h s u p p l yi m p o r t a n tg u a r a n t e ef o rm a s s p r o d u c t i o no fm o t o r c y c l ee f is y s t e mw i t 1 f a i k e yw o r d s ： e f is y s t e mw i t hf a i t e s t i n ge f f i c i e n c y s e c u r i t y m u l t i - m c uc o m m u n i c a t i o n d a t aa c q u i s i t i o n p r o g r a m m i n gw i t hv b 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲陶丕阏签字蹶锄弓年。月胡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨连盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇陶玉阌导师魏荪醐 签字日期：a 乡年a 月毒a 日签字目期：槲年a 月a 1 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国摩托车产量和保有量的迅速上升，摩托车尾气排放已成为城市 大气的主要污染源之一。因此，国家和地方政府相继出台了一系列的排放法 规和地方限制政策，摩托车新的排放标准也已正式启动。为达到越来越严格 的排放法规，各个摩托车厂及科研院所开发出一系列排放控制技术，其中四 冲程发动机电子燃油喷射技术是主流的技术措施f 1 】。 从1 9 9 5 年开始，国内一些具有高瞻远瞩战略眼光的摩托车整车企业对电 喷技术产生了浓厚的兴趣，通过引进国外先进技术的方式，陆续涉足摩托车 电喷领域。由于企业没有电喷技术的知识产权，所以技术引进往往需要花费 大量的资金，直接结果是电喷摩托车的价格居高不下，再加上我国摩托车排 放法规相对滞后，国产摩托车电喷化的进程就显得非常缓慢。在这种情况下， 一些企业和科研院所投入了大量的人力、物力开始进行电喷系统的软硬件研 究。从2 0 0 1 年开始，国外许多电喷系统的知名企业开始大举进入我国市场， 而国内一些企业和科研机构的电喷成果也层出不穷，再加上我国部分城市对 摩托车的排放提出了更加严格的要求，所以国产摩托车电喷化的步伐明显加 快 2 1 ，也正是在这样特殊的背景下f a i 电喷系统诞生了。 摩托车作为一种方便廉价的代步工具，采用电喷技术的关键是降低电喷 系统的成本。而在传统的汽车多缸机用燃油喷射系统中，“油泵、调压器、喷 油器”为独立的3 个部件，分别完成对燃油的加压、调压、定量定时喷射。 这三个部件，特别是油泵，是造成摩托车( 尤其是单缸发动机的摩托车) 电 喷系统成本过高的主要而又难以省去的部件。与传统的电喷系统相比， f a i ( f r e ea r m a t u r ei n j e c t i o r l ) 技术采用全新的电喷方案，实现了低成本的 高精度燃油喷射控制，使摩托车的排放和油耗大幅度降低。 f a i 电喷系统利用独创的完全自由电枢电磁脉冲驱动原理( 直线电磁泵原 理) ，将电喷系统中的“油泵调压器喷油器”三件合成为一个“f a i 喷油器”，它完成对燃油的加压和脉冲喷射。f a i 喷油器连接油箱( 用低压油 管) 和电控单元( e c u ) 就可以定时和定量喷油。因为电枢完全自由，电磁驱 动力可以全程作用在电枢上，因此仅用1 2 v 电压就能实现最高每秒1 4 0 次以 上的脉冲喷射。由于脉冲式喷油，在低转速工况下，特别是怠速工况下，喷 油器只需要很短的加电时间，使平均耗电功率非常小。试验表明，1 2 5 m i 排 量摩托车怠速时，喷油器和e c u 总共耗电功率只有4 瓦，9 0 0 0r m i n 最大功 第一章绪论 率时，耗电功率为3 5 瓦。这与磁电机发电特性正好适应。另外由于喷油嘴为 外开的轴针式伞喷嘴，具有自洁性，所以特别抗燃油结胶，对油品不敏感。 图1 1 为用f a i 系统构成四冲程气道喷射发动机的示意图。 火线圈 图1 1f a i 四冲程气道喷射发动机系统 f a i 喷油器安装在进气管上，燃油喷向进气道内。基本喷油脉宽的确定 采用速度开度法，即由发动机转速( 由磁电机触发线圈信号计算) 和节气门 位置( 由节气门位置传感器测量) 来确定，缸盖温度，节气门变动速度和氧 传感器的信号对基本喷油脉宽进行适当的调整。由于反馈控制，可以使空燃 比始终接近于理想目标值。所有这些计算及m a p 的存储皆由e c u 来完成。e c u 同时还存储有点火m a p ，可以对点火时刻按不同的要求进行控制【3 】。 通过以上对f a i 电喷系统的简述，可以知道该系统的主要部件有：节气 门体总成、喷油器、电控单元( e c u ) 、氧传感器、温度传感器，其余部件则 尽可能使用原车的部件，以减小对原车的改动，即节约该系统的成本。 现在f a i 电喷系统已经完成了研发阶段，进入了规模生产的准备阶段。 众所周知，为了赢得市场，满足客户需求，对一个产品进行规模生产时，就 必须按照产品的使用功能、可靠性进行检测，必要时还要对抽样样品进行特 定的耐久性检测。因此，要规模生产f a i 电喷系统也是如此，即对其主要部 第一章绪论 件要按照特定的生产检测要求进行检测。 根据在研发检测系统过程中的分工合作安排，本文作者要完成节气门体 总成检测系统、喷油器检测系统、氧传感器检测系统的研发工作。 2 本课题的研究内容及主要工作 本课题针对f a i 节气门体总成、喷油器和氧传感器，研究开发能够对它 们进行生产型式检测的装置及设备。 f a i 电喷技术是一项新的发动机供油技术，其在四冲程摩托车发动机中 的成功应用，表明浚项技术有非常光明的普及应用前景。为了适应f a i 电喷 系统的批量生产，就需要开发能够评价和检测f a i 电喷系统主要部件的装置 和设备。由于 f a i 电喷系统是具有完全自主开发知识产权的，其主要部件的结构、性能和 质量要求等都有着自己独特性，因此常规的检测技术方法不能直接适用，需 要解决一些特殊问题。 本课题所做的主要工作： ( 1 ) 基于生产检测要求和现有的e c u 、诊断仪软、硬件，分析节气门体 总成的检测原理和方法的可行性； ( 2 ) 根据可行性报告进行节气门体总成检测系统的机械、电路、软件等 设计、研制和调试； ( 3 ) 基于f a i 喷油器的设计原理、使用要求，分析其检测原理和方法的 可行性； ( 4 ) 根据可行性报告按容积法原理进行喷油器检测系统的机械、油路、 电路、软件等设计、研制和调试； ( 5 ) 基于通用氧传感器的特性，按照生产检测要求，分析其检测原理和 方法的可行性； ( 6 ) 根据可行性报告进行氧传感器检测系统的机械、电路、软件等设 计、研制和调试； 1 3 本课题的意义 本课题根据f a i 电喷系统主要部件的实际生产检测需求，研制了相应的 检测系统，为批量生产和进一步研究f m 电喷系统提供必要的高效检测设备。 1 4 本章小结 苎二皇堕丝 ， 随着我国摩托车工业的不断发展，摩托车的生产量和保有量持续增加， 因此所造成的环境问题和能源问题越来越突出。由于世界上对排放问题的重 视，各个国家都根据各自的具体情况，针对摩托车制定了越来越严格的排放 法规：我国也参照欧洲排放法规制订了相应的法规，而且有越来越严格的趋 势。这为已研发成功的具有良好经济性、排放性和动力性的f a i 电喷系统带 来了机遇，也带来了挑战。为了将f a i 电喷系统投放到市场上，进行批量生 产，本课题研制了相应的f a i 电喷系统主要部件的检测系统：节气门体总成 检测系统、喷油器检测系统、氧传感器检测系统 第二章节气门体总成检测系统 2 1 概述 第二章节气门体总成检测系统 针对f m 电喷系统批量生产对节气门体总成所提出的要求，作者开发了 一套节气门体总成检测系统，实现对节气门体品质的完整而高效率的试验和 检测，从而为节气门体批量生产时的质量控制和保障提供了手段。 该系统是一个功能齐全、使用方便的检测设备，它包含三个子系统，分 别为流量测量系统、节气门位置传感器( t p s ) 安装状态检测系统、耐久试 验装置。整个系统能完成节气门体总成在全关时的漏气量测量、节气门位置 传感器( t p s ) 的初始位置和怠速位置信号检测、总成的整体性能耐久试验检 测，其中| j 仃两个子系统用于产品的全检，而耐久试验装置用于产品定型和抽 样检测( 型式试验) 。 2 2 流量测量系统 2 f 1 系统工作原理 众所周知，车辆在怠速时发动机的转速不宜过高或过低，要有效地控制。通过 调：肯节气门体的怠速螺钉或控制怠速控制阀开度，可以做到这一点，但前提是节气 门全关时节气门体总成的漏气量必须小于怠速所需的进气流量，否则怠速转速就不 可能被控制到目标值以下：因此，节气门体总成在全关闭时，漏气量必须小于一个 控制值，该值的大小与具体的发动机有关。 图2 1 给出了节气门全关时节气门体的漏气量检测装置的示意图。在 图中，真空泵产生真空，并经过真空箱稳压；真空表用来显示真空箱的真空 度；中压气源通过气动三联件( 过滤器、调压器、给油器) 进入二位五通电 磁阀，此阀可以控制气缸活塞上下运动来压紧固定待测节气门体，两个密封 垫保证节气门体的喷油器接口和连接法兰处的密封；l z b 空气流量计用来显 示节气门体的漏气量。 第二章节气门体总成榆测系统 图2 1 流量检钡憔置示意图 节气门体在全关时之所以会漏气，是因为加工和安装以及结构设计上不 能够保证节气门板完全关闭时绝对密封，而必然存在一定的流通面积使气体 能够流入发动机。生产质量控制是保证这个流通面积不能过大。然而直接测 量这个面积是非常困难的，一般是通过测量流过该面积的气体流量来得到陔 面积。另外，发动机需要的是进气流量而不是流通面积，所以测量漏气量， 检测数据会更加直观地与发动机怠速进气流量相比较。为了消除测量压差对 结果的影响，作者选择真空表数值为0 0 6 m p a 时读取节气门体总成的漏气量， 其原因分析如下： 根据气体动力学原理 3 ，气管内的截面积变化和气体流速变化的关系 为： 一d a ：阢z 一1 ) d v ( 2 - - 1 ) 一 、 p 其中：a 是气管截面积，m 是马赫数，为气体流速和当地声速的比值( 二= m ) ， 矿是气体流速。由节气门体总成的结构和摩托车的实际构造可以知道，在节 气门关闭时，新鲜空气从静止大气状态流入，流通路径在节气门板之前近似 为一个渐缩管，即d _ a = 0 ，由式( 2 - - 1 ) 得出m = 1 ，即v = c ，也就是 第二章节气门体总成检测系统 况渐缩管的出口流速不能大于临界流速( 当地声速) 。对于进口流速为零的渐 缩管，其出口流速为： =网 ( 2 2 ) 其中：进口的气体状态用角标“o ”表示，出口的气体状态用角标“2 ”表示， k 是定压比热和定容比热之比。由式( 2 2 ) 可知，出口流速为临界流速( 即 当地声速) 时，出口截面上的压力比为临界压力比( 旦) ，这时的气体流量 p o 达到最大。当背压与入口压力之比p 2 p o 小于等于临界压力比( 丝) 时 p o 气体流量将不随背压下降而变化，而只与最小流通面积成正比。 体定熵流动时临界压力比的数值为： 鼢( 斋 ”“” 因为理想气 ( 2 3 ) 按定值比热理论所给的k 值计算( 把空气看成是双原子气体，k = 1 4 0 ) ，则： ，、 i 丝l = 0 , 5 2 8 ：因此，只要p 2 ( o 5 2 8 p 。= 0 0 5 3 ) m p a 测量压差将不会对结果 l p o 产生影响。考虑到实际气路中存在损失，选择在真空箱的真空度为0 0 6 m p a ( 相当于p ，= 0 0 4 1 m p a ) 时读取节气门体总成的漏气量。 此外，由管道截面的流量和流速关系式： 矿：一矿：翘2 矿( 2 4 ) 其中：v 是气体流量，v 为气体流速。根据允许的漏气量最大值。，最大 流速必须远小于当地声速v 一，可以计算出测量气路管道截面所允许的最小 通径d 。( = 2 r 。) ”。 2 2 2 检测结果及分析 图2 2 为对1 5 8 个节气门体进行流量检测的数据结果，横坐标为节气门 体的漏气量( 分级，每级段宽0 1 立方米每小时，例如0 5 级段表示小于o 5 ， 0 6 级段表示小于0 6 但大于等于0 5 ，依次类推) ，单位为立方米每小时； 纵坐标为漏气量处于相应的分级段内的节气门体的个数。从数据图中可以看 出，除了1 个节气门体的漏气量过大( 达到了1 3 立方米每小时) 外，其余 节气门体的漏气量都在所要求的范围( 小于l _ 0 立方米每小时) 。通过分析， 节气门体漏气量过大的原因包括：节气门板上有毛刺，在节气门全关时，与 第二章节气门体总成榆测系统 节气门体之间的间隙过大；节气门板与转轴接触面不平整，从而导致空气从 其间的缝隙流入等。 一 _ 一 b 21 2 目| 际乡7 气引车庄孺。4 b 3 l - 3 b 4 1 2 第二章节气门体总成榆测系统 需要检测在怠速螺钉的模拟怠速固定位置，例如通过怠速螺钉将节气门板从 全关状态下调节1 度或5 0m v 的固定位置，反复打开节气门板并放回时，节 气门位置传感器在怠速位置的输出信号是否重复稳定；再有，需要检测当节 气门体随发动机运转而振动时，节气门位置传感器在怠速位置的输出信号是 否稳定。 图2 3 节气门位置传感器( t p s ) 安装状态检测系统 图2 3 给出了节气门位置传感器( t p s ) 安装状态检测系统的示意图， 其中e c u 就是电喷系统的电控单元，而且写到e c u 上的程序和在实车上用的 程序是一样的，这样更加体现了所检测到的数据的真实性，也大大地缩短了 整套系统的开发周期，减少开发成本；诊断仪用来显示e c u 得到的t p s 信号 的数值，是采用单片机通过r s 一2 3 2 串行接口和e c u 通讯而得到 6 1 。在此系统 中，单片机的主要任务是从e c u 中获取并显示所需的数据，即对单片机选型 要求不高，因此作者选取8 0 c 5 l 型单片机即可满足要求。诊断仪的运行程序 通过c 语言编程，并利用k e i lu v i s i o n 2 软件、s u p e r p r o 一2 8 0 编程器把程序 写到单片机中。诊断仪除了能获得t p s 采样值之外，还可以获得其它传感器 的采样值，如缸盖温度、发动机转速等。为了使提高检测效率，要修改原来 的整车渗断仪的程序和部分硬件。图2 4 是诊断仪的软件流程图【7 j 。 第二章节气门体总成检测系统 图2 4诊断仪软件流程图 为了检验这套系统的可靠性，作者按照生产检测工序对2 0 个节气门体 总成进行检测。在检测过程中，为了更好地检测节气门位置传感器在车上怠 速时输出信号的稳定性，作者从上述的2 0 个节气门体总成中随机抽取2 个进 行振动检测，即把它们装到在一个振动频率、振幅均可调的工频振动器上进 行检测：在进行完模拟振动检测后，作者还把这两个节气门体总成装到整车 上进行实况检测。所得的全部检测数据如表2 2 所示，其中t p 0 是节气门在 全关时节气门位置传感器采样值，t p l 是根据检测要求经过调整怠速螺钉而 设定的怠速时节气门位置传感器采样值，t p 2 是在模拟的发动机转速为1 3 0 0 ( 1 0 0 ) r p m 的前提下节气门在全关时节气门位置传感器采样值，t p 3 “手 动”是在模拟的发动机转速为1 3 0 0 ( 1 0 0 ) r p m 并且保证怠速螺钉和铆钉不 分离的前提下用手晃动转轮的过程中节气门位置传感器级别的最大值，t p 3 “模拟台”是在工频振动器上( 节气门在怠速位置) 检测到的节气门传感器 级别的最大值，振动器的振动频率和振幅则是根据摩托车整车怠速时的车况 而设定的，t p 3 “整车”是把节气门体总成装到摩托车上( 怠速时) 检测到的 节气门级别的最大值。 从数据表中可以看出2 0 个节气门体总成的t p 0 、t p l 、t p 2 和t p 3 “手动” 第二章节气门体总成检测系统 均在所要求范围之内，随机抽检的第1 4 号、第1 5 号节气门体总成的t p 3 “振 动台”和t p 3 “整车”也都在规定的范围内( 即 0 3 1 ) ，且都不大于t p 3 “手动”。把这两个节气门体总成装到整车上使用时，所反映出来的整车性能 参数良好。所以这套节气门位置传感器( t p s ) 安装状态检测系统符合生产检 测所提出的要求。 表2 2 编号 t p ot p lt p 2t p 3 手动t p 3 模拟台t p 3 整车 l1 82 2 2 2 7o 2 21 9 2 32 2 80 1 3 32 0 2 42 2 0o 2 l 41 82 22 2 7o 2 52 02 42 3 0o 1 3 62 02 42 3 00 1 3 71 82 22 2 4o 1 3 81 82 22 2 6o 1 3 92 02 4 ， 2 2 90 1 3 l o1 8 2 22 2 6o 1 3 “1 92 32 2 6o 1 3 1 22 02 42 2 70 1 3 1 31 82 22 2 50 1 3 1 41 82 22 2 70 1 30 1 30 1 3 1 51 82 22 2 70 2 10 2 0o 1 3 】61 92 32 2 60 1 3 1 71 92 32 2 7o 1 3 1 82 02 42 2 8o 1 3 1 92 02 42 2 9o 1 3 2 01 82 22 3 002 2 2 4 耐久试验系统 无论是用户还是制造厂家都希望产品耐用可靠，节气门体总成作为电 喷摩托车上的一个零部件也不例外。节气门体由于驾车者对油门的操纵而运 动，从而节气门板和转轴等会产生机械磨损，节气门位置传感器( t p s ) 也会 因为长期使用而磨损，严重时这些磨损可能会导致发动机怠速不稳定、车辆 驾驶性能变差。因此必须对节气门体总成进行耐久性试验。 在摩托车上是通过油门拉索拉动节气门体转轮，使节气门板转到所需 的开度。在摩托车的使用寿命中，节气门的打开和关闭要反复进行上百万次， 第二章节气门体总成检测系统 而在此期间节气门体总成的性能变化必须保证在所允许范围之内。节气门体 耐久试验就是在实验装置上将节气门反复打开关闭2 0 0 万次以上，并在此期 间定期进行节气门体总成在全关时的漏气量测量、节气门位置传感器( t p s ) 的初始位置和怠速位置信号检测等，以验证节气门体总成的耐久性。图2 5 是耐久检测系统示意图。其中，电机通过一个减速器带动两个转轮( 可以根 据所要检测节气门体的数量来确定转轮的数目) ，转轮上设有一个转轴，用来 带动节气门体的拉索运动。通过调整转轴在定位槽的位置，可以获得不同的 节气门开度。为了保证节气门体的拉索在拉动节气门体时不产生额外的作用 力，在靠近节气门体的位r 置，设置了两个导向轮。电机转速恒定，经过减速 器后，转盘正好每分钟转动6 0 次，这样，就可以通过累计试验时间计算出累 计试验次数。当然也可以在转盘上安装一个计数器。 图2 5 节气门体耐久试验装置 表2 3 为用该试验装置对一个f a i 电喷系统所用的节气门体进行耐久试 验的结果举例。在开始试验前和2 0 0 万次试验结束后，测量了节气门板全关 闭状态的漏气量，分别为0 8 和1 1 立方米，j 、时，证明该节气门体磨损量不 大，完全满足要求。试验过程中，大约每2 0 万次进行一次装车试验，表中给 出了试验测得的各种参数，包括怠速t p s 采样值、怠速t p s 信号稳定性、平 均怠速转速等。可见，怠速转速变化很小，怠速t p s 信号稳定性也始终保持 o k ，但怠速t p s 采样值有逐渐变小的趋势( 试验过程中没有调节过怠速螺钉) ， 第二章节气门体总成检测系统 这可能是因为t p s 的磨损，也可能是因为怠速螺钉顶端与作用铆钉问变形或 磨损，但并末影响发动机的运行。 表2 3 节气门体进行耐久试验的结果举例 全关漏气量 拉动次数怠速t p s怠速t p s 信号稳平均怠速转速发动机试验时的 f 立方米，j 、 ( j 次) 采样值定性 ( 转分) 缸盖温度时) 02 5o k 1 4 6 01 6 30 8 1 8 32 5o k1 4 7 0i 4 1 2 6 42 4o k1 4 9 01 3 2 4 6 42 4o k1 4 5 01 1 0 6 6 42 4o k1 4 6 21 3 6 8 6 42 4o k1 4 7 61 4 2 1 0 642 3o k1 4 4 71 4 8 1 2 642 3o k1 4 5 11 3 8 1 6 02 3o k1 4 3 01 1 1 1 8 02 2o k1 4 5 01 2 0 2 0 0 2 2o k1 4 1 01 3 7 1 1 2 5 本章小结 本章主要介绍了f a i 电喷系统节气门体总成检测系统的组成部分( 流 量测量系统、节气门位置传感器( t p s ) 安装状态检测系统、耐久试验系统) 的构成、及各部分的功能，并分析了一些检测数据。尽管这套检测系统是为 配合f a i 电喷系统节气门体总成批量生产而开发的，但并不限于f a i 电喷系 统，任何电喷系统的节气门体检测，都可以应用该系统完成。 第三章喷油器检测系统 第三章喷油器检测系统 3 1 系统工作原理与仪器构成 3 1 1 系统的工作原理 电喷发动机喷油器的喷油量特性是决定电喷系统设计的重要因素，它对发动机乃至 整车的性能起着至关主要的作用。因此对喷油器喷油量的高精度高效率测量是喷油 器及发动机生产企业重要的质量保证手段。由于每个循环喷油量很小，在稳态工况 下的平均燃油流量也很小，本课题基于容积法研制专门的喷油量检测系统。 电喷发动机喷油器在工作时是脉冲式喷油，但直接测量每个循环喷油量 比较困难。如果按照发动机油耗仪的思路，在单位时间内喷油脉冲次数( 喷 油频率) 固定时，可以测量进入喷油器的稳态流量。但因为喷油器有一定的 回油流量，回油中还含有大量气泡，所以必须增加一个回油处理装置，这可 能带来很大误差。这里考虑到喷油器稳态工作时，如果单位时间内的喷油次 数( 相当于发动机转速) 不是很少，则可以将喷出的燃油量聚集在一起形成 一稳定流动的定常流，可通过测量该稳态流量和喷油频率而计算出测量周期 内的平均循环喷油量。稳态流量的测量可通过测量流过一定容积燃油所需的 时间而得到，喷油频率由喷油控制模块直接给出。 3 1 2 系统的检测仪器构成 图3 - 1 为本文所述喷油量测量系统的流量检测部分的仪器构成。测量容 积为u 型玻璃管的竖直部分，而在u 型管的左上部留有一个溢流管口，在左 下部留有一个测量控制放油口，由一电磁阀控制其开关。在u 型管的左边的 测量段上，安装了3 个槽型光电管，用其感知油面流过该高度的时间。u 型 管的右下部是和u 型管左下部一样粗细的直管。喷油器安装于u 型的右半部 分的上部入口。为防止波浪的产生，在喷油器出口放置缓冲网。为防止燃油 挥发，喷油器安装处基本密封。 第三章喷油器检测系统 图3 - i 系统检测仪器构成 一上油箱 为了能更好地实现自动检测，上下油箱的燃油供需必须自动控制，其工 作示意图如图3 2 所示。 图3 2 燃油自动控制示意图 箱 油上r 上 第三章喷油器检测系统 其原理为：当装在上油箱里的液位开关检测到燃油液位下降到一定位置 后，液位开关所输出电压值就大于驱动电路所给的参考电压，驱动电路就输 出一个驱动脉冲，此脉冲经过升压后直接驱动油泵，油泵就丌始泵油，驱动 电路中的泵油指示灯亮。同理，当在上油箱里的液位开关检测到燃油液位上 升到一定位置后，液位开关所输出电压值就小于驱动电路所给的参考电压， 此时，驱动脉冲消失，油泵就停止泵油，驱动电路中的泵油指示灯灭 2 ”。 313 油面检测原理 油面检测原理是利用光在不同介质内折射率变化来实现的。图3 1 中 的光电管即光电耦合器原理如图3 3 的发光二极管和接收管所示。发光二极 管中有一定量的电流流过，发出红外光。利用光在空气和油介质中的折射率 变化检测油面信号。当光电耦合器所在位置没有油面经过时，光电点耦合器 的发光管发出的红外光经接收管直接接收此时接收管呈低阻导通，在电阻 r 上获得高电平。当光电耦台器所在位置有油面经过时，发光管发出的红外 光被油的凹液面折射，接收管得不到红外光，呈高阻值，使r 处输出低电平 脉冲，从而区分液面的有无。此外，光电管还自带调节螺钉，用以调节光电 管的分辨率，如供电电压v d d 为1 2 v 时，低电平可达l v 以下，高电平可达 1 0 v 以上，具有很高的分辨率。由于红外线具有一定的穿透能力，油管表面 即使有油污污染，也能正常分辨，其可靠性比白炽灯发光取信更高。 为了产生良好的光线折射效果，光电耦合器的光轴线应正对测量细油管 的中心位置。假如光轴偏离通过圆柱细管的中心线时，光线折射偏移接收位 置。认真调整光电耦合器与油管的相对位置，可获得较好的折射效果。原始 光电信号越理想，仪器的工作可靠性越高【8 】。 即_ v d d 图3 3 油面检测原理 第三章喷油器检测系统 3 ，14 仪器工作过程 仪器中每个通道中3 个光电耦合器是等间距的，采用的电磁阀是常闭阀， 通过仪器的喷油控制模块模拟e c u 输出脉冲驱动喷油器喷油，为测量u 型 管充油。在非测量状态，燃油经过溢油口，流入下油箱。钡9 量开始后，电脉 冲使电磁阀得电并打开，开始放油，当油流至光电管( 下) 并延时后，电磁 阀关闭，油面开始上升，再经过光电管( 下) 时，启动测量电路的c p u 定时 器开始测量计时，油面继续上升，每经过一个光耦，记下与前一个光耦间的 喷油上升时段t ，进行喷油量测量。每两个光电耦合器间隔的测量油管容 积为v 时，这段喷油流量为 一d v ：坐 ( 3 1 ) 西r 当油面上升到光电管( 上) 时，本次测量结束。在延时- - d 段时间以便 进行数据处理后，再开始下一次测量循环。 3 2 系统的硬件设计 喷油器喷油量特性是利用光电微处理系统模拟e c u 驱动喷油器喷油， 实现自动测量和数据传输，并在p c 机上以图形曲线显示的。由于现场检测 环境恶劣，干扰源多且复杂，大部分输入、输出信号需要电气隔离，从而加 大了系统的复杂性。为了准确、可靠地检测喷油器的流量特性，对应于每个 喷油器就有一个单片机控制电路和供电电源。同时，为了提高生产检测效率 和充分利用p c 机资源，这套系统采取了一个p c 作为上位机控制6 个单片机 ( 即下位机) ，即该系统能同时测量六个喷油器。此外，由6 块电路板( 共用 6 个开关电源) 分别控制6 个喷油器还有一个重要因数：用一个开关电源给 一个喷油器供电时，在喷油器的有效喷油脉宽期间开关电源的供电电压波动 ( 下降约o 3 伏) ；若用一个开关电源给6 个喷油器供电，开关电源的供电瞬 时电压下降约1 5 伏，所以为了更能体现出喷油器在摩托车上的实际工作特 性( 由一个蓄电池给一个喷油器供电) ，测试台上采用了一个喷油器由一个开 关电源供电。其系统硬件框架示示意图如图3 4 所示。 第三章喷油器检测系统 图3 4 系统硬件框架示意图 数据采集和信号控制是该测控系统的核心。系统硬件原理总体结构如图 3 5 所示。 第三章喷油器检测系统 图3 5 数据采集和处理系统原理框图 系统的硬件电路主要包括： 1 、c p u 及复位电路，在调试的过程中，为了调试软硬件可人为地强制复 位： 2 、光电管测量信号输入、整形电路，采用光电耦合器、施密特电路处 理所测的光电信号并将信号转换位t t l 电平： 3 、喷油器脉宽驱动电路，用于驱动喷油器，并可根据上位机所给的命 第三章喷油器检测系统 令灵活方便地控制喷油脉宽； 4 、电磁阀驱动电路，根据测试控制时序开关电磁阀，进而达到异型玻 璃管内的液面以便测试： 5 、串口通讯电平转换电路，可以将各个单片机( m c u ) 的通讯信号电平转 换成台式电脑( p c ) 能处理的信号电平，便于彼此之间进行通讯； 6 、喷油器驱动电压调节电路，用于控制各个喷油器的供电电压，采用 数模转换器( d a c ) 和模数转换器( a d c ) 可构成闭环控制。 3 2 1m o o 及复位电路 3 2 1 1m g u 的选型 单片机作为系统的核心部分，其选型是关键的问题，应考虑到的因素主 要有如下几点： 1 具有较强的数据处理能力； 2 高集成度，系统构成简单，便于设计与维护； 3 、高性能价格比。 随着单片机技术的发展，各式的单片机在测试仪器应用己非常广泛。8 位机、1 6 位甚至3 2 位机在测试仪器都有一定的应用情况，其中8 0 3 1 单片机 应用范围最广，国内有众多的仿真器支持5 1 系列单片机，大多数的终端产品 公司也大量应用5 1 系列单片机作为产品的开发，使得5 1 系列单片机在国内 成为开发中小嵌入式系统的首选单片机之一。由于一些知名的软件开发商开 发出比较可靠的面向5 1 系列单片机的编译器和实时操作系统，在实时操作 系统( r t o s ) 的支持下可开发出可靠性能高、实时性强的较大型程序代码， 所以在仪器主机的设计中首选了8 0 3 1 内核的单片机i ”。 s s t 公司的8 9 系列增强型单片机以8 0 3 1 为内核，片内含有大容量f l a s h 存储器，它与8 0 5 1 系列单片机兼容，可它的功能得到了大大的增强。对于常 规测试仪器的设计有以下优点： ( 1 ) 运算速度。可采用o - 4 0 m h z 晶振，双倍速，6 时钟机器周期，烧录 时可灵活选择( 默认时为1 2 时钟周期) 。同时s s t 8 9 系列单片机比传统的8 0 5 2 扩展到了1 k 字节内部数据r a m ，c 语言编程也更容易。 ( 2 ) 存储空间。s s t 的高可靠性，独特的超级f l a s h 技术和小扇区结构在 设计和制造m c u 方面占有很强的优势。s s t 8 9 系列单片机内部含大容量f l a s h 存储器和扩展e e p r o m 存储器，容量对大型程序代码己足够，无需扩展外部程 序存储器，增强了系统的抗干扰性。同时，在系统工作过程中，能有效地保 第三章喷油器检测系统 存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。 ( 3 ) 和8 0 5 1 插座兼容。s s t 8 9 系列单片机的引脚是和8 0 c 5 1 一样的，所 以，当用s s t 8 9 系列单片机取代8 0 c 5 1 时，可以直接进行代换。 ( 4 ) 定时器和可编程计数阵列。s s t 8 9 系列增强型单片机除有三个与8 0 c 5 2 完全兼容的1 6 位定时器计数器t o 、t 1 、t 2 外，还一个可编程看门狗定时器 和一个可编程5 通道计数阵列( p c a ) 。本课题利用t 1 做串口通讯的波特率发 生器。t 2 作1 m s 自动加载定时器，为测量喷油量等一系列软计数器提供时钟 源。可编程看1 3 狗定时器可以简化硬件看门狗电路结构，更方便。可编程5 通道计数阵列，可以设计成两个外部脉冲接收器，这样就可以不用外部中断 扩展了。 ( 5 ) 错误编程亦无废品产生。一般的o p t 产品，一旦错误编程就成了废品， 即使有些产品可用紫光等擦除，但使用起来很不方便，且容易擦坏。而s s t 8 9 系列单片机内部采用f l a s h