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摘要：本課題是采用可編程序霍爾傳感器,實(shí)現(xiàn)汽車電噴系統(tǒng)的主要部件-電子節(jié)氣門無(wú)觸點(diǎn)控制。通過(guò)研究和試驗(yàn),達(dá)到了同類進(jìn)口產(chǎn)品性能指標(biāo),使傳統(tǒng)的電阻式節(jié)氣門有觸點(diǎn)電位輸出變?yōu)闊o(wú)觸點(diǎn)電位變化控制輸出,無(wú)機(jī)械磨損,大大的延長(zhǎng)了電子節(jié)氣門壽命。同時(shí)無(wú)觸點(diǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門通過(guò)電控單元控制節(jié)氣門快速精確地定位。它的優(yōu)點(diǎn)在于能根據(jù)駕駛員的需求愿望以及整車各種行駛狀況確定節(jié)氣門的最佳開(kāi)度,保證車輛最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性,提高了安全性和乘坐舒適性。為汽車電噴系統(tǒng)主要部件國(guó)產(chǎn)化填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

1概述

由于人們對(duì)汽車安全、排放以及舒適度等的要求越來(lái)越高,使得汽車電子的應(yīng)用幾乎呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。目前汽車電噴車發(fā)動(dòng)機(jī)常用的電子節(jié)氣門通常是電阻式。由于電阻式的機(jī)械連接方式造成節(jié)氣門開(kāi)度精度不高,精確定位差,屬于有觸點(diǎn)形式,長(zhǎng)時(shí)間磨損容易造成接觸不良,壽命短。特別是怠速和加油時(shí)節(jié)氣們開(kāi)度控制精度控制難度高,引起發(fā)動(dòng)機(jī)燃油給油量和動(dòng)力性不匹配,造成燃油浪費(fèi)。本課題就是對(duì)汽車電子節(jié)氣門進(jìn)行創(chuàng)新性的研究,實(shí)現(xiàn)汽車電噴系統(tǒng)電子節(jié)氣門無(wú)觸點(diǎn)控制。

2總體方案設(shè)計(jì)

2.1總體方案

無(wú)觸點(diǎn)電子節(jié)氣門主要由閥體組件、電機(jī)組件、減速齒輪機(jī)構(gòu)組件、節(jié)氣門位置傳感器組件等組成。采用高精度可編程霍爾芯片作為位置傳感器角度信號(hào)檢測(cè)單元。

2.2總體方案方基本工作原理

當(dāng)混車輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,需要加速時(shí),駕駛員操縱電子加速踏板,加速踏板傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)輸入節(jié)氣門ECU單元,ECU單元根據(jù)當(dāng)前的工作模式、踏板移動(dòng)量和變化率解析駕駛員意圖,對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理,輸出相應(yīng)的節(jié)氣門轉(zhuǎn)角控制信號(hào),經(jīng)引線插座直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn),電機(jī)帶動(dòng)兩極齒輪減速機(jī)構(gòu),減速齒輪帶動(dòng)閥片軸旋轉(zhuǎn),使閥片打開(kāi)一初始角度,使發(fā)動(dòng)機(jī)得到一空氣引入量?？諝怆S著節(jié)氣門閥片打開(kāi)進(jìn)入汽缸助燃可燃?xì)怏w燃燒。

閥片軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí),同步帶動(dòng)嵌在閥片軸上的旋轉(zhuǎn)磁極,這樣,旋轉(zhuǎn)的磁極端面與固定的可編程霍爾芯片由相對(duì)應(yīng)的初始角開(kāi)始以一定角度旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的磁極感應(yīng)固定的電路板上的可編程霍爾芯片,隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化,可編程霍爾芯片檢測(cè)出節(jié)氣門閥片即時(shí)角度,將即時(shí)角度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)輸入至電噴ECU控制單元,電噴控制單元根據(jù)當(dāng)時(shí)獲取的發(fā)動(dòng)機(jī)工況信息及各種傳感器信號(hào),如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、扭矩、能耗等,結(jié)合當(dāng)時(shí)的節(jié)氣門閥片開(kāi)度值,由電噴ECU計(jì)算出整車所需求的全部扭矩,及時(shí)對(duì)節(jié)氣門閥片開(kāi)度值進(jìn)行修正,電噴ECU輸出最佳的節(jié)氣門開(kāi)度位置信號(hào),驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)使節(jié)氣門閥片開(kāi)度形成閉環(huán)的位置控制,達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量最佳理想狀態(tài)。

2.3主要技術(shù)參數(shù)初步確定

2.3.1閥片初始轉(zhuǎn)角

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)初期的怠速狀態(tài),節(jié)氣門閥片必須保持一個(gè)初始機(jī)械開(kāi)度。根據(jù)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速,節(jié)氣門閥片初始機(jī)械開(kāi)度一般設(shè)定為5度左右。

2.3.2減速比及初始開(kāi)度

為保正節(jié)氣門閥片開(kāi)度精度,由電機(jī)輸出齒輪帶動(dòng)兩極齒輪檢速機(jī)構(gòu),初步設(shè)定減速比為:20:1;初始開(kāi)度:5°。

2.3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定電壓:DC12V;允許最大的電機(jī)電流:<10.0A;電機(jī)堵轉(zhuǎn)扭矩:min.165mNm;電機(jī)持續(xù)扭矩:45mNm;工作溫度:-40℃-140℃

3部件設(shè)計(jì)

3.1節(jié)氣門總成結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)圖略)

無(wú)觸點(diǎn)電子節(jié)氣門采用一體化構(gòu)思方案,即組件、電機(jī)組件、減速齒輪機(jī)構(gòu)組件、節(jié)氣門位置傳感器組件全部在一個(gè)閥體總成中,這樣的結(jié)構(gòu)在于控制簡(jiǎn)單、維修方便,體積小、制造成本低。

3.2總體結(jié)構(gòu)說(shuō)明

電機(jī)電極輸出對(duì)接方式采用一塊印制電路板,電路板上設(shè)定2個(gè)與電機(jī)電極對(duì)應(yīng)的電極插座,電極直接通過(guò)電路板引致位置傳感器引線插座。電機(jī)輸出齒輪通過(guò)兩極減速齒輪后帶動(dòng)閥片軸旋轉(zhuǎn)。由于旋轉(zhuǎn)磁極安裝在閥片軸端面,所以閥片軸同步帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)動(dòng)。見(jiàn)總體示意圖。

3.3芯片選擇

考慮到現(xiàn)代汽車電噴技術(shù)的發(fā)展需要,對(duì)于電子節(jié)氣門的功能、性能、安全等要求達(dá)到了一個(gè)相當(dāng)?shù)母叨?。所以在本課題的研究中,擬采用雙通道可編程霍爾芯片MLX90316。

MLX90316是一種三軸線性霍爾芯片傳感器,能夠測(cè)量水平磁場(chǎng),這使它能夠更容易地測(cè)量旋轉(zhuǎn)位置,它采用了平面霍爾傳感技術(shù)的單片集成傳感芯片。傳統(tǒng)的平面霍爾技術(shù)僅僅可以測(cè)量垂直于Ic表面的磁通密度,而Triaxis霍爾技術(shù)也可以檢測(cè)平行于Ic表面的磁通密度。MLX90316可以用來(lái)測(cè)量與芯片表面共面的磁通密度,可以得到從0度到360度的旋轉(zhuǎn)位置值,通過(guò)多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線性絕對(duì)位置信號(hào),并且成本相對(duì)便宜。圖1是MLX90316內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖。MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后,經(jīng)過(guò)14位微分型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP),再經(jīng)過(guò)16位DSP處理之后的數(shù)字信號(hào)分3路輸出。MLX90316輸出具有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圍溫度變化對(duì)輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出:由12位D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出;頻率為100Hz一1000Hz的PWM輸出。

3.4無(wú)觸點(diǎn)電子節(jié)氣門位置傳感器基本參數(shù)設(shè)定

線性輸出電壓的有效角度范圍設(shè)置:0--95°;工作電壓為5V時(shí),線性輸出電壓范圍:通道A:4.5至0.5V;通道B:0.5至4.5V;角度精度:0.1度;溫度范圍:-40℃~85℃;工作環(huán)境濕度:小于等于95%;輸出電流:每個(gè)通道≤12mA。

3.5旋轉(zhuǎn)磁極

MLX90316靈敏度較高,選擇與之相對(duì)應(yīng)的磁極在200高斯到500高斯范圍內(nèi)。

3.6位置傳感器輸出特性:為了保證系統(tǒng)可靠性,應(yīng)用可編程性能,采用雙通道反向控制輸出,達(dá)到由于某一通道出故障時(shí),ECU能及時(shí)判斷和調(diào)整工作模式,達(dá)到應(yīng)急安全行駛目的。

4電子節(jié)氣門總成制作與試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)無(wú)觸點(diǎn)電子節(jié)氣門試制和試驗(yàn),達(dá)到了預(yù)期效果,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,與進(jìn)口的同類產(chǎn)品相比,體現(xiàn)出突出的優(yōu)點(diǎn),比如裝配調(diào)試簡(jiǎn)單、維修方便、控制精確等。目前正應(yīng)用在我公司電噴車輛項(xiàng)目中。

5結(jié)束語(yǔ)

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)電噴技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新階段。但中國(guó)汽車電噴技術(shù)系統(tǒng)目前全部依賴國(guó)外,比如:博士、得爾福、西門子等。而電噴系統(tǒng)中的主要部件電子節(jié)氣門總成,同樣必須采用國(guó)外部件,不但價(jià)格昂貴,而且受制于國(guó)外公司制約。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家公司研發(fā)生產(chǎn)能替代國(guó)外電噴系統(tǒng)電子節(jié)氣門總成。無(wú)觸點(diǎn)電子節(jié)氣門研究,主要達(dá)到替代目前只能依靠進(jìn)口電子節(jié)氣門的目的,無(wú)論從技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)中國(guó)市場(chǎng)調(diào)查研究中心《2009年中國(guó)電子節(jié)氣門行業(yè)分析報(bào)告》,也為汽車電噴節(jié)氣門體行業(yè)的發(fā)展提供了可靠的參考依據(jù)。然而,電子節(jié)氣門的實(shí)際國(guó)產(chǎn)化,所以,電子節(jié)氣門的研究,是當(dāng)今我國(guó)汽車領(lǐng)域科技工作者的重要任務(wù)。通過(guò)本課題的研究,相信在我國(guó)汽車電噴部件研究會(huì)起到拋磚引玉之效果,使我國(guó)在這一領(lǐng)域得到加速發(fā)展。