探究摩托车节流阀体设计黄秋燕

探究摩托车节流阀体设计黄秋燕

黄秋燕

湛江德利车辆部件有限公司

摘要：节流阀体是摩托车上重要的发动机管理系统零部件，控制着发动机的进气量，俗称油门。节流阀体也是摩托车售后品质投诉和索赔的重点零部件。随着技术的发展，电子节流阀体有取代机械节流阀体的趋势。但机械节流阀体因控制简单、成本低等因素，仍然占据着部分市场份额。怠速控制是汽车运行的重要工况，怠速品质问题也是顾客投诉的热点，而节流阀体是怠速控制的重要零部件。

关键词：节流阀体的控制原理；控制原理；怠速控制技术对比及优化

引言：

节流阀是通过改变节流面积或节流长度以控制体流量的阀门。由于节流阀的流量不仅取决于节流口面积的大小，还与节流口前后的压差有关，阀的刚度小，且没有压力补偿措施，故只适用于执行元件负载变化很小且速度稳定性要求不高的场合。在天然气矿场，节流阀被广泛用来节流调压和作为经常开关的截止阀门。

一、机械节流阀体的控制原理

机械节流阀体主要应用在摩托车、微型客车和经济型轿车上，在乘用车中的市场份额初步估计为15%左右。节流阀体供应商主要有四川宏观、上海森萨塔、上海联创等国内零部件企业，不过他们只负责机械本体，然后把外购的步进电机和节气门位置传感器进行组装。步进电机主要供应商为大陆和瑞士SONCEBOZ，而节气门位置传感器主要供应商是博世、大陆、CTS等。图1为机械节流阀体总成结构图，由机械本体（包括阀片和卡簧）、节气门位置传感器、步进电机3部分组成。

节流阀体控制原理：踏板通过金属拉线拉动机械节流阀体上的卡簧，来推动阀体喉孔的阀片，以此来控制发动机的进气量。因进气量是通过驾驶员踩下或者松开踏板，然后由机械拉线控制节流阀阀片来控制进气量的，所以我们称之为机械节流阀体。阀片开度大小由节气门位置传感器检测反馈给ECU，ECU由此识别到节气门开度大小，从而实现运算。

另外，怠速控制的定义是驾驶员没有踏板请求（即驾驶员不对踏板进行动作），因此机械节流阀体阀片由于没有驱动电机而实现不了怠速进气量的控制。所以机械节流阀体都有一个怠速步进电机，安装在其旁通孔上，由ECU进行驱动，来控制怠速进气量。当怠速需求较小进气量时，ECU控制步进电机朝着0步（步进电机伸出堵死旁通孔）方向前进，依据目标怠速转速进行目标步数控制。当怠速需求较大进气量时，ECU控制步进电机朝着最大步数（步进电机收缩，旁通孔进气量最大化）方向前进，依据目标怠速转速进行目标步数控制。以发动机实际转速达到目标怠速转速实行时进行步进电机控制。

节流阀体的怠速控制有2个零部件影响较大：一个是节气门位置传感器，一个是步进电机控制。

1.1节气门位置传感器

节流阀体的节气门位置传感器插接件由3个针脚组成，分别是：搭铁、5V电源、传感器信号输出。节气门位置传感器的作用就是识别阀片机械0位，然后把信号反馈给ECU，从而作为计算怠速使能条件的依据。具体方法如下：节流阀体阀片在机械0位对应的电压为A，怠速控制门限值标定为R，如果A＜R，则进入怠速控制状态；如果A≥R，则跳出怠速控制状态。所以，节流阀体阀片在机械0位的电压值稳定性，对于怠速品质非常重要。但往往因为车辆老化、节流阀体积碳、线束干扰或者接触不良等因素，导致阀片机械0位电压偏移，超出怠速控制门限值的标定值R，导致怠速不稳或者怠速高的问题。所以节流阀体节气门位置传感器的信号处理是ECU控制策略的关键技术。

1.2步进电机控制

步进电机是执行器，其插接件由4个针脚组成，分别是：步进电机驱动端A、B、C、D。这4个端子全部用来驱动步进电机。常用步进电机的步数是0到220步左右，步数越大对应的进气量越高。由于步进电机没有反馈信号，ECU发出指令控制到某一位置，而实际上是否达到预定位置，ECU是无法识别的，所以步进电机不可避免存在失步的可能性。这样步进电机0位自学习的准确性以及控制中如何尽量避免失步的可能性，是ECU怠速控制策略的关键技术。

二、电子节流阀体的控制原理

电子节流阀体供应商主要有博世、电装、大陆、德尔福等外资零部件企业，这4家产品在中国的市场份额达到80%（其中博世一家就接近40%），其它被伟世通、日立、三菱，马瑞利、法雷奥等分配。由机械本体（包括阀片和卡簧）、直流电机集成节气门位置传感器两部分组成

电子节流阀体控制原理：踏板通过线束连接到直流电机及节气门位置传感器插接件上。驾驶员踩下电子踏板，电子踏板的电位计把信号传递给ECU，ECU计算踏板开度作为驾驶员的扭矩需求，来驱动电子节流阀体直流电机，控制阀片，使进气量满足控制需求。节气门位置传感器检测阀片开度，传递给ECU，ECU对节气门开度进行闭环控制。对于电子节流阀体的怠速控制，首先ECU通过踏板信号计算怠速控制使能条件，怠速控制使能条件满足，ECU控制直流电机驱动节流阀阀片到怠速控制预定位置，然后根据目标怠速进气量需求对节流阀阀片进行控制。电子节流阀体的怠速控制有两个零部件影响较大：一个是电子踏板位置传感器，一个是节流阀体直流电机及对应的节气门位置传感器。

2.1电子踏板位置传感器

电子踏板位置传感器插接件由6个针脚组成，分别是：5V电源1、2，传感器搭铁1、2，踏板位置传感器信号1、2。其中踏板位置传感器信号1作为主信号给ECU计算踏板开度，踏板位置传感器信号2作为冗余信号对踏板位置传感器1进行诊断。踏板位置传感器1信号电压+踏板位置传感器2信号电压＝5V。同机械节流阀体类似，在踏板机械0位对应的电压为A，怠速控制门限值标定为R，如果A＜R，则进入怠速控制状态；如果A≥R，则跳出怠速控制状态。电子踏板的机械0位电压信号相对机械节流阀体阀片机械0位电压信号较稳定，不会存在积碳等问题的出现。重点关注的是线束信号干扰，但因其是两路冗余信号，可实现互为诊断。

2.2直流电机及节气门位置传感器

直流电机及节气门位置传感器插接件由6个针脚组成，分别是：直流电机正极、负极，传感器搭铁，传感器5V电源，节气门位置传感器信号1、信号2。其中节气门位置传感器信号1作为主信号给ECU计算节气门开度，节气门位置传感器信号2作为冗余信号对节气门位置传感器1进行诊断。节气门位置传感器1信号电压+2信号电压=5V。电子节流阀体阀片开度最小位置为机械0位，最大开度为机械最大位置。而在ECU控制算法中，电子节流阀体的0%开度对应的是电子0位，100%开度对应的是电子最大位置。所谓电子0位就是直流电机驱动节流阀片所能达到的最小位置，电子0位大于机械0位的开度，它们之间的开度偏差对应的进气量叫做漏气量。从控制系统上来说，电子位是我们关注的重点，对于怠速控制来说，电子0位的准确识别对于怠速直流电机控制进气量来说很重要。与机械节流阀体的节气门位置0位自学习、步进电机0位自学习一样，电子节流阀体也要对阀片的电子0位进行自学习。另外，电子节流阀体节气门位置，还有一个默认位的概念，所谓默认位就是直流电机切断电源后，阀片的自然位置。当ECU识别到安全相关的故障后，ECU就切断电子节流阀体的直流电机电源，阀片回到默认位置，发动机转速稳定，且大于等于怠速转速，只是为了跛行功能，方便驾驶者在不影响安全驾驶的情况下，低速运行车辆到4S店进行维修。所以电子节流阀体阀片默认位置开度≥怠速控制时的节气门位置。这样就有：默认位置≥怠速位置＞电子0位。

三、两种节流阀体怠速控制技术对比及优化

虽然在怠速品质问题控制上，电子节流阀体相对机械节流阀体有明显的优势，但机械节流阀体并非一无是处，也有自己的优势：①机械节流阀体价格便宜；②机械节流阀体的阀片是驾驶员通过机械拉线控制，不存在电信号干扰导致的失控。而电子节流阀体是电信号，电子踏板发出的电信号如果不可信（如信号对电源短路等），或者电子节流阀体位置传感器不可信（如短路），亦或者直流电机驱动电路短路等，都会导致电子节流阀体不可控，导致飞车的危险（如丰田制动门）。这要求电子节流阀体系统必须进行完善的电子安全功能监控策略和标定，系统相对复杂。

结束语：

了解机械节流阀体和电子节流阀体控制特点，分析其对怠速品质问题产生的机理，优化控制系统，可让机械节流阀体的怠速品质问题达到或者接近电子节流阀体技术水平。根据实际项目的品质目标、成本目标及产品市场定位，选择适合自己的产品技术。

参考文献：

[1]祁克光：《怠速步进电机失步纠错控制策略研究》.2016.08

[2]张德政：《节流阀体压铸模计算机辅助设计与制造》.2015.03

[3]张海平：《插装阀体复杂孔系的CAD》.2017（01）