直线步进电机驱动的 EGR 阀设计与研究 (绍博车辆动力装置科技有限，201821) 要：本文介绍了直线步进电机驱动的EGR 阀组成和工作原理，阐述了 EGR 阀关键要素的 设计方法、注意事项以及直线步进电机的性能特点和选取原则。 关键词：直线．引言排气再循环（简称EGR）是目前常用于控制内燃机NOX排放的有效措施之一[1]。随着世 界各地排放法规的日益严格，EGR装置也由机械式和气电式逐渐向电控式转变，国外发达国 家绝大多数的轿车汽油发动机已装配有电控EGR装置，国内某些高级发动机亦装配有EGR 装置，混合式步进电机不过大多数为国外技术引进，没有实现国产化。本文将介绍一款由直线步进电机驱动 的电控式EGR阀，并主要对其设计开发中的关键要素设计、驱动部件选型和设计中需要注意 的一些事项进行探讨与研究，以期对国内企业自主开发电控EGR装置起到一点借鉴作用。 2．EGR阀组成与工作原理 如图 1，直线步进电机驱动的 EGR 阀主要有直线步 进电机、阀体、阀座、阀芯、连接套筒、密封环和隔热 板等构成。在内燃机运行过程中，直线步进电机根据 ECU 发来的控制电信号进行相应的直线运动，通过改变 流体介质的流通面积来控制单位时间内的废气流量，从 而达到实时控制 EGR 率的目的。 3．EGR阀关键要素设计 3.1 阀流量特性选择 1.阀座 2.阀体 4.密封环5.连接套筒 6.隔热板 7.直线步进电机 直线步进电机驱动的EGR Qmax)与阀芯相对行程( Lmax)的关系，其 直接关系到EGR阀开度对流体介质流量的控制能力和精度， 同时也影响着ECU控制策略及控制程序的设计。阀流量特性 选择不合理将严重影响EGR整体性能发挥，同时也给控制系 统的设计带来很大困难。典型的理想流量特性有直线流量特 性、等百分比（对数）流量特性、快开流量特性和抛物线）。对于直线步进电机驱动的EGR阀而言，流 量与阀开度成一定的线性关系显得非常必要，其将使计算一 定时间内流过阀体的流量变得容易，而且能大大简化ECU 控制程序的设计。 -1- 阀芯和阀座设计 3.2.1 阀芯与阀座的配合 阀芯和阀座的配合包括启闭方式和密封形式。不合理的配合设计会导致阀门关闭不严而 发生漏气、阀芯与阀座自动对中困难、阀的布置结构尺寸变大和气体流动性能变差等不良后 果，严重影响 EGR 阀的整体使用性能。设计时有必要对阀芯与阀座间的启闭方式和密封形 式进行研究与优化。 启闭方式有外伸式（见图 3）和内沿式（见图 4）两种。前者是阀芯向阀体外部运动而 开启阀门，由于阀芯在稳压腔外部，稳压作用好，出口管路的流动损失少，管路噪音小，容 易保证阀芯与阀座的对中及密封，并且不易积碳，其缺点是阀芯载荷较大，阀门冲击严重和 阀的总体长度空间变长；后者是阀芯向阀体内部运动而开启阀门，相对于外伸式，阀稳压腔 内空气扰动大、稳压效果差、管路噪音大、易积碳，且不易保障阀芯与阀座的对中及密封， 但阀门冲击载荷小，并可减少阀的总体布置空间，这也是目前这种方式被某些 EGR 装置采 用的主要原因。 内沿式阀芯与阀座的配合密封有平面密封（见图 5）、球面密封（见图 6）和锥面密封（见图 锥面密封平面密封对密封圈的要求高，需要的零件多且对预紧力的要求也较高；球面密封可操作 性好，对中性要求不高，但制造困难；锥面密封零件少，预紧力要求不高，对中性能良好， 制造方便。因此 EGR 阀选用锥面密封较其它方式为优。 3.2.2 阀瓣型线的确定 阀瓣（阀芯大端）的型线需要根据EGR阀选定的流量特性来确定。对于已知流量特性的 阀瓣型线设计，许多文献资料常推荐通过试验加修正来取得，这种方法得到的阀瓣型线固然 ，但效率非常低。不妨采用通过严格的数学方法推导并经过多次实践验证的直线流量特 性阀瓣型线]替代反复试验才能得到阀瓣型线的传统设计方法进行EGR阀 瓣的设计，同样能得到需要的具有可靠精度的流量特性，且大大缩短了设计和加工周期。 2K0.5 6K 0.25 —阀体阻力系数；g—重力加速度，m/ s2；R—阀座半径，m；r—阀瓣半径，m；Q—流体流量，m3/ 3.2.3阀座设计 阀座嵌入在阀体内，其口径尺寸取决于 EGR 阀流量和进排气压差，同时也决定着 阀体的长度或高度，并直接影响稳压腔和排气口的大小。 一般情况下阀座材质的线膨胀系数大于阀体材质的线膨胀系数，当高温介质流过阀座 时，由于阀体限制了阀座的径向膨胀，阀座只能向内膨胀，此时阀芯与阀座的工作间隙将小 于常温下设计的间隙，易造成阀内件卡死，故设计中应稍微放大阀座口径尺寸的下偏差。 3.2.4 材质选择 阀芯与阀座在工作中长时间处于高温（可达 700）且具有腐蚀性的废气中，普通 金属材料将无法满足其性能要求，必须选用耐高温、耐腐蚀的不锈钢（例如 1Cr18Ni9Ti、 2Cr13、5Cr21Mn9Ni4N 阀芯和阀座相对运动中存在动配合密封要求，材料选用应符合硬—软密封原则，即选用不同硬度的材料，在高的密封力下通过两者之间的变形来实现密封。 此外，材料在高温时的热膨胀系数、热硬度差、弹性变形、塑性变形以及多因素下可能 产生的失效等也是在选材时应该考虑的，在设计中，除了适当放大相应配合公差尺寸，还应 给予相应的安全系数和可靠系数。 3.3 阀体设计 3.3.1 进、排孔布置 阀的进、排孔布置直接影响着阀的结构尺寸和工作介质的流动特性，其布置形式一般根 据实际工作条件采用同侧布置（见图8）或异侧布置（见图9）。对于发动机排气压力波动大 （如大多汽油机），需要稳压腔较大时，倾向采用同侧布置；发动机排气压力波动小（如大 多柴油机），所需稳压腔较小，倾向采用异侧布置。当阀的进、排孔口径较大时，采用同侧 布置会大大增加阀的长度，对其在发动机上的布置不利，建议采用异侧布置。 3.3.2排气孔设计 排气孔设计不合理，将导致颗粒物沉积、噪声、冲击和气体壅塞等现象发生。其具体孔 径尺寸可根据进气口孔径通过流量连续性方程求得。当 EGR 阀用于汽油机时，由于汽油机 -3- 排出的废气中没有颗粒物，EGR 阀不会发生沉积现象，为了降低噪声、减小流动损失并提 高效率，可以适当增大排气口孔径。 3.3.3 稳压腔设计 流体流经进气孔后，压力密度将发生急剧变化，造成强紊流现象，如不采取稳压措施， 强紊流在EGR阀的出口管路里将产生噪声、气蚀、冲击和流动损失，对发动机系统非常不利， 此时利用稳压腔对气流进行稳压将显得十分必要。 稳压腔的大小受许多因素制约，如阀门升程、进气孔径，一般其高度应大于0.4倍的进 气孔直径。此外，稳压腔均存在扩压问题，当气体从进气孔进入稳压腔时首先要扩压，扩压 部分应选择圆柱型，若EGR阀用于汽油机和非增压柴油机，扩压腔直径一般为进气孔径的 1.8～2倍，若EGR阀用于增压柴油机，扩压腔直径一般为进气孔径的1.2～1.4倍。 为避免颗粒物的沉积，稳压腔的内型应采用流线设计，避免死区存在，同时也要尽量减 小其体积。 3.4 密封考虑 EGR阀中，阀芯做频繁的往复直线运动，其与阀体接触处的间隙会导致泄漏发生， 必须考虑阀芯和阀体间的密封。阀芯与阀体是高温下（超过 300C）的频繁相对运动，一 般的非金属材料无法满足此恶劣工况，必须考虑采用具有自润滑和耐高温的填料密封。柔性 石墨可以承受 700C 以上的高温、成本低、安全环保且加工成型方便，作为密封材料十分 合适，为增加其强度，也可在其中加入镍丝做成填料环。混合式步进电机 3.5 隔热措施 流经 EGR 阀的流体介质温度很高，可达 700，为保证步进电机能正常工作，必须 采取多种隔热措施。措施之一是在阀体上直接加隔热板，如陶瓷纤维纸板；措施二是在阀体 与步进电机之间设置中空带孔的连接部件，减少传热面积且加强散热；措施之三是根据传热 学理论，在与步进电机直接相连的阀芯杆部的合适位置加径向切槽（切槽深度以保证阀芯杆 部的刚度和强度为原则），通过传热面积的变化降低传至步进电机的热量。 4.直线步进电机性能特点及其选型 4.1 直线步进电机的性能特点 直线步进电机是一种将电脉冲信号直接转换成微步直线运动的装置，即使在开环条件下 也能够直接提供而可靠的直线位移，不仅能够实现静态和动态定位，而且具有自锁功能， 此外其还具有体积紧凑、惯量低、响应快、运动平滑、无累积误差、控制简单、可靠性好、 使用寿命长和免维护等优点。直线步进电机的这些特点使得它在数控机械、精密调准和精密 流体测量等精密驱动和控制领域得到了广泛应用。 4.2 直线步进电机选型 直线步进电机的性能指标较多，选型时需要考虑的主要参数有：步长、推拉力和电 流，起动频率、连续运行频率、行程和工作温度范围。 4.2.1 步长 步长的选择取决于 EGR 阀控制精度的要求，电机的步长应等于或小于要求的控制精度。 -4- 推拉力（F） 直线步进电机的动态推拉力是随运行频率变化而变化，对其确定将十分困难。在选择时 不妨先确定其推拉力，然后根据电机的力频特性曲线确定其动态推拉力。但要保证直线 步进电机在阀全关时的输出推（拉）力F应满足以下公式(2) [3]要求，以保证有足够的阀座密 封压力。 1.1FtFo 式中：Ft为阀不平衡力，Fo为阀座压紧力。4.2.3 电流 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据力频特性曲线图， 确定电机的电流。 4.2.4 起动频率 起动频率是使直线步进电机能够由静止定位状态不失步地起动，混合式步进电机并进入正常运行的控制 脉冲频率。在电机空载情况下，称为空载起动频率。注意在有负载情况下，不失步起动 所允许的频率将大大降低。 4.2.5 连续运行频率。 步进电机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的频率 称为连续运行频率的工作频率。直线步进电机的连续运行频率随负载的增大而下降，但 直线步进电机连续运行频率远高于其起动频率。 4.2.6 行程 行程应满足EGR阀所需要的行程。 4.2.7 工作温度范围 直线步进电机的工作温度等于环境温度加电机温升。由于 EGR 装置工作时其环境温度很 高，电机的温度也会因此而较高，故应尽量选用温升系数较低、内部绝缘性能在 150 度以上 才会被破坏的电机。 5.结束语 直线步进电机驱动的 EGR 阀能够在开环条件下较地控制 EGR 流量。 直线步进电机驱动的 EGR 阀之性能在一定程度上也取决于驱动电路的优劣。 阀芯正反行程中流量特性不完全一致，会产生迟滞误差，控制策略中应加以补偿修正。 EGR 阀在废气温度较低（不高于 300）时会产生积碳，应考虑清理措施。 步进电机或驱动电路失效后如何保证阀门可靠关闭需要进一步研究。 参考文献 《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册（设计篇）, 人民交通出版社, 2001.5, P257. 陈兵,杜鹃. 调节阀阀瓣型线. 奚文群等.调节阀口径计算指南. 甘肃:中石化自控中心站, 1991:P42~44. 实用阀门设计手册,机械工业出版社, 2002. 液压气动密封与泄漏防治,机械工业出版社, 2003. 微特电机应用技术手册,科学技术出版社, 2003. -5- ，elaborates designmethods someessential factors someconsiderations EGRvalue，as well selectionprinciple straightline step motor. Keywords：Straight Line Step Motor EGRValve -6-
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