汽車電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

汽車電子節(jié)氣門控制（Electronic Throttle Control，ETC）系統(tǒng)是伴隨汽車電子驅(qū)動(dòng)理念而誕生的。ETC系統(tǒng)由位于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)的電子節(jié)氣門體（ETB）和專門的控制系統(tǒng)組成。

它通過(guò)傳感器、控制器、節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）的配合：根據(jù)駕駛員和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩需求、汽車行駛狀態(tài)等相關(guān)信息快速且精確地控制節(jié)氣門開度，以此來(lái)精確調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在最合適的狀態(tài)下工作；使車輛具有良好的怠速、加速及減速工況過(guò)渡性能，從而有效降低排放和燃油消耗，提高汽車的動(dòng)力性、平穩(wěn)性、安全性和舒適性；同時(shí)ETC系統(tǒng)也能按照車輛其他系統(tǒng)，如驅(qū)動(dòng)防滑控制（ASR）系統(tǒng)、巡航控制（CCS）系統(tǒng)、車輛穩(wěn)定性控制（VSC）系統(tǒng)等的要求，改變節(jié)氣門開度和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出。ETC系統(tǒng)已成為高檔轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置。

1. 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)1.1.1 傳統(tǒng)節(jié)氣門

傳統(tǒng)節(jié)氣門的連接方式如圖1所示。傳統(tǒng)拉線式機(jī)械節(jié)氣門采用的是剛性連接方式，其結(jié)構(gòu)包括加速踏板、杠桿、拉繩、節(jié)氣門閥體等。踏板通過(guò)拉索或連桿與節(jié)氣門擋板相連，駕駛員以踩下或釋放加速踏板的方式控制進(jìn)入氣缸的空氣流量。這種剛性連接方式的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高、能快速反映駕駛員意圖，但節(jié)氣門開度由駕駛員主觀控制，即將控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的任務(wù)完全交給了駕駛員，未考慮車輛工況、道路、天氣等條件。此時(shí)節(jié)氣門開度不一定是最佳開度，不能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)與汽車的運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)最佳匹配。隨著EMS的出現(xiàn)，以及對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性、舒適性和排放指標(biāo)的要求越來(lái)越苛刻，電子節(jié)氣門應(yīng)運(yùn)而生。

1.1.2 電子節(jié)氣門

電子節(jié)氣門作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，主要由位置傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)由ETB、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪組和復(fù)位彈簧等組成。（1）電子節(jié)氣門閥體節(jié)氣門閥體由節(jié)氣門閥片和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成．節(jié)氣門閥片具有一定厚度，閥門完全關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致閥片卡在進(jìn)氣管，因此完全關(guān)閉角（節(jié)氣門閥片和空氣流進(jìn)入閥體的垂直方向的夾角）并不是0°，而是2°。

將閥片設(shè)計(jì)成橢圓形（圖3a），其節(jié)氣門閥開度范圍是0°～88°。在靜態(tài)時(shí)，閥門并不是完全關(guān)閉的，而是通過(guò)復(fù)位彈簧使節(jié)氣門開度保持在9°左右（圖3b）。當(dāng)節(jié)氣門開啟θ時(shí)，有效區(qū)域是節(jié)氣門閥在垂直于氣流方向上的投影區(qū)域（圖3c）。（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用具有較高響應(yīng)速度、精度和頻率的12V直流伺服電機(jī)為節(jié)氣門閥片提供適當(dāng)轉(zhuǎn)矩。為了降低功耗和平滑電流峰值，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）分別在2個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）通道上輸出信號(hào)，控制雙向H橋電路對(duì)角線上的2組功率晶體管同時(shí)導(dǎo)通。具體為通過(guò)改變電流方向來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，通過(guò)改變脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流大小以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，再通過(guò)減速齒輪組向節(jié)氣門閥傳遞相應(yīng)的扭矩。（3）減速齒輪組由圖2可以看出，節(jié)氣門閥體上的減速齒輪組連接著驅(qū)動(dòng)電機(jī)和節(jié)氣門閥．齒輪裝置由主動(dòng)齒輪（np）、中間齒輪（nm，ni）和從動(dòng)齒輪（nu）組成，如圖4所示。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)2級(jí)齒輪的減速來(lái)增大扭矩，從而減小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)沖擊。力矩的改善使得電機(jī)的尺寸減小，同時(shí)齒輪組使電機(jī)與節(jié)氣門軸平行放置，因此節(jié)氣門尺寸減小，結(jié)構(gòu)更緊湊。（4）跛行復(fù)位彈簧電子節(jié)氣門體內(nèi)有2個(gè)正反彈性系數(shù)不同的內(nèi)置復(fù)位彈簧，它們?cè)诟髯苑较颡?dú)立起作用，并且都有一定的預(yù)緊力。如前所述，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩為0即靜態(tài)時(shí)，復(fù)位彈簧使節(jié)氣門保持一個(gè)約9°的開度，這個(gè)位置被稱為故障安全位置的“跛行回家”（Limp-Home，L-H）位置，因而復(fù)位彈簧是電子節(jié)氣門引入的機(jī)械保護(hù)裝置。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，主彈簧用于關(guān)閉節(jié)氣門，而另一個(gè)位于閥門的柱塞總成上的彈簧，使節(jié)氣門閥以默認(rèn)角度打開。當(dāng)ETC系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，復(fù)位彈簧可以使節(jié)氣門閥回到稍高于完全關(guān)閉的L—H位置，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工作的進(jìn)氣量需求，汽車能“跛行”至最近的車輛維修站。

1.2 節(jié)氣門位置傳感器

節(jié)氣門位置傳感器（Throttle Position Sensor，TPS）是節(jié)氣門狀態(tài)的唯一檢測(cè)元件，通常有接觸型和非接觸型2種，用于將實(shí)時(shí)采集的節(jié)氣門開度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，以便對(duì)閉環(huán)控制進(jìn)行位置反饋。接觸型TPS采用輸出信號(hào)互補(bǔ)式變化的雙冗余式傳感器測(cè)量節(jié)氣門位置，2路傳感器信號(hào)雖電壓變化趨勢(shì)相反，但其和值應(yīng)始終等于供電電源+5 V，這可作為硬件故障識(shí)別的依據(jù)。當(dāng)某一路傳感器出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)檢測(cè)并切換到另一路傳感器，從而提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。目前，在許多車輛上使用的節(jié)氣門位置傳感器由帶有移動(dòng)觸點(diǎn)的厚膜電阻電位器組成，提供與節(jié)氣門軸位置成正比的輸出信號(hào)。非接觸型TPS在傳感器技術(shù)中使用霍爾效應(yīng)、磁阻或感應(yīng)原理?；谶@些原理，節(jié)氣門閥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成與傳感器的旋轉(zhuǎn)角成正比的線性輸出電壓。與接觸型TPS相比，非接觸型具有更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。

1.3 控制系統(tǒng)1.3.1電子加速踏板

當(dāng)駕駛員踩下電子加速踏板，加速踏板角度的變化及其改變的速度，通過(guò)節(jié)氣門位置傳感器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳遞給控制單元，控制單元由此獲得駕駛員的駕駛意圖．根據(jù)當(dāng)前行駛狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)整體轉(zhuǎn)矩需求和其他參數(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等，以及ECU預(yù)設(shè)的控制策略，控制單元計(jì)算出所需進(jìn)氣量，進(jìn)而計(jì)算出節(jié)氣門最佳開度，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出力矩，使電機(jī)克服復(fù)位彈簧扭矩，節(jié)氣門閥片軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到相應(yīng)的開度。

1.3.2 ECUECU是ETC系統(tǒng)的核心，一般集成在EMS中。EMS由大量控制模塊（控制回路）和電子節(jié)氣門控制器組成，其主要任務(wù)是根據(jù)駕駛員驅(qū)動(dòng)意圖控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和扭矩，計(jì)算所需的進(jìn)氣量和與之對(duì)應(yīng)的噴油量、最佳點(diǎn)火時(shí)間。

1.3.3 ETC節(jié)氣門開度估計(jì)策略

節(jié)氣門開度估計(jì)模塊是ETC系統(tǒng)的重要組成部分。在ETC節(jié)氣門開度估計(jì)中，通常采用踏板跟隨器和基于扭矩這2種方法。彈簧扭矩是分段線性函數(shù)且彈簧剛度差異很大，因此彈簧扭矩取決于節(jié)氣門閥是否處于L-H位置附近。（1）踏板跟隨器策略踏板跟隨器策略通常用于早期的ETC系統(tǒng)，是一種非常簡(jiǎn)單的節(jié)氣門開度估計(jì)方法．在該方法中，節(jié)氣門開度角與駕駛員給出的加速踏板位置成比例，但在發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)怠速或減速、節(jié)氣門突然關(guān)閉、自動(dòng)變速器換擋和節(jié)氣門消除傳動(dòng)間隙等情況時(shí)，加速踏板位置與節(jié)氣門開度不成比例。駕駛員對(duì)汽車動(dòng)力性能的需求通過(guò)加速踏板位置傳感器轉(zhuǎn)換為節(jié)氣門閥的開啟輸入，此時(shí)節(jié)氣門僅作為踏板位置的輸入函數(shù)來(lái)控制。只考慮驅(qū)動(dòng)因素，其他系統(tǒng)要求（如巡航控制、牽引控制、催化劑加熱等）不在節(jié)氣門的開度估計(jì)內(nèi)，考慮這是踏板跟蹤器策略的主要缺點(diǎn)。（2）基于扭矩的開度估計(jì)策略基于扭矩的開度估計(jì)策略是將各種輸入，諸如驅(qū)動(dòng)需求、發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛相關(guān)系統(tǒng)需求，轉(zhuǎn)換成發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變量，作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和車輛控制系統(tǒng)內(nèi)的其他功能的輸入。該策略主要由2個(gè)查詢表組成：一個(gè)是驅(qū)動(dòng)一扭矩一踏板，另一個(gè)是空氣流量。

如圖5a所示，駕駛者的扭矩需求被轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的加速器踏板位置和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，然后，控制系統(tǒng)中的扭矩需求管理器通過(guò)考慮其他系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器的要求來(lái)計(jì)算總轉(zhuǎn)矩需求。如圖5b所示，對(duì)于相應(yīng)的扭矩值和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，空氣流量設(shè)定值由空氣流量圖計(jì)算。根據(jù)空氣流量的設(shè)定值，通過(guò)控制系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算節(jié)氣門開度角。這2種節(jié)氣門開度估計(jì)策略中，節(jié)氣門開度角（θreq）必須通過(guò)節(jié)氣門閥的精確定位來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，ETC中的位置控制系統(tǒng)模塊通過(guò)TPS的反饋來(lái)估計(jì)節(jié)氣門閥的實(shí)際位置以調(diào)節(jié)節(jié)氣門角度。然而，非線性使得節(jié)氣門的實(shí)際位置與所需的節(jié)氣門角輸入相比有出入。為了研究節(jié)氣門位置的非線性效應(yīng)，通過(guò)考慮電子節(jié)氣門體內(nèi)存在的各種影響，提出綜合數(shù)學(xué)模型。