电子节气门控制系统结构特点及其优势

1/1电子节气门控制系统结构特点及其优势电子节气门控制系统结构特点及其优势

2007-12-1023:49

在生产了S-10s汽车已达20年之久的时候，通用汽车公司在2004年的秋季推出了他们的雪佛兰Colorado和GMCCanyon两款中级皮卡。在这两款车上，所采用的所有新的和改进的标准技术就是“ETC”这3个字母，即“电子节气门控制系统”。

自1988年宝马轿车开始应用电子节气门控制系统以来，该控制系统只是应用在一小部分高级轿车上。在过去的3年中，电子节气门控制系统在美国已经被应用于更多本国生产的汽车上。从最新的报道可以看到，在大众化的汽车市场上，电子节气门控制系统已经成为许多售价仅为一万四千美元的汽车的标准配置了。通用汽车公司并不是唯一一家在汽车上采用电子节气门控制系统的汽车制造商，因为斯巴鲁公司已经宣布，他们将在2005年生产的所有车型上应用电子节气门控制系统。另外，福特汽车公司的旗舰产品福特F－150也将采用电子节气门控制系统。电子节气门控制系统的技术已经相当成熟，其价格已经降了下来，性价比也在不断地得到提高。在汽车上应用电子节气门控制系统已经成为1个发展趋势。

我们一般都是通过控制进入发动机的空气流量来调节发动机的转速。在传统的发动机设计方案中，节气门的位置主要是通过1个机械连杆机构（鲍顿拉索）来控制的，其中还包括弹簧、皮带轮以及其它的一些零件。

鲍顿拉索总成长时间以来都很好地发挥了它的作用，但是它也表现出了一些不足。首先，从汽车NVH（噪声、振动和不平顺性）和装配的角度来看，由于安装鲍顿拉索机构需要在驾驶室的前壁上开1个孔，以便将发动机节气门和驾驶室内的加速踏板连接在一起，而这个孔同时也就成为发动机噪声向驾驶室传播的1

个通道。其次，鲍顿拉索机构包含有多根钢丝，钢丝的2个末端分别与加速踏板和节气门阀片相连接。在这种情况下就必须设法将许多零部件布置在1个非常狭小的空间内。采用鲍顿拉索机构控制节气门所要面临的第3个问题是：由于整个操作过程都是通过机械连杆机构来完成，因此从驾驶员通过踩下加速踏板发出操作指令到执行机构做出响应就会出现1个时间滞后，这样就会导致驾驶员所期望的最好燃油经济性能和排放性能与发动机实际实现的往往并不一样。而采用电子节气门控制系统则可避免这种在时间上滞后现象的发生。根据发动机调试仪表测得的数据可以知道，替代机械连杆机构的电子节气门控制系统大大缩短了执行元件的响应时间，通过在驾驶员的操作和发动机的运转之间设置一些软件程序，还能够实现对发动机节气门开度更精确的控制，而节气门开度控制精度的提高将会改善发动机的燃油经济性能及排放性能。

电子节气门控制系统也称为电动线控驾驶系统，是将巧妙的设计应用于汽车工程的典型例子。大部分用来检验电子节气门控制系统应用于汽车的安全性方面的工作，人们都已经在军用和民用飞机上进行了。如果没有计算机的持续监测和对控制平面的不断调整，一些新型飞机根本就无法飞行。飞机这种对于超可靠性、远程计算机控制执行的需要，大大促进了电动线控驾驶系统相关技术的发展。

采用电子节气门控制系统后，一般都是通过加速踏板总成（TPA）来实现驾驶员的意图的，并通过传感器将驾驶员的意图传递给控制电脑。加速踏板总成设置了3个相同的位置传感器，当其中的某个传感器出现故障时，加速踏板仍然可以将驾驶员的意图传递给控制电脑。另外，加速踏板总成还设置了1个怠速开关以及1个节气门全开开关。这2个开关分别对应于驾驶员的最小与最大输入意图。采用加速踏板总成的第2个目的就是让驾驶员仍然能够体验到被替换掉的机械式钢索和弹簧所产生的“脚感”。

在节气门总成中，节气门阀片的位置由1个马达调节控制，该马达能够让节气门阀片在1～80°的范围内转动，以得到期望的节气门开度。在典型的电子节气门控制系统中，马达根据控制电脑的指令调节节气门阀片的偏转角度，对于节气门阀片的大部分转动位置，其定位精度一般都在±0.5°的范围内。当发动机怠速空转时，阀片的转角精确度甚至能控制在±0.1°的范围内。此外，这种调节马达自身配备有多个位置传感器，能够将节气门的位置信息反馈给控制电脑，形成闭环控制。这样，当控制电脑把指令传给调节马达后，马达就能够根据传感器反馈的信息正确地让节气门阀片转动定位。

节气门阀片调节马达本身是遵循电磁场相互作用原理工作的。马达内部有2个方向相反的磁场，并采用脉宽调制技术控制其中1个磁场相对于另1个磁场的大小。通过增大脉冲持续时间的百分比来增加调节马达的转动角度，也就是说，脉冲持续的时间越长，调节马达让节气门阀片转动的角度就越大。作为一种安全保险措施，节气门阀片采用弹簧装置支撑，这样，一旦电子节气门控制系统出现故障的时候，节气门阀片能够在弹簧的作用下回到怠速空转时的位置。

汽车整车制造商们积极采用电子节气门控制系统的主要原因，是为了享用电子节气门控制系统的一系列优点，这其中的1个优点便是它能改善发动机的排放性能。例如，在汽车减速的时候，驾驶员的脚脱离油门踏板而去踩制动踏板的时候，同时也就关掉了节气门阀片，此时发动机继续转动则会造成很高的进气歧管真空度，这种高的真空度将会导致供油方面的故障。通过加速踏板总成和步进马达之间设置1个控制软件，通用汽车公司期望实现发动机的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）的排放量能够减少15％左右。采用这种方法之后，通用汽车公司在其一款车型中取消了往排气系统注入空气的空气泵。汽车整车制造商采用电子节气门控制系统后，将会使更多的汽车成为低排放的汽车（LEV）。

美国汽车工程师协会（SAE）发表的一篇论文里，Delphi公司报告了他们研制的电子节气门控制系统还具有的其他一些优点。该公司生产的电子节气门控制系统集成了驾驶员的一些独特的操纵行为特征。例如，驾驶员可选择的踏板响应，以满足汽车的动力性能需求或冬季特殊的操纵控制需求等。当汽车行驶在海拔较高的山路上时，可通过对踏板响应的调节来补偿海拔高度对发动机进气量的影响；车速和发动机转速调节器可以防止踏板处于不恰当的位置，汽车租赁公司就对车速和发动机转速调节器很感兴趣。此外，Delphi公司设计的电子节气门控制系统还具有2个与汽车操纵性能有关的优点：一是消除了手动变速器换挡时的碰撞冲击现象；二是发动机的正时延迟特性，这个特性能够改善三元催化转化器指示灯在汽车启动时熄灭的故障现象。

汽车采用电子节气门控制系统和采用鲍顿拉索机构哪个价格更低廉呢？这个问题的答案似乎并不明确，不过若把汽车当作1个整体来看的话，就会发现采用电子节气门控制系统要比采用鲍顿拉索机构要便宜些。Delphi公司和其他的原厂设备制造商（OEMs）所做的事情，就是把电子节气门控制系统的特性融合到汽车的巡航速度控制、怠速空转控制以及牵引和行驶稳定性控制等系统中去。一旦电子节气门控制系统的执行机构步进马达对节气门的开度实施了控制，在动力控制模块（PCM）的控制下，步进马达能够为发动机提供怠速控制和加速控制等功能，这样就可以省去怠速控制（IAC）马达和巡航控制伺服系统。同时，利用汽车防抱死制动系统（ABS）的车轮转速传感器得到的数据来监测汽车的牵引力问题，这样做的目的是，当汽车牵引力方面出现问题时，无论驾驶员此时的意图怎样，动力控制模块都会减小节气门的开度。

如果采用电子节气门控制系统，则只需很少的一些开关和软件就能实现汽车的各项功能。采用电子节气门控制系统后，便可省去巡航控制装置和牵引力控制装置，这样节省下的费用足够弥补由于使用电子节气门控制系统而增加的支出。

在汽车上能够广泛地采用电子节气门控制系统的另外1个原因是电子节气门控制系统自身价格的下降。最早的电子节气门控制装置，当时称作节气门开度控制执行器（TAC），其所有传感器和执行元件的信息处理都是通过1个单独的节气门开度控制执行器控制模块实现的，然后，节气门开度控制执行器控制模块再把这些信息反馈给动力控制模块。而最新的动力控制模块允许传感器的信息直接输入，经过处理之后再把正确的指令信息传递给节气门阀片转动控制执行元件。

电子节气门控制系统的上述功能的作用之一就是能够改善汽车的可靠性。由于只需要1个节气门位置控制器，所以需要的零部件总数会大大减少，零部件数量越少则意味着电子连接部件越少，机械部件之间发生干涉的几率也越小。可靠性研究表明这是一件非常值得提倡的事情。从电子学的角度看，电路的连接件（或接头）越少，电路的可靠性就越高。

这个事实要比它听起来重要许多。如今的微处理芯片很便宜，通常80美分左右就可以买到1个普通的微处理芯片，不过那些用来支持微处理芯片的零件的价格却非常昂贵。采用单独的节气门开度控制执行器控制模块需要1个额外的封装壳体以及放置封装壳体的空间，需要更多的电缆和连接器，同时还需要一些其他的零部件，例如，电路板、时钟振荡器、射频干扰抑制器等。同时，将价格不到1美元的微处理器与其它元器件封装形成1个系统，其成本加起来比10倍的微处理器价格还要多。如今的电子节气门控制系统把所有的微处理控制器都集成到1个电子控制模块中，这