汽车电喷系统电子节气门研究

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摘要：本课题是采用可编程序霍尔传感器,实现汽车电喷系统的主要部件-电子节气门无触点控制。通过研究和试验,达到了同类进口产品性能指标,使传统的电阻式节气门有触点电位输出变为无触点电位变化控制输出,无机械磨损,大大的延长了电子节气门寿命。同时无触点汽车发动机电子节气门通过电控单元控制节气门快速精确地定位。它的优点在于能根据驾驶员的需求愿望以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度,保证车辆最佳的动力性和燃油经济性,提高了安全性和乘坐舒适性。为汽车电喷系统主要部件国产化填补国内空白。

1概述

由于人们对汽车安全、排放以及舒适度等的要求越来越高,使得汽车电子的应用几乎呈现指数级增长。目前汽车电喷车发动机常用的电子节气门通常是电阻式。由于电阻式的机械连接方式造成节气门开度精度不高,精确定位差,属于有触点形式,长时间磨损容易造成接触不良,寿命短。特别是怠速和加油时节气们开度控制精度控制难度高,引起发动机燃油给油量和动力性不匹配,造成燃油浪费。本课题就是对汽车电子节气门进行创新性的研究,实现汽车电喷系统电子节气门无触点控制。

2总体方案设计

2.1总体方案

无触点电子节气门主要由阀体组件、电机组件、减速齿轮机构组件、节气门位置传感器组件等组成。采用高精度可编程霍尔芯片作为位置传感器角度信号检测单元。

2.2总体方案方基本工作原理

当混车辆发动机启动后,需要加速时,驾驶员操纵电子加速踏板,加速踏板传感器产生相应的电压信号输入节气门ECU单元,ECU单元根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图,对输入的信号进行处理,输出相应的节气门转角控制信号,经引线插座直接驱动直流电机旋转,电机带动两极齿轮减速机构,减速齿轮带动阀片轴旋转,使阀片打开一初始角度,使发动机得到一空气引入量。空气随着节气门阀片打开进入汽缸助燃可燃气体燃烧。

阀片轴旋转的同时,同步带动嵌在阀片轴上的旋转磁极,这样,旋转的磁极端面与固定的可编程霍尔芯片由相对应的初始角开始以一定角度旋转,旋转的磁极感应固定的电路板上的可编程霍尔芯片,随着旋转角度的变化,可编程霍尔芯片检测出节气门阀片即时角度,将即时角度相对应的电压信号输入至电喷ECU控制单元,电喷控制单元根据当时获取的发动机工况信息及各种传感器信号,如发动机转速、车速、发动机温度、扭矩、能耗等,结合当时的节气门阀片开度值,由电喷ECU计算出整车所需求的全部扭矩,及时对节气门阀片开度值进行修正,电喷ECU输出最佳的节气门开度位置信号,驱动控制电机使节气门阀片开度形成闭环的位置控制,达到发动机进气量最佳理想状态。

2.3主要技术参数初步确定

2.3.1阀片初始转角

为保证发动机启动初期的怠速状态,节气门阀片必须保持一个初始机械开度。根据电喷发动机怠速转速,节气门阀片初始机械开度一般设定为5度左右。

2.3.2减速比及初始开度

为保正节气门阀片开度精度,由电机输出齿轮带动两极齿轮检速机构,初步设定减速比为:20:1;初始开度:5°。

2.3.3驱动电机

驱动电机额定电压:DC12V;允许最大的电机电流:<10.0A;电机堵转扭矩:min.165mNm;电机持续扭矩:45mNm;工作温度:-40℃-140℃

3部件设计

3.1节气门总成结构(结构图略)

无触点电子节气门采用一体化构思方案,即组件、电机组件、减速齿轮机构组件、节气门位置传感器组件全部在一个阀体总成中,这样的结构在于控制简单、维修方便,体积小、制造成本低。

3.2总体结构说明

电机电极输出对接方式采用一块印制电路板,电路板上设定2个与电机电极对应的电极插座,电极直接通过电路板引致位置传感器引线插座。电机输出齿轮通过两极减速齿轮后带动阀片轴旋转。由于旋转磁极安装在阀片轴端面,所以阀片轴同步带动旋转磁极转动。见总体示意图。

3.3芯片选择

考虑到现代汽车电喷技术的发展需要,对于电子节气门的功能、性能、安全等要求达到了一个相当的高度。所以在本课题的研究中,拟采用双通道可编程霍尔芯片MLX90316。

MLX90316是一种三轴线性霍尔芯片传感器,能够测量水平磁场,这使它能够更容易地测量旋转位置,它采用了平面霍尔传感技术的单片集成传感芯片。传统的平面霍尔技术仅仅可以测量垂直于Ic表面的磁通密度,而Triaxis霍尔技术也可以检测平行于Ic表面的磁通密度。MLX90316可以用来测量与芯片表面共面的磁通密度,可以得到从0度到360度的旋转位置值,通过多种模式输出准确度很高的线性绝对位置信号,并且成本相对便宜。图1是MLX90316内部的结构框图。MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍尔技术的传感器。由霍尔传感器得到的二路正交的模拟信号经过放大处理后,经过14位微分型A/D转换器进入芯片微处理器(DSP),再经过16位DSP处理之后的数字信号分3路输出。MLX90316输出具有12位角度分辨率,10位角度精度,并且在一定程度上可以避免外围温度变化对输出精度的影响。MLX90316具有3种输出:由12位D/A转换为模拟量输出;频率为100Hz一1000Hz的PWM输出。

3.4无触点电子节气门位置传感器基本参数设定

线性输出电压的有效角度范围设置:0--95°;工作电压为5V时,线性输出电压范围:通道A:4.5至0.5V;通道B:0.5至4.5V;角度精度:0.1度;温度范围:-40℃~85℃;工作环境湿度:小于等于95%;输出电流:每个通道≤12mA。

3.5旋转磁极

MLX90316灵敏度较高,选择与之相对应的磁极在200高斯到500高斯范围内。

3.6位置传感器输出特性:为了保证系统可靠性,应用可编程性能,采用双通道反向控制输出,达到由于某一通道出故障时,ECU能及时判断和调整工作模式,达到应急安全行驶目的。

4电子节气门总成制作与试验

通过对无触点电子节气门试制和试验,达到了预期效果,各项指标均达到设计要求,与进口的同类产品相比,体现出突出的优点,比如装配调试简单、维修方便、控制精确等。目前正应用在我公司电喷车辆项目中。

5结束语

车辆发动机电喷技术应用进入了一个新阶段。但中国汽车电喷技术系统目前全部依赖国外,比如:博士、得尔福、西门子等。而电喷系统中的主要部件电子节气门总成,同样必须采用国外部件,不但价格昂贵,而且受制于国外公司制约。目前国内还没有一家公司研发生产能替代国外电喷系统电子节气门总成。无触点电子节气门研究,主要达到替代目前只能依靠进口电子节气门的目的,无论从技术价值和经济价值,都具有重大的现实意义。根据中国市场调查研究中心《2009年中国电子节气门行业分析报告》,也为汽车电喷节气门体行业的发展提供了可靠的参考依据。然而,电子节气门的实际国产化,所以,电子节气门的研究,是当今我国汽车领域科技工作者的重要任务。通过本课题的研究,相信在我国汽车电喷部件研究会起到抛砖引玉之效果,使我国在这一领域得到加速发展。