CN103206301B - 涡轮增压直流电动执行机构及其自动控制叶片开度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了涡轮增压直流电动执行机构及控制叶片开度方法，它包括直流电机、减速机构、位置检测传感器和电路控制板，信号处理电路包括瞬态电压抑制与稳压模块、PWM接口、CAN接口、控制器、直流电机驱动模块和位置传感器位置调理模块，瞬态电压抑制与稳压模块分别与PWM接口、CAN接口和直流电路驱动模块相连，控制器与直流电机驱动模块相连，直流电机驱动模块与直流电机相连，减速机构分别与位置检测传感器和涡轮增压器喷嘴环组件相连，位置检测传感器与位置传感器信号调理模块相连，位置传感器信号调理模块与控制器相连。它不仅具有体积小、耐高温、热能量、反应快速，功耗小和可靠性高，从而实现与发动机的最佳匹配。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动执行机构，尤其是涉及一种直流电机驱动的可变截面涡轮增压电动执行机构及其控制涡轮增压器喷嘴环叶片开度的方法。
背景技术
众所周知，涡轮增压器是增压发动机上一个重要的部件，它包括涡轮、泵轮和执行机构，在同样的排量下，涡轮增压器可使发动机增大输出功率，减少油耗，降低废气排放。涡轮增压器是利用发动机的排气来驱动涡轮叶片高速旋转，带动位于发动机进气道内的同轴连接的压气侧叶片高速旋转进行增压，加大进入发动机气缸内的空气流量，使燃油燃烧更充分，从而达到提高输出功率的目的。而喷嘴环上的叶片是可调节开度设置，喷嘴环叶片开度的大小，决定了发动机排出的废气的排气速度，从而改变增压器涡轮叶片的旋转速度的快慢，进而改变了与涡轮叶片同轴压气侧叶轮的旋转速度快慢，也就是说叶片开度大小直接决定了从进气道内进入发动机气缸内的气流量的大小。如何根据发动机的工况来控制喷嘴环上叶片的开度，使叶片开度与发动机各种工况达到最佳匹配，改变发动机燃料室混合气的空燃比，实现发动机增大输出功率，减少油耗和降低废气排放的目的。当前控制涡轮产压器上喷嘴环叶片开度的电动执行机构有几种，而国内的内燃机涡轮增压产品一般采用真空阀或液压阀作为执行机构控制可变截面涡轮增压器喷嘴环的开度,这些产品控制精度低,响应速度慢,体积较大,可靠性不高,还有一些采用步进电机驱动的研究报道,由于大都单独采集油门位置,进气压力,发动机转速等各种信号,且步进电机耐高温性能差,体积大,功耗大,无法与汽车电控板相应对接,所以步进电机驱动报道只停留在实验室阶段,无法形成产品。
发明内容
针对上述现有技术中涡轮增压器中执行机构所存在的问题，本发明提供了一种不仅具有体积小，耐高温，而且具有反应快速，功耗小，可靠性高等特点，比现有的涡轮增压器驱动执行机构性能更为优越的采用直流电机驱动的电动执行机构及其控制涡轮增压器喷嘴环叶片开度的方法。
本发明所述涡轮增压直流电动执行机构包括直流电机、减速机构、位置检测传感器和电路控制板，所述减速机构包括传动齿轮副、蜗轮蜗杆副和驱动曲柄，传动齿轮副两端分别与直流电机和蜗轮蜗杆副相连，蜗轮蜗杆副与驱动曲柄相连，驱动曲柄与可变喷嘴环组件相连，所述电路控制板上设置有信号处理电路，所述信号处理电路包括瞬态电压抑制与稳压模块、PWM信号接口、CAN通讯接口、控制器、直流电机驱动模块和位置传感器位置调理模块，所述瞬态电压抑制与稳压模块分别与PWM信号接口、CAN通讯接口和直流电路驱动模块相连，PWM信号接口和CAN通讯接口一端与发动机电控单元相连、另一端与控制器相连，控制器与直流电机驱动模块相连，直流电机驱动模块与直流电机相连，直流电机与减速机构相连，减速机构分别与位置检测传感器和可变喷嘴环组件相连，位置检测传感器与位置传感器信号调理模块相连，位置传感器信号调理模块与控制器相连。
本发明所述电动执行机构，对可变几何截面喷嘴涡轮增压器喷嘴环上叶片开度进行控制．主要用于汽车发动机及其它内燃机的可变几何喷嘴涡轮增压产品中，它通过接收汽车发动机电控单元或其它内燃机电控单元发送的电控信号，通过电路控制板上的直流电机驱动电路处理后,变成驱动信号输入直流电动机,通过直流电机转动来控制蜗轮蜗杆减速机构转动，从而带动连接在蜗轮上的驱动曲柄转动一定的角度，使蜗轮的旋转运动转换成角度位移，从而控制可变截面涡轮增压器中喷嘴环叶片的开度达到指令值，使汽车发动机或其它内燃机与可变截面喷嘴涡轮增压器工作状态得到最佳匹配。信号处理电路接收来自于发动机外部控制信号(如发动机进气压力，发动机转速，油门位置)和叶片旋转位置反馈信号一并处理后转换成直流电机运转控制信号，控制直流电动机的旋转．直流电动机1按电路控制板信号进行旋转角度控制．直流电机通过传动齿轮副２及蜗轮蜗杆副３减速以提高系统控制精度及增加力矩。蜗杆带动驱动曲柄４把蜗轮的圆周运动转换成角度位移，从而控制喷嘴环叶片开度，调节通过喷嘴环截面的排气流量和压力,使增压涡轮增压器按外部指令改变工作状态，达到和发动机的最佳匹配。
本发明所述电动执行机构自动控制涡轮增压器喷嘴环叶片开度的方法是：发动机电控单元中的各种工况信号通过PWM信号接口滤波处理和CAN通讯接口后一起输入到控制器中作为电控单元要求到达位置的指令信号,同时位置检测传感器将实时检测到的减速机构中驱动曲柄的位置检测信号通过位置传感器调理模块处理后变成位置反馈信号输入到控制器中,电控单元信号和反馈信号经过控制器的闭环PID和模糊运算处理后,将处理后的信号输入到直流电机驱动模块中变成驱动信号,驱动信号控制直流电机旋转并由直流电机带动减速机构中的驱动曲柄转动到指令位置信号所对应的角度,使由减速机构驱动的可变截面喷嘴环组件中的叶片转动到指令位置角度, 从而控制喷嘴环组件上叶片开度，通过控制叶片角度位移来调节喷嘴环气道截内的排气流量和压力使涡轮增压器按外部指令改变工作状态，达到和发动机的最佳匹配。
本发明采用直流电机进行驱动由执行机构带动的喷嘴环叶片旋转位移,通过叶片的旋转位置变化，改变涡轮增压器涡轮的旋转速度，进而改变进入发动机进气通道的空气量，以满足发动机电控单元中各种汽车工况所要求的空气量，它不仅具有体积小、耐高温、热能量、反应快速，功耗小和可靠性高，而且无须外增加发动机的工况检测信号，就可实现与汽车电路控制板无缝对接，从而达到满足汽车各种工况下所需进气量要求，实现进气量与发动机各种性能的最佳匹配。
附图说明
图1是本发明所述电动执行机构的结构示意图，
图2是本发明电动执行机构中电路控制板的结构原理图。
在图中，1、直流电机 2、传动齿轮副 3、蜗轮蜗杆副 4、驱动曲柄。
具体实施方式
在图1和图2中，本发明所述直流电动执行机构包括直流电机1、减速机构、位置检测传感器和电路控制板(图2中虚线框内)，所述减速机构包括传动齿轮副2、蜗轮蜗杆副3和驱动曲柄4，所述传动齿轮副两端分别与蜗轮蜗杆副和直流电机相连，蜗轮蜗杆副与驱动曲柄相连，驱动曲柄与涡轮增压器上的可变喷嘴环组件相连，所述电路控制板上设置有信号处理电路，所述信号处理电路包括瞬态电压抑制与稳压模块、PWM信号接口、CAN通讯接口、控制器、直流电机驱动模块和位置传感器位置调理模块，所述瞬态电压抑制与稳压模块分别与PWM信号接口、CAN通讯接口和直流电路驱动模块相连，所述PWM信号接口和CAN通讯接口一端与发动机电控单元相连、另一端与控制器相连，控制器与直流电机驱动模块相连，直流电机驱动模块与直流电机相连，直流电机与减速机构中的传动齿轮副相连，减速机构中的驱动曲柄分别与可变喷嘴环组件(VNT)和位置检测传感器相连，位置检测传感器与位置传感器信号调理模块相连，位置传感器信号调理模块与控制器相连。所述发动机电控单元信号包括发动机转轴转速、进气流量、压力及温度、水箱温度、燃油压力、空调器温度、节气门及油门位置等相关发动机的工况检测信号，这些工况检测信号实时储存在发动机电控单元上。电动执行机构电气部份接收来自发动机电控单元中的各种汽车工况信号通过PWM信号接口和电路检波处理后变成PWM脉冲信号与通过CAN通信接口变成的CAN通讯信号一起,输入到控制器的单片机中,作为汽车电控单元要求到达的位置指令,同时位置检测传感器将实时检测到的减速机构中驱动曲柄到达位置的检测信号通过位置传感器调理模块处理后变成位置反馈信号输入到控制器中,控制器把滤波后的电控单元信号与位置检测传感器检测到的反馈信号进行闭环PID和模糊运算处理后,将运算处后的信号输入到直流电机驱动模块中变成驱动信号,驱动信号控制直流电机旋转运行并由直流电机带动减速机构中的蜗轮转动到指令位置信号,使通过现蜗轮相连的驱动曲柄带动叶片相对应的转角度, 从而达到控制可变喷嘴环叶片在气流通道的打开角度，调节通过喷嘴截面的排气流量和压力,使增压涡轮按外部指令改变工作状态，达到和发动机的最佳匹配。
当汽车发动机运转后,电路控制板根据采集的油门位置,进气压力,发动机转
速等各种信号进行运算后,根据发动机工况与需要的最佳进气压力配比曲线和涡轮增压器的截面与进气量曲线,发出涡轮增压可变截面喷嘴应达到的位置指令，
比如:当发动机转速较低时, 由于排气量小,驱动力小,涡轮增压器工作效率低.电路电控板发出位置指令,电动执行机构反向旋转到指定位置,减小可变喷嘴环叶片打开的角度,则涡轮增压器涡轮侧进气通道截面面积减小,废气流出速度相应提高,产生足够大的驱动力使涡轮增压器转速上升,压气机侧出口压力增大,从而使发动机进气量增加,获得良好的运转工况；当发动机高速时, 电路控制板指令执行机构正向旋转到指定位置,增大可变喷嘴环叶片打开的角度,涡轮侧进气通道截面积增加,废气流出速度减小,增压器转速减小,从而将增压压力控制在一定范围内,防止增压过量；当在发动机加速时,通过电动执行机构调节喷嘴环开度,减少涡轮侧进气通道截面也可以在短时间内使涡轮增压器转速提高，从而使涡轮增压器的压气侧向发动机提供足够的进气量,改善汽车的加速性能.提升了汽车发动机输出功率,节省燃油,并降低了废气排放。
Claims (2)
1. 涡轮增压直流电动执行机构，其特征是：它包括直流电机（1）、减速机构、位置检测传感器和电路控制板，所述减速机构包括传动齿轮副（2）、蜗轮蜗杆副（3）和驱动曲柄（4），传动齿轮副两端分别与直流电机和蜗轮蜗杆副相连，蜗轮蜗杆副与驱动曲柄相连，驱动曲柄与可变喷嘴环组件相连，所述电路控制板上设置有信号处理电路，所述信号处理电路包括瞬态电压抑制与稳压模块、PWM信号接口、CAN通讯接口、控制器、直流电机驱动模块和位置传感器位置调理模块，所述瞬态电压抑制与稳压模块分别与PWM信号接口、CAN通讯接口和直流电路驱动模块相连，PWM信号接口和CAN通讯接口一端与发动机电控单元相连、另一端与控制器相连，控制器与直流电机驱动模块相连，直流电机驱动模块与直流电机相连，直流电机与减速机构相连，减速机构分别与位置检测传感器和可变喷嘴环组件相连，位置检测传感器与位置传感器信号调理模块相连，位置传感器信号调理模块与控制器相连。
2.涡轮增压直流电动执行机构自动控制涡轮增压器喷嘴环叶片开度的方法，其特征在于：发动机电控单元中的各种工况信号通过PWM信号接口滤波处理和CAN通讯接口后一起输入到控制器中作为电控单元要求到达位置的指令信号,同时位置检测传感器将实时检测到的减速机构中驱动曲柄的位置检测信号通过位置传感器调理模块处理后变成位置反馈信号输入到控制器中,电控单元信号和反馈信号经过控制器的闭环PID和模糊运算处理后,将处理后的信号输入到直流电机驱动模块中变成驱动信号,驱动信号控制直流电机旋转并由直流电机带动减速机构中的驱动曲柄转动到指令位置信号所对应的角度,使由减速机构驱动的可变截面喷嘴环组件中的叶片转动到指令位置角度, 从而控制喷嘴环组件上叶片开度，通过控制叶片角度位移来调节喷嘴环气道截内的排气流量和压力使涡轮增压器按外部指令改变工作状态，达到和发动机的最佳匹配。
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