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执行器的结构与工作原理 1 执行器的结构与工作原理 发动机微机控制系统的各种控制功能 都是借助于各自的执行器来完成的 因此根据发动机微机控制系统功能强弱的不同 各种发动机上配置的执行器亦有多有少 一般来讲 主要有 电动燃油泵 电磁喷油器 怠速空气调整器 和点火装置 2 目录 一 电动燃油泵二 电磁喷油器三 怠速空气调整器 3 一 电动燃油泵 电动燃油泵主要任务是供给燃油系统足够的具有规定压力的汽油 电动燃油泵的安装形式有两种 装在供油管路中或燃油箱内 A 进油 B 出油 图1 1电动燃油泵 4 图1 2电动燃油泵的结构 1 单向阀 2 安全阀 3 电刷 4 电枢 5 磁极 6 泵论 7 滤网 8 泵体 9 外壳 10 轮齿 电动燃油泵由泵体 永磁电动机和外壳等部分组成 如图1 2所示 永磁电动机通电即带动泵体旋转 将燃油从进油口吸入 流经电动燃油泵内部 再从出油口压出 给燃油系统供油 5 1 滚柱泵 滚柱泵是目前燃油泵最常用的形式 如图1 3所示 它由转子 滚柱和泵体组成 转子偏心的置于泵套内 燃油泵的电动机带动转子运转时 由 图1 3滚柱泵 6 于离心力的作用使滚柱向外侧移动与泵套内壁接触 这样 由转子 滚柱和泵套围成的腔室将随转子的运转而产生容积大小变化 在容积由小变大的一侧燃油被吸入 在溶剂由大变小的一侧燃油被压出 其过程如1 4图所示 7 图1 4滚柱泵工作过程 8 2 齿轮泵 图1 5齿轮泵结构 9 齿轮泵的工作原理与滚柱泵相似 它由带外齿的主动齿轮 带内齿的从动齿轮和泵套组成 如图1 5所示 后两者与主动齿轮偏心主动齿轮被燃机泵电动机拖动旋转 由于齿轮啮合 则带动从动齿轮一起旋转 在从动齿轮和主动齿轮啮合的过程中 由内外齿围合的腔室将发生容积大小的变化 这样 若合理的设置进出油口的位置 即可利用这种容积的变化 将燃油一定的压力输出 10 电动燃油泵的性能主要包括运转噪声和热燃油输送性能两方面 一般采取如下改进措施 改进滚柱滚道的廓线 改进涡轮泵叶片设计 采用特殊的阻尼装置 采用双级泵的结构 其中双级泵的结构如图1 6所示 3 电动燃油泵性能的改善 11 由于汽油极易挥发 而且油泵工作时温度升高和吸油时产生的局部真空 更加剧了燃油的气化 特别是油泵吸油腔内存在的气泡 将是泵油量明显减少 从而导致喷油压力的波动 图1 6双级电动燃油泵 1 初级泵 2 主输油泵 3 永磁电动机 4 外壳 12 初级泵能分离吸油端产生的蒸汽 并以较低的压力将燃油输送到主输油泵内 主输油泵用于提高泵油压力 他们相互独立并轴向串联 由同一根电枢轴驱动 如图2 1所示 13 二 电磁喷油器 电磁喷油器是发动机电控喷射系统的一个很关键的执行器 它接受电脑输送的喷油脉冲信号 精确的计量燃油喷射量 其要求有 动态流量范围大 抗堵塞污染能力强以及雾化性能好 14 15 1 轴针式电磁喷油器 轴针式电磁喷油器主要由喷油器外壳 喷油嘴 针阀 套在针阀上的衔铁以及根据喷油脉冲信号产生电磁吸力的电磁线圈组成 电磁线圈无电流时 喷油器内的针阀被螺旋弹簧压在喷油器出口处的密封锥形阀座上 电磁线圈通电时 产生磁场吸动引铁上移衔铁带动针阀从其座面上上升约0 1mm 燃油从精密环形间隙中流出 喷油器用橡胶成型件作为支座 从而 16 形成隔热作用防止喷油器中的燃油产生气泡 有助于发动机的高温启动性能 而且能起到减震的作用 17 1 滤网 2 电接头 3 电磁线圈 4 复位弹簧 5 衔铁 6 针阀 图2 1轴针式电磁喷油器 18 2 球阀式电磁喷油器 减轻阀针质量并提高弹簧预紧力 对获得宽广的动态流量范围十分有效 而且用球阀能提高喷油量精度 如图2 2所示 它与轴针式电磁喷油器的主要区别在于阀针的结构 球阀式的阀针是由钢球 导杆和衔铁直接用激光束焊接成整体而制成的 其质量减轻到普通针阀式阀针的一半 而且是采用短的空心导杆实现的 为了保证燃油密封 轴针式阀针必须有长的导向杆 球阀式阀针明显优于轴针式阀针 19 图2 2同等级的球阀式与轴针式阀针的比较 20 3 片阀式电磁喷油器 片阀式电磁喷油器的内部结构的主要特点是质量轻的阀片和孔式阀座 他们与磁性优化的喷油器总成结合起来 使喷油器不仅具有较大的动态流量范围 而且抗堵塞能力较强 其结构如图2 3所示 21 图2 3片阀式电磁喷油器 22 4 喷油器的喷油量及工作特性 1 电磁喷油器的喷油量电磁喷油器工作过程中 当电磁线圈通电时 将衔铁与针阀吸起 燃油从针阀与阀座之间的空闲流出 电磁线圈不通电时 磁力消失 回位弹簧将针阀压紧在阀座上 停止喷油 喷油器针阀的升程很小 一般为0 06 0 1mm 开启的时间在2 10ms范围内 开的时间越长 喷油量越多 理想状态下有Q 常数 Ti 23 Ti 喷油器电脉冲宽度Q 喷油器喷油量 2 喷油器的基本特性 实际喷油的起点比理想喷油的起点滞后一段时间 致使实际喷油量低于理论喷油量 出现偏差的原因就是电磁线圈开始通电时 针阀有一个上升过渡过程 另外 电磁线圈通电后 由于电磁线圈的自感作用 磁场是逐步建立的 兑现铁的吸引力是逐步增大的 以上原因使得针阀不会立即响应 所以出现滞后情况 24 3 喷油器针阀的工作特性 由于喷油器针阀的机械惯性和磁滞性的影响 实际工作的喷油器 在触发电脉冲加到电磁线圈后 针阀上升都有一个过渡过程 由右图可见 喷油器针阀的升起和落座都有一个滞后过程 它与电脉冲信号不完全吻合 t0 tc是不喷油的 称为无效喷油时间 25 喷油器开阀时间还受蓄电池电压影响比较大 电压高 开阀时间短 电压低 开阀时间长 而关阀时间受电压影响小 所以随着电源电压的降低 实际喷油时间会缩短 所以ECU还会根据电源电压的变化 适时修正电脉冲信号的宽度 4 喷油器喷油量范围喷油器是利用脉冲信号通过控制开阀的持续时间来控制喷油量 在计算确定实际喷油量的过程中 一般将最小喷油量和最大喷油量设置为界限值 26 5 喷油器驱动方式 各车型装用的喷油器 按其线圈的电阻值可分为高阻 电阻为13 16 和低阻 电阻为2 3 两种类型 高阻喷油器常采用电压驱动方式 低阻喷油器电压 电流驱动方式都可采用 a 电流驱动b 电压驱动 低阻 c 电压驱动 高阻 27 电流驱动方式只适用于低阻喷油器 在刚开始时 电流很大 达8A 使喷油器针阀迅速打开 然后 ECU控制喷油器的电流降低至2A 以保持并稳定喷油器针阀的打开 特点 无附加电阻 回路阻抗小 针阀开启速度快 喷油器喷油迟滞时间缩短 响应性好 电压驱动方式既可用于高阻喷油器 又可用于低阻喷油器 低阻喷油器采用电压驱动方式时 须加入附加电阻 以降低流过线圈的电流 防止线圈发热而损坏 特点 喷油滞后时间较长 28 三 怠速空气调整器 怠速空气调整器的作用 1 稳定发动机的怠速转速 从而降低汽车怠速行驶时的燃油消耗量 2 发动机在怠速行驶时 若负荷增大 如接通空调等 则需要提高怠速转速 以防止发动机熄火 它是通过控制节气门旁通道的方式来实现怠速调整的 根据其结构特点分为 双金属片式 石蜡式 电磁式 旋转滑阀式和步进电机式 29 1 双金属片式怠速空气调整器 双金属片式怠速空气调整器是发动机低温启动时 及启动暖车过程中 是使辅助空气阀打开增加空气量的一种怠速机构 它由绕有电热线的双金属片和空气旁通道遮门等组成 如图2 4所示 辅助空气阀的开口受截面受遮门动作的控制 遮门又受双金属片的控制 双金属片根据温度变化而变形 发动机温度比较低的时候 遮门打开 此时节气门是关闭的 从空气调整器流入的空气使吸入气缸的空气量增加 30 发动机启动后 电流由点火开关流入怠速空气调整器的电热线 使双金属片受热而慢慢将遮门关闭 空气的流入量减少 发动机转速下降 暖车后 遮门完全关闭空气旁通道 发动机恢复正常运转 遮门的初期开度是取决于周围温度的 之后随双金属片被电热线加热弯曲而变小 31 32 图2 4双金属片式怠速空气调整器 33 2 石蜡式怠速空气调整器 石蜡式怠速空气调整器根据发动机的冷却水温度控制空气旁通道截面积 控制力来自恒温石蜡的热胀冷缩 热胀冷缩随周围温度变化 采用这种形式的空气调整器 导入发动机冷却水是必要条件 为了结构简化 一般采用与节气门体加热共用的冷却水管路一体化结构 如图2 5所示 发动机冷却水温度较低的时候 恒温石蜡收缩 提动阀在弹簧的作用下打开 随着温度的升高 恒温石蜡膨胀 推动连接杆使提动阀慢慢关闭发动机转速下降 34 图2 5石蜡式怠速空气调整器 35 3 电磁式怠速空气调整器 电磁式怠速空气调整器由电磁线圈 阀轴及阀的主要部件组成 它是利用电磁线圈产生的电磁吸力 使阀轴在轴向作线位移 从而控制阀门的位置 电磁吸力的大小取决于微机控制装置送至电磁式怠速空气调整器电磁线圈的驱动电流的大小 波纹管的作用是为了消除阀门上下压差对阀门开启位置的影响 这种怠速空气调整器的优点是响应速度非常快 如图2 6所示 36 图2 6电磁式怠速空气调整器 37 4 旋转滑阀式怠速空气调整器 旋转滑阀式怠速空气调整器在工作时 电脑将检测到的怠速旋转实际值与贮存的设定目标值相比较 并随时校正送至怠速空气调整器的驱动信号的占空比 以实现稳定的怠速运行 如图2 7所示 它由永久磁铁 电枢 旋转滑阀 螺旋回位弹簧和电刷及引线等组成 永久磁铁固装在外壳上 期间形成磁场 电枢位于永久磁铁的磁场中 旋转滑阀固装在电枢轴上 与电枢轴一起转动 用以控制流过旁通道的空气量 电枢轴位于永久磁铁的磁场中 电枢铁芯上缠有两组绕 38 向相反的电磁线圈L1和L2 当线圈L1通电时 电枢带动旋转滑阀顺时针偏转 空气旁通道截面积关小 线圈L2通电时 电枢带动旋转滑阀逆时针偏转 空气旁通道截面积增大 其电路连接图如图2 8所示 L1和L2的两端与电刷滑环相连 经电刷引出与ECU相连 电枢轴上的电刷滑环由三段滑片围合而成 其上各有一电刷与之接触 电枢绕组L1和L2两端分别焊接在相应的滑片上 当点火开关旋至 on 时 空气调整器接线插头2上即有蓄电池电压 电枢绕组L1和L2是否通电 则由电脑中控制L1和L2搭铁的三极管T2和T1的通 39 断状况决定 由于占空比控制信号和三极管T1的基极之间接有反相器 故三极管T1和T2集电极输出相位相反 因此 旋转滑阀式怠速空气调整器上的两个电枢绕组总是交替的通过电流 又因两组线圈绕向相反 致使电枢上交替产生方向相反的电磁力矩 而电磁力矩交变的频率比极高 且电枢转动具有一定的惯性 所以旋转滑阀将根据控制信号的占空比摆到一定的角度稳定 当占空比为50 时 L1和L2的平均通电时间相等 二者产生的电磁力矩抵消 电枢轴停止偏转 当占空比小于50 时 线圈L1的通电时间比较长 其合成的电磁力矩使电枢带动旋转滑阀顺时针偏转 空气旁通截面积减小 怠速降低 反之 同理 40 图2 7旋转滑阀式怠速空气调整器 41 图2 8旋转滑阀式怠速空气调整器电路连接图 42 5 步进电机式怠速空气调整器 步进电机式怠速空气调整器是由永久磁铁构成的转子 激磁线圈构成的定子和进给丝杆及阀门等组成 它利用步进转换控制 使转子可正转也可反转 从而使阀芯上下移动以达到调节旁通空气道截面的目的 步进电动机的结构与工作原理 43 步进电动机 44 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件 角位移 输入脉冲个数 运行速度 输入脉冲频率 步进电机组成 定子 由硅钢片叠成 有一定数量的磁极和绕组 用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构 转子 45 步进电动机的分类 工作原理 反应 永磁 混合 步进电机是利用电磁铁的作用原理 将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机 每来一个电脉冲 步进电机转动一定角度 带动机械移动一小段距离 46 特点 1 来一个脉冲 转一个步距角 2 控制脉冲频率 可控制电机转速 3 改变脉冲顺序 可改变转动方向 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理 47 给A相绕组通电时 转子位置如图 a 转子齿偏离定子齿一个角度 由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过 因此对转子产生电磁吸力 迫使转子齿转动 当转子转到与定子齿对齐位置时 图b 因转子只受径向力而无切线力 故转矩为零 转子被锁定在这个位置上 由此可见 错齿是助使步进电机旋转的根本原因 a b 48 定子内圆周均匀分布着六个磁极 磁极上有励磁绕组 每两个相对的绕组组成一相 转子有四个齿 A 转子 定子 49 A相绕组通电 B C相不通电 由于在磁场作用下 转子总是力图旋转到磁阻最小的位置 故在这种情况下 转子必然转到左图所示位置 1 3齿与A A 极对齐 50 同理 B相通电时 转子会转过30 角 2 4齿和B B 磁极轴线对齐 当C相通电时 转子再转过30 角 1 3齿和C C磁极轴线对齐 51 这种工作方式下 三个绕组依次通电一次为一个循环周期 一个循环周期包括三个工作脉冲 所以称为三相单三拍工作方式 按A B C A 的顺序给三相绕组轮流通电 转子便一步一步转动起来 每一拍转过30 步距角 每个通电循环周期 3拍 转过90 一个齿距角 52 按A AB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电 这种方式可以获得更精确的控制特性 53 A相通电 转子1 3齿与A A 对齐 A B相同时通电 A A 磁极拉住1 3齿 B B 磁极拉住2 4齿 转子转过15 到达左图所示位置 54 B相通电 转子2 4齿与B B 对齐 又转过15 B C相同时通电C C磁极拉住1 3齿 BB 磁极拉住2 4齿 转子再转过15 55 三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下 A AB B BC C CA 每个循环周期分为六拍 每拍转子转过15 步距角 一个通电循环周期 6拍 转子转过90 齿距角 与单三拍相比 六拍驱动方式的步进角更小 更适用于需要精确定位的控制系统中 56 三相双三拍 按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电 每拍有两相绕组同时通电 57 与单三拍方式相似 双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍 每拍转子转过30 步距角 一个通电循环周期 3拍 转子转过90 齿距角 58 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式 为了提高步进电机的控制精度 通常采用较小的步距角 如3 1 5 0 75 由一个通电状态改变到下一个通电状态时 电动机转子所转过的角度称为步距角 59 步进电机的主要性能指标 1 步距角 2 最大工作频率 在转子不失步的情况下 电动机连续工作时 输入脉冲信号的最大频率 3 最大突跳频率 在转子不失步的情况下 电动机能增加和减小的最大频率 4 步距差 理想的步矩角与实际的步矩角之差 5 输出转矩 电动机轴上的输出转矩的大小 60 步进电动机的性能特点 主要优点 1 输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成正比 而转速或线速度与脉冲的频率成正比 在电机的负载能力范围内 这些关系不受电压的大小 负载的大小 环境条件等外界各种因素的干扰 2 每转一局部有固定的步数 所以步进电动机在不失步的情况下运行 其步距误差不会长期积累 3 控制性能好 它可以在很宽的范围内通过 61 改变脉冲的频率来调节电机的转速 并且能够快速起动 制动和反转 4 有些形式的步进电机在停止供电的情况下还有定位转矩 有些形式在停机后某些相绕组仍保持通电状态 具有自锁能力 不需要机械制动装置等 主要缺点 效率较低 需配试当的驱动电源 带惯性负载的能力不强 62 步进电动机与发动机的怠速控制 汽车发动机的怠速工况是指油门踏板完全放开 对外无功率输出且能保持最低稳定转速 维持发动机不熄火的稳定运转工况 当汽车实施自动减速 临时停车及启动时 发动机均在怠速工况工作 怠速转速过高 将使怠速工况燃料消耗增加 造成不必要的浪费 尤其是长期在城市道路上行驶的汽车 由于频繁的减速 停车 起步 约有30 的燃料消耗在怠速阶段 因此应尽可能降低怠速转速 而怠速转速 63 过低 负荷或阻力稍有变化将导致发动机运转不稳甚至熄火 现代轿车空调系统 自动变速器 动力转向系统的使用及电器负荷的增加 冷车启动运转等均是导致发动机怠速不稳定的因素 且汽车排放污染物HC和CO主要是怠速阶段形成的 怠速越低 排放污染越严重 因此 必须严格并精确控制怠速转速 现代轿车一般均将发动机怠速运转控制在800rpm左右 64 怠速控制原理 怠速控制的目的是在保证发动机排放要求及稳定运转的前提下 尽量使发动机保持最低稳定转速 以降低怠速时的燃油消耗 现代轿车的怠速多采用反馈控制方式 ECU根据各种传感器的输入信号所决定的目标转速与发动机的实际转速进行比较 确定对应于目标转速的进气量 然后驱动控制进气量的执行机构 怠速控制阀 ISCV 其控制原理见图2 8 当节气门完全关闭时 节气门位置传感器内的怠速触点闭合并将信号输送给ECU 65 ECU即感知为怠速工况 如果此时输送到ECU的发动机的转速信号超出怠速转速范围 ECU会发出调整信号给怠速控制阀 减小控制阀的开度 进气量减小 发动机转速降低 反之 则增加控制阀的开度 提高发动机的转速 这样 ECU通过转速传感器信号形成对怠速的反馈控制 使发动机保持在正常的怠速转速范围 当发动机的温度或工况发生变化 由ECU控制的怠速系统将各种信号输送到ECU的逻辑 66 电路进行运算 由比较电路与基准信号对比 然后输出修正补偿信号 驱动怠速控制阀增加适当的开度 适当提高怠速 防止怠速不稳或熄火 一般在空调开启 动力转向或自动变速器工作时 怠速将自动提高100rpm 目前 现代轿车广泛采用的是节气门旁通空气量步进电动机式怠速控制系统 如图 该系统主要由步进电动机怠速控制阀 各传感器及ECU组成 其中怠速控制的关键部件就是步进电动机式怠速控制阀 67 图2 8怠速控制系统 68 步进电机式怠速控制阀的结构和控制原理 步进电动机怠速控制阀是步进电动机与怠速控制阀的统一体 安装在进气总管内 步进电动机可顺时针或逆时针转动 带动怠速控制阀的阀芯做轴向移动 改变阀与阀座之间的间隙 调节流经节气门旁通气道的空气量 怠速控制阀有125种不同的开启位置 可适应不同工况对怠速调整的需要 69 别克和奥迪A6应用的的步进电机式怠速空气调整器如图2 9所示 步进电动机怠速控制阀主要由步进电动机和控制阀门组成 步进电动机由定子和转子组成 其转子由永久磁铁构成 N极和S极在圆周上相间排列 均匀分布 共有8对永久磁极 定子由A B两个定子组成 每一部分由两个绕向相反的定子绕组 1 3相绕组和2 4相绕组 70 和带有8对交叉排列爪极的定子线圈组成 线圈由导磁材料制成的爪极包围 每个定子有8对爪极 每对爪极之间的间距为一个爪的宽度 A B两定子爪极相差一个爪的差位 构成一体并安装在外壳上 爪极的极性是变换的 由微机控制装置的控制定子相线绕组的电压脉冲决定 晶体三极管控制各相线绕组的搭铁 并通过控制4个线圈绕组的通电相序改变步进电机的旋转方向 从而实现阀门开启高度的控制 71 图2 9步进电机式怠速空气调整器 72 图2 10定子结构 73 相线控制脉冲如图2 11所示 步进电机正转时 相线控制脉冲按1234相顺序依次滞后90 相位角 定子上N极向右方向移动 转子随之正转 转子的转动是为了使定子线圈电磁铁和转子永久磁铁N极和S极互相吸引到最近距离 定子的爪极极性随相线控制脉冲的变化而改变 所以转子将随之转动 以保持转子的S极随时与定子的S极对齐 转子转动一圈分为32个步极进行 每个步级转动一个爪的转角 即11 25 74 图2 11结构与脉冲信号 75 怠速控制过程 发动机在怠速时 ECU首先根据节气门的怠速触点信号 车速信号确认怠速状态 然后根据冷却液温度传感器 空调 动力转向机构及自动变速器等工作情况 根据CPU存储器中的参考数据 确定相应的目标转速 并与实际怠速转速比较得出差值 同时计算出相应于目标转速的控制量 步级 来驱动步进电机 步进电机的控制电路如图2 12所示 ECU按相序使VT1 VT4依次导通 分别给步进电动机的4个定子线圈供电 驱动步进电动机的转子旋转 调节怠速控制阀的开启高度 改变旁通空气量 使发动机怠速达到所要求的目标转速 76 图2 12步进电动机怠速控制 77 步进电动机式怠速控