电子节气门的进化与在氢燃料电池汽车中的应用_李官河.pdf

年第 期电子节气门的进化与在氢燃料电池汽车中的应用李官河（上海奥众汽车部件制造有限公司，上海 ）摘要：电子节气门是汽车发动机电喷系统的关键零部件，围绕着节气门结构与关键产品特殊特性 流量曲线，进行了多次技术创新与迭代。随着以氢燃料等清洁能源在未来汽车应用上的发展趋势，传统的电子节气门技术通过对其自身结构的改进，提高其质量（尤其是流量曲线的精度），提升全闭状态下的密封性和节气门主腔通道与门片材料的耐酸性，促成了氢燃料电子节气门的诞生。关键词：电子节气门；氢燃料电池；汽油发动机；柴油发动机；控制系统（行车电脑）中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，（），：；（）作者简介：李官河（），男，山东德州人，汉族，机电高级工程师，学位：学士，研究方向：汽车零部件设计与制造，擅长：汽车整车及零部件非标装配设备与试验设备设计与制造。引言电子节气门（）作为汽车发动机电喷系统的关键零部件；会根据控制系统（行车电脑）的指令，实时精确地控制电子节气门片的开度供给空气，并把开度电压信号反馈给 ，使汽油或柴油发动机得到理想的空燃比，提高发动机燃油的充分性和经济性，减少废气排放与保护环境。而随着 年巴黎气候协定的落实，各国都制定了二氧化碳排减排计划，可以预见的未来，传统汽油发动机将最先退出历史舞台，新的清洁能源替代计划各国都在制定自己的行动路线，无论是液化天然气、甲醇和氢气等清洁能源，它们在转化动力的过程中，空气（氧气）是它们永远绕不开的另一半。所以，电子节气门可以通过对其自身结构的改进设计，提升电子节气门门片全闭状态下的密封性，再选择耐酸性的主腔通道与门片材料，就可以扩展应用在氢燃料电池中，对空气进入电堆与氢气发生电化学反应进行精确控制。本文通过节气门的工作原理和技术创新脉络出发，找出电子节气门中最关键的产品特殊特性 流量曲线，去深度剖析电子节气门自身内部结构在发动机电喷系统运行工作中所启到的作用，进而用创新的理念和思维将传统节气门的技术积累应用到氢燃料电池中。让传统电子节气门制造企业焕发新的能量，在新的应用领域。节气门主要作用和重要因素 节气门的主要作用节气门无论是在传统燃油（汽油与柴油）发动机中，还是在清洁能源液化气发动机中的主要工作，就是向燃烧缸内精确的供给空气（氧气），让汽油、柴油或天然气等传统燃料能够合理的燃烧做功。只有精确地控制空气流量发动机才能得到理想的最佳空燃比。最佳空燃比在发动机燃烧缸内混合气中空气质量与燃油质量之比为空燃比。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有直接的影响。不同型号的发动机可燃混合油气的目标空燃比是不相同的：一般汽油为 ，柴油为 ，而氢燃料电池中，氢气的空燃比可以高达 。在驾驶员开车行驶中空燃比大于目标值的混合气叫做油稀混合气，即气多油少，燃烧充分完全，油耗低，污染小，但功率较小，经济性差。空燃比小于目标值的混合气叫做油浓混合气，即气少油多，功率较大，但燃烧不充分完全，油耗高，排出的气体污染大。为了提高驾驶员行驶汽车的动力性、平稳性及经济性，同时最大限度地减少发动机在汽油或柴油燃烧不充分所带来的尾气排放污染问题，为了达到上述效果，电子节DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.020内燃机与配件 气门在整个行驶过程中需要准确地执行 的指令，向最佳空燃比的目标控制进气量。节气门流量曲线车辆在行驶过程中，行车电脑 通过油门踏板得到驾驶员的驾驶指令，并收集车辆上的所有传感器的信号，这些信号包括空燃比传感器（氧传感器）、节气门开度信号、空气压力、空气温度、汽油压力、油温度等等；在通过 系统中软件中的算法，向发动机电喷系统的喷油嘴和电子节气门等执行部件发出工作指令，在整个行驶过程中电子节气门执行着 的指令，并把所需的信号反馈给 。国际上各大知名汽车制造商不断推出新的发动机技术，无论是自然吸气缸内直喷还是机械增压或者是涡轮增压技术的应用，这背后都有电喷控制系统以及控制特性良好的电子节气门技术创新进步的支持。电子节气门技术进步的一个主要因素是主通道流量曲线（图）的进化。图节气门主通道流量曲线电子节气门的主通道流量曲线（图）是其制造过程中必须保证的一个关键指标（特殊特性），流量曲线的坐标是电压，代表着节气门片开启的角度；坐标就是该电压下对应的空气流量。有了 这 个 电 压 与 空 气 流 量 的 对 应 关 系，行 车 电 脑 在接收到了节气门片的开度电压信号后，就可以用 控制软件里的公式算法算出了燃烧缸内的空气量，在发指令给喷油嘴匹配一定的油量进入燃烧缸，在混合油气燃烧的过程中 时刻监视着氧传感器的信号。氧传感器由化学平衡计算出氧浓度达到监测混合油气空燃比的目的。氧传感器是发动机减少排气污染必不可少的部件，混合油气的空燃比一旦偏离发动机设定的目标值，氧传感器会迅速反馈信息，控制软件会计算后不断调整喷油器喷油量的大小，或精确微调电子节气门的进气量从而控制混合气的空燃比在合理的范围内。节气门的结构进化与工作原理 节气门的结构与工作原理在汽车发动机的百年历史中，化油器技术强势地占据了百年。随着发动机电喷技术的创新，节气门替代了化油器的控制空气流量的功能，在这个过程中，节气门技术也在围绕着精确控制空气的进气量，结构和技术不断地创新发展。从第一代机械式节气门技术算起，开始摸索电子节气门集成化的技术路线，在过渡了一个半电子节气门技术后，走进了第二代电子节气门（接触式传感器）技术，又迅速发展到现在广泛应用的第三代电子节气门（非接触式传感器）技术。我们可以沿着电子节气门的发展脉络，来研究其结构精确控制空气流量的技术创新，为氢燃料电子节气门积累技术经验。第一代机械式节气门总成结构与工作原理机械式节气门还是由油门踏板下拉着一个钢丝传递到节气门轴（图件）上的悬架小总成（图件）来控制节气门片（图件）的开度。图第一代机械式节气门总成结构传感器（图件）是接触式可变电阻角度传感器，做为一个主要零件组装在节气门轴上，检测节气门片的角度电压信号并把电压信号反馈给 。步进电机（图件）安装到节气门本体（图件）主腔旁通道上，通过步进电机退后和前进的步数在精确微调着从旁通道里进入燃烧缸内的空气进气量；机械式节气门有一个下支点位置和全开位置，在这个区间机械式节气门的流量曲线是在把旁通道堵死的情况下取得的。机械式节气门主要工作就是，在车辆行驶过程中驾驶员脚踏油门把节气门片拉起离开下支点的位置，角度传感器把电压信号反馈给 ，根据系统中软件中储存的流量曲线算出工作指令，向发动机电喷系统的喷油嘴发出喷油量信号，氧传感器检测信号也在监测着混合油气的空燃比。在行驶过程中节气门片的角度电压信号反馈给 ，这时空气主要通过主腔通道按流量曲线对应值供给进气量，步进电机只是在根据 的检测指令后在做前后步数的微调。而在停车怠速状态，节气门片停在下支点的位置，这是主腔通道空气流量最小的位置，这时的空 年第 期气 主要由步进电机退后的步数在精确控制着空气的进气量，步进电机在这个调节过程中起主要作用。第三代电子节气门的结构与工作原理第二代电子节气门区别于第一代机械式节气门的结构上是去掉了悬架拉线，去掉了节气门旁通道孔，步进电机改成了直流电机。经过齿轮传动系统的全新设计，在应急点向全闭方向和应急点向全开方向全部由直流电机（图件）通过 发出的占空比信号控制节气门轴的开度。这是轿车驾驶功能扩展的一个基础，油门由拉线控制变成了电子踏板，自动巡航等功能可以低成本的在汽车驾驶中实现。不过第二代电子节气门在出现的同时，一种非接触式角度传感器霍尔磁场感应原理技术推动着电子节气门技术的创新进步，第三代电子节气门（图）很快就替代了第二代电子节气门。图第三代电子节气门的结构第三代电子节气门（图）又称非接触式电子节气门，与第二代电子节气门的结构与工作原理一样的地方都是由直流电机通过 发出的控制指令来控制节气门片（图件）的开度。两代电子节气门都有一个应急点位置，当电子节气门突然断电时可以由一定的进气量保持发动机的低速运行（到修理店维修）；当在停车怠速时直流电机向下支点反转时保持怠速位置；当车辆行驶时，直流电机根据 发出的 信号向全开方向转动并保持在一个匹配的位置。是通过与节气门片同步的角度传感器直接获得电压信号，并根据产品的流量曲线计算出空气流量，在监控氧传感器的信号，不断调整给电子节气门和喷油嘴以获得最佳的空燃比。两代电子节气门工作原理相同但结构不同的地方是，第二代电子节气门使用的是接触式电阻电刷角度传感器技术，齿轮传动系统更加复杂。第三代电子节气门使用的是非接触式角度传感器（图）霍尔传感器技术，齿轮传动系统变得简单更易于制造，它们输出的信号全都是电压信号。接触式电阻电刷角度传感器技术，传感器电刷要预压在传感器电阻板上，电阻板不动，电刷要随着节气门轴转动与电阻板摩擦产生不同的电阻，换成电压信号传递给 。长时间的接触磨损，同一位置电阻会发生变化，输出的电压精度也要变化，这样已经完全背离了 存储的产品流量曲线。这就是汽车用到三年六七万公里以后越来越费油的原因。而非接触式电阻电刷角度传感器角度传感器霍尔传感器技术，传感器 板上的芯片，与传感器磁铁不接触摩擦。传感器磁铁安装在节气门轴上，随着轴转与固定在图接触式与非接触式角度传感器对比端盖上的芯片感应磁场的变化再转换成电压信号传输到 。没有摩擦可以长时间保持电压信号精度的稳定。汽车是一个使用周期很长的耐用品，汽车使用寿命是推动形成第三代电子节气门技术形成的最大动力。可以从汽车承诺的保修期延长看电子节气门的技术更新换代，年万公里报修期对应着第一代机械式节气门，半电子节气门和第二代电子节气门。年万公里，年 万公里对应着第三代电子节气门。通过对电子节气门历史发展与技术创新分析，可以归纳总结出电子节气门的每一次技术更新，以及内部结构的改进设计，都是为了流量曲线的精确与稳定这条主线；而且是长时间使用后的还能保持精确与稳定。电子节气门在氢燃料电池中的应用电子节气门作为传统能源精确控制空气（氧气）的传统执行元件，在氢燃料电池的应用技术中历经改进，氢燃料电子节气门应运而生。氢燃料电子节气门结构与工作原理氢燃料电子节气门（图）在氢燃料电池中的应用，还是精确的控制空气的进气量，让氢气与氧气在发电装置内充分的结合发电。图氢燃料电子节气门核心的传动系统还是传统的第三代电子节气门一样，包括节气门本体（图件），直流电机（图件），传感器 板（图件），只不过氢燃料电子节气门的 板更加复杂一点，是一个独立的电子节气门控制系统 ，这种智能化的电子节气门具有运算与传输信号功能，可以发根据汽车行车电脑 的工作指令独立发 占空比信号控制直流电机的转动，带动传感器磁铁（图件）、节气门轴（图件）和节气门片（图件）。这种智能型电子节气门在柴油发动机已经广泛应用。流量曲线还是氢燃料电子节气门产品一个关键的产品特性，在工作内燃机与配件 的过程中，电子节气门片的电压信号会及时的与氢燃料电池的控制系统 通信交流，精确完成氢氧的电化学反应。氢燃料电子节气门与第三代电子节气门结构不同的是，为了保证氢燃料电子节气门在全闭状态下理论上的空气泄漏量为零（各电池制造商标准不一），汽油机电子节气门片与节气门轴的同心的设计在全闭状态下无法保证。为了实现这个泄漏量的标准目标，氢燃料电子节气门门片与节气门轴是偏心设计的，偏心距离的选择需要做 来模拟，目的就是使节气门片在随着节气门轴转动时可以绕开本体的主腔壁，达到全闭密封的位置，节气门片与节气门本体上的弧形密封圈形成一定的压紧力。偏心可以是轴制作偏心也可以是节气门片制作偏心（图），两者再焊接成一体。氢燃料电子节气门材料的选择电子节气门在传统的汽油与柴油发动机酸碱中性的工况下，节气门本体主腔和节气门片采用铝合金材料，节气门轴采用不锈铁就可以满足工况的使用要求。但氢燃料电子节气门在氢燃料电池中就处在弱酸的工况下工作，特别是节气门主腔中暴露的零件材料都需要有一定的耐酸性。氢燃料电子节气门本体（图件）是由零件压装而成，铝合金本体（图件）的主腔下端压入不锈钢套（图件），中间压装弧形密封圈（图件），上端压装不锈钢套（图件）；组成了一个耐酸的节气门主腔；节气门轴（图件）与节气门片（图件）采用不锈钢材料。这样的结构与选材满足了氢燃料电池的工况。图汽油机和氢燃料电子节气门轴心位置对比电子节气门在氢燃料电池中的主要工作还是精确供应空气，氢燃料电池的控制系统 通过节气门片的角度电压信号，以及产品的流量曲线来算出氢燃料电池中氧的含量，再发出指令让氢气发射器向的阳极发射氢气，与阴极上的氧气发生电化学反应发电供给汽车电机转动带动车辆行驶。氢燃料电子节气门在未来应用的展望目前氢能源汽车上都会有一个高压储氢罐，在氢燃料电池发电供给电机的旁路接着一组锂电池组，这组电池的作用就是在电机亏电的时候帮助氢燃料电池补充供电，在氢燃料电池发电量大于汽车电机所用电量时，这组锂电池再反向吸收充电。这组锂电池反向吸收充电的越多，氢燃料电池的耗氢量就越大，就好比传统汽油机百公里耗油量大。目前阻碍氢能源汽车发展的最大障碍就是使用成本，无论传统的煤炭制氢还是石油制氢，成本都要高于传统燃料汽油或柴油的制造成本。因此更加高效地使用氢气，今后将是衡量氢燃料电池的一项关键技术指标。电子节气门也会在传统汽油机中技术积累的基础上，在氢燃料电池的应用中精确地控制空气的进气精度，为氢能源汽车的发展助力。结束语氢燃料电池汽车做为新能源汽车的发展方向之一，随着制氢与储氢成本的不断下降，以及氢燃料电池发电功效的不断提高，离我们实际使用氢能源汽车的日子越来越近。经由传统燃油车上发展而来的电子节气门技术，促成了氢燃料电子节气门的诞生。不断创新电子节气门的结构，提高其质量（尤其是流量曲线的精度），在未来的氢能源汽车普及的趋势之中，电子节气门技术依然大有可为。参考文献：、建保，电子节气门控制系统结构特点及其优势汽车维修与保养，（）钟丹军，分钟看懂氢燃料电池卡车结构和工作原理，其实也没多神秘 ，（）欧阳晓平，氢燃料电池技术发展现状及未来展望中国工程科学，（）