電子節(jié)氣門發(fā)展及應(yīng)用研究

1、電子節(jié)氣門發(fā)展及應(yīng)用研究 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 1電子節(jié)氣門的歷史發(fā)展及應(yīng)用 1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 2電子節(jié)氣門的優(yōu)點與不足 3 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 電子節(jié)氣門的優(yōu)點 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 電子節(jié)氣門的不足 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 3電子節(jié)氣門系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀及

2、技術(shù)發(fā)展方向 41電子節(jié)氣門的歷史發(fā)展及應(yīng)用節(jié)氣門的作用是控制發(fā)動機的進氣流量，決定發(fā)動機的運行工況。駕駛員通 過操作加速踏板來控制節(jié)氣門開度。 加速踏板和節(jié)氣門的連接方式有兩種： 剛性 連接和柔性連接。傳統(tǒng)油門采用剛性連接，即通過拉桿或拉索傳動連接加速踏板 和節(jié)氣門的機械連接方式，因此節(jié)氣門開度完全取決于加速踏板的位置，即駕駛員的操作意圖，但從動力性和經(jīng)濟性角度來看，發(fā)動機并不總是完全處于最佳運 行工況，而且駕駛員的誤操作也給安全性帶來隱患。在混合動力車中，由于發(fā)動 機和電池組成多能源動力系統(tǒng)，剛性連接方式不能實現(xiàn)各動力源之間的能量分配 管理，因此，它必將被柔性連接方式所取代。柔性連接方式取

3、消了傳統(tǒng)的機械連 接，通過電控單元控制節(jié)氣門快速精確地定位，因此又稱為電子節(jié)氣門系統(tǒng) （E1ectronic Throttle Control System,簡記為ETCS）.它的優(yōu)點在于能根據(jù)駕駛員的 需求愿望以及整車各種行駛狀況確定節(jié)氣門的最佳開度，保證車輛最佳的動力性和燃油經(jīng)濟性，并為制動防抱死（ABS）、滑移率控制（ASR）和巡航控制（CCS）等功 能的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，從而提高安全性和乘坐舒適性。20世紀(jì)70年代后期，隨著電動節(jié)氣門驅(qū)動的理念成熟就開始了 ETC相關(guān)技術(shù)的研究工作。20世紀(jì)80 年代開始有產(chǎn)品問世，Bosch（博世）公司的ETC產(chǎn)品在某些賽車上就有應(yīng)用；1988 年，在

4、寶馬（BMW750Li）轎車上也開始裝置ETC。但由于其價格昂貴，技術(shù)和市 場條件也不成熟，因而發(fā)展緩慢。直到 20世紀(jì)90年代初，日本、美圍和德國等 的一些汽車電子公司對其研究相繼加大了投入，ETC產(chǎn)品市場開始活躍。1993年，Toyota（豐n1）研制了 ETC系統(tǒng)ETC8,使用步進電機驅(qū)動其增設(shè)的輔助節(jié)氣 門，保留了原來機械控制的主節(jié)氣門系統(tǒng)作為備用；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大且價格也很高。1995年以后，彳惠幽Bosch, Pierburg（皮爾博格），美國Dephi（彳惠爾 福）Visteon（偉世通，原福特旗下子公司），日本Toyota, Hitach（日立）和Denso但 裝），意大

5、利Marell（瑪瑞利）等公司陸續(xù)推出第1代和第2代產(chǎn)品，它們的發(fā)展趨 勢部是全電子化。如Pierburg的半機械半電控的ETC-I發(fā)展到全電控的ETC-E. Toyota的保留原機械控制的ETCS系統(tǒng)發(fā)展到智能控制的 ETCSI系統(tǒng)。近年來，ETC產(chǎn)品的發(fā)展更是如雨后春筍，各公司都不斷推陳出新。Visteon公司將節(jié)氣門體與燃油噴射及進氣管有機地結(jié)合在一起，成為下一代控制集成的典范：而Bosch和Delphi公司的產(chǎn)品在綜合控制與監(jiān)測性能上則為楷模。至U 2000司為 奔馳和寶馬等提供產(chǎn)品，豐田為凌志和蘇帕拉配置的產(chǎn)品，Delphi公司為一些運 動車型及流行車型如1.6L歐寶一雅特等推出第2

6、代ETC系統(tǒng)產(chǎn)品。國外的寶馬、 奔馳、奧迪、沃爾沃、福特以及凌志等系列轎車中已經(jīng)廣泛應(yīng)用ETCS:我國的上海大眾、通用、廣州本田、重慶福特以及天津豐田等生產(chǎn)的車也已有或者準(zhǔn)備 配置ETCS系統(tǒng)。節(jié)氣門位置傳感器簡稱 TPS（Throttle Position Sensor）,是電控 發(fā)動機中非常重要的傳感器之一。節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門體（亦稱節(jié)流 閥體）上，與節(jié)氣門軸保持聯(lián)動，由駕駛員通過操縱摩托車手把帶動節(jié)氣門拉線 運動。節(jié)氣門位置傳感器的作用是將節(jié)氣門開度大小的狀態(tài)變?yōu)殡娦盘査腿腚娮?控制器ECU。電子控制器ECU根據(jù)節(jié)氣門開度大小，獲得發(fā)動機工況信息（怠速、 部分負(fù)荷、全負(fù)荷）和節(jié)

7、氣門開啟的快慢程度及加速、減速信息。ECU以此作為判斷發(fā)動機不同運行工況的依據(jù)，從而確定噴油器的噴油時刻和點火提前角。 因 此，節(jié)氣門位置傳感器是發(fā)動機集中控制系統(tǒng)中的一個非常重要的傳感器，它是怠速控制、起步加速控制、急加速控制、急減速控制、斷油控制、點火提前角控 制、汽油蒸氣回收控制及自動變速器換檔控制的主要信號。傳統(tǒng)的節(jié)氣門位置傳感器分為開關(guān)量輸出型節(jié)氣門位置傳感器和線性輸出 型節(jié)氣門位置傳感器。開關(guān)量輸出型節(jié)氣門位置傳感器屬兩極型， 是雙觸點電開 關(guān)，由檢測怠速位置的怠速觸點IDL以及檢測全負(fù)荷位置的全開觸點（亦稱功率 觸點）PSW和可動觸點構(gòu)成，形成兩副觸點，一副是怠速觸點，另一副是全

8、負(fù)荷 觸點。這兩副觸點的開關(guān)狀態(tài)由一個和節(jié)氣門同軸的凸輪控制。線性輸出型節(jié)氣門位置傳感器由一個線性電位器和一個怠速開關(guān)組成，線性電位器由炭精鍍膜電阻或陶瓷薄膜電阻制成， 滑動觸點臂用復(fù)位彈簧控制，與節(jié) 氣門同軸轉(zhuǎn)動，其上有兩個滑動電刷觸點，一個是節(jié)氣門開度信號用滑動觸點， 另一個是怠速信號用滑動觸點。傳統(tǒng)的節(jié)氣門位置傳感器由于采用接觸式的可變 電阻器，容易受到高溫，振動影響而磨損或被污染，標(biāo)定也較困難；傳感器受電 源電壓的影響，測量精度較低；另外，傳感器安裝于外部，工作環(huán)境較汽車惡劣； 節(jié)氣門體上還連接有曲軸箱通風(fēng)管， 機油蒸氣會有一部分凝結(jié)在節(jié)氣門體上， 發(fā) 動機在工作一段時間后，節(jié)氣門處會

9、聚集油污、灰塵等雜質(zhì)，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn) 定性及控制效果。同時，節(jié)氣門位置傳感器在節(jié)氣門體上的安裝位置不能隨意改 變。否則，由于初始位置失準(zhǔn)，將導(dǎo)致輸出電壓偏高或偏低，造成發(fā)動機以及電 控自動變速器無法正常工作；節(jié)氣門體上的限位螺釘也不能亂調(diào)。1998年，ETC 產(chǎn)品開始大規(guī)模進入市場。目前，產(chǎn)品一般都裝配到高中檔轎車、 跑車及一些重型車發(fā)動機上。2電子節(jié)氣門的優(yōu)點與不足電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本控制策略決定了其具有相對于普通機械式節(jié)氣門的 優(yōu)勢，但通過分析也可以發(fā)現(xiàn)，電子節(jié)氣門在硬件方面要求過高， 由此產(chǎn)生諸多 不足之處。電子節(jié)氣門的優(yōu)點精確控制節(jié)氣門開度先由ECU對應(yīng)于各種駕駛狀況作出判斷，然后計

10、算出最佳的節(jié)氣門開度， 再由驅(qū)動電機控制節(jié)氣門達到相應(yīng)的開度。集成各種控制功能，節(jié)約成本電子節(jié)氣門系統(tǒng)集成了牽引力控制、巡航控制以及怠速控制等，信息互通共 享，采用同一執(zhí)行機構(gòu)控制節(jié)氣門，大大簡化了控制結(jié)構(gòu)，節(jié)省底盤空間，節(jié)約 開發(fā)和制造成本。車輛行駛可靠性優(yōu)良電子節(jié)氣門系統(tǒng)的傳感器采用冗余設(shè)計，提供了雙重操縱系統(tǒng)和容錯處理的 能力。提高操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性當(dāng)駕駛員塌下油門踏板時，系統(tǒng)并不會將節(jié)氣門系統(tǒng)全開，而是根據(jù)發(fā)動機 當(dāng)時的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速增加的速度節(jié)氣門先打開一個基本角度TPi然后緩慢地往第2個角度TP2前進，這種漸進式的開啟方式可以減輕發(fā)動機轉(zhuǎn)速突變帶來的振動， 并且有效地控制進氣，從而

11、提高車輛加速性能，加速更柔順，發(fā)動機工作更省油。 降低排放系統(tǒng)在各種情況下對節(jié)氣門開度精確控制，使燃燒更加完全；減少廢氣的產(chǎn) 生。在怠速狀況下，節(jié)氣門將保持一個極小的開度來增進穩(wěn)定燃燒， 提高了燃油 經(jīng)濟性，排放也得到進一步控制。電子節(jié)氣門的不足 系統(tǒng)要求選用的電機和傳感器具有極高的精度和響應(yīng)速度，為了安全可靠， 傳感器采用冗余設(shè)計，使成本大大提高，成為制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸。系統(tǒng)失效后以及怠速情況下，為保持發(fā)動機正常工作，節(jié)氣門將在回位彈簧的作用下保持一個微小的開度。此時，節(jié)氣門受到回位彈簧產(chǎn)生的非線性彈力、 進氣氣流產(chǎn)生非線性阻尼力以及進氣氣流的不穩(wěn)定擾流阻矩的影響，使得系統(tǒng)難以達到高精度的

12、控制。ECU處理數(shù)據(jù)的能力對提高系統(tǒng)響應(yīng)時間起著至關(guān)重要的作用。但由于進氣 氣流通過節(jié)氣門和進氣喉管進入氣缸的時間非常短，即使ECU處理信號的速度非常快，節(jié)氣門對信號的響應(yīng)也存在104毫秒級的延遲，對發(fā)動機形成均勻混合氣 產(chǎn)生不利的影響。 節(jié)氣門處積垢會對系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響，當(dāng)積垢到達一定限度時，控制信號偏 差過大，會使系統(tǒng)控制失效。電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于故障診斷與維修。日前，電子節(jié)氣門系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟， 并且得到廣泛的應(yīng)用。相信隨 著技術(shù)的不斷發(fā)展，這些不足之處會逐漸得到改善。3電子節(jié)氣門系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展方向電了節(jié)氣門系統(tǒng)作為發(fā)動機進氣系統(tǒng)控制的下一代產(chǎn)品，在國內(nèi)外都得到大力發(fā)

13、展，并日趨成熟。國外如Bosch, Delphi及Toyota已推出了新一代的電子節(jié) 氣門產(chǎn)品，國內(nèi)如上海聯(lián)合電子公司和四川紅光機電公司等也開始從事研究與試 驗。目前，電子節(jié)氣門產(chǎn)品的性能比其最初一代有了很大的提高。目前，各種電 子節(jié)氣門系統(tǒng)在控制策略和設(shè)計方法上干差萬別，但具有共同的著眼點，即提高控制精度和進行集中控制。在控制方面，針對現(xiàn)有的電子節(jié)氣門系統(tǒng)，通過對其控制系統(tǒng)各部分理論研 究的進一步深入，搞清非線性因素成因，采取最佳控制算法，從而提高控制精度。 比如對非線性節(jié)氣門動力學(xué)模型的研究，對節(jié)氣門轉(zhuǎn)動控制的控制策略與算法研 究，對節(jié)氣門的摩擦阻尼研究以及驅(qū)動電機傳動方式及電機控制電路的

14、研究等。另外，驅(qū)動由步進電機到直流電機，在提高控制精度的同時也減小了體積。 系統(tǒng) 已經(jīng)集成多種控制功能。電子節(jié)氣門系統(tǒng)作為發(fā)動機控制的一個功能模塊，除了 維持發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)所進行的加速、怠速及超速等控制外，還應(yīng)完成與進氣控制 有關(guān)的巡航控制、防抱死控制、車輛穩(wěn)定控制以及減小換擋沖擊等協(xié)調(diào)控制，實行信息共享，使用電子節(jié)氣門系統(tǒng)中的驅(qū)動電機控制節(jié)氣門的開度來實現(xiàn)綜合控 制要求。這樣既利用了共同信息，節(jié)約了成本，又便于實現(xiàn)集中控制，精簡結(jié)構(gòu)， 最初的系統(tǒng)只為單一提高駕駛性能，現(xiàn)在則實現(xiàn)了提高發(fā)動機的經(jīng)濟性、排放性 及乘坐舒適性等多項綜合性能。柴油機是沒有節(jié)氣門的，但如果要提高其動力性及經(jīng)濟性， 降低其排放，安 裝電子節(jié)氣門系統(tǒng)可以達到目的，研究電子節(jié)氣門系統(tǒng)在柴油機上的應(yīng)用也是一個方向，目前已經(jīng)有了此類產(chǎn)品。2001年上海漢諾威車展上展出的國內(nèi)第一輛 柴油機轎車，一汽大眾捷達柴油車就采用了電子節(jié)氣門系統(tǒng)5周。2002年，寶馬公司生產(chǎn)出了無節(jié)氣門汽油發(fā)動機，由電機驅(qū)動氣門直接控