智能“電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)”的控制原理及優(yōu)越性

任廣文

摘 要 本文主要分析了現(xiàn)代汽車的智能“電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)”的控制原理，智能“電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)”的汽車具有最佳動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，并具有牽引力控制（ASR）、巡航控制（CCS）、怠速控制(ISC)等等功能，提高了乘坐的舒適性和安全性，同時(shí)減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染。將來的發(fā)展趨勢——“電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)”必然代替機(jī)械節(jié)氣門控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 電子節(jié)氣門 控制原理 優(yōu)越性

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Control Principle and the Advantages of Intelligent

"Electronic Throttle Control System"

REN Guangwen

(Zhengde Polytechnic College, Nanjing, Jiangsu 211106)

Abstract This paper analyzes the control principle of the modern car intelligent "electronic throttle control system," intelligent "electronic throttle control system" car with the best performance, fuel economy and traction control (ASR), cruise control (CCS) idle Speed Control (ISC) function, improved ride comfort and safety, while reducing engine emissions pollution. The future trend of development - the electronic throttle control system must replace the mechanical throttle control system.

Key words electronic throttle; control principle; advantage

節(jié)氣門即人們常聽說的發(fā)動(dòng)機(jī)“油門”，早期的節(jié)氣門是由駕駛員操作加速踏板通過拉線或拉桿來控制的。這種控制方式不能保證發(fā)動(dòng)機(jī)總是處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，甚至帶來安全隱患。

現(xiàn)代汽車廣泛安裝了智能“電子節(jié)氣門系統(tǒng)”，這種操作油門的方式是柔性的，即通過發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）控制節(jié)氣門，使其精確、快速地到達(dá)開度位置。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)駕駛員的愿望以及整車的行駛狀況確定節(jié)氣門最佳的開度位置，即使在駕駛員過猛踩下加速踏板的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元也可以獨(dú)自控制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，保證車輛的最佳動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。

1 智能“電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)”的組成

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）、加速踏板模塊、節(jié)氣門控制單元組成，如圖1所示。

1.1 加速踏板模塊

由加速踏板機(jī)構(gòu)和其位置傳感器組成。加速踏板位置傳感器由兩個(gè)相同的傳感器組成。隨著加速踏板位置的改變，傳感器的信號也隨之改變，并把這一信號傳給ECU，確定加速踏板當(dāng)前的位置和變化速率；同時(shí)加速踏板模塊還設(shè)置了一個(gè)怠速開關(guān)和一個(gè)節(jié)氣門全開位置開關(guān)并將信號傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU），以實(shí)現(xiàn)駕駛員的意圖。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括兩個(gè)部分：信息處理模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊。

信息模塊接收來自加速踏板位置傳感器的電壓信號，根據(jù)信號以及存儲(chǔ)的駕駛員獨(dú)特操縱駕駛特征（例如，駕駛員踩踏加速踏板的習(xí)慣），以及冬季雨雪天氣特殊操縱控制需求，汽車行駛在高海拔地區(qū)時(shí)的海拔高度補(bǔ)償?shù)龋?jì)算出駕駛員需要的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，并將此信息轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩?cái)?shù)值；通過發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊發(fā)出指令，使節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)裝置令節(jié)氣門處于最佳開度位置。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）還能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的其他功能要求：例如：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息，車速限制，以及制動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)變速器、自動(dòng)空調(diào)等對發(fā)動(dòng)機(jī)的要求來控制節(jié)氣門的開度。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）同時(shí)監(jiān)控“電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)”以防止故障發(fā)生。

1.3 節(jié)氣門控制單元

節(jié)氣門控制單元由節(jié)氣門體、節(jié)氣門位置傳感器、節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。

節(jié)氣門位置傳感器把節(jié)氣門位置的信號傳送發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）。節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般由步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)來調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度。早期，以使用步進(jìn)馬達(dá)為主，步進(jìn)馬達(dá)的控制精度較高、能耗低、位置保持性較好，但其高速性能較差，不能滿足節(jié)氣門較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求。所以現(xiàn)在比較多的是采用直流電機(jī)，直流電機(jī)響應(yīng)速度快，控制精度高、反映靈敏，便于控制；這種直流電機(jī)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）的指令調(diào)節(jié)節(jié)氣門偏轉(zhuǎn)角度，對于大部分節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)位置，其定位精度一般在?.5的范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門閥片的轉(zhuǎn)角精確度甚至能控制在?.1的范圍內(nèi)。

1.4 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的故障指示燈

故障指示燈向駕駛員或維修人員提示電子節(jié)氣門系統(tǒng)是否工作正常。

2 智能電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的工作原理

如圖2（a）所示，當(dāng)駕駛員踩踏加速踏板時(shí)，加速踏板位置傳感器產(chǎn)生的相應(yīng)電壓信號輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)，控制單元首先對輸入的信號進(jìn)行濾波，以消除環(huán)境電磁雜波的影響，然后根據(jù)當(dāng)前的工作模式、踏板的移動(dòng)量和變化速率了解駕駛員的意圖，并計(jì)算出對發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的基本要求，得到相應(yīng)的節(jié)氣門轉(zhuǎn)角的理論值。然后,發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU），再參照其他工況信息如：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器的檔位、速度限制、巡航控制等，計(jì)算出汽車所需的全部扭矩，得出節(jié)氣門開度的最佳值，并把相應(yīng)的電壓信號傳遞到節(jié)氣門控制單元，驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門控制電機(jī)使節(jié)氣門處于最佳的開度位置。如圖2(b)所示，節(jié)氣門位置傳感器把節(jié)氣門閥片的開度信號反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，同時(shí)根據(jù)變速器檔位、空氣流量、制動(dòng)等信號形成閉環(huán)的節(jié)氣門位置控制〔見圖2（c）〕。

圖2

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）對電子節(jié)氣門系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)故障指示燈會(huì)亮，提醒駕駛員，系統(tǒng)有故障，同時(shí)節(jié)氣門與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的電磁離合器脫離。節(jié)氣門不再受驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。節(jié)氣門閥片在回位彈簧的作用下，返回到一個(gè)小開度的位置，汽車慢速開到維修廠進(jìn)行檢修。

3 智能電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的控制過程

圖3

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)也稱為電動(dòng)線控駕駛系統(tǒng)，當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時(shí)，節(jié)氣門位置傳感器把該信息傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU），發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)將駕駛員輸入的信號傳遞給節(jié)氣門控制單元，節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的角度，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的一定扭矩。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)出于內(nèi)部扭矩的要求（啟動(dòng)、三元催化裝置的預(yù)熱、怠速控制、動(dòng)力限制、速度限制、 控制）和外部扭矩的要求〔自動(dòng)變速器（換擋點(diǎn)時(shí)的扭矩變化）、制動(dòng)系統(tǒng)（牽引力控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)）、空調(diào)系統(tǒng)（空調(diào)壓縮機(jī)接通/關(guān)閉）、巡航控制系統(tǒng)〕，獨(dú)立于加速踏板的位置而調(diào)整節(jié)氣門的位置，使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生指定扭矩或稱理論扭矩。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)，通過比較指定扭矩與實(shí)際扭矩，如圖3，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)值有差別時(shí)，系統(tǒng)將同時(shí)處理兩條路徑的信息：第一條路徑：改變影響到增壓的控制變量，如：①改變增壓壓力（渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)）。②改變節(jié)氣門閥片的位置。

第二條路徑：改變（除增壓壓力）影響短期扭矩的控制變量。如：①點(diǎn)火正時(shí)。②燃油噴射時(shí)間。③氣缸壓縮壓力。使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的扭矩與實(shí)際需要的扭矩相匹配。

4 裝有智能“電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)”的汽車，許多性能得到改善

（1）精確控制節(jié)氣門開度，使汽車的排放性能得到改善。據(jù)實(shí)驗(yàn)，碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化合物（NOX）的排放量可以減少15%左右，降低了有害物質(zhì)的排放量。

（2）消除了變速器換擋時(shí)的碰撞沖擊現(xiàn)象，延長了變速器的使用壽命，提高了乘坐的舒適性。

（3）補(bǔ)償了海拔高度的變化。當(dāng)汽車行駛在高海拔地區(qū)時(shí)，大氣壓力下降，空氣稀薄，氧含量下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)可按照大氣壓強(qiáng)和海拔高度的函數(shù)關(guān)系對節(jié)氣門開度進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力和加速踏板的位置關(guān)系保持穩(wěn)定。

（4）改善了汽車行駛的可靠性。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用智能電子芤控制系統(tǒng)，可以省去巡航控制裝置（CCS）、怠速控制裝置(ISC)等，需要的零部件減少，結(jié)構(gòu)更加簡單，由電腦集中控制，電路的工作可靠性明顯越高。

（5）保證汽車各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，提高了汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

5 展望

從汽車整體的角度來看，智能電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低了排放性，改善了行駛穩(wěn)定性和乘坐的舒適性。隨著車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，將向集成化綜合控制方面發(fā)展，對汽車的各方面性能會(huì)有很大提高。

最新資料表明，在美國，2008年已有大約60%的轎車采用了不同形式的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，相信，隨著我國汽車技術(shù)的進(jìn)步，不久的將來“電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)”的技術(shù)將會(huì)在現(xiàn)代汽車上得到全面應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張鳳山.智能電子節(jié)氣門控制系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.3.

[2] 韓玉敏.汽車智能電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的研究.交通科技與經(jīng)濟(jì),2006(2).

[3] 馬明芳.電子節(jié)氣門的基本結(jié)構(gòu)與工作原理及控制功能.汽車運(yùn)用,2008(9).