车用汽油机空气流量计设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

（1）课题背景介绍

现代汽车是典型的机、电、液一体化产品。随着科学技术的发展，大量的新技术、新材料、新工艺在汽车上得到了应用，汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性以及排放性能都有了极大提高。在众多汽车新技术中，其中的电子控制技术已成为衡量现代汽车发展水平的重要标志^[1]。电控系统中的汽油喷射系统（EFI）用于精确地控制空燃比和喷油时间，是获得发动机的最大功率和效率，减少有害物排放的关键。燃油喷射系统采用电子控制后,动力性可以提高10%-20%左右,燃油消耗可以降低5%-15%左右,污染排放可以降低近50%^[2,3]。

发动机电控燃油喷射装置由传感器、ECU和执行器（喷油和点火系统）组成。ECU是电喷系统的核心，根据各传感器检测到的空气流量、进气温度、转速及工作温度等参数，向相应的执行器发出控制指令，适时调整供油量^[4,5]，实现各稳定工况的最佳空燃比控制，可见汽车空气流量测量技术是实现汽车电喷系统功能的基础和关键技术，对其进行研究具有非常重要的意义。

根据检测进气量的方式不同，空气流量计分为压力型和空气流量型两种。不同类型的发动机使用的空气流量计类型也不同。目前，已成熟应用的流量型空气流量计主要有，翼片式，卡门涡流式，热线式和热膜式四种^[6]。

表 1 汽车流量型空气流量计特点对比

不难看出，翼片式汽车空气流量传感器在压力损失和响应时间上存在较大的缺陷是其在与热线（膜）式产品竞争中落败的关键。但是其精度不随进气量变化发生变动、结构非常简单、价格低廉，并且对生产设备和工艺的要求不高；而压力损失和响应时间的缺点来源于传感器各种参数的影响，通过对参数的分析、调整是有可能得到改进的。因此，本课题选择对翼片式结构进行计算研究与设计改进，分析出影响翼片式产品响应时间的因素再加以改进，就有可能能使其性能不下于热线（膜）式产品，完全可以与热线（膜）式产品竞争，充分保留翼片式空气流量计的优势使之得到传承与应用。

（2）目的与意义

我国的发动机电子控制与世界水平的主要差距是在传感器、优化的控制理论、硬件的可靠性等方面。为了制造更先进的传感器，世界各国对它的理论研究、新材料应用、产品的开发都非常重视。从某种意义上说，当今世界先进汽车的竞争乃是传感器的竞争^[9]。作为电控燃油喷射系统关键部件的进气流量传感器是车用传感器的重要组成部分，它和其后的显示及信号处理装置统称为流量计。进气空气流量的测量是控制空燃比的基础，空气流量计的研究是发动机电控技术研究的关键环节^[10]。

翼片式空气流量计又称活门式或叶片式空气流量计，主要由测量、缓冲和电位三部分组成。传统的翼片式空气流量计采用矩形翼片，面积较大，有着体积大、压力损失大、响应时间过长等缺点。本课题旨在克服传统翼片式空气流量计存在的这两大缺点，通过计算分析产生这些问题的原因，并提出改进方案，对翼片式空气流量计进行结构设计与仿真计算。

本文通过对翼片式车用空气流量计测量技术的研究，为这类产品的改进方向提出一些建议，具有以下几点研究意义：

①保留并发扬翼片式空气流量计结构简单、成本低的优点，使之性能改善，甚至可以与现阶段拥有广泛市场的热线热膜式空气流量计相媲美；

②作为现代工业控制四大支柱产业，传感器技术的发展进步在汽车电子的设计研究中占有突出的地位，对汽车控制系统的稳定发展与广泛使用有重要作用；

③保证发动机的正常运转，提高燃油经济性；

④为国内汽车电子产业做贡献，尽早实现拥有自主知识产权的汽车电喷系统。

（3）国内外的研究现状

流量计最早出现在19世纪中叶，节流式差压流量计的发明建立了近代流量计的理论基础。20世纪20-30年代，出现了孔板和喷嘴式差压流量计、浮子流量计、容积式流量计等^[11]。这一时期的流量计多为简单的机械产品，精度较低，应用范围较窄^[12-13]。20世纪50年代以后，电子技术和材料加工技术飞速发展，使得一大批新型流量计得以问世。本课题提到的四种流量计中，翼片式汽车空气流量传感器在60-70年代应用比较广泛^[14]。之后热线式空气流量计成为应用最广泛的技术。80年代，日本公司最早将超声式涡街流量测量技术应用到汽车上。卡门涡旋式流量计是体积流量型流量计，多出现在丰田和三菱汽车上^[15]。90年代，随着生产工艺的进步出现了采用厚膜工艺的热膜式汽车空气流量传感器。美国通用汽车公司、日本TOYOTA公司生产的汽车多采用这种热膜式空气质量流量计。进入21世纪，原有热膜式测量技术得到进一步改进，如博世公司就研究出具有流体分离元件的热膜式测量技术，通过在测量前对气流进行稳定和分离处理，进一步提高测量精度。目前国外已经形成少数专业生产多品种流量仪表的综合大型企业，再加上大量专业生产品种单一但性能独特流量计的小型企业的局面，这些企业在技术上处于绝对领先的位置，美国、日本、德国和英国是流量测量技术中的佼佼者^[16]。

相对于国外电喷技术在轿车上的广泛应用和日益完善，我国国内汽车电子

控制技术的开发和应用相对较晚。20世纪90年代初只有少数汽车厂家，如一

汽的奥迪、北汽的切诺基汽车上开始采用电子控制燃油喷射发动机，而且基本

上是对国外生产的部件进行组装。近年来，随着形势的发展，城市汽车越来越

多，汽车尾气造成的污染也日益严重，我国制定的一些新的安全、油耗、排放

等法规都要与世界接轨；同时迫于世界汽车行业的激烈竞争，国产汽车电子控

制技术也取得了非常可喜的成绩，国家要求从2000 年开始，新生产的轿车都

要采用电子控制燃油喷射系统发动机和三元催化净化装置。这一要求现已基本

实现。与电喷技术相关的传感器等关键技术在国内的应用与发展，也与电喷技

术类似，我国对流量计的研究起步也较晚，大多数型号尚未实国产化。因此，

每年都要花大量外汇从国外购置成品流量计，以满足国内日益增加的需求^[9]。

国内企业从20世纪90年代才开始热线式测量技术的研制。进入21世纪后，少数国内企业掌握了热膜式测量技术并形成生产力。总体来说，国内对于相关技术的研究很少，产品大都是对国外产品的模仿，无论产品性能还是质量都与国外产品存在很大的差距^[11]。随着市场需求和时代发展，国内目前也是将更多重心放在热式空气流量计方面，导致翼片式空气流量计正逐步退出市场。

2. 研究的基本内容与方案

（1）基本内容及目标

本课题以EQ6100汽油机为研究对象，对其传统化油器式供油系统改造成电喷系统，选用L型电喷系统（系统原理图1），主要就其翼片式空气流量计（结构原理图2）进行结构设计和性能仿真。

图1 L型电控汽油喷射系统工作原理图（见附件）

图2 翼片式空气流量计的结构原理图（见附件）

表 2 EQ6100汽油机结构及技术参数

对流量计的结构设计，主要为克服压损大，响应慢的问题，以及实现量程（怠速流量到最高n对应的流量）和精度要求。从翼片式空气流量计的三个构成部分着手，即测量部分，缓冲部分以及电位部分。

①测量部分

a.设计翼片的基本参数，包括形状、面积、尺寸、厚度、位置以及材料；

b.建立传感器动力学分析模型，调整转动系统惯量以改变响应慢的缺点；

c.设计旁通通道的线型和流通面积以满足测量需求。

②缓冲部分

a.设计缓冲翼片（个数、角度）和缓冲室线型。

③电位部分

a.设计回位弹簧及平衡块；

b.规定电位计R、U的变化范围，设计电位计的位置，具体结构不作设计。

然后，便是进行性能仿真，仿真主要模拟空气流量计中的流动状况，得出压力分布图，研究影响压损和响应时间有哪些因素，看设计的翼片式空气流量计是否在压损和响应时间上有所改进。同时进行结构优化，提出优化方向，确定设计方案。

（2）拟采用的技术方案和措施

图2是初步设定的技术路线图：

图2 技术路线图（见附件）

①结构设计部分

a.设计目标：根据EQ6100汽油机参数确定量程和测量精度等设计目标。

b.翼片设计：先分析翼片的哪些因素会导致压损大、响应慢，然后从这些因素着手进行改进。经初步分析，压损F拟近似计算公式，可见通过改变翼片大小可以降低F。气流对翼片作用力产生的力矩，还需要保证M₁不能过小，应尽可能大。因此本课题准备通过改变传统翼片的形状、面积、尺寸、厚度、位置以及材料等来达到“尽量减小翼片面积S的同时，尽可能降低气流对翼片作用力产生的力矩M₁的减小幅度”的目标。同时建立传感器动力学分析模型，计算分析影响响应时间的因素。比较不同参数值下的S和M₁，选取最佳设计方案。

c.旁通道设计：利用极坐标法计算设计旁通道线型。根据怠速工况下的流量计算旁通道的流通面积。计算过程中偏复杂的拟选择MATLAB编程计算。

d.回位弹簧设计：先计算回位弹簧弹力矩，得出其上平衡块的弹力矩，再据此设计平衡块尺寸。

e.电位计设计：以量程与精度要求为设计目标，规定电位计中R、U的变化范围，对电位计的结构设计选择参考以往的翼片式空气流量计上的电位计。

结构草图如图3、4所示：（见附件）

1.进气温度传感器2.测量板（翼片）3.阻尼室4.缓冲板片5.主空气通道6.旁通气道

图3 叶片式空气流量计的空气通道结构草图

图4 翼片式空气流量计电位计部分结构图

②仿真部分

本课题在完成EQ6100汽油机电喷系统中翼片式空气流量计的结构设计后，选用FLUENT对其进行仿真验证。模拟流量计内气体速度场、压力场等的分布。找出影响压力的因素，比较改进后的流量计相较于传统式的压损大小。由此判断改进是否合理。

本次模拟采用的紊流模型对翼片式空气流量计进行三维、定常、不可压缩的紊流气流流动的数值模拟。首先建立空气流量计的三维模型，然后在ICEM中进行网格划分，对于模拟的求解来说这一步相当的重要，网格的质量决定了后面求解过程是否顺利及解的精度。最后在fluent中计算仿真，选用湍流的k ε模型，设定边界条件（包括怠速和额定工况两种情况的仿真），得到分布云图。最后修改边界条件，找出影响压力变化和响应时间（用加速度等反映）变化的因素，看是否与设计部分的分析相悖。若是模拟验证合理，证明前面的结构设计合理，若是不合理，需通过技术路线中的两条优化路径进行优化改进。仿真部分可选择调整结构如翼片形状作进一步的结构优化。

3. 研究计划与安排

第一阶段 准备阶段

①前两周，老师讲解课题，详细了解任务书，查阅相关文献资料。完成外文翻译和文献检索报告。认真学习《汽车构造》一书关于efi领域的基本知识，了解课题背景与研究现状等，开始准备开题报告的相关资料；

②第三周开始写开题报告，开题报告要尽可能清晰、全面、详细。交于老师审阅给出修改意见修改，直至完成开题报告的提交；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 阿布来提·阿不力肯.汽车发动机电控技术的浅析.科技信息2011(6)

[2] 王世刚,吕洁.汽车发动机电控系统构造综述.民营科技.2012(2)

[3] 彭汪昆.基于fpga的电控燃油喷射系统策略分析与硏究.西南交通大学硕士学位论文.2012,5