（动力机械及工程专业论文）柴油机电控高压共轨喷油系统试验装置的研究.pdf

摘 要 i 论文题目 柴油机电控高压共轨喷油系统试验装置的研究 专 业 动力机械及工程 研 究 生 张彬 指导教师 刘建新 摘 要 电控高压共轨喷油技术是目前控制柴油机排放污染的一项有效措施其 中精确控制多段喷射的喷油规律和喷油量是柴油机满足节能与环保要求的一个 关键因此进行这些参数测量的相关仪器就成为高压共轨喷油技术应用所必须 具备的手段 本文在综合分析柴油机电控共轨喷油系统喷油量和喷油规律特点以及国外 共轨喷油系统测试设备工作原理的基础上作者应用变介电常数式电容传感器进 行了电控高压共轨喷油系统喷油量的设计与试验研究首先介绍根据数学物理方 法中保角变换的方法推导出了计及边缘效应的平行板电容计算公式根据此公式 确定出测量装置测量敏感元件的主要尺寸其次介绍了基于 p c机和单片机的智 能化喷油量测量装置的组成根据测量要求设计出油量测量装置的机械部分硬 件部分和软件部分三部分最后进行了电容式油量测量装置的标定电容温度补 偿等试验介绍了高压共轨喷射系统试验台的工作原理并利用设计的电容式油 量测量装置对高压共轨系统的主喷射和预喷射每循环平均喷油量分别进行了测 量所测结果与高压共轨系统的喷油量特性相符在测量预喷射每循环平均喷油 量时采用两种方案直接法和间接法通过对两种方案的分析得出直接法测 量精度优于间接法测试结果表明电容式油量测量装置可实现柴油机高压共轨 喷射系统每循环预喷油量和主喷油量平均值的测量 关 键 词柴油机共轨系统变介电常数式电容测量 论文类型应用研究 摘 要 ii subject: research on diesel engine common rail injection system test equipment specialty: power machinery and engineering name: zhangbin supervisor: liujianxin abstract electronic controlled common-rail injection system is an efficientive measure to control the emission of diesel engines nowadays. in such a system,it is the key of saving energy and protecting environment for diesel engine to control fuel injection rule and quantity depending on multiple-injection accurately. therefor,it is the necessary means to have the instruments for testing these parameters in high-pressure common rail injection system. based on the analysis of the features of the fuel injection law and fuel injection quantity in electronic controlled high-pressure common-rail injection system and the principle of the measuring equipments of electronic controlled common-rail high-pressure injection system from abroad, experimental investigation and design were carried out about the equipment for measuring the fuel injection quantity in such a system by the dielectric constant variable capacitance. firstly, the formula is introduced of the parallel-plate capacitor with fringe effect according to the conformal transformation of mathematical methods of physics,and the main size of the sense organ is given by the formula. secondlythe construction principle of the intelligent system is introduced,which is based on the pc and singlechip for measureing fuel injection quantity in electronic controlled high-pressure common-rail injection system,the three parts of capacitive fuel meter,such as mechanics, hardware and software, are designed according to the measurement requirements. finally,many experiments are carried out such as rating curve of system for measureing fuel and fitted curve of modified coefficient on temperaturethe operating principle of electronic controlled high-pressure common-rail injection system is introduced,the average fuel of main injection and pilot injection are measured by the capacitive fuel mete in the common-rail high-pressure injection system, the measuring result and the properties of fuel charge do match up. two schemes are applied to measuring average fuel of pilot injection,one is direct method,and the other is indirect method. 摘 要 iii based on the analysis of the two schemes,the direct method is better than the indirect method in measuring accuracy.data show that the capacitive fuel meter can be used for measuring average fuel of main injection and pilot injection in the common-rail high-pressure injection system. key words: diesel engine, common-rail injection system, dielectric constant variable capacitance, measure dissertation type: applied research 第 1 章 前言 1 第1 章 前言 我国发动机电子控制技术的研究与应用起步较晚但自 20 世纪 80 年代开 始许多科研单位和高等院校相继开展了柴油机电子控制技术的研究和开发并 取得了较好的研究成果进入 21 世纪以后为了实现我国政府对人类可持续发 展的承诺大力发展柴油机电子控制技术加快我国柴油机产品电子化的进程已 成为内燃机工业的当务之急 1.1 高压共轨多段喷射系统在环保和节能中的优越性 随着全球汽车工业的快速发展全球范围内机动车辆保有量迅速增加因此 而带来的汽车排放污染1表 1-1和能源危机2图 1-1问题日益严峻据统 计全球汽车保有量已经达到 7 亿辆其结果是世界石油的 50%是由汽车消耗 的世界整个运输部门 co2排放量约有 30%也是由汽车排出的目前我国的 排放标准采用欧洲体系2000 年等效实施了欧排放标准2003 年 9 月等效实 施了欧排放标准2008 年达到欧排放 标准2010 年争取与欧洲排放标准接轨3 国家环保总局科技司副司长罗毅指出4环 境容量将极大地制约机动车保有量的增长 要使环境能够容纳更多的机动车就必须降 低单车污染排放负荷也就是达到更加严格 的排放法规的要求图 1-2 为日益严格的欧 洲柴油机排放法规例如欧标准将于 2009 年 9 月 1 日起在欧洲开始实施根据 表 1-1 柴油机和汽油机的有害排放物成分 tab.1-1 the harmful components for the exhaust emissions of diesel engine and gasoline engine 排放物成分 柴油机 汽油机 wco% 容积 0.05 0.5-2.5 whc% 30010-6 0.01 0.2-0.5 wnox% 100010-6400010-6 0.25 0.25-0.5 wso2% 0.02 0.008 碳烟/g.cm-3 0.25 0.005-0.05 铅 无 有 图 1-1 全世界石油产量预测 fig.1-1 the predict of the output for global petroleum 河南科技大学硕士学位论文 2 这一标准柴油轿车每公里氮氧化物的排放量不应超过 180 毫克比目前标准规 定的排放量减少了 28%颗粒物排放量则比目前标准规定的减少了 80%相对 于 欧标 准将 于 2014 年 9 月实施的欧 标准更加严格根据 欧标准柴油轿车每 公里氮氧化物的排放量 不应超过 80 毫克比 目前标准规定的排放量 减少 68% 5美国提 出 cafe 燃油计划 要求在 2010 年轿车的 燃油利用率从现在的 11.7km/l提高到 14.9km/l既在 5 年 里使发动机的燃油消 耗再降低 30%6 最近我国国务院发展研究中心产业部的研究报告指出7如果大力推广先进 柴油车将使中国在 2020 年对石油进口的依赖度降低 10%而且如果到 2020 年中国柴油乘用车的比例能从现在的 0.2%提高到 30%那么当年我国 co2排放 量可望减少近 4200 万吨 柴油机与汽油机相比较有如下特点 8 柴油机热效率高可高达大约 42%而汽油机在最佳工况下只能达到 36%左右柴油机燃油经济性好燃油消 耗率通常要比汽油机低 20%左右柴油机的 co2和 co 排放量分别约为汽油机 的 55%和 10%h c的排放量远较汽油机少nox 排放量约为汽油机的 50%但 颗粒包括碳烟排放量则是汽油机的 3060 倍由此可见为了节约能源 降低污染现代车用柴油机的优势已日益凸现正在开发的一些先进技术将进 一步把柴油机推向车用动力的主流 为了降低柴油机的能源消耗和减少废气排放污染满足节能和排放法规的要 求9电子控制技术在柴油机中的应用和发展已经成为必不可少的一个环节是 当今柴油机发展的重要方向之一柴油机技术目前所面临的最关键的问题是如何 降低碳烟颗粒nox 排放和噪声排放提高冷起动性能和降低白烟排放水平 必须在抑制 nox 排放的同时降低颗粒排放而传统的发动机设计方法上的改进 图 1-2 日益严格的欧洲柴油机排放法规 fig.1-2 the much more stringent emission regulations for diesel engine in europe 第 1 章 前言 3 已经不能迅速地满足环境和 能源的要求为此人们将 目光投向了汽车发动机的电 子控制发动机的电子控制 得到了空前迅猛地发展柴 油机的电子控制已成为国内 外研究的一个热点并应运 而产生了各种电控柴油机 图 1-3 为满足未来排放 法规的柴油机关键技术经 过大量实践和研究证明电 控高压共轨喷油系统技术是 目前一项最为有效的控制柴油机排放污染的新措施10资料证明11-13采用 bosch 公司的带有压电直列式喷油器的第 3 代高压共轨系统图 1-4可实现 燃油消耗减少 3%污染物减少 15%20%动力增加 5%7%发动机噪音减 少 3db在 bosch 第 3 代共轨喷油系统中原来的喷油器电磁执行器已由压电 晶体执行器所替代压电晶体执行器由数百片小而薄的晶片组成其开关时间小 于 0.1ms仅有电磁执行器开关时间的一半虽然喷油压力与第 2 代共轨喷油系 统相同仍为 160mpa但新系统能够以任意步喷射进行进一步降低有害排放 物和发动机的工作噪声的要求提高 发动机的功率 柴油机高压共轨燃油喷射技术集 计算机控制技术现代传感检测技术 以及先进的喷油器结构于一身建立 在直喷技术预喷射技术和电控技术 基础之上的一种全新概念的喷油系 统该系统主要由电控单元高压油 泵共轨管电控喷油器以及各种传 感器等组成工作原理如下低压燃 油泵将燃油输入高压油泵高压油泵 将燃油加压送入共轨管共轨管中的压力由电控单元根据共轨管压力传感器测量 的油轨压力以及需要进行调节共轨管内的燃油经过高压油管根据机器的运行 状态由电控单元从预设的脉谱map图中确定合适的喷油定时喷油持续期 图 1-3 满足未来法规的柴油机关键技术 fig.1-3 the key technology to meet demands of the future emission regulations 图 1-4 bosch第 3 代共轨系统 fig.1-4 the 3rd crs of bosch 河南科技大学硕士学位论文 4 由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸 高压共轨燃油喷射系统特点如下: 1.喷油压力的建立与喷油过程无关喷油压力喷油过程和喷油持续期不受 负荷和转速的影响 2.喷油定时与燃油计量完全分开, 可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点 3.能实现预喷射喷射靴型喷射快速喷射和多段喷射从而优化喷油 特性降低柴油机噪声和大大减少废气的排放量 该系统能够实现燃油喷射系统的最佳喷射特性喷油压力喷油量喷射正 时和喷油率随柴油机工况变化的这种动态优化其控制精度高控制自由度 大控制功能齐全因而能够实现整个运行范围内参数优化降低柴油机的有害 排放物改善经济特性14目前国外已开发出许多共轨喷射系统其中比较典型 的有美国 caterpiller 公司的 heui 共轨液压式喷射系统美国 bkm 公司的 servojet 中压共轨式电控燃油喷射系统日本电装公司的 ecd-u2 高压共轨喷射 系统和德国 bosch公司的高压共轨喷射系统 利用电控共轨系统进行多 段喷射的研究是由威斯康辛大学 reiz 教授从 1994 年开始的 reiz 教授指出利用分段喷射 控制燃烧率的设想可以达到同 时降低 pm 和 nox 排放的目 的20 世纪 90 年代日本对混 合燃烧进行过积极研究研究结 果指出柴油机燃烧技术的关键之一是将一个工作循环中的喷油过程分成若干 段来进行从而控制燃烧速率多段喷油就是将一个喷油循环细分成若干段相互 关联各自独立的喷射段引导喷射预喷射主喷射后喷射及次后喷射等 2,15 在高压共轨喷射系统中多段喷射是一项最为有效地降低噪音减少排放 和降低油耗的措施16,17因此在燃油的主喷射之前有适当的多次的预喷 射以此来控制预燃速度减缓气缸燃烧压力上升速率为了有效地减少碳烟和 微粒的排放在主喷射之后还需要有适当的多次后喷射这些喷射特性要求 喷油系统必须有更高响应速度更准确的控制精度为此德国 siemens 公司 bosch 公司相继开发了采用压电晶体驱动器的新一代的高压共轨电控喷射系统 其核心是采用压电晶体驱动的高速开关阀取代高速电磁开关阀电控喷油器实 图 1 - 5 典型 6 段喷射 fig.1-5 the typical six-shot injection cycle 第 1 章 前言 5 现了精确控制的多次的预喷射和后喷射使高压共轨喷射系统的特性有了明显 的改善对比高速电磁阀控制的高压共轨喷射系统压电晶体驱动的高压共轨电 控喷油器的最明显的优点是响应速度快因此其最小喷油量小可小于 1.5mm3/ 行程预喷射与主喷射之间时间间隔可小于 100us喷油速率可以更加灵活可 调各缸喷油量与喷射始点变动很小重复精度非常高18 图 1-5 为一典型的 6 段喷射示意图15各段喷射作用19,20如下 1. 引导喷射通过预混合燃烧来降低颗粒排放 2. 预喷射可缩短主喷射着火延迟时间能减少燃烧噪音和 nox 的排放量 图 1-6 为预喷射对降低 nox 的影响 3. 主喷射提供了发动机输出功率所需的能量从而基本上决定了发动机的扭 矩有效控制主喷射可以减少温度高峰和降低 nox 的排放 4. 后喷射能够促进扩散燃烧降低颗粒排放21同时也能降低 co 和 hc 5. 次后喷射能够使排温升高通过供给还原剂燃油以促进后处理 图 1-7 中显示了柴油机在最大扭矩工况运行时预喷射量改变对柴油机 nox 排放及燃油消耗的影响22从图 1-7 中可以看到: 对于燃油消耗随着预喷 图 1-6 预喷射对 nox 的影响 fig.1-6 effect of pilot-injection on nox 图 1-7 预喷射量改变对柴油机排放及燃油耗的影响 fig.1-7 change of the pilot fuel injection to the effect of exhaus emission and fuel consumption of diesel engine 河南科技大学硕士学位论文 6 射量的增加，燃油消耗呈上升趋势，但不存在线性关系;而对于 nox 排放，当预 喷射量由少增多时，nox 的排放是先减少然后又升高，可见对于发动机的某个 工况，存在一个最佳的预喷射量。 喷油规律曲线是衡量柴油机燃油喷射系统好坏的重要依据23,24，它直接影响 柴油机的放热规律，从而影响燃烧和排放。因此，改善柴油机的喷油规律是提高 发动机燃烧与排放性能指标的重要途径25。 柴油机燃烧过程的质量在很大程度上取决于喷油规律，根据柴油机不同工况 选择不同形式的喷油规律曲线和喷射策略，可以在改善柴油机的动力性和经济 性，降低排放、振动和噪声等之间获得最佳折中。 图 1-8 为两种不同类型的喷油 规律曲线图26，分别为先缓后急型 和先急后缓型。在保持其喷油压 力、喷油始点和喷油总量不变的条 件下，来分析比较各自对发动机比 油耗及排放的影响。 表 1-2 为两者比较的结果。 柴油机高压共轨系统的另一大优点就是可以产生高压喷射，高喷射压力可以 改善燃油雾化，促进缸内燃烧，优化发动机经济性，改善排放。但是高喷射压力 也相应带来一些不利因素，如电控高压油泵消耗的功率增加等27。对于相同的喷 射时间，喷油压力将会影响喷油量、燃油的雾化度和喷射形状等，这些参数将影 响发动机的动力、噪声、尾气排放和油耗28。图 1-9 喷射压力对排放的影响29。 我国柴油机高压共轨燃油系统的研究虽然起步较晚，但是目前也取得了可喜 的成绩。从目前情况来看，国内骨干企业都已开发出一种或多种“欧”排放标 准的电喷柴油机30。 图 1-8 两种喷油规律曲线 fig.1-8 two sorts of fuel injection law 表 1-2 两种喷油规律比较结果 tab.1-2 result of the compare of two sorts of fuel injection law 测试项目 先缓后急 先急后缓 喷油(g/st) 0.108 转速(r/min) 2200 喷油提前角(ca) 6 扭矩(n.m) 843.27 860.36 功率(kw) 194.28 198.21 比油耗(g/kw.h) 224.80 219.26 nox(g/kw.h) 5.28 6.07 第 1 章 前言 7 2005 年 3 月东风康明斯公司已经推出了 isbiscisl 全电控系列柴油 发动机该系列发动机采用高压共轨燃油系统每缸四气门设置发动机实现完 全电控可自由设定喷油时间 2005 年 11 月 11 日第一辆由一汽无锡油泵油嘴研究所自主研制有自主 产权符合“欧”排放标准的电控共轨柴油公交车在无锡市 31 路公交线上投入 运营 2006 年 2 月 26 日玉柴集团推出了我国第一台拥有自主知识产权的“欧”柴 油发动机 yc6l-40该机采用了电控喷射技术和排放后处理技术不仅排放达 到“欧”标准并且具有良好的动力性与经济性具有大功率低排放低噪 声高可靠性的优点适用于豪华客车及城市公交车等动力需求 2007 年 12 月玉柴推出 yc6l-50 柴油发动机31这是中国首台排放达到 欧首次与国际发动机研发保持同步的柴油机该机在继承 yc6l-40 国低 油耗低排放的基础上进一步降低 nox 排放 50%并且比国家排放标准提前了 5 年是一款动力性节能性环保性兼具的柴油发动机该机具备了与国外品牌 同台竞技的能力同时也为中国动力产业增强了国际竞争力 1.2 柴油机高压共轨测试技术的重要性 现代测试技术的特征主要体现在计算机技术的应用日益普及和测试仪器智 能化程度不断提高以及相关技术领域技术的快速发展和引入计算机技术在内燃 机测试领域中的普及使得测试设备的智能化和自动化程度大为提高由单片机 或微机支持的集高速数据采集处理分析和自动控制为一体的各种测试设备不 断推陈出新 高压共轨测试技术是研制开发高压共轨系统的必要测试手段根据测试的结 图 1-9 不同喷射压力对烟度的影响 fig.1-9 exhaust smoke versus ia for different ip values 河南科技大学硕士学位论文 8 果检验高压共轨系统的结构设计是否合理参数选择是否得当为进一步改进设 计最终确定其结构参数提供了依据例如通过对多段喷射的喷油规律测试研 究可以掌握主预喷油量随喷油间隔的变化情况尤其是小喷油间隔时探究 造成主喷油量波动的原因进而可以利用控制策略进行补偿使得在不改变高压 共轨系统硬件执行器的基础上完善喷射性能提高喷油参数水平有利于多段 喷射的稳定工作 在高压共轨系统的设计与生产中测试技术起到了重要的推动作用 无论是产品的研究开发还是首件进厂检验都希望部件的测试结果与制造厂 的出厂检验结果具有可比性因此为了在尽可能接近发动机实际运转的条件下分 析整个系统和单个部件德国 mochwald 公司开发了一种实用的测试技术能在 精确给定的边界条件下进行单个部件的试验所获得的测试结果与部件制造厂的 测试结果相吻合32 1.3 国内外高压共轨多段喷射测量仪器简介 目前高压共轨多段喷射测量仪器已经在国外的制造商和研究机构得到了广泛 的应用其中最具有代表性的有日本小野法国 efs 和德国 iav 等公司的产 品 1.日本小野测器多段喷射量测量系统 fj-7000 系列 高精度多段喷射量测量系统 fj-7000 系列是一种适用于多级喷射的喷射量测量 系统能正确地测量各种共轨系统下的多 级喷射时的喷射量喷射率喷射时间及 喷射期间该系统主要由喷油量传感器 fj-0600a放大器单元流量传感器 和阀驱动单元等组成 fj-0600a型喷油量传感器采用 zeuch 测量方法其工作原理是当燃油喷射到充 满燃油的密封刚体容器时利用压力与喷油量成比例上升的原理测量喷油量图 1-10 为 zeuch法测量原理图 向容积为 0 v 的密封容器内喷射体积为v 的燃油时燃油的体积弹性系数为 k容器内的压力上升 p 如式(1-1)所示 图 1-10 zeuch 方法测量原理 fig.1-10 measurement principle of zeuchs method 第 1 章 前言 9 0 v pk v = 1-1 在测量预喷射的喷油量时由于预喷射的喷油量对于密封刚体容器的容积来 说显得非常小引起的压力变化也就很小则容易使压力传感器的信噪比过小 以致于噪声淹没测量信号而无法进行测量为了获得最大的压力变化约为 30mpa即获得较大的信噪比针对不同喷射量对应着不同的刚体容积即刚 体容积分为 50100150 和 200cm3四种情况依次分别对应的最大喷射量为 100200300 和 400mm3/str 其主要特点33,34 1高精度的多段喷油量测量读数值的0.5% 2同时测量喷油量和喷油率通过数字滤波器输出不变型的喷射率波 形 3大的测量量程0300mm3/str 4连续测量每次喷射0.650hz363000r/min 5高分辨率最大测量喷油量的 1/1000 2. 法国 efs 公司高压共轨单缸测量仪 法国 efs 公司是世界最著名的燃油喷射测量仪器和设备的开发制造商之 一其中单次喷射流量计系列产品已经成为设计电控产品及其质量保证的核心仪 器之一在欧洲和美洲燃油喷射领域应用最为广泛 高压共轨单缸测量仪是由单次喷射仪efs8246,直流电源电磁阀驱动模 块高压共轨压力调节单元组成该测量仪可以实现对高压共轨等电控喷射系统 的控制和测量并通过相应的控制卡分别控制 boschdenso 和 delphi 等 4 种高压共轨压力调节模式控制参数通过程序可调以便适应在相同的压力 调节类型下由于具体油泵油嘴系统硬件的变化而带来的变化该仪器设有屏幕与 键盘其芯片内参数的修改通过控制软件 efs8246 为该公司最新一代的单次喷射仪它是在单次喷射仪 emi2 型的基 础上为满足高压共轨等电控喷射系统的测量要求而发展起来的 该仪器主要由以下几部分构成 1单次喷射仪 emi2 型的机械部分 2单次喷射仪 emi2 型的电子部分 3在单次喷射仪 emi2 型的电子部分中新增功能卡使测量功能扩展至 可测每次喷射中的五次小喷射并且具有同步时钟模块可以检测喷油起始角度 和持续角度可以与电磁阀驱动模块配合以实现对高压共轨等电控喷射系统的 河南科技大学硕士学位论文 10 控制和测量 其测量原理是待测燃油被喷进一个带有柱塞的缸体内这个缸体的开闭由一 个电磁阀控制缸体下面的柱塞与一个高精度的电子位移测量系统相连在燃油 的压力下柱塞下移燃油量通过测量柱塞的位移和柱塞的面积从而计算出来再 考虑到压力和温度等附加条件精确的燃油喷油量通过一个精确的补偿法则获 得进而再对喷油量微分得出喷油速 率每个喷油循环结束后排油电磁阀 开启排油柱塞复位准备进行下一次 喷油测量图 1-11 为位移法测量原理 图 其主要特点35有 1测量精度高最小可检测到 0.6mm3 2喷油量测量范围广每次喷 射下 0600mm3 3分辨率高在测量范围为 099.9mm3时可达到 0.02mm3/次喷 射 5主喷与预喷之间的时间间隔最小可达到 250us 6可靠性强 3. 德国 iav 公司喷油分析仪 德国 iav gmbh 公司是世界上知名的汽车电子开发和技术咨询公司该公 司设计制造的高精度喷油分析仪主要用于喷油系统的开发与测试其工作原理是 通过测量一个充满油料管道内的动态压力变化来获得喷油量与喷油率在一个喷 油周期内这个压力的变化和喷油率成比例与其他测量系统不同的是该系统 能够以非常高的精度和良好的重复性同时测量喷油量和喷油率 图 1-12 为德国 iav 公司生产的喷射分析仪主要测量部分,其中测量喷油规律 部分采用 bosch 长管法的原理测量喷油量部分活塞采用位移法的原理该 喷射分析仪综合了上述方法的优点将两种检测喷射规律测定和喷油量测定 功能集成在一个仪器内活塞顶部空间充入恒压氮气以形成背压用于模拟发动 机汽缸内压力的大小 图 1-11 位移法测量原理 fig.1-11 measurement principle of displacement method 第 1 章 前言 11 其主要特点36如下 1采样频率高100khz 2直接的冲程到冲程喷油量和喷油率 实时测量 3每个冲程可进行多至 7 次喷射 4测量精度高0.2mg/str 5测量范围广0.3150mg/str 6最小可测喷油间隔30us 国外的还有英国 inov8 科技公司最新研 制的 akribis-燃油喷射计量仪广泛应用 于各种燃油喷射系统包括柴油共轨eui 以 及汽油直接喷射 该测量仪的主要特点如下 1小喷射最小时间间隔50us 2每循环 5 次小喷射 3背压范围为20100bar 4. 基于容积法的喷油量测量系统 容积法是进行喷油量测量的一种简便方法该方法工作原理是喷油器在工作 时是脉冲式喷油, 且每循环的喷油量尤其是预喷油量很少,直接测量每个循 环喷油量比较困难, 考虑到喷油器稳态工作时,如果单位时间内的喷油次数不是 很少,则可以将喷出的燃油通过一个稳压装置聚集在一个有确定容积的容器内,通 过测量充满该确定容积所需的喷油次数,便可 计算出每循环的平均喷油量 图 1-13 为喷油量测量系统中利用容积法 进行油量检测部分的原理图测量容积为竖直 的玻璃管,在玻璃管的测量位置处,安装了光电 流量传感器实际为三组光电检测电路用 于感知油面流过该高度的时刻光电检测电路 由下至上依次分为 1 组2 组和 3 组组成两 种测量模式其中 1 组与 2 组组成小油量测量 模式2 组与 3 组则组成大油量测量模式小 油量测量模式用于共轨压力较低或单次喷油量 较小时的油量测量大油量测量模式用于共轨 图 1-12 液压单元示意图 fig.1-12 drawing of the hydraulic unit 图 1-13 容积法测试系统 fig.1-13 v olume method testing system 河南科技大学硕士学位论文 12 压力较高或单次喷油量较大时的油量测量在玻璃管左下部留有一个放油口由 一电磁阀控制其开关当测量开始时电磁阀关闭当测量结束时电磁阀打 开将油放出而在玻璃管的上部留有一个安全卸油口, 用以防止油面过高油从 玻璃管上端流出 该方法的优点如下传感器结构和检测电路设计简单电路抗干扰能力强 测量方便等在应用中还可以增加多组光电检测电路满足测量需要其缺点如 下只能测量平均喷油量不能测量单次喷油量测量精度低若想提高测量精 度则需增加测量容积但是测量效率降低检测电路与燃油之间的玻璃板遭测 量油液污染光电流量传感器容易产生错误信号导致测量设备不能正常工作 油面波动容易引起每循环的平均测量数据不准确等 1.4 本文的主要研究内容 目前我校已经研制了柴油机电控高压共轨喷油系统试验装置但是在性能方 面尚有不足之处其一该试验装置采用的测量原理是定容积法对充满该容积喷 射次数不能确定其二检测电路与燃油之间的玻璃板易被测量油液污染容易导 致测量数据不准确 本课题主要是针对上述定容积油量测量传感器在应用当中的缺陷和局限性作 出研究研制出一种新型的电容式喷油量测量装置以 51 单片机和 pc 机为核 心配合一套全电子式检测电路和控制软件形成一种智能喷油量测量装置 本文主要的研究内容有 1. 新型油量测量传感器的研制设计一种电容式油量测量装置实现共轨系 统预喷射和主喷射的每循环平均喷油量测量 2. 电容式油量测量装置信号的检测电路及其相应控制电路的设计和制作提 高测量精度 3. 研制以单片机和 pc 机为核心的智能控制测量装置编写信号检测控制程 序来保证动态和静态测量的准确性满足测量要求 第 2 章 电容液位传感器测量原理与边缘效应 13 第2 章 电容液位传感器测量原理与边缘效应 2.1 液位测量技术概述 液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用在一般的生产工艺加工过程 中通常只需要对物料的表面位置进行记录和储存以作为确保生产工艺安 全等方面的需要其次随着生产自动化程度的不断提高必须首先对液位测量 数据进行控制与调节以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态再就在现代 化的企业生产过程中计算机用于生产控制中心已越来越普及人们都采用计算 机控制系统对生产进行各种综合控制与管理所以液位测量技术也随之提出更高 的要求控制系统也更趋智能化统一化要求测量的对象要广测量的精度要 求高可靠性要好测量环境特殊实用性要强等所以这对测量带来很大的困 难尤其是液面具有波动或有气泡或液面高度随时间改变的动态测量被测物具 有粘滞性或是导电介质等等情况时如何来提高测量精度有时还要考虑容器的 密封性介质是否含有腐蚀物以及是否具有毒性和易爆性等问题对测量要求的影 响因此为了满足各种不同测量条件的要求人们研制出适合于各种各样要求 的液位传感器 目前国内外工业生产中普遍采用的液位测量方法37有以下几大类 1. 雷达液位传感器 雷达传感器就是利用发射- 反射- 接收的原理来测量距离的因此可用于有 毒有害的恶劣环境下雷达液位传感器是一种特殊形式的电磁波其物理特性 与可见光相似雷达信号可以穿透空间雷达信号是否可以被反射取决于两个 因素(1)被测介质的导电性(2)被测介质的介电常数所有导电介质都能很好 地反射雷达信号尽管介质的导电性不是很好也能被很准确地测量雷达波不 易受干扰且能穿透塑料容器或玻璃容器进行测量无需在容器上开孔实现非 接触测量还可应用于各种场所如真空测量液位测量粉灰位或固体料位测 量即便在飞灰粉尘强烈并有很强旋涡的环境下也能进行准确测量然而雷达 传感器的测量信号运行时间极短这给信号分析处理提出了极高的要求造就它 的价格昂贵技术实施困难 2. 超声波液位传感器 超声波液位传感器发展最快应用最广泛常用于测量明渠液位及开口容器 内液位它由超声换能器发射的超声脉冲经空气中在被测介质上发射再返回接收 河南科技大学硕士学位论文 14 换能器测量该超声脉冲往返时间就能得到超声换能器辐射面到被测液面的距 离根据换能器安装高度就能得出液位高度但声波传播速度多受环境因数影响 其测量信号的可靠性较差误差较大校正补偿复杂 3. 同位素/ 放射性液位传感器 它是利用放射性同位素的射线如 射线 射线 射线的穿透和反射 能力通过测量 射线 射线 射线到达物料时其穿过物料或经过物料反射 的衰减原理检测穿过被测物料后的射线信号的强度来达到测量液位的目的 该射线的强度会随液位的高度变化而变化在放射线源与检测器之间有吸收 物质时检测器的输出与液位的高度有关通过对检测器内的物质吸收能量的大 小的检测在经过信号转换即可得出被测液位的高度 由于放射性射线本身的特点所决定它可以用于腐蚀性有毒性大粘性和 易燃易爆的场合而且还因为对 射线的吸收知与介质密度有关因此它可以测 量不同密度的液体分界面气体与固体或液体与固体的分界面 但射线易受到衰减检测信息的能量易于损失测量精确度不理想有辐射 作用对人体有害 4. 电子类液位传感器 测量原理是把液位的变化转化为电气参数的变化利用一定的测量电路将电 参数检测出来从而达到测量液位的目的其中最常用且最成熟的当数电容式液 位传感器它不但精度较高且量程广适合于测量各种介质导电介质非导 电介质的液位惟独不能测量导电的粘性介质 电容式液位传感器 利用空气和液体作电容器两极极板间的电介质用电子 学方法测量电容值从而探测液体高度信息它结构简单其问题是要求液体具 有相同稳定的介电常数需要有温度的补偿测量仪器与传感器用长电缆连 接对电缆中的干扰和寄生电容很敏感精度较差电容液位传感器是利用被测 对象的物质的导电率将液位变化转换成静电电容变化来测量的一种液位计但 对导电介质或粘性介质易产生挂料误差较大易受干扰严重影响测量结 果 电阻式液位传感器 探测器在空气中的阻值要比它浸在液体中的阻止大得 多通过电子学方法测量液体容器底部与顶部之间的电阻从中可探知液位信 息其测量精度受液体污染情况的影响较大探针的污染与沉积物能产生错误输 出在直流工作时会产生电解响应速度慢 5. 热学式液位传感器 由热敏电阻发出的信号可用来指示这类元件是否浸在液体中它结构小适 第 2 章 电容液位传感器测量原理与边缘效应 15 用于圆筒容器玻璃柱管道等 6. 光学液位传感器 主要是光纤液位传感器光纤液位传感器的主要算法理论依据是基于光强度 的变化来实现液位测量它可以是用发光元器件将射出来的光通过传输光纤送到 光敏感元件上在敏感元件的球面上有一部分光透过而残余的光被反射回 来当敏感元件与液体相接触时与空气接触相比球面部的光透射量增大反 射量减少因而由反射光量即可知道敏感元件是否接触液体反射光量决定于 敏感元件玻璃的折射率和被测物质的折射率并通过传输光纤由受光器件的光电 晶体管进行光电转换后输出 光纤传感器也可以是塑料测杆探头加工成斜面或锥面光源光线射进测杆内 后若测杆在空气中则发生全反射是光线原样射回若测杆插入液体内由于液 体的折射率比空气的折射率高锥面处发生光折射全内反射效应消失从接收 到的光功率就可以测量点液位其问题是油滴剩油和冷凝作用可能影响测量精 度 这类液位传感器结构简单容易实现成本低抗电磁干扰能力强绝缘性 能好响应时间短适用于易爆易燃等场合然而它受光源强度的波动和连接器 损耗变化等影响较大因此它测量范围小精度低能量易损耗不宜测量低粘 度液位因其表面受到振动后易产生波动长期稳定性差 7. 液压类液位传感器 此类液位传感器可以进行连续测量 气泡式液位计 将被测液位值转换为空气压力值测定该压力值后利用该 被测压力与液体相对密度乘落差之积成正比的原理测量液位其问题是检测方式 十分复杂 压力传感器 它是利用液面高度变化时容器底部或侧面某点上的压力也随之 而变的原理来设计的在测量无压敞开的容器时大多采用直接测量底部某点 压力来测量这类液位传感器的精度主要受到压力表精度的限制同时还要求被 测液体的密度是已知的而且要求液体的密度要恒定不变 液位传感器的分类还有按功能进行分类如连续式液位传感器点式测量 液位传感器等等但是目前使用最为广泛的液位传感器技术有核辐射法光导 法超声法微波法雷达法电容式射频导纳式等多种传感器技术和智能化 测量控制技术各有其优缺点和适应性且都有应用但最为广泛应用的还是当 数电容式射频导纳法和超声式液位传感器 由于射频导纳法和超声式等液位传感器不适用于本课题的要求因此作者 河南科技大学硕士学位论文 16 选用了电容式液位传感器作为由液位到电量的转换环节电容式液位传感器在测 量液位方面的主要优点如下 1检测头结构简单易于维护 2高阻抗小功率动态范围大动态响应快几乎没有零漂灵敏度高 和适应性强等优点 3静态测量时能测量出电容量 10-7的变化量在动态测量中可达到测 量出电容量 10-4的变化量 4电容式传感器稳定性好如果材料选择合理其灵敏度的温度系数可达 到 110-6/以下 本文将对电容式液位传感器的工作原理结构特点误差分析以及信号调理 数据采集电路的设计等进行深入的分析研究 2.2 电容式传感器的结构与测量原理 电容式传感器38,39是将被测的非电量的变化转换为电容量变化的一种传感 器它不仅能测量荷重位移振动角度加速度等机械量还能测量液面 料面成分含量等热工参量因此近年来电容式传感器备受人们关注尤其在 自动检测技术中占有很重要的地位并得到了广泛的应用 2.2.1 电容式液位传感器的结构 由两个平行平板组成的电容器的电容量为 a c d = 2-1 式中 电容极板间介质的介电常数 a两平行板所覆盖的面积 d两平行板之间的距离 因此只要改变其中的一个参数, 就会引起电容量的变化, 根据这一电容结构关 系, 可构成变极距型电容传感器变面积型电容传感器和变介质型电容传感器 用于测量液位的电容式传感器是利用容器中的物料为恒定的介电常数时极间 电容正比于液位的原理而构成的并应用电子学方法测量电容值从而探测液面 第 2 章 电容液位传感器测量原理与边缘效应 17 位置信息特点是液位测量只与电容结构有关与物料的密度无关根据这一特 点可采用平行平板结构构成变面积型的液位传感器这种传感器结构的探头是 由两个电极极板构成通过气液或料相介质的高度不同引起极板间电容改变来 探测物料面位置的其结构十分简单轻巧便于安装维护与使用 电容液位传感器的电极结构如图 2-1 所示 图a适用于导电容器中的绝缘液体的液位测量这时在极板与容器接触 处安装绝缘支架其间构成的电容 x c 与液位成正比例 图b适用于非金属容器液体为绝缘性的 图c适用于导电性液体其形状和位置与图b一样但极板四周包有 极薄的绝缘材料电容 x c 是由绝缘材料的介电常数和液位决定的与液体的介 电常数无关导电液体使两极板间的距离缩短为绝缘层的厚度液位升降相当于 电极面积改变 2.2.2 平行板电容式液位传感器的测量原理 以图a为例设电容器极板总长度为 h电容器极板宽度为w浸没在 液体中的长度为h两极板间距为d液体介电常数为 1 空气介电常数为 2 则根据平行板电容的公式可写出液体部分的电容数学模型为 1 1 wh c d = 2-2 空气部分的电容数学模型为 图 2-1 平行板电容液位传感器极板结构 fig. 2-1 the structures of polar plates for parallel-plate capacitor sensor for measureing 河南科技大