第六章电子节气门技术

第六章电子节气门
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• 第一节电子节气门技术 • 所谓电子节气门(Electronic Throttle Control，
ETC)，是一种柔性控制系统，通过节气门体上的 电动机驱动节气门，取消了传统节气门与加速踏 板之间的直接机械连接，在电控单元的控制下， 可实现节气门开度的快速精确控制。 • 相对于传统的机械式节气门，电子节气门系统能 根据驾驶人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，并能够为防抱死制动系统(ABS)、 滑移率控制(ASR)、牵引力控制(TRC)、巡航控制 (CCS)等控制功能的实现奠定基础，从而提高安 全性和乘坐舒适性。
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• 4.直流伺服电动机式节气门
– 采用PWM（脉冲宽度调制）技术，其特点是频率高， 效率高，功率密度高，可靠性高。控制单元通过调节 PWM信号的占空比来控制直流电动机转角的大小。电 动机输出转矩和PWM信号的占空比成正比。由于这些 优点，直流伺服电动机广泛应用于电子节气门的控制。
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• 第二节电子节气 门技术的发展
• 该系统主要由加速 踏板、加速踏板位 置传感器、节气门 控制单元、数据总 线、执行器、节气 门位置传感器和节 气门机构等部分组 成。
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• 工作时，驾驶人操纵加速踏板，加速踏板位置传感器产生相 应的电压信号输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的 信号进行滤波，以消除电磁干扰，然后根据当前的工作模式、 踏板移动量和变化率解析驾驶人意图，计算出对发动机转矩 的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。经过 CAN总线和其他控制单元进行通信，获取其他工况信息以及 各种传感器信号如发动机转速、挡位、节气门位置、空调系 统能耗等，由此计算出整车所需求的全部转矩，通过对节气 门转角期望值进行修正，得到节气门的最佳开度，并把相应 的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电动机使节气门 达到最佳的开度位置，节气门位置传感器则把节气门的开度 信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制。
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• 一、优点
– ⑴精确控制节气门开度。首先由ECU 对各种工 况信息和传感器信号做出判断并处理，接着计 算出最佳的节气门开度，再由驱动电机控制节 气门达到相应的油门开启角度。
– ⑵可以实现发动机全范围的最佳扭矩的输出。
– ⑶ 改善了发动机的排放性能。
– ETC 系统在各种情况下对空燃比进行精确控制 ，使燃烧更加充分，同时也降低了废气的产生 ；在怠速状态下，节气门保持在一个极小开启 角度来稳定燃烧，提高了燃油经济性，排放也 3 得到进一步控制。
• ⑶ 成本高。
– ETC 系统采用了智能型传感器、快速响应的执行器、 高性能控制单元及冗余设计，使成本大幅度上升。
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• 三、电子节气门的分类 • 1.电液式节气门
– 电液式节气门大多数应用在有液压系统的工程机械中。 它具有结构简单、成本低、驱动力大、功耗低等特点， 其电液控制的转换主要通过高速开关数字阀实现，控 制精度高，对液压油没有太高的要求。但是由于液压 系统存在供油压力波动，液压执行机构之间的摩擦力 以及阀所具有的启闭特性等方面的影响，其位置响应 不精确，速度响应慢。因此，电液式节气门很少应用 在汽车上。
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• 目前，电子节气门技术的发展趋势为：
门发展为独立的电子节气门系 统，从单一的控制功能发展到集成多种控制功 能。
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• 1.可选工作模式 • 正常模式：大多数驾驶条件下。 • 动力模式：需要强大功率时。 • 雪地模式：维持最大操控性，减少轮胎打
– 驾驶员可以根据不同的行车需要通过模式开关选择不同 的工作模式，通常有正常模式、动力模式和雪地模式三 种，区别在于节气门对加速踏板的响应速度不同。
• ⑹ 可获得海拔高度补偿。
– 在海拔较高的地区，大气压下降，空气稀薄，氧气含量 下降，导致发动机输出动力下降。此时，电子节气门控 制系统可按照大气压强和海拔高度的函数关系对节气门 开度进行补偿，保证发动机输出动力和油门踏板位置的 关系保持稳定。
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• ⑵ 非线性影响
– ETC 控制系统存在各种非线性影响，除了弹簧非线性 、粘滑摩擦及齿隙非线性等影响外，同时受到进气流 产生的非线性阻尼力以及进气气流的不稳定扰流阻矩 的影响，导致常规PID【 比例(proportion)、积分 (integration)、微分(differentiation)控制器】 控制不 能精确地设定反馈的增益，影响控制的精确性。
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• 2.线性电磁铁式节气门
– 用比例电磁铁作为控制器。它用电磁力作为驱动力， 其中控制信号为电流信号，具有结构简单、体积小、 控制方便、响应速度快、稳态精度高等优点，但它的 最大作用力受到线圈匝数和最大工作电流的限制，且 在一定的工作负荷下所需的电功耗相对较大。因此， 线性电磁式节气门很少在汽车上应用。
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• 二、缺点 • ⑴ 汽车在起步时会产生油门迟滞。
– 汽车起步时需要提供浓混合气，而ECU 会根据当前的 车速、节气门开度等进行分析，从燃油经济性和排放 合理的角度考虑，会限制节气门的打开幅度，同时限 制喷油系统进行浓混合气供油，这就限制了汽车起步 时要求较浓混合气。
– 当前，大部分厂家通过电子油门加速器来缓解油门迟 滞，但这种装置并不能提高发动机性能，改变动力输 出及扭矩等，仅是一个信号的放大器，并且油耗也会 随着加速器的加速而增加。
• ⑷ 具有更高的车辆行驶可靠性。
– 电子节气门控制系统采用传感器冗余设计，从 控制角度讲，使用一个传感器就可使系统正常 运转，但冗余设计可使两个传感器相互检测， 当一个传感器发生故障时能及时被识别，电子 气节门 在很大程度上增加了系统的可靠性，保 证行车的安全性。
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• ⑸ 可选择不同的工作模式。
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• 3.步进电动机式节气门
– 通过步进电动机直接驱动节气门轴实现节气门的开度 控制。驱动步进电动机通常采用桥式电路结构，控制 单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步 进电动机进行控制。步进电动机具有结构简单、可靠 性高和成本低的优点，但它的控制精度不高。因此， 步进电动机式节气门也较少在汽车上应用。