发动机起停工况节气门异响故障的研究

王 严 邹明恩 丛日振

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

发动机起停技术作为汽车节能减排的一项关键技术，目前已得到普遍应用。在红灯、城市拥堵等情况下，发动机自动停止，处于上电待命状态；当驾驶员有起动车辆的意图时，发动机自动起动，有效提高了车辆在城市行驶过程中的燃油经济性。

节气门分为机械节气门和电子节气门2 种，机械节气门是通过拉索或者拉杆连接油门踏板和节气门连动板，通过驾驶员踩油门踏板直接拉动节气门连动板，控制连动板的开启程度；电子节气门是通过踏板及电子节气门内部的位置传感器、电机和ECU来控制节气门开度，从而精确控制进气量。随着科学技术的发展，电子节气门已取代机械节气门[1]。电子节气门是汽车发动机进气管理系统的重要组成部分，发动机运行工况不同，需要的进气量不同，电子节气门开度也不同。如果电子节气门响应速度不能满足工况需求，或者达不到期望的节气门开度，会对发动机的动力性及排放性能产生严重影响[2]。

本文介绍了某车型在起停工况下出现节气门“哒哒”异响故障，通过对节气门硬件结构、标定策略等方面进行分析，对节气门结构进行了优化，最终解决了异响问题。

1 电子节气门结构原理简述

电子节气门主要由盖板（带节气门位置传感器）、中间齿轮、阀片齿轮、复位弹簧、电机、阀片轴、阀片及壳体等零部件组成，如图1 所示。电控系统指令控制直流电机动作，通过电机齿轮、中间齿轮、阀片齿轮之间的机械传动，控制节气门阀片开度[3]。

图1 电子节气门结构示意图

未通电状态下，节气门阀片处于跛行位置，即阀片未完全关闭而保留一定的缝隙。此位置确保发生故障时，发动机可获得足够的进气量，以使车辆维持在低速“跛行/回家”模式。

2 故障背景

某型号试验车在进行原地静态评价时，发动机前舱内出现高频率的“哒哒”异响，经过声源判断，锁定为节气门内部异响。异响发生时，车辆处于起停工况的停机状态，发动机为上电待机状态。使用诊断仪采集节气门异响时的ECU 数据，发现ECU 设定节气门目标开度为10%，而实际开度波动且波动频率较快，如图2 所示，基本可以确定异响由节气门阀片运动产生。

图2 节气门开度波动情况

3 故障排查

对异响故障进一步排查：

1）退出待机状态，发动机起动状态下，异响消失；

2）待机状态下，调整节气门目标开度为8%～12%，发现异响仅在节气门目标开度为9.6%～10.7%的区间内产生，同时节气门实际开度频繁波动；

3）更换为1、2、3 号新节气门，使发动机处于待机状态，发现1 号节气门异响，2、3 号节气门无异响。同样调整节气门目标开度为8%～12%，发现1 号节气门异响发生在节气门目标开度为9.8%～10.4%的区间内，同时节气门实际开度频繁波动。

通过以上排查过程可得出：异响与节气门目标开度、节气门硬件相关。

3.1 节气门方面排查

3.1.1 节气门性能检查

对故障节气门进行单体性能检测，在节气门跛行位置，阀片有自由旋转角度，存在2 个极限位置，如图3 所示。使用测量设备检测跛行位置的电压，2个极限位置的电压波动分别为0.03 V、0.04 V。按照节气门设计要求，跛行位置的电压波动≤0.01 V。故障节气门存在较大间隙，导致跛行位置阀片产生空行程。

图3 跛行位置自由旋转角度

3.1.2 跛行位置空行程产生原理

图4 为阀片齿轮、复位弹簧、壳体装配。复位弹簧装配至阀片齿轮，通过挂臂与齿轮限位配合，实现阀片与齿轮之间的复位功能；同时弹簧挂臂装配至壳体限位，实现阀片与壳体之间的复位及定位，自然状态下即为跛行位置。因此，节气门跛行位置由阀片齿轮限位、复位弹簧、壳体限位3 个零件（见图4a）的尺寸配合决定。当弹簧挂臂与壳体限位之间存在间隙（见图4b）时，跛行位置阀片会产生空行程。

图4 阀片齿轮、复位弹簧、壳体装配

3.1.3 节气门尺寸检查

通过对阀片齿轮限位、壳体限位尺寸进行分析可知，2 限位尺寸及公差带完全相同，在极限状态下，当阀片齿轮限位尺寸处于上公差带、壳体限位尺寸处于下公差带时，弹簧挂臂与壳体限位之间会存在间隙，如图5 所示。

图5 极限公差配合下存在间隙

3.1.4 节气门结构优化

为了消除配合尺寸公差，需优化弹簧衬套、阀片齿轮限位、壳体限位结构。

1）结构优化1。取消阀片齿轮限位，在弹簧两侧衬套上增加挂臂卡槽，如图6 所示。

图6 结构优化1

2）结构优化2。在壳体上增加调节螺钉，用于消除配合间隙，如图7 所示。

图7 结构优化2

图8 为优化后阀片齿轮、复位弹簧、壳体装配。装配时，弹簧挂臂卡槽分别挂在壳体限位、调节螺钉。装配完成后，通过自动设备调整螺钉，消除配合间隙。同时检测节气门位置电压，保证电压满足设计要求及输出一致性要求。

图8 优化后阀片齿轮、复位弹簧、壳体装配

3.2 标定策略检查

设计节气门时，将跛行位置设定在节气门开度为10%，此时，节气门回位弹簧受力最小。标定策略将发动机待机状态节气门目标开度设置为10%，一定程度上可增加节气门的耐久性。

通过对故障节气门硬件进行检查，确定在跛行位置存在空行程。当节气门目标开度在空行程范围内时，PID 控制系统无法调节节气门阀片开度，从而无法使之稳定至目标开度，进而导致节气门开度波动。因此，标定策略不是导致异响的根本原因。

4 效果验证

将优化结构后的节气门样件进行实车测试，结果表明，发动机待机状态无异响。图9 所示为优化结构后的测试结果。

从图9 可以看出，跛行位置节气门开度无波动。

图9 优化结构后的测试结果

5 结论

通过对节气门硬件结构、标定策略等方面进行分析，确定异响的根源在于节气门设计缺陷。对节气门结构进行了优化，消除了尺寸公差导致的空行程，最终解决了异响问题，为节气门设计开发提供了参考。