發(fā)動機起停工況節(jié)氣門異響故障的研究

王 嚴 鄒明恩 叢日振

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

發(fā)動機起停技術(shù)作為汽車節(jié)能減排的一項關(guān)鍵技術(shù)，目前已得到普遍應(yīng)用。在紅燈、城市擁堵等情況下，發(fā)動機自動停止，處于上電待命狀態(tài)；當(dāng)駕駛員有起動車輛的意圖時，發(fā)動機自動起動，有效提高了車輛在城市行駛過程中的燃油經(jīng)濟性。

節(jié)氣門分為機械節(jié)氣門和電子節(jié)氣門2 種，機械節(jié)氣門是通過拉索或者拉桿連接油門踏板和節(jié)氣門連動板，通過駕駛員踩油門踏板直接拉動節(jié)氣門連動板，控制連動板的開啟程度；電子節(jié)氣門是通過踏板及電子節(jié)氣門內(nèi)部的位置傳感器、電機和ECU來控制節(jié)氣門開度，從而精確控制進氣量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子節(jié)氣門已取代機械節(jié)氣門[1]。電子節(jié)氣門是汽車發(fā)動機進氣管理系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)動機運行工況不同，需要的進氣量不同，電子節(jié)氣門開度也不同。如果電子節(jié)氣門響應(yīng)速度不能滿足工況需求，或者達不到期望的節(jié)氣門開度，會對發(fā)動機的動力性及排放性能產(chǎn)生嚴重影響[2]。

本文介紹了某車型在起停工況下出現(xiàn)節(jié)氣門“噠噠”異響故障，通過對節(jié)氣門硬件結(jié)構(gòu)、標(biāo)定策略等方面進行分析，對節(jié)氣門結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，最終解決了異響問題。

1 電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)原理簡述

電子節(jié)氣門主要由蓋板（帶節(jié)氣門位置傳感器）、中間齒輪、閥片齒輪、復(fù)位彈簧、電機、閥片軸、閥片及殼體等零部件組成，如圖1 所示。電控系統(tǒng)指令控制直流電機動作，通過電機齒輪、中間齒輪、閥片齒輪之間的機械傳動，控制節(jié)氣門閥片開度[3]。

圖1 電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)示意圖

未通電狀態(tài)下，節(jié)氣門閥片處于跛行位置，即閥片未完全關(guān)閉而保留一定的縫隙。此位置確保發(fā)生故障時，發(fā)動機可獲得足夠的進氣量，以使車輛維持在低速“跛行/回家”模式。

2 故障背景

某型號試驗車在進行原地靜態(tài)評價時，發(fā)動機前艙內(nèi)出現(xiàn)高頻率的“噠噠”異響，經(jīng)過聲源判斷，鎖定為節(jié)氣門內(nèi)部異響。異響發(fā)生時，車輛處于起停工況的停機狀態(tài)，發(fā)動機為上電待機狀態(tài)。使用診斷儀采集節(jié)氣門異響時的ECU 數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)ECU 設(shè)定節(jié)氣門目標(biāo)開度為10%，而實際開度波動且波動頻率較快，如圖2 所示，基本可以確定異響由節(jié)氣門閥片運動產(chǎn)生。

圖2 節(jié)氣門開度波動情況

3 故障排查

對異響故障進一步排查：

1）退出待機狀態(tài)，發(fā)動機起動狀態(tài)下，異響消失；

2）待機狀態(tài)下，調(diào)整節(jié)氣門目標(biāo)開度為8%～12%，發(fā)現(xiàn)異響僅在節(jié)氣門目標(biāo)開度為9.6%～10.7%的區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生，同時節(jié)氣門實際開度頻繁波動；

3）更換為1、2、3 號新節(jié)氣門，使發(fā)動機處于待機狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)1 號節(jié)氣門異響，2、3 號節(jié)氣門無異響。同樣調(diào)整節(jié)氣門目標(biāo)開度為8%～12%，發(fā)現(xiàn)1 號節(jié)氣門異響發(fā)生在節(jié)氣門目標(biāo)開度為9.8%～10.4%的區(qū)間內(nèi)，同時節(jié)氣門實際開度頻繁波動。

通過以上排查過程可得出：異響與節(jié)氣門目標(biāo)開度、節(jié)氣門硬件相關(guān)。

3.1 節(jié)氣門方面排查

3.1.1 節(jié)氣門性能檢查

對故障節(jié)氣門進行單體性能檢測，在節(jié)氣門跛行位置，閥片有自由旋轉(zhuǎn)角度，存在2 個極限位置，如圖3 所示。使用測量設(shè)備檢測跛行位置的電壓，2個極限位置的電壓波動分別為0.03 V、0.04 V。按照節(jié)氣門設(shè)計要求，跛行位置的電壓波動≤0.01 V。故障節(jié)氣門存在較大間隙，導(dǎo)致跛行位置閥片產(chǎn)生空行程。

圖3 跛行位置自由旋轉(zhuǎn)角度

3.1.2 跛行位置空行程產(chǎn)生原理

圖4 為閥片齒輪、復(fù)位彈簧、殼體裝配。復(fù)位彈簧裝配至閥片齒輪，通過掛臂與齒輪限位配合，實現(xiàn)閥片與齒輪之間的復(fù)位功能；同時彈簧掛臂裝配至殼體限位，實現(xiàn)閥片與殼體之間的復(fù)位及定位，自然狀態(tài)下即為跛行位置。因此，節(jié)氣門跛行位置由閥片齒輪限位、復(fù)位彈簧、殼體限位3 個零件（見圖4a）的尺寸配合決定。當(dāng)彈簧掛臂與殼體限位之間存在間隙（見圖4b）時，跛行位置閥片會產(chǎn)生空行程。

圖4 閥片齒輪、復(fù)位彈簧、殼體裝配

3.1.3 節(jié)氣門尺寸檢查

通過對閥片齒輪限位、殼體限位尺寸進行分析可知，2 限位尺寸及公差帶完全相同，在極限狀態(tài)下，當(dāng)閥片齒輪限位尺寸處于上公差帶、殼體限位尺寸處于下公差帶時，彈簧掛臂與殼體限位之間會存在間隙，如圖5 所示。

圖5 極限公差配合下存在間隙

3.1.4 節(jié)氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了消除配合尺寸公差，需優(yōu)化彈簧襯套、閥片齒輪限位、殼體限位結(jié)構(gòu)。

1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化1。取消閥片齒輪限位，在彈簧兩側(cè)襯套上增加掛臂卡槽，如圖6 所示。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化1

2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化2。在殼體上增加調(diào)節(jié)螺釘，用于消除配合間隙，如圖7 所示。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化2

圖8 為優(yōu)化后閥片齒輪、復(fù)位彈簧、殼體裝配。裝配時，彈簧掛臂卡槽分別掛在殼體限位、調(diào)節(jié)螺釘。裝配完成后，通過自動設(shè)備調(diào)整螺釘，消除配合間隙。同時檢測節(jié)氣門位置電壓，保證電壓滿足設(shè)計要求及輸出一致性要求。

圖8 優(yōu)化后閥片齒輪、復(fù)位彈簧、殼體裝配

3.2 標(biāo)定策略檢查

設(shè)計節(jié)氣門時，將跛行位置設(shè)定在節(jié)氣門開度為10%，此時，節(jié)氣門回位彈簧受力最小。標(biāo)定策略將發(fā)動機待機狀態(tài)節(jié)氣門目標(biāo)開度設(shè)置為10%，一定程度上可增加節(jié)氣門的耐久性。

通過對故障節(jié)氣門硬件進行檢查，確定在跛行位置存在空行程。當(dāng)節(jié)氣門目標(biāo)開度在空行程范圍內(nèi)時，PID 控制系統(tǒng)無法調(diào)節(jié)節(jié)氣門閥片開度，從而無法使之穩(wěn)定至目標(biāo)開度，進而導(dǎo)致節(jié)氣門開度波動。因此，標(biāo)定策略不是導(dǎo)致異響的根本原因。

4 效果驗證

將優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的節(jié)氣門樣件進行實車測試，結(jié)果表明，發(fā)動機待機狀態(tài)無異響。圖9 所示為優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的測試結(jié)果。

從圖9 可以看出，跛行位置節(jié)氣門開度無波動。

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的測試結(jié)果

5 結(jié)論

通過對節(jié)氣門硬件結(jié)構(gòu)、標(biāo)定策略等方面進行分析，確定異響的根源在于節(jié)氣門設(shè)計缺陷。對節(jié)氣門結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，消除了尺寸公差導(dǎo)致的空行程，最終解決了異響問題，為節(jié)氣門設(shè)計開發(fā)提供了參考。