电子节气门基本知识-20140303

电子节气门相关资料电子节气门是汽车发动机的重要控制部件。电子节气门系统的基本结构有以下几个部分组成：1、发动机2、转速传感器3、节气门位置传感器4、节气门执行器5、节气门6、加速踏板位置传感器7、车速传感器8、变速器9、加速踏板10、节气门电子控制单元（ECU）为了提高汽车行驶的安全性、动力性、平稳性及经济性，并减少排放污染，世界各大汽车制造商推出了各种控制特性良好的电子节气门及其相应的电子控制系统，组成电子节气门控制系统（ETCS）。采用电子节气门控制系统的作用：1、使节气门开度得到精确控制，不但可以提高燃油经济性，减少排放，同时，系统响应迅速，可获得满意的操控性能；2、可实现怠速控制、巡航控制和车辆稳定控制等的集成，简化了控制系统结构。系统组成：1、带加速踏板位置传感器的加速踏板模块—用来确定踏板位置并将踏板位置信号传递给控制单元2、发动机控制单元（ECU)—接收踏板位置传感器信号，根据输入电压信号计算得知所需动力。并根据其他如急加速，空调，自动变速器起步的扭矩信号，计算出实际的节气门开度。同时还监控节气门系统3、节气门控制单元—控制所需进气量，根据控制系统提供信号调节节气门开度，反馈节气门信号。4、节气门故障灯（大众车型在仪表上为EPC灯）—提供节气门故障信息给驾驶员5、传感器和执行器传感器：带油门踏板传感器G79，G185的加速踏板模块，带节气门开度传感器的G187，G188，节气门控制器J338，离合器踏板开关F36，制动踏板开关F47，制动灯开关F6、执行器：带节气门驱动装置的G186和G338，节气门故障灯K132c（划片变组器，等同与油浮子）控制系统根据两个信号来确定踏板位置。两个信号值正好相反，形成对比。当一个传感器坏，系统监测到还有一个节气门信号时，能进入怠速运行，但节气门全开要很慢。系统还通过制动灯开关和制动踏板开关信号来判别怠速状态，关闭巡航，点亮EPC，在故障存储器存储故障码。节气门角度传感器G187，G188（滑动变阻器式）向系统反馈节气门位置信号。装两个传感器是为了精确和备用。当一个传感器坏。系统使用另一个传感器信号，对加速踏板响应不变，巡航关闭。EPC灯亮存储故障码。当两个信号中断，发动机在1500转左右运行，踩油门踏板无反应。EPC灯亮，有故障存储。离合器踏板开关F36：开关信号，反馈离合器踏板位置，踏板踩下，负载变化功能关闭。系统不对其进行监控，故无故障码存储，也无替代值。制动踏板开关F47和制动灯开关F（开关信号）反馈制动踏板信号位置信号，控制单元收到踏板信号后，关闭巡航。如加速踏板传感器坏，代为替代怠速信号。节气门驱动装置J186：定位电机。接受系统命令，控制节气门开度。出现故障后，进入紧急运行模式，由弹簧将节气门打开到一定角度，系统运行高与怠速，踩油门没反应。EPC灯亮，存储故障码。故障灯EPC故障灯K132：提示信号。系统正常时打开点火开关3秒自检后熄灭，有故障则常亮。基本结构：转速传感器也可以用曲轴位置传感器或者凸轮轴位置传感器来代替；节气门执行器是一个步进电机，由它来推动节气门以控制节气门的开度；加速踏板位置传感器的构造及工作原理和节气门位置传感器的构造及工作原理是一样的；节气门电子控制单元一般是和发动机电子控制单元做在一起的。电子节气门控制系统的工作原理如上图所示。加速踏板位置传感器⑹将司机需要加速或减速的信息传递给节气门电子控制单元⑽，ECU根据得到的信息，计算出相应的最佳节气门位置，发出控制信号给节气门执行器⑷，由节气门执行器将节气门开到计算出的最佳节气门的开度位置。ECU通过与其它电子控制单元（如发动机电子控制单元，自动变速器电子控制单元等）进行通讯，ECU根据得到的节气门位置传感器⑶信息、发动机转速传感器⑵信号、车速传感器⑺的信息对节气门的最佳位置进行不断的修正，使节气门的开度达到司机所需要的理想位置。工作原理：驾驶员操纵加速踏板，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，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，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。节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。驱动步进电机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率与方向控制电平对步进电机进行控制。电平的高低控制步进电机转动的方向，脉冲个数控制电机转动的角度，即发出一个脉冲信号，步进电机就转动一个步进角，脉冲频率控制电机转速，转速与脉冲频率成正比。因此，通过对上述三个参数的调节可以实现电机精确定位与调速。控制直流电机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点有频率高，效率高，功率密度高与可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比，来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。ECU对系统的功能进行监控，如果发现故障，将点亮系统故障指示灯，提示驾驶员系统有故障。同时电磁离合器被分离，节气门不再受电机控制。节气门在回位弹簧的作用下返回到一个小开度的位置，使车辆慢速开到维修地点。控制策略：⑴基于发动机扭矩需求的节气门控制传统油门的节气门开度完全取决于驾驶员的操作意图。电子节气门系统的节气门开度并不完全由加速踏板位置决定，而是控制单元根据当前行驶状况下整车对发动机的全部扭矩需求，计算出节气门的最佳开度，从而控制电机驱动节气门到达相应的开度。因此，节气门的实际开度并不完全与驾驶员的操作意图一致。控制单元根据整车扭矩需求获得所需的理论扭矩，而实际扭矩通过发动机转速、点火提前角和发动机负荷信号求得。在发动机扭矩调节过程中，控制单元首先将实际扭矩与理论扭矩进行对比，如果两者有偏差，发动机电控系统将通过适当的调节作用使实际扭矩值和理论扭矩值一致。⑵传感器冗余设计电子节气门系统采用2个踏板位置传感器和2个节气门位置传感器，传感器两两反接，实现阻值的反向变化，即两个传感器阻值变化量之和为零。对两个传感器施加相同的电压，两者输出的电压信号也相应反向变化，且其和始终等于供电电压。从控制角度上讲，使用一个传感器就可以使系统正常运转，但冗余设计可以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，在很大程度上增加了系统的可靠性，保证行车的安全性。⑶可选的工作模式驾驶员可根据不同的行车，需要通过模式开关选择不同的工作模式，一般有正常模式、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。在正常模式下，节气门对加速踏板的响应速度适合于大多数行驶工况。在动力模式下，节气门加快对加速踏板的响应速度，发动机能提供额外的动力。在附着较差的工况下（比如：雪地，雨天）驾驶员可选择雪地模式驾驶车辆，此时节气门对加速踏板的响应降低，发动机输出的功率比正常情况下小，使车轮不易打滑，保持车辆稳定行驶。⑷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，会导致发动机输出动力下降。此时电子节气门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加速踏板位置的关系保持稳定。⑸控制功能扩展及其原理早期的电子节气门功能比较简单，在形式上采用一个机械式的主节气门串联一个电控的辅助节气门，往往只能实现某一单一的功能。现代电子节气门则独立成一个系统，可实现多种控制功能，既提高行驶可靠性，又使结构简化，成本降低。主要有如下控制功能：a。牵引力控制（ASR）牵引力控制系统又称驱动防滑系统。它的作用是当汽车加速时将滑移率控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑动。它的功能一是提高牵引力；二是保持汽车的行驶稳定。它通过减少节气门开度来降低发动机功率从而达到控制目的。原理如下：控制单元采集加速踏板的位置、车轮速度和方向盘转向角度等信号，通过计算求得滑移率，并产生相应的控制电压信号，通过数据总线把信号传送至控制单元，依据此信号，控制单元将减少节气门开度来调整混合气流量，以降低发动机功率。此时控制单元对节气门发出的控制信号将不受驾驶员驾驶意图的影响，这样就可以避免驾车者的误操作。b。巡航控制（CCS）巡航控制系统又称为速度控制系统，它是一种减轻驾车者疲劳的装置。当驾驶员开启该系统时，车速将被固定下来，驾驶员不必长时间踩踏加速踏板。原理如下：车速传感器将车速信号输入控制单元，控制单元根据行驶阻力的变化输出信号自动调节节气门开度，当汽车阻力增大（上坡）和车速降低时，控制节气门开度增大，反之减小，使行驶车速保持稳定。c。怠速控制（ISC）电子节气门系统取消了怠速调节阀，而是直接由控制单元调节节气门开度来实现车辆的怠速控制。d。减少换档冲击控制根据当前车速、节气门开度以及发动机转速等信号，控制单元选择合适的传动比，实现自动换档。系统分类：⑴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，致使其位置响应不精确，速度响应慢。因此，电液式节气门很少应用在汽车上。⑵线性电磁铁式节气门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、稳态精度好，但它的最大作用力受到线圈匝数和最大工作电流的限制，而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。⑶步进电机式节气门步进电机式节气门通过步进电机直接驱动节气门轴实现油门的开度控制。驱动步进电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机进行控制。步进电机具有结构简单、可靠性高和成本低的优点，但它的控制精度不高。因此，步进电机式节气门也较少在汽车上应用。⑷直流伺服电机式节气门直流伺服电机采用脉冲宽度调制（PWM)技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小。此外，电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。由于以上的优点，直流伺服电机广泛应用于电子节气门的控制。研究现状：电子节气门的研究工作起源于20世纪70年代，80年代开始有产品问世，这些年来，国外对电子节气门的研究取得了非常迅速的发展。发展趋势可总结为：在控制策略上由线性控制发展为非线性控制，由辅助电子节气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，兼顾提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放性和乘坐舒适性。国外多家公司已对电子节气门系统作了深入的研发，比如德国Bosch，Pierburg，美国Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化产品应用于各种品牌的中高档轿车。虽然国内某些轿车，如POLO，也配备了电子节气门系统，但当前对ETC还没有系统深入的研究，也没有成熟的产品。当前，虽然国内部分高级轿车，如宝来、奥迪、帕萨特、POLO、红旗等已经配备了电子节气门控制系统，但都属于国外引进的技术，对其核心技术了解得很少。可喜的是，这些年来，中国第一汽车集团公司开发了电子节气门控制系统，并把该项技术用于红旗HQ3高级轿车上。此外，国内