毛 翎,蔣 慶,劉琦崠,陳澤熹

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018)

電控EGR閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的研制

毛 翎,蔣 慶,劉琦崠,陳澤熹

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018)

電控EGR閥是廢氣再循環(huán)技術(shù)中重要部件，主要包括步進(jìn)電機(jī)式、電磁式和直流電機(jī)式，目前針對(duì)電控EGR閥測(cè)試系統(tǒng)研究尚不充分；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電控EGR閥各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，研制了一套電控EGR閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)；系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)單元、控制單元、測(cè)試單元組成；驅(qū)動(dòng)單元以電控EGR閥驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)核心，控制單元以可編程控制器為控制核心，測(cè)試單元由各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試模塊組成；通過(guò)對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試工藝流程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電控EGR閥流量特性、內(nèi)漏性能、響應(yīng)時(shí)間和閥內(nèi)位置感應(yīng)器性能的自動(dòng)測(cè)試；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)參數(shù)的機(jī)器能力指數(shù)Cmk均超過(guò)1.67，滿足技術(shù)要求；系統(tǒng)提供了一種針對(duì)電控EGR閥綜合性能的測(cè)試方案，并成功應(yīng)用于某企業(yè)電控EGR閥生產(chǎn)測(cè)試車(chē)間。

電控EGR;綜合性能;測(cè)試;機(jī)器能力指數(shù)

0 引言

廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)是機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治行業(yè)中的六大技術(shù)之一，其原理是將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口廢氣導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，降低氣缸燃燒溫度，從而降低尾氣中氮氧化物含量。EGR閥在廢氣循環(huán)過(guò)程中起到了引流作用。EGR閥有真空式和電控式等類(lèi)型。電控EGR閥主要有步進(jìn)電機(jī)式、電磁式以及直流電機(jī)式等。電控式EGR閥由于具有響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為行業(yè)發(fā)展方向。目前對(duì)電控EGR閥的綜合性能測(cè)試方法和綜合測(cè)試系統(tǒng)的研究尚不充分，為此本文設(shè)計(jì)了一種電控式EGR閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3種電控EGR閥各項(xiàng)性能的自動(dòng)測(cè)試。

1 工作原理及技術(shù)要求

1.1 工作原理

如圖1所示，步進(jìn)式EGR閥利用4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管按照四相八拍的方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)A、B兩對(duì)相位，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)閥桿移動(dòng)，從而控制閥口開(kāi)度大小。

圖1 步進(jìn)式EGR閥驅(qū)動(dòng)原理

如圖2所示，電磁式EGR閥利用PWM信號(hào)控制平均電流，從而控制比例電磁鐵調(diào)節(jié)閥桿位置。其中二極管起到續(xù)流作用，電感減緩電流波動(dòng)，電容減小紋波。

圖2 電磁式EGR閥驅(qū)動(dòng)原理

如圖3所示，直流電機(jī)式EGR閥利用H橋電路控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向，通過(guò)PWM信號(hào)改變及轉(zhuǎn)矩大小，從而控制閥桿位移的大小及方向。

圖3 直流電機(jī)式H橋驅(qū)動(dòng)原理

1.2 技術(shù)要求

系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試要求如表1所示，包括內(nèi)漏性能、流量特性、響應(yīng)時(shí)間以及位置感應(yīng)器特性。

表1 技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試要求

內(nèi)漏性能是指EGR閥全關(guān)時(shí)，閥的內(nèi)漏流量；流量特性是指EGR閥在入口壓力穩(wěn)定時(shí)流量與開(kāi)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系；響應(yīng)時(shí)間為EGR閥從接收全開(kāi)信號(hào)至實(shí)際開(kāi)度達(dá)到80%時(shí)所用時(shí)間；位置感應(yīng)器特性是指EGR閥內(nèi)置的位置感應(yīng)器輸出電壓與閥桿實(shí)際位移的關(guān)系。

步進(jìn)式EGR閥無(wú)內(nèi)置位置感應(yīng)器，因此只需進(jìn)行內(nèi)漏測(cè)試和流量特性測(cè)試。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖4所示，系統(tǒng)電氣部分包含3個(gè)單元：控制單元，驅(qū)動(dòng)單元，測(cè)試單元?？刂茊卧獮橄到y(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)測(cè)試工藝流程，存取工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等功能；驅(qū)動(dòng)單元為系統(tǒng)的執(zhí)行部分，功能包括對(duì)測(cè)試管路的開(kāi)關(guān)控制，對(duì)EGR閥的驅(qū)動(dòng)等；測(cè)試單元分為4個(gè)工位，實(shí)現(xiàn)對(duì)3種EGR閥各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試和對(duì)位置感應(yīng)器特性的測(cè)試。

圖4 系統(tǒng)整體方案

2.1 控制單元

控制單元包括PLC和人機(jī)交互。PLC作為控制核心，其IO輸入輸出用于壓力開(kāi)關(guān)檢測(cè)、繼電器控制、啟動(dòng)急停按鍵等；流量傳感器、壓力傳感器等模擬輸入以及電控比例閥的模擬輸出信號(hào)由AD/DA模塊采樣或輸出；PLC串口模塊用于與人機(jī)交互模塊以及EGR驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信。

人機(jī)交互模塊選用MCGS觸摸屏，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢與導(dǎo)出等功能。

2.2 驅(qū)動(dòng)單元

驅(qū)動(dòng)單元核心是EGR閥驅(qū)動(dòng)器。EGR閥驅(qū)動(dòng)器為自主研發(fā)的控制器，用于驅(qū)動(dòng)3種EGR閥。EGR閥驅(qū)動(dòng)器以四相八拍方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)式EGR閥，以PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁式EGR閥，以PWM信號(hào)配合H橋電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)式EGR閥。

驅(qū)動(dòng)器以PIC單片機(jī)為核心，配以驅(qū)動(dòng)電路、AD采集、RS232接口、液晶顯示、按鍵輸入等。

2.3 測(cè)試單元

測(cè)試單元共分為4個(gè)工位，前三工位測(cè)試3種閥的各項(xiàng)性能，第四工位測(cè)試電磁式和直流電機(jī)式的位置感應(yīng)器特性。測(cè)試單元包含以下測(cè)試模塊。

2.3.1 內(nèi)漏測(cè)試模塊

內(nèi)漏測(cè)試模塊的氣路原理如圖5所示。其中關(guān)鍵部件為減壓閥和流量計(jì)。根據(jù)技術(shù)要求，選用符合調(diào)壓范圍的減壓閥，流量計(jì)量程為0.5～10 L/min,精度為1.5%FS。

圖5 內(nèi)漏測(cè)試模塊氣路原理

2.3.2 流量特性測(cè)試模塊

流量特性測(cè)試模塊如圖6所示。3種EGR閥流量范圍不同，選用4個(gè)不同量程精度的流量計(jì)以滿足要求。四個(gè)流量計(jì)的精度相同都為1.5%FS，量程不同，分別為1～30 L/min、10～500 L/min、50～1 000 L/min、50～1 000 L/min。

電控比例閥用于控制閥口壓力，它與閥口的壓力傳感器形成負(fù)反饋控制，能夠使閥體測(cè)試時(shí)保證入口壓力穩(wěn)定。電控比例閥調(diào)壓范圍為0～0.5 MPa，壓力傳感器電流輸出4～20 mA，量程0～100 kPa，精度0.1%FS。

圖6 流量特性測(cè)試模塊

2.3.3 位置感應(yīng)器特性測(cè)試模塊

傳感器特性測(cè)試模塊直接將高精度位移傳感器連接到閥桿上，驅(qū)動(dòng)EGR閥，在不同開(kāi)度下，記錄實(shí)際位移與位置感應(yīng)器輸出特性曲線。高精度位移傳感器量程為12 mm，4～20 mA輸出信號(hào)。精度達(dá)到8 μm。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)漏測(cè)試

進(jìn)行內(nèi)漏測(cè)試時(shí)，首先將EGR閥關(guān)閉，通過(guò)減壓閥將閥口壓力穩(wěn)定在規(guī)定壓力范圍內(nèi)，打開(kāi)內(nèi)漏閥，待壓力穩(wěn)定后，記錄此時(shí)內(nèi)漏流量計(jì)的流量。

3.2 流量特性測(cè)試

如圖7所示，測(cè)試流量特性時(shí)，假設(shè)測(cè)試n個(gè)點(diǎn)，則將這n個(gè)點(diǎn)的開(kāi)度對(duì)應(yīng)流量連接起來(lái)，該折線即為流量特性曲線。測(cè)試點(diǎn)越多，曲線越精確，測(cè)試周期越長(zhǎng)。因?yàn)?種閥最大流量不同，為了滿足小流量時(shí)測(cè)試的精度，在較小的流量區(qū)間范圍內(nèi)選用量程小的流量計(jì)，當(dāng)流量超出流量區(qū)間后，將流量閥切換到較大量程的流量計(jì)。

圖7 流量特性測(cè)試軟件流程圖

3.3 位置感應(yīng)器特性測(cè)試

位置感應(yīng)器特性測(cè)試如圖8所示，測(cè)試位置感應(yīng)器特性時(shí)，驅(qū)動(dòng)EGR閥從全閉到全開(kāi)，記錄各個(gè)開(kāi)度下位置感應(yīng)器輸出電壓與實(shí)際位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8 位移特性測(cè)試流程圖

3.4 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

測(cè)試響應(yīng)時(shí)間時(shí)，先驅(qū)動(dòng)EGR閥關(guān)閉，一秒后驅(qū)動(dòng)EGR閥全開(kāi)，待AD采樣信號(hào)達(dá)到位移傳感器最大輸出信號(hào)的80%時(shí)，記錄此時(shí)所用時(shí)間，該時(shí)間為閥響應(yīng)時(shí)間。

4 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

在不改變產(chǎn)品批次、工裝夾具、操作員的情況下，連續(xù)對(duì)某企業(yè)3種標(biāo)準(zhǔn)閥進(jìn)行50次內(nèi)漏測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 內(nèi)漏測(cè)試結(jié)果

對(duì)電磁式EGR閥和直流電機(jī)式EGR閥進(jìn)行50次響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10。

圖10 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

對(duì)3種標(biāo)準(zhǔn)閥在固定開(kāi)度下進(jìn)行20次流量特性測(cè)試，記錄流量，測(cè)試結(jié)果如表2所示，對(duì)3種閥的兩種開(kāi)度下流量實(shí)測(cè)值取平均值，再將平均值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，得出相對(duì)誤差，系統(tǒng)相對(duì)誤差不超過(guò)1.5%。

表2 定點(diǎn)開(kāi)度流量值 (單位：L/min)

Cmk是汽車(chē)行業(yè)內(nèi)各種設(shè)備驗(yàn)收測(cè)試的重要依據(jù)，依照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的Cmk進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表3所示。各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)的Cmk≥1.67，滿足技術(shù)要求。

表3 各指標(biāo)Cmk計(jì)算

5 結(jié)束語(yǔ)

本論文提出的電控EGR閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)能較好的測(cè)試電控EGR閥的內(nèi)漏流量、響應(yīng)時(shí)間、流量特性以及內(nèi)置位置感應(yīng)器的準(zhǔn)確度等綜合性能指標(biāo)，為企業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)提供了一種測(cè)試方案，并已成功應(yīng)用于某企業(yè)電控EGR閥測(cè)試車(chē)間。

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Development of Comprehensive Performance Test System for Electronically Controlled EGR Valve

Mao Ling, Jiang Qin, Liu Qidong, Chen Zexi

(College of Metrology and Testing Engineering, China JiLiang University, Hangzhou 310018，China)

Electronically controlled EGR valve is an important part in the technology of exhaust gas recirculation, which includes the type of stepper motor, electromagnetic and DC motor. However, the research on electronic controlled EGR valve test system is not enough. So a comprehensive performance test system is developed. The system is composed of drive unit, control unit and test unit. Electronically controlled EGR valve drive is the drive core of the drive unit. The control unit is the core of the control unit, and the test unit is composed of the test modules of each index. Through the technical index test process design, system has realized the EGR valve flow characteristic, the internal leakage performance, the response time and the valve position sensor performance automatic test. Experimental results show that the system is stable and reliable, the parameters of the machine capability index Cmk are more than 1.67, accords with the technical requirements. The system provides a test plan for the comprehensive performance of the EGR valve, and successfully applied to the production and testing workshop of a company's electronic control EGR valve.

electrically controlled EGR; comprehensive performance; test; machine capability index

2016-08-17；

2016-09-22。

毛 翎(1991-)，男，安徽寧國(guó)人，碩士研究生，主要從事自動(dòng)化檢測(cè)及微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向的研究。

蔣 慶(1970-)，男，陜西人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)測(cè)控技術(shù)的研究。

1671-4598(2017)01-0009-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.003

TP216

A