（机械工程专业论文）电子节流阀体研究.pdf

四川大学硕士学位论文 电子节流阀体研究 专业：机械工程 研究生：黄兵指导老师：袁中凡，叶和通 装备了电子控制燃油喷射系统的发动机具有改善经济性指标、提高动力性 指标和减少有害物质排放等一系列优点，因而近年来得到了很大的发展。而作为 该系统的进气子系统的关重部件之一的节流阀体亦得到了长足的发展。电子节流 阀体作为目前世界上性能最先进的新一代节流阀体在国外已有广泛的应用，在国 内部分高档轿车中亦有应用，但均为进口件。故其国产化有着广阔的应用前景和 研究开发价值 本文针对某预研项目( 电子节流阀体国产化) ，在研究国外成熟产品的同时， 结合国内的实际情况，充分利用国内、外的成熟资源来自主完成电子节流阀体的 结构设计；利用c a d 技术进行三维造型和对运动件进行运动分析。对安全件的安 全系数进行计算分析在研究中主要完成了以下工作： 1 ，在详细查阅国内、外参考文献的基础上，结合汽车电喷系统的发展回顾 了汽车电子节流阀体( e t c ) 的由来，发展历程。了解目前国际上应用的电子节 流阀体的现状。结合国内实际情况，提出本课题的研究方法：利用部分成熟的 零部件展开设计一传动系统设计三维造型分析、计算一实验。 2 ，根据输入条件，设计传动系统。 3 ，依据现有条件，在满足主机厂接e l 及性能要求的同时，应用c a d 三维造型 技术完成各零、部件的设计并将尽量实现产品小型化。 4 ，应用c a e 分析软件进行运动分析。 关键词：汽车电喷系统，电子节流阀体，c a d 三维造型。 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ne l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o la i rc o n t r o l v a l v e m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：h u a n gb i ns u p e r v is o r ：y u a nz h o n g f a n y eh e t o n g a b s t r a c t t h ee n g i n ew h i c hh a se t cc a ni m p r o v ee c o n o m i cb e n e f i t ，i n c r e a s ep o w e r a n dr e d u c el e to fw a s t e ，t h e r e f o r ei ti sd e v e l o p i n gr a b i d l yi nr e c e n ty e a r s t h et h r o t t l ec o n t r o la i rc o n t r o lv a l v ea sak e yp a r to ft h i ss y s t e mh a s a l s od e v e l o p e dq u i c k l y t h eg r ca saa d v a n c et h r o t t l ec o n t r o la i rc o n t r o l v a l v eh a sb e e nw i d e l yu s e da b r o a da n dh a sb e e ne m p l o y e di nh i g h g r a d ec a r a th o m e ，h o w e v e rt h e s ee t ca r en o tm a d ei nc h i n a s oi ti sv e r yi m p o r t a n t t od o m e s t i c a l l yp r o d u c eo u ro w ne t c i no r d e ran e wp r o j e c t ( d o m e s t i c a l l yp r o d u c et h ee l e c t r o n i ct h r o t t l e c o n t r o la i rc o n t r o lv a l v e ) ，a f t e ri n v e s t i g a t e dt h ec o n g e n e rp r o d u c t i o n m a d eb yt h ef o r e i g nc o m p a n i e s ，t h i sp a p e ri sf o c u so nd e s i g n i n gt h e e t c e a c v sf r a m ea n db u i l d i n gt h e3 dm o d e lw i t ht h ec a d t h er e s e a r c h r o u t ea n dt h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ra r ep r e s e n t e da sb e l o w ： l ，o i lb a s eo fs t n m m a r i z i n gl o t so fi n t e r n a t i o n a ll i t e r a t u r ea n d a n a l y z i n gt h ea c t u a l i t ya n dt h ee v o l u t i o nt r e n do fe r eb ys t u d y i n ga n d a p p l y i n gt h em a t u r et e c h n o l o g i e sa n dp a r t s ，f r a m ed e s i g n ，w h e e l b o xd e s i g n ， 3 dm o d e lb u i l d ，a n a l y s i sa n dt e s ta r ep u tf o r w a r dt od e v e l o pt h i sp r o j e c t 2 ，d e s i g nt h ew h e e l b o xb a s e do nt h ei n p u t 3 b u i i da l lp a r t s 3 dm o d e lw i t hc a da n dm i n i m i z et h e i rs i z e 4 ，a n a l y z et h ep a r t s m o t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cf u e li n j e c ts y s t e m ，e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l a i rc o n t r o lv a l v e ，3 dm o d e l 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 众所周知，装备了电子控制燃油喷射系统的发动机具有提高动力性指标、 改善经济性指标和减少有害物质排放等一系列优点，因而近年来得到了长足的 发展。而作为该系统的进气子系统的关重部件之一的节流阀体亦得到了长足的 发展。现今发展的电子节流阀体作为目前世界上性能最先进的新一代节流阀体 在国外已有广泛的应用，在国内部分高档轿车中亦有部分应用，但均为进口件。 故其国产化有着广阔的应用前景和研究开发价值。 1 1 电喷系统概况 汽车作为现代文明的标志之一，以及汽车工业在世界经济中的重要地位都 是不言而喻的。而作为汽车心脏的发动机各国对它的研究更是投入了大量的人 力、物力，因而它的发展极其迅猛。 电控喷射系统是目前推广的高新技术产品之一，由于它具有一系列优势一 提高发动机升功率、降低燃料消耗率、改善发动机过渡性，特别是可大幅度减 少发动机废气中有害物质的排放“3 。因此，在当今世界各国日益重视环境保护丽 相继制定了严格的汽车排放的情况下而加速了该系统向各类车辆的推广应用， 而且该技术经过约三十年的发展也日趋成熟，正朝着全面迸一步增加和完善性 能、提高工作可靠性以及降低成本的方向继续发展。主要趋势是将燃料喷射的 电子控制与发动机( 点火、爆震、废气排放、怠速等) 及汽车( 变速器、转向 机构、制动装置等) 的其它控制综合起来，形成汽车集中电子控制系统，使汽 车性能与经济性达到最佳”1 。 1 2 节流阀体在系统中的位置 汽车节流阀体作为汽车电控喷射系统的进气子系统中的关重部件，其主要功 能是通过控制进入汽缸的空气量来控制发动机转速，从而体现驾驶人员的操纵 四川大学硕士学位论文 意图、实现怠速性能的自动控制，以及向e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 反馈发动祝负荷( 节流阀开度) ，它在系统中的位置如图1 2 中序号l o 所示。 1 3 节流阀体的发展 图卜1 发动机电喷系统结构图“ 节流阀体伴随着电控喷油系统的产生而产生，随着电控喷油系统的发展，节 流阀体的功能、结构也发生了天翻地覆的变化。 燃油喷射技术发展的初期是用于飞机发动机上，它向进气管连续喷射汽油的 混合气。1 9 4 4 年开始采用了机械式喷射泵向汽缸内直接喷射汽油的方法，1 9 6 1 年美国b e n d i x 公司研制出电子控制的汽油喷射系统，此项专利经德国b o s c h 公司购买去加以实用化后于1 9 6 7 年推出电子控制的汽车喷射发动机系统“。 l 、最初的汽油喷射系统由于受当时的技术条件限制，其节流阀体采用完全 机械型式的结构。其结构简图如1 2 所示： 删川大学硕士学垃i 仑卫 意图、实现怠速性能的自动控制，以及向e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 反馈发动机负荷( 节流阀开度) ，它在系统中的位置如图l i 中序号i o 所示。 一 ，i i j 旺啐面杀 吲掣， i 3 节流阀体的发展 图1 1 发动机电喷系统结构图瞄 节流阀体伴随着电控喷油系统的产生而产生，随着电控喷油系统的发展，节 流阀体的功能、结构也发生了天翻地覆的变化。 燃油喷射技术发展的初期是用于飞机发动机上，它向进气管连续嚏射汽油的 混合气。1 9 4 4 年开始采用了机械式喷射泵向汽缸内直接喷射汽油的方法。1 9 6 1 年美国b e n d i x 公司研制出电子控制的汽油喷射系统，此项专利经德国b o s c h 公司购买去加以实用化后于1 9 6 7 年推出电子控制的汽车喷射发动机系统“1 。 1 1 最初的汽油喷射系统由于受当时的技术条件限制，其节流阀体采用完全 机械型式的结构。其结构简图如1 2 所示： 机械型式的结构。其结构简图如i 2 所示： 四川大学硕士学位论文 患遵节螺钉 辩嫱 辩翟糊 图卜2 最初节流阀体结构简圈 由节气门阀片控制进入空气量的多少，其开度的大小由驾驶员通过搡 纵油门踏板来控制，暖机和怠速时，部份空气经节气门前的旁通道进入进 气歧管，再进入汽缸。通过调节怠速调节螺钉即可调整怠速旁通道的截面 积大小，从而对怠速转速进行调整。 2 ) 随着汽油喷射的电子控制技术的发展，节流阀体亦逐渐走上了机电 一体化发展的道路。为了使系统e c u 能准确判断发动机的工况模式，如怠 速、节气门全开部份负荷。在节流阀体上增设一个节气门位置传感器，它 可将节气门开度以电信号的方式传输给e c u ，为e c u 判断发动机工况， 控制喷油时问提供工况参数。其结构原理如下图1 - 3 ： 图1 - 3 节气门位置传蒜器电路原理图“ 四川太学硕士学位论文 驾驶员操纵油门踏板带动节气门轴旋转，节气门轴再带动节气门位置传感器 的电刷转动来改变节气门位置传感器的有效电阻从面改变位置传感器的输出电 压。 同时为了给发动机提供低温时所需的附加空气量，保证发动机有稳定的怠 速过渡性、防止暖机熄火而在进气管旁通道上增加一个辅助空气阀。 空气阍 图1 - 4 增加辅助空气蛹的药流阀体结构示意固” 该辅助空气阀主要有以下两种：电热偶片式、蜡封式。 1 ) 电热偶片式辅助空气阀的结构原理如下： 1 ，加热缍嘲 2 腰盘扁片 图卜5 电热偶片式辅助空气阀的结掏原理图“ 发动机冷车启动后，温度低时空气阀为开启状态，此时经空气阀及旁通道 四川大学硕士学位论文 的空气量多，发动机处于快怠速运转状态。启动后，加热线圈通电，使双金属 片产生变形，阀门逐渐关闭，进气量减小，发动机转入正常的低怠速运转。 2 ) 蜡封式辅助空气阀的结构原理如下图1 - 6 ： 柠却术 图卜6 蜡封式辅助空气阀的结构原理图 它根据发动机冷却水的温度来调节其通道面积，丛而调节进气量的大小。 当发动机水温上升时，密封在封蜡折盒内的蜡质熔化而膨胀。将阀内的控制活 塞上推。逐渐关闭空气通路。当温度下降时，蜡质凝固，体积变小，控制活塞在 弹簧作用下退回，开放空气通道。高温及低温时辅助空气阀内控制活塞位置见 下图1 7 所示： 僧艚 高温时 低温时 四川大学硕士学位论文 豳卜7 蜡封式辅助空气阀高温及低温时状态“1 图l 一8 为四川红光汽车机电有限公司生产的天津夏利3 7 6 q 发动机用节流阀 体，该阀体即为此类型节流阀体的典型代表。 图1 _ 8 天津夏利3 7 6 0 发动机用节流阀体 6 四川大学硕士学位论文 但通过辅助空气阀仅能自动调节由于发动机因温度的差异而造成的不同 进气量的需要，随着对汽车怠速性能要求的不断提高以及汽车空调、动力转向 等其它功能的应用。就对怠速空气量的控制精度提出更高的要求。于是又出现 了以下几种常用的怠速执行器：旋转电磁式怠速执行器、步进电机式怠速执行 器。 旋转电磁式怠速执行器的结构示意图如图1 9 所示： 电崔先 壳忙 采久磁饿 电框 盆速空气 图1 - 9 旋转电磁式怠速执行器的结构示意图 其电流示意图如图l - 1 0 所示： 四川大学硕士学位论文 图1 _ 1 0 旋转电磁式怠速执行器电流示意图” 其中滑片类似于直流电机的换向器，但由于其转动限于9 0 。转角内，滑 片实际上只与某一电刷一直接触，并不改变。 电枢受到的转矩为： t l 一一线圈l l 产生的转矩，逆时针方向，大小与电流有关。 t 2 一一线圈l 2 产生的转矩，顺时针方向，大小与电流有关。 ”一一一一弹簧产生的转矩，逆时针方向，大小与转角有关。 当t i + t 3 t 2 时电枢逆时针转动，即加大旁通道流量。 当t i + t 3 t 2 时电枢顺时针转动，即减小旁通道流量。 当t i + t 3 = t 2 时电枢处于某一平衡位置。 再看电流控制部份。输入的p w m 信号直接接到晶体管v t 2 的基极上，同 时采用一只反向器，将p w m 信号的高低电平反向加到晶体管v t i 的基极上。 这样v t l 与v t 2 的基极信号就总是相反的两个p w m 信号，两者交替接通， 若输入p w m 脉宽较小，v t 2 导通时间长，电枢顺时针转动。反之，则v t i 导通时间长，电枢将逆时针转动。 运行时，e c u 根据发动机工况决定p w m 信号的脉宽，其工作可靠且控制 精确。 步进电机式怠速执行器的结构示意图如图1 1 l 所示：“” 1 定子咀怿2 铸予蛆件3 靛蚰罩4 框建咀撑 5 一防尘覃 6 外弹簧 ， o 形啊8 波肜垫片9 壳忙i o 拽瞄 1 1 接乳体l2 崖 l3 电终端1 4 后轴辛蓝i5 蜱地章蛆件 1 6 接又o 彤晤ir 蚺营晕 四川大学硕士学位论文 图1 - 11步进电机式怠速执行器的结构示意图 它由永久磁铁构成的转子、励磁线圈构成的定子和把旋转运动变成直线 运动的进给丝杆及阀门等部分组成。它利用步进转换控制，使转子正转或反 转，带动丝杆旋转使阀芯直线运动以达到调节旁通空气道截面的目的。 采用怠速执行器的节流阀体能较好地控制旁通道的空气流量，但节气门 的控制方法仍然采用机械控制方式，节气门轴通过钢丝绳和杠杆与驾驶室内 的油门踏板相连。驾驶员通过脚踩油门踏板，来控制节气门开度，从而改变 节气门处进气通道的面积，调节发动机的充气量，达到改变发动机输出功率 的目的。对于特殊工况则采用附加装置进行空气或燃油补偿，如怠速系统旁 通道中采用怠速控制阀驱动改变进气通道面积。这种节气门的控制方式由于 其动态特性限制，不能根据汽车的所有工况相应地做出精确调整，特别是在 冷起动、低负荷和怠速等特殊工况下更是如此，因而会导致汽车的经济性下 降，有害物质排放量增加。 空燃比是影响发动机性能的两个主要因素之一。在上述e f i 系统中虽然可以实现对喷油量的精确控制，并对进气量进行控制 和补偿，但如上所述，它也不能在所有工况下达到理想的要求。 为了精确控制进气流量，以获得更佳的空燃比，于是出现了电子 控制节气门系统( e t c s ) 。 1 4 课题的提出及主要内容 汽车工业作为我国国民经济重点支柱产业之，学习国外先进技术，逐 步消化吸收，形成自己的核心竞争力已成为我国汽车工业当前面临的一个主 要课题。而7 0 年代以来由于美国、日本与欧共体国家相继制定出排放法规、 燃油经济法规。它对世界各国的汽车工业施加了巨大的压力。市场竞争、车 辆性能、发动机动力、燃油经济性和排放限制这几方面的苛求，是传统的机 械改良方式无法克服的困难。于是汽车电子控制技术得到了蓬勃的发展。成 为当今汽车工业最为前沿的- - 1 技术。而在当今汽车电子控制技术中电传线 四j i l 大学硕士学位论文 驱( d r i v e b y w i r e 也即电驱) 理念已得到广泛的重视、研发与应用。比如电 驱刹车( b r a k e b y w i r e ) ，电驱转向( s t e e r - b y - w i r e ) 等。所渭电传线驱，也就 是把钢缆、杠杆等机构的机械动作改为通过电线( e l e c t r i c a lw i r e ) 传输的电 子信号驱动电机动作。其信号准确可靠、反应灵敏。它还可消除机构的机械 磨损问题，减轻原机械结构的重量并可进行反馈控制和补偿。m ， 电子节气门控制正是运用了电驱理念。一方面它精确控制进气量，可以 提高发动机动力性、经济性，减轻排放；另一方面，通过它对汽车动力系统 的功率控制来提升驾驶性能，比如安全、平顺性等。因此。电子节气门已成 为汽车发动机完全电控的一个非常重要的功能模块。 在国外，对电子节气门控制系统的研究已有二十来年，电子节流阀体也 作为一个较成熟的产品已开始大批量投入市场。最早应用于载重卡车、赛车 及高档轿车，现逐渐推广到中低档车上。甚至应用于控制柴油机的尾气排放。 就国内而言上海大众的波罗、帕萨特、上海通用的别克、二汽的塞纳就采用 了电子节流阀体。值得一提的是：国内汽车现装备的电子节流阀体均为进口 件，国内尚无开发、生产电子节流阀体的经历。国外生产电子节流阀体的公 司主要有：b o s c h 、d e l p h i 、v e s t o n 、m i k u n i 、k e n b i n 、s e m e n sv d o 、 m a r e l i 、c t s 、p e r b u r g 等。相对而言，国内企业现在还不具备开发电子 节气门控制系统的能力，但四川红光汽车机电有限公司、浙江森森公司、湛 江德利公司等企业已有多年开发、生产机械节流阀体的经验。在此基础上应 用b o s c h 、c t s 、j o n s o n 等公司目前成熟的节气门位置传感器、直流电机 等部件进行电子节流阀体的开发是完全可行的。 本文主要研究的即是应用目前国外成熟的节气门位置传感器、直流电机 部件对电子节流阀体机械结构进行设计( 主要分为：电机减速机构设计、三 维实体造型及运动分析) 并对电子节流阀体的性能进行检测。以尽快实现国 产化并形成批量生产能力。 i o 四川大学硕士学位论文 第二章电子节气门系统及产品 电子控制节气门系统的是在电喷系统的节气门机构中去掉了一些附属补 偿装置，增加了新的电控单元、直流电机、减速齿轮、驱动电路等。与传统的 节气门控制方法不同，电子节气门系统中节气门在任何工况下都直接由电机驱 动：而且e c u 可综合车辆管理信息和发动机工况的变化而随时配制一个最佳的 混合气成分。这种最佳的混合气成分，届时按发动机的动力性、经济性，特别 是按减少排放有害物的要求来确定，具有良好的怠速、加速、减速等过渡性能。 下面介绍几种电子节气门的系统及产品。 2 1 早期电子节气门 早期电子节气门保留了原来的进气控制方式即踏板与节气门联动，以作为 备用。如下图2 - l 所示。 平时主节气门全开，只对辅助节气门进行控制，在电子节气门失去作用后， 启用原来的油门拉线控制方式；经过长期试验证明，电子控制比原来的控制安 全可靠得多，所以现在的电子节气门控制系统已经大胆舍弃备用的拉线控制设 备。简化了结构，降低了成本。 图2 1 双阀式电子节气门的结构 仃并度件一 巷抨 四川大学硕士学位论文 2 2 丰田智能电子节气门系统 1 9 9 6 年，丰田公司研制的智能电子节气门系统“2 3 i e t c s - - i 见图2 - 2 所示。 2 2 1e t c s l 的组成 ( a ) 加速踏板位置传感器 安装在节流阀体上的加速踏板位置传感器是和由加速踏板伸出的拉索连 接的节气门拉杆结合在一起。加速踏板位置传感器将加速踏板移动量转换成带 有不同输出特性的两类电子信号，之后信号被输入发动机e c u a ( b ) 节气门位置传感器 节气门位置传感器将节气门开度转换为一个电子信号并输人发动机e c u ， 输出特性与加速踏板传感器的一样。 ( c ) 节气门控制电机 具有灵敏反应和低能耗的直流电机被用作节气门控制电机。发动机e c u 通 过对节气门控制电机的电流的方向和强度进行占空比控制来调节节气门开角。 ( d ) 电磁离合器 图2 - 2 丰田e t c si 结构和工作原理 四川大学硕士学位论文 在正常情况下，电磁离合器接合使节气门控制电机能够打开和关闭节气门， 当系统出现故障时，电磁离合器被分开以防止节气门控制电机打开和关闭节气 门。在复位弹簧作用下节气门固定在微开的位置，只产生四分之一最大马力。 2 2 2 工作原理： 如图2 - 2 所示，发动机e c u 根据加速踏板位置传感器、节气门位置传感器、 车速档位、驾驶模式、怠速状况和其他有关方面的信息，经过处理和运算，确 定控制电机的工作方式，并驱动节气门控制电动机，使节气门处在该工况下的 最佳开度位置，从而在不同行驶条件下实现不同节气门开度的优化控制，获得 满意的发动机性能。 2 2 3 可实现的控制功能： ( 1 ) 非线性控制 控制节气门至一个最佳的节气门开度来适应加速踏板移动量和发动机转速 等行驶条件，以实现在全部工作范围良好的节气门控制和适应性。图2 - 3 显示 了车辆加速和减速时的节气门开度非线性控制。 ( 2 ) 怠速控制( i s c ) 以前是使用步进电机控制怠速控制阀来完成，例如冷车快怠速和一般怠速 提升的怠速控制。与采用e t c s 适应，现在怠速控制是由节气门控制电机直接 控制节气门开度来完成的。 ( 3 ) 减少换档冲击控制 节气门开度是自动变速器实现自动换挡的一个重要控制参数，自动变速器 根据节气门开度( 即发动机负荷) 选择传动比，实现自动换挡；所以如果节气门 开度控制与变速器换档控制同步，即可达到目的。 四川大学硕士学位论文 图2 - 3 加速和减速时的节气门开度控制 ( 4 ) 节气门回位控制( t r c ) 作为t r c 系统的一部分，如果一个驱动轮上产生的打滑量超过预定范围， 节气门就会根据a b s 、t r c 和v s c 的e c u 发出的指令信号减小开度，以利于 保证汽车的稳定性和驱动力。 ( 5 ) 车辆稳定控制系统( v s c ) 协调控制 为使v s c 系统的效用达到最佳状态，由a b s 、t r c 和e t c 的e c u 施加 协调控制来控制节气门开度。 ( 6 ) 巡航控制系统( c c s ) 以前，车速是由巡航控制器打开和关闭节气门来控制的，采用e t c s 后， 车速是由节气门控制电机控制节气门来实现。 ( 7 ) 失效保护控制 e t c s 出现异常情况，“c h e c ke n d ”将会在多信息显示屏上显示以提醒驾驶 员；同时切断节气门控制电机和电磁离合器的电流以停止e t c s 操作，使回位弹 簧关闭节气门。即使在这种情况下，加速踏板可用缓慢行驶模式来操作节气门， 驾驶员可缓慢驾驶汽车到安全地点。 应用了电子节流阀体的发动机管理系统与采用机械节流阀体的发动机管理 系统相比，电子节气门系统可以分析驾驶者的动作及解析其意图，来产生最佳 的操控及稳定性，减少冷车时的废气排放。例如，一般情况下，我们要得到撮 快的加速动作，往往就是直接将油门踩到底，让节气门全开，可是这样的控制方 式，并非对发动机是最有效率的。采用电子节气门的发动机，在接受到驾驶员 踩到底这样的指令时，并不会直接将节气门全开，而是根据发动机当时的负荷 四川大学硕士学位论文 及转速增加的速度，渐进式地开启节气门，得到最有效率的进气控制，从而使 得发动机的加减速更顺畅、快速、更省油。如果其中一个位置传感器的信号发 生错误，e c u 会关掉节气门控制伺服电机并且由喷油及点火正时来调整动力。 2 3b o s c h 的m o i r o n icm e 7 发动机管理系统。 1 9 9 7 年b o s c h 公司推出了m o t r o n i cm e 7 发动机管理系统，它是带电 子节气门控制( e t c ) 的集成了喷油和点火控制的m o t r o n i c 系统。 m e 7 发动机管理系统的最大特点是引入了以扭矩为主的控制理念。其主要 1 7 1 的是把大量各不相同的目标联系在一起，在各种不同的开环和闭环控制功能 对发动机扭矩产生反馈作用。时常同时出现互相矛盾的要求在以扭矩为主的系 统中，所有这些功能反映驾驶员需求特点的发动机扭矩行为。m e 7 灵活响应的 扭矩为主的控制系统可将这些相互矛盾的要求按优先顺序排列，并执行最重要 的一个要求，这就是以扭矩为主结构的特点，所有功能都互不相干的独自提供 对扭矩的要求。 m e 7 发动机管理系统的扭矩调节在调节内部扭矩产生时有两条途径可供 选择。一条途径提供渐进响应，由触发电子节气门来控制。另一条途径提供快 速响应，依靠点火正时和分别使汽缸停止喷油来实现。慢速途径也叫冲量控制 途径，负责为产生给定扭矩计算出响应的冲量，然后由此决定汽缸的迸气量。 再由节气门提供。快速途径能够对扭矩产生中的动态变化作出快速响应。m e 7 发动机管理系统与b o s c h 以往的发动机相比其较大的变化即该系统采用了电 子节气门控锩4 系统。在该系统中自n 速踏板不再以机械方式直接与节气门相连。 这一系统的加速踏板是一个电位计，称为加速踏板模块，它的输出电压信号反 映加速踏板位置，它起一个传感器的作用。e c u 将其信号作为驾驶员对发动机 的扭矩需求，但加速踏板位置与节气门位置并不存在一一对应关系。e c u 除了 根据加速踏板位置及其改变速度以外还要考虑节气门角度、进气量、转速、冷 却液温度等传感器信号以及汽车底盘电子控制信号经计算后确定节气门应有的 开度，然后发出指令给节气门装置的直流电机，通过一套减速机构驱动节气门 轴。节气门位置信息通过节气门位置传感器馈给e c u ，借此实现节气门位置的 四川大学硕士学位论文 闭环控制，这种控制方式避免了机械式加速踏板杆系的摩擦、间隙、磨损引起 的误差。 2 4 德尔福第二代电子节气门e t c 系统m 德尔福公司第二代电子节气门e t c 系统己成为发动机完全电子控制的一 个重要设备。d e l p h ie t c 系统示意如图2 - 4 。 图2 _ 4 d e i o h ie t c 系统组件 其组成包括：电子节流阀体，2 3 个踏板位置传感器，2 个节气门位置传 感器，1 个直流电机，两级减速齿轮，动力控制模块( p c m e c m ) 。 d e l p h ie t c 系统第二代有三种工作模式： ( 1 ) 正常模式：缺省设置，在大多数驾驶条件下； ( 2 ) 动力模式：在需要强大功率时( 需要大油门及瞬间扭力的提升) ； ( 3 ) 雪地模式：维持最大的操控性，减少轮胎的滑差。 该e t c 系统具有故障自诊断系统( 包括刹车转换，电机控制进气流量， 位置传感器信号等) 和多种运行模式( 包括正常模式、安全运行模式、发动机 关闭模式、动力管理模式、强制怠速模式、限速模式、诊断故障备份控制、c p u 在内的所有部件自检等) 。该系统的特点： ( 1 ) 海拔高度补偿：节气门相应增大，踏板的响应与平时一样，不会改 变。 ( 2 ) 结构紧凑：集成加速控制，怠速控制，巡行控制等，使用同一执行 器。 1 6 四川大学硕士学位论文 安装该系统前后的对比试验结果： ( a ) 排放测试。 见表2 一l ，三种排放明显减少。 、排放 排放测试结果与前对比( w t d g k m ) 发动机型h cc 0 n o x 3 5 l v 60 0 4 2 0 0 8 1 o 6 9 9 3 4 1 80 1 8 3 o 3 1 l 1 6 l l 4 o 0 1 9 7 0 0 6 60 1 6 9 ，o 5 80 0 3 0 0 0 5 8 表2 1 安装d ei p hie f c 系统前后排放测试数据 ( b ) 海拔高度补偿。 无e t c 时，不同大气压时发动机的功率输出差异是很明显的；而采用e t c 后，在较小功率时则感受不到大气压变化的影响。其对比图见图2 5 。 无e t c 海拔高度补偿 有e t c 海拔高度补偿 图2 5不同大气压下踏板位置与动力曲线的关系 c 行车断油限速控制。在机械式节气门控制下，发动机转速和扭矩变化存 在剧烈的振荡；而采用e t c 后，可使扭矩和转速的变化平缓变化。其对比图见 图2 - 6 。 四j i l 大学硕士学位论文 性。布 图2 - 6 没有e t c 与有e t c 发动机断油限速性能对比曲线 以上试验结果可看出，电子节气门控制系统在排放和舒适性方面的优越 2 5 电子节气门控制的优点m ： ( 1 1 节气门开度的精确控制。在普通节流阀体上、节气门的开度由加速踏板 的踏下量来控制；而e t c s 根据发动机e c u 对应于驾驶状况来计算出最佳豹节 气门开度，并利用气门控制电机来控制节气门的开度。 ( 2 ) 汽车整个控制系统结构简化。e t c s 可同时控制怠速控制系统、巡航控 制系统和车辆稳定控制系统，使车辆结构大大简化。 ( 3 ) 具有更高的可靠性。e t c s 为确保车辆行驶的可靠性，节气门平衡位置 处于一个微小开度，当e t c s 出现异常或不能工作时，发动机仍可运行。有的 e t c s 则提供了一个双重操纵系统，在此情况下系统可被切断，仍由加速踏板 缓慢操纵汽车行驶。 2 6 电子节流阀体产品简介 d e l p h i 、b o s c h 、v i s l r i j o n 、m a g n e tn a r i e 和d e n s o 等公司的电 子节气门产品都已大量投放市场。发展我国的汽车电子产品，首先要借鉴别人 的先进成果。下面介绍一些节流阀体产品。 四川大学硕士学位论文 ( 1 ) b o s c h 公司的产品 图2 - 7b o s g h 公司第二代产品 b o s c h 公司的第一代电子节气门产品的控制器是独立的，第二代产品的控 制器集成到发动机e c u 中，其产品如图2 7 所示，它采用线性电位计作为节气 门转角传感器，直流伺服电机驱动，两级塑料减速齿轮传动。 ( 2 ) v i s t e o n 的产品 图2 _ 8v i s t e o n 公司的节流闷体 采用低扭矩步进直流电机；双节气门位置传感器为发动机控制模块提供信 息；双复位弹簧；8 度缺省节气门角度设置，没有迟滞现象。 o ) m a g n e tn a r i e 公司的电子节流阀体 图2 - 9v o i v e 公司用m a r i i i i 产电子节气门 1 9 四川大学硕士学位论文 采用直流伺服电机，两级减速齿轮连接电机和节气门轴，控制精确，需要 的动力更少：两节气门位置传感器，有相互监控的作用；两回位弹簧；线路相 互屏蔽：外接微处理器及控制电路。 四川大学硕士学位论文 第三章结构设计 电子节流阀体主要由节气门位置传感器、节气门驱动电机及节气门三部分 组成。而本文主要研究的是如何有效地集成国外成熟的节气门位置传感器、直 流电机部件对节气门部分进行开发。 3 1 总体结构 根据发动机对节流阀体的功能要求，同时为便于分析其运动结构，将系统 各部分简化可得如图3 1 所示模型： 衡位置挡块 岳离瞩付 减谏齿轮 直流电机 平衡位置 由壁过1 节流阀体运动结构示意 图3 1 中最低限位保证节流阀体的最小基础空气流量并防止阀片与阀体粘 和在一块。 默认怠速位置保证发动机启动及跛行回家的空气流量。 最高限位保证节流阀体的最大空气流量。 3 1 1 主要完成的功能 ( 1 ) 根据e c u 输出的电信号，节气门阀片转动到相应的位置以提供发动机 四川大学硕士学位论文 各工况所需的合适的空气流量 ( 2 ) 向e c u 反馈节气门的位置 ( 3 ) 在无e c u 控制信号时，提供一个默认怠速位置以供给发动机跛行回家 的空气流量 3 1 2 结构布置 考虑到整个发动机在整车上的安装空间，特别是向歧管的左方与车身的空 间及其有限需尽可能地减小节流阀体的轴向尺寸，特别是阀体中心到i 副本最左 边的尺寸故考虑将齿轮传动系统及节气门位置传感器均放置在阀体中心的右 方 其结构示意图如下图3 2 ： 图3 - 2节流阀体 直流电机扭矩经两级齿轮减速齿轮传递到节气门轴上。节气门位置传感器 将位置信号反馈到发动机e c u ，并由它来控制电机扭矩。 整个节流阀体包括以下主要零部件：节气门位置传感器、直流电机、轴承、 本体、中间齿轮、末级齿轮、节气门轴、节气门片、回位扭簧、怠速调节装置 护盖 ( 1 ) 本体提供与发动机进气歧管、空气滤清器的接口 四川大学顽士学位论文 ( 2 ) 节气门位置传感器安装在节气门轴上，由它提供两条信号来反映节气 门开度 ( 3 ) 直流电机安装在节流阀体的上部，并与节气门轴平行尽可能靠近节 气门轴 ( 4 ) 节气门片安装在节气门轴上，阀片与节气门轴同步转动轴端与传动 系统的末级齿轮连接，由齿轮提供驱动力矩 ( 5 ) 怠速调节装置用于产品出厂前调节怠速默认位置及最低位置 ( 6 ) 电机、中间齿轮、末级齿轮构成整个传动系统及动力源用于控制节气门 阀片的响应 ( 7 ) 护盖用于保护传动系统及传感器不受外界环境的干扰，并将传感器与 电机的电路接插件集成在一起 ( 8 ) 回位扭簧在电机失效时能保证阀片回到怠速默认位置以保证安全性 3 2 节气门位置传惑器 踏板和节气门位置传感器都是两个电位计，传统的节气门位置传感器如图 3 1 ，图3 3 ，图3 4 所示，采用两个是出于安全可靠性而进行的冗余设计。 电位计输出信号与其相应的位置成线性关系( 其关系见图3 5 ) 。 鹾许? 图3 3 踏板机构 四川大学硕士学位论文 蔷1 0 0 兰 8 0 o 墨6 0 & 4 0 o 2 0 卜1 1 0 图3 - - 4 节气门位置传感器示意 t p so u t p u tc u r v e s 01 02 03 0 4 05 06 07 08 0 9 0 r o t a t i o n ( d e g r e e s ) 图3 - 5t p s 输出与节气门转角关系 电位计输出信号z 雕的电压在0 5 4 5 伏之间变化，而节气门位置相应在 o - - 9 0 度之间变化。其中一传感器信号”强电压随角度增大而从0 5 到4 5 伏， 而另一传感器信号即是电压则相反，从4 5 到0 5 伏变化，但任何时候，两者 四川大学硕士学位论文 之和总等于传感器加载电压5 伏，这就便于两传感器信号之间的相互监测。 由现今传感器的发展趋势来看，非接触式的节气门位置传感器大有取代接 触式节气门位置传感器的趋势。 非接触式传感器的主要优点是无磨损；抗电磁干扰及温度干扰。 根据节气门位置传感器的使用要求及公司现有资源条件选择应用非接触 式传感器。f 如图3 6 ) 3 2 1 测量原理渊 图3 _ 6 非接触式传盛器定子、转子外形图 传感器利用定片( s t a t o rp c b 印刷电路板) 上的平面线圈来实现信号的采 集与输出。同心激励线圈连接到a s i c ( 特定用途集成电路) 里面的振荡器上 ( o s c i l l a t o r 晶振) ，并提供4 m h z 的电磁激励场。定片上有三个弯曲的接收器线 圈，转动动片，接收器上会产生不同的激励信号；同时，接收器线圈中的激励 信号会使动片中产生电动势和电流，于是，动片中产生2 一n d 场，它们相 互叠加连接并返回接收器线圈。 四川大学硕士学位论文 信号由a s i c ( 集成电路) 进行处理。提供的接口为模拟、数字( p w m ) 同时该传感器还可具有自我测试的功能，它能够检测到以下故障现象并报出故 障代码： l ，线路没连上； 2 ，检测不到动片； 3 ，无激励信号或接受信号； 4 ，提供电压错误。 3 2 3 运行温度 4 0 度+ 1 2 5 度( 极限值：1 0 0 小时在1 5 0 度时) 3 。2 4 装配要求 轴向： _ 0 5 m l n 径向： = 4 - 0 2 l l u l l 倾斜度： _ o 5 度 一 一 咖 o o一1 m 4 3 1 长宽高 四川大学硕士学位论文 3 3 电机 节气门的驱动电机一般是直流饲服电机和步进电机。尽管近年来直流电动 机不断受到交流电动机及其他电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数 变速运动控制和闭环位置饲服控制最优先的选择。因为它具有良好的线性特性， 优异的控制性能，很高的效率等优点；特别是中小功率系统中常采用永磁直流 电动机，只需要对电枢回路一个回路进行控制，电子控制电路相对较简单。而 无刷直流电动机、步进电动机、交流异步电动机或开关磁阻电动机都是多回路 的控制，电路要复杂得多，由于需要更多的功率开关器件，使成本相应增大， 虽然直流电动机存在电刷磨损、换向火花等对可靠性不利的因素和需要较多的 维护，但对于许多实际的应用来说，用现代技术制造的直流电动机的可靠性还 是足够的。 近年来，随着控制技术的成熟，步进电机也开始得到广泛应用。如果需要 经常保持在一个位置上的时间较长，并且控制精度要求不高，则它具有较高的 效率；但是节气门位置控制中，需要随着驾驶工况变化而不断变化，要求具有 很高的灵活性和精确性；而且步进电机只能到达有限位置，也不利于控制器设 计，所以节气门控制电机多采用直流饲服电机。利用电机控制节气门位置，需 要控制电机扭矩，而扭矩正比于电机线圈中的电流。控制电流有两种方式，线 性放大方式和开关方式。前者比较简单，只需要在电机电路中接入可变电阻进 行调节即可，但这种方式在电阻上浪费的能量很多，因而效率较低，而且散热 也是个问题。对于微小功率，数瓦以下的电机，才采用这种驱动方式。大多数 直流电机驱动集成电路则是采用开关型驱动方式，其中又以定频脉宽调制( p 1 】| m ) 为常见方式”。 3 3 1 电机电路 四川大学硕士学位论文 图3 7 宣流电机示意图 节气门驱动电机为永磁直流电机，其等效电路示意见图3 7 ，电机参数见 符号说明。反电势e a 可看作可变电压源，它和电机转速成正比关系；电磁扭 矩t a 与电枢电流i 呈正比关系，电枢电阻如和电源内阻较小，在电机起动和堵 转时有一定的限流作用；而电枢电感l 则对动态性能有较大的影响。 由上图，据基尔霍夫定律，建立方程： ，矗 r f + 耳f + 三罢+ 一t - - u = o ( 3 - - 1 ) “f 其中 = 吃。k 2 m = k 珊 3 3 2 电机参数 参考国外类似产品已成熟使用的电机及主机厂的推荐，选定由j o h s o n c o n t r o l 生产的直流电机。其主要参数如图3 8 ，图3 - 9 ： 堕业茎兰堡主兰竺堕塞 图3 _ 8 电机外形及外形尺寸 -1if圳引剐叫lj 四j i l 大学硕士学位论文 4 _ 9 0 0 4 o 3 筘o j 0 巨2 o 辱 暑 2 0 0 0 m 1 5 0 0 l 0 蓟0 。 慕、 一 蘸 霹 餐 、_ _1 i 涮4 潺。 黎 繁簿謦匿薹蘸! 要 i 专曩童爨心墟躐甚 ? 皇 士 叁 羔- l z 蓦蒋黔穗鞴 中 _ ：r ：了z- f - 一 t 盯q u e ( r f 卜n m j 图3 - 9 电机性能曲线 电机定位尺寸见图3 - 8 ： 推荐电机定位方式：由电机尾部小圆柱及电机外圆定位 设计一钢板用三螺钉压住电机。 并且采用： 波形垫圈：限制其轴向窜动； 电机头部两凹槽：限制其转动： 3 4 传动系统 3 41 传动系统的设计主要考虑因素： 1 、 节气门轴的转速降到符合发动机管理系统所要求的目标转速。以目 前所采用的直流电机来看，较适合的传动比约为2 0 。 3 0 7 6 5 4 j 2 0m罐*m。 四川大学硕士学位论文 2 、 保证节气门轴到电机齿轮轴之间的距离，在安装上电机后电机的外 径不能与本体安装孔干涉( 本体安装孔位置须按主机厂的要求布置，其简图如 图3 1 0 ：) 图3 _ 1 0 本体安装孔位置简图 3 、尽可能地降低整个系统的转动惯量，以提高系统的反应灵敏性。 4 、 考虑到节气门位置传感器( 非接触式) 的安装，节气门轴中心到电 机齿轮齿顶的距离必须大于传感器转子的半径。 3 4 2 传动系设计“蚰 考虑到传动比i = 2 0 及传动系的安装空间设计的齿轮参数为： 初步分配传动比：i l - i “0 5 - 0 0 3 * 2 0 = 3 8 7