电子节气门发展及应用研究

1、电子节气门发展及应用研究 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 1电子节气门的历史发展及应用 1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 2电子节气门的优点与不足 3 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 电子节气门的优点 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 电子节气门的不足 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 3电子节气门系统的技术现状及

2、技术发展方向 41电子节气门的历史发展及应用节气门的作用是控制发动机的进气流量，决定发动机的运行工况。驾驶员通 过操作加速踏板来控制节气门开度。 加速踏板和节气门的连接方式有两种： 刚性 连接和柔性连接。传统油门采用刚性连接，即通过拉杆或拉索传动连接加速踏板 和节气门的机械连接方式，因此节气门开度完全取决于加速踏板的位置，即驾驶员的操作意图，但从动力性和经济性角度来看，发动机并不总是完全处于最佳运 行工况，而且驾驶员的误操作也给安全性带来隐患。在混合动力车中，由于发动 机和电池组成多能源动力系统，刚性连接方式不能实现各动力源之间的能量分配 管理，因此，它必将被柔性连接方式所取代。柔性连接方式取

3、消了传统的机械连 接，通过电控单元控制节气门快速精确地定位，因此又称为电子节气门系统 （E1ectronic Throttle Control System,简记为ETCS）.它的优点在于能根据驾驶员的 需求愿望以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并为制动防抱死（ABS）、滑移率控制（ASR）和巡航控制（CCS）等功 能的实现奠定了基础，从而提高安全性和乘坐舒适性。20世纪70年代后期，随着电动节气门驱动的理念成熟就开始了 ETC相关技术的研究工作。20世纪80 年代开始有产品问世，Bosch（博世）公司的ETC产品在某些赛车上就有应用；1988 年，在

4、宝马（BMW750Li）轿车上也开始装置ETC。但由于其价格昂贵，技术和市 场条件也不成熟，因而发展缓慢。直到 20世纪90年代初，日本、美围和德国等 的一些汽车电子公司对其研究相继加大了投入，ETC产品市场开始活跃。1993年，Toyota（丰n1）研制了 ETC系统ETC8,使用步进电机驱动其增设的辅助节气 门，保留了原来机械控制的主节气门系统作为备用；但其结构复杂、体积庞大且价格也很高。1995年以后，彳惠幽Bosch, Pierburg（皮尔博格），美国Dephi（彳惠尔 福）Visteon（伟世通，原福特旗下子公司），日本Toyota, Hitach（日立）和Denso但 装），意大

5、利Marell（玛瑞利）等公司陆续推出第1代和第2代产品，它们的发展趋 势部是全电子化。如Pierburg的半机械半电控的ETC-I发展到全电控的ETC-E. Toyota的保留原机械控制的ETCS系统发展到智能控制的 ETCSI系统。近年来，ETC产品的发展更是如雨后春笋，各公司都不断推陈出新。Visteon公司将节气门体与燃油喷射及进气管有机地结合在一起，成为下一代控制集成的典范：而Bosch和Delphi公司的产品在综合控制与监测性能上则为楷模。至U 2000司为 奔驰和宝马等提供产品，丰田为凌志和苏帕拉配置的产品，Delphi公司为一些运 动车型及流行车型如1.6L欧宝一雅特等推出第2

6、代ETC系统产品。国外的宝马、 奔驰、奥迪、沃尔沃、福特以及凌志等系列轿车中已经广泛应用ETCS:我国的上海大众、通用、广州本田、重庆福特以及天津丰田等生产的车也已有或者准备 配置ETCS系统。节气门位置传感器简称 TPS（Throttle Position Sensor）,是电控 发动机中非常重要的传感器之一。节气门位置传感器安装在节气门体（亦称节流 阀体）上，与节气门轴保持联动，由驾驶员通过操纵摩托车手把带动节气门拉线 运动。节气门位置传感器的作用是将节气门开度大小的状态变为电信号送入电子 控制器ECU。电子控制器ECU根据节气门开度大小，获得发动机工况信息（怠速、 部分负荷、全负荷）和节

7、气门开启的快慢程度及加速、减速信息。ECU以此作为判断发动机不同运行工况的依据，从而确定喷油器的喷油时刻和点火提前角。 因 此，节气门位置传感器是发动机集中控制系统中的一个非常重要的传感器，它是怠速控制、起步加速控制、急加速控制、急减速控制、断油控制、点火提前角控 制、汽油蒸气回收控制及自动变速器换档控制的主要信号。传统的节气门位置传感器分为开关量输出型节气门位置传感器和线性输出 型节气门位置传感器。开关量输出型节气门位置传感器属两极型， 是双触点电开 关，由检测怠速位置的怠速触点IDL以及检测全负荷位置的全开触点（亦称功率 触点）PSW和可动触点构成，形成两副触点，一副是怠速触点，另一副是全

8、负荷 触点。这两副触点的开关状态由一个和节气门同轴的凸轮控制。线性输出型节气门位置传感器由一个线性电位器和一个怠速开关组成，线性电位器由炭精镀膜电阻或陶瓷薄膜电阻制成， 滑动触点臂用复位弹簧控制，与节 气门同轴转动，其上有两个滑动电刷触点，一个是节气门开度信号用滑动触点， 另一个是怠速信号用滑动触点。传统的节气门位置传感器由于采用接触式的可变 电阻器，容易受到高温，振动影响而磨损或被污染，标定也较困难；传感器受电 源电压的影响，测量精度较低；另外，传感器安装于外部，工作环境较汽车恶劣； 节气门体上还连接有曲轴箱通风管， 机油蒸气会有一部分凝结在节气门体上， 发 动机在工作一段时间后，节气门处会

9、聚集油污、灰尘等杂质，影响整个系统的稳 定性及控制效果。同时，节气门位置传感器在节气门体上的安装位置不能随意改 变。否则，由于初始位置失准，将导致输出电压偏高或偏低，造成发动机以及电 控自动变速器无法正常工作；节气门体上的限位螺钉也不能乱调。1998年，ETC 产品开始大规模进入市场。目前，产品一般都装配到高中档轿车、 跑车及一些重型车发动机上。2电子节气门的优点与不足电子节气门系统的基本控制策略决定了其具有相对于普通机械式节气门的 优势，但通过分析也可以发现，电子节气门在硬件方面要求过高， 由此产生诸多 不足之处。电子节气门的优点精确控制节气门开度先由ECU对应于各种驾驶状况作出判断，然后计

10、算出最佳的节气门开度， 再由驱动电机控制节气门达到相应的开度。集成各种控制功能，节约成本电子节气门系统集成了牵引力控制、巡航控制以及怠速控制等，信息互通共 享，采用同一执行机构控制节气门，大大简化了控制结构，节省底盘空间，节约 开发和制造成本。车辆行驶可靠性优良电子节气门系统的传感器采用冗余设计，提供了双重操纵系统和容错处理的 能力。提高操作稳定性和乘坐舒适性当驾驶员塌下油门踏板时，系统并不会将节气门系统全开，而是根据发动机 当时的负荷及转速增加的速度节气门先打开一个基本角度TPi然后缓慢地往第2个角度TP2前进，这种渐进式的开启方式可以减轻发动机转速突变带来的振动， 并且有效地控制进气，从而

11、提高车辆加速性能，加速更柔顺，发动机工作更省油。 降低排放系统在各种情况下对节气门开度精确控制，使燃烧更加完全；减少废气的产 生。在怠速状况下，节气门将保持一个极小的开度来增进稳定燃烧， 提高了燃油 经济性，排放也得到进一步控制。电子节气门的不足 系统要求选用的电机和传感器具有极高的精度和响应速度，为了安全可靠， 传感器采用冗余设计，使成本大大提高，成为制约其广泛应用的瓶颈。系统失效后以及怠速情况下，为保持发动机正常工作，节气门将在回位弹簧的作用下保持一个微小的开度。此时，节气门受到回位弹簧产生的非线性弹力、 进气气流产生非线性阻尼力以及进气气流的不稳定扰流阻矩的影响，使得系统难以达到高精度的

12、控制。ECU处理数据的能力对提高系统响应时间起着至关重要的作用。但由于进气 气流通过节气门和进气喉管进入气缸的时间非常短，即使ECU处理信号的速度非常快，节气门对信号的响应也存在104毫秒级的延迟，对发动机形成均匀混合气 产生不利的影响。 节气门处积垢会对系统精度产生影响，当积垢到达一定限度时，控制信号偏 差过大，会使系统控制失效。电控系统结构复杂，不便于故障诊断与维修。日前，电子节气门系统的技术已经日趋成熟， 并且得到广泛的应用。相信随 着技术的不断发展，这些不足之处会逐渐得到改善。3电子节气门系统的技术现状及技术发展方向电了节气门系统作为发动机进气系统控制的下一代产品，在国内外都得到大力发

13、展，并日趋成熟。国外如Bosch, Delphi及Toyota已推出了新一代的电子节 气门产品，国内如上海联合电子公司和四川红光机电公司等也开始从事研究与试 验。目前，电子节气门产品的性能比其最初一代有了很大的提高。目前，各种电 子节气门系统在控制策略和设计方法上干差万别，但具有共同的着眼点，即提高控制精度和进行集中控制。在控制方面，针对现有的电子节气门系统，通过对其控制系统各部分理论研 究的进一步深入，搞清非线性因素成因，采取最佳控制算法，从而提高控制精度。 比如对非线性节气门动力学模型的研究，对节气门转动控制的控制策略与算法研 究，对节气门的摩擦阻尼研究以及驱动电机传动方式及电机控制电路的

14、研究等。另外，驱动由步进电机到直流电机，在提高控制精度的同时也减小了体积。 系统 已经集成多种控制功能。电子节气门系统作为发动机控制的一个功能模块，除了 维持发动机正常运转所进行的加速、怠速及超速等控制外，还应完成与进气控制 有关的巡航控制、防抱死控制、车辆稳定控制以及减小换挡冲击等协调控制，实行信息共享，使用电子节气门系统中的驱动电机控制节气门的开度来实现综合控 制要求。这样既利用了共同信息，节约了成本，又便于实现集中控制，精简结构， 最初的系统只为单一提高驾驶性能，现在则实现了提高发动机的经济性、排放性 及乘坐舒适性等多项综合性能。柴油机是没有节气门的，但如果要提高其动力性及经济性， 降低其排放，安 装电子节气门系统可以达到目的，研究电子节气门系统在柴油机上的应用也是一个方向，目前已经有了此类产品。2001年上海汉诺威车展上展出的国内第一辆 柴油机轿车，一汽大众捷达柴油车就采用了电子节气门系统5周。2002年，宝马公司生产出了无节气门汽油发动机，由电机驱动气门直接控