发动机电子节气门技术的研究.doc

本文由淫人来敲门贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 发动机电子节气门 技术的研究 杨正华 08223056 机电 0812 发动机电子节气门技术的研究 08223056 杨正华 机电 0812 摘要： 摘要：随着人们对效率和排放的要求日益增大，电子节气门技术开始运用到汽车发动机上， 介绍了发动机电子节气门技术的发展以及现状， 分析了电子节气门技术的优点、 缺点以及未 来发展的趋势。通过对电子节气门系统的研究分析，总结了其系统组成、功能、基本结构、 工作原理、控制策略以及以及系统分类。通过对天然气发动机的电子节气门系统的分析，展 现了电子节气门技术的优势以及不可替代性。 关键词： 关键词：发动机、电子节气门技术、ETCS、工作原理、天然气发动机、发展趋势 正文： 正文：节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性、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，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；另一方面，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。 汽车电子技术飞速发展，对于发动机电子节气门技术的研究起源于 20 世纪七十年代， 80 年代开始有产品问世，自 1988 年宝马轿车开始应用电子节气门控制系统以来，发动机电 子节气门技术的研究步入飞速发展之中。电子节气门控制系统简称为 ETC,我国在这方面的 研究工作尚属起步阶段。 目前，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，今年 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，国内部分高校对电子节气门控制系统开展了研究，并取得了阶段性成果。比 如：吉林大学对汽车电子节气门控制器的开发，实现了控制器的动态响应满足设计指标；湖 南 大 学 进 行 了 基 于 OSEK/VDX 的 电 子 节 气 门 控 制 器 的 研 究 与 开 发 ， 构 建 了 基 于 POW-EROSEK 嵌入式操作系统的电子节气门软硬件架构；北京理工大学进行了电子节气门 模糊控制器快速控制原型设计。由于 ETC 是汽车发动机完全电控的重要设备，随着我国汽 车电子工业的发展，对这项先进技术的深入研究将是必然的趋势。 1 电子节气门的由来及其发展 11 电控燃油喷射(EFI)系统的优点 目前，中高档轿车已经普遍采用 EFI 系统，相信其他车型采用 EFI 系统也是大势所趋。汽车 发动机采用 EFI 系统后有如下优点： (1) 起动性能好起动时间仅为传统化油器式的 50左右； (2) 动力性强与使用化油器系统相比，发动机功率可增大 5 10 ，扭矩增大 7左右； (3) 加速性能好进行油门全开的加速试验，车速由 0 kmh100 kmh 的时间比传统化油 器缩短 7 ; (4) 耗油量低，经济性好 EFI 系统能实现空燃比(a)的高精度控制，各缸充量分配较均匀，与 传统化油器相比，省油 5 15 ； (5) 减少排气污染 EFI 系统可获得最佳 a，与三元催化剂配合使用时可以使排气中的 CO， HC 和 NO 控制在最低范围内。 12 节气门从机械控制到电子控制 EFI 系统以其优越性取代化油器，其油路自成系统，进行压力喷射；在进气系统方面，保留 了化油器进气道喉管下方的一个简单却非常重要的部件 节气门，并增设电控单元 (ECU)、 节气门位置传感器以及空气流量计等检测工况。 ECU 根据这些传感器的信号参数(包 括空气流量、转速和温度等)，调节喷油器的喷油量，获得最佳 a。在前期的 EFI 系统中节气 门的控制方法采用机械控制方式，对特殊工况采用附加装置进行空气燃油补偿。 节气门的机械控制方式由于其动态特性的限制， 很难根据汽车的不同工况相应地做出精 确而及时的调整；特别是在冷起动、低负荷等特殊工况下的控制效果很差，从而导致汽车发 动机的经济性下降，有害排放量增加? 。 在 EFI 系统中虽然可以实现对喷油量的精确控制， 并对进气充量进行补偿， 但还是不能 在所有工况下达到理想的要求。为了精确控制进气量，以获得更佳的 a，于是出现了 ETC。 ETC 是在 EFI 系统的节气门体机构中，去掉一些附属补偿装置，而增加了驱动电路、驱动 电机以及齿轮传动等，其节气门开度在任何工况下都直接由电机驱动控制。ECU 可随着发 动机工况的变化而配制一个最佳的混合气成分(同时按发动机的动力性、经济性、减少排放 有害物等要求来确定)，具有良好的怠速、加速及减速等工况过渡性能。现在，电子节气门 系统已成为发动机电控管理系统中的一个非常重要的模块。 2 电子节气门的技术现状 国外，Bosch，Delphi 及 Toyota 等公司已经推出了新一代的 ETC 产品；国内如上海联合 电子公司和四川红光机电公司等也开始从事研究与试验。目前，ETC 产品的性能比其最初 一代有了很大的提高， 在控制策略上由先前的线性控制到现在的非线性控制； 驱动由步进电 机到直流电机， 在提高控制精度的同时也减小了体积； 从先前为单一提高驾驶性能到现在为 提高发动机的经济性、排放性及乘坐舒适性等多项综合性能；同时，系统已经集成了多种控 制功能。 各种 ETCS 虽然在控制策略和设计方法上千差万别，但都在着眼提高控制精度和进 行集中控制的同时，注重系统的安全可靠性。目前一般都采用了冗余设计(配备功能相同的 元件并相互监测， 防止信号及功能失误而产生故障)和系统故障检测与失效保护。 目前 ETCS 的技术特点： (1)可选工作模式 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，减少轮胎滑差； (2)集成多种控制功能 集成多种控制功能 对 ETCS 总体实现非线性伺服控制，主要的控制功能如下： 牵引控制发动机正常进气控制； 怠速控制(LSC) 由节气门控制电机控制节气门开度来完成； 减少换挡冲击控制 自动变速器模拟节气门开度选择传动比，实现自动换挡； 节气门回位控制(TRC) 在驱动轮产生过大打滑量的情况下， ECU 根据驾驶情况发出指令 信号控制电机关闭节气门，以利于保证汽车的稳定性和驱动力； 车辆稳定控制(VSC)系统协调控制 根据 ABS 和 TRC 等的信号由 ECU 施加协调控制来 控制节气门开度，使 VSC 系统达到最佳状态； 巡航控制 车速由节气门控制电机控制节气门来实现车速控制。 (3)监视系统及失效保护 监视系统及失效保护 为了行车安全，增强系统可靠性，ETCS 控制需要有强大的故障检测功能。ETCS 可持续地 监视各种信号及工作状况，并及时做出适当的反应。在第 2 代 Delphi ETCS 中，其安全特色 之一是使用双重油门踏板位置传感器、节气门位置传感器及刹车开关等，两者可相互监测， 即使其中有一个传感器出错，系统也能正常工作。系统诊断检测包括检查 CPU 在内的所有 部件，若有故障，则进行备份并进入安全运行模式(如性能限制模式、强制怠速模式以及发 动机关闭模式等)。以丰田 ETCS 为例，在出现异常情况时，系统通过显示屏提醒驾驶员； 同时进入限速模式(1imp home)：切断节气门控制电机和电磁离合器的电流，停止 ETCS 操 作，使复位弹簧关闭节气门到微小开度，缓慢行驶到安全地点。 3 电子节气门技术的发展趋势 3.1 电子节气门技术一方面发展趋势就是克服掉现在电子节气门的缺点： 电子节气门技术一方面发展趋势就是克服掉现在电子节气门的缺点 发展趋势就是克服掉现在电子节气门的缺点： 3.11 为了安全可靠而采用冗余设计，所用的电机和传感器要求有极高的精确性和响应速度， 使得成本很高，成为其广泛应用的瓶颈； 3.12 为了保证系统失效后发动机仍能运转， 需要回位弹簧使节气门保持一微小开度， 就存在 一个非线性弹簧，再加上非线性阻尼和进气扰流阻矩的不稳定性，使得系统难于达到高 精度的控制； 3.13 由于空气流经节气门到进气歧管进入气缸的时间非常短，即使 ECU 处理得非常快，节 气门对信号的响应也存在 lO 个毫秒级的延迟，这对发动机形成均匀混合气造成不利影 响；电子节气门系统非常敏感，在节气门积碳变脏超过极限后，由于信号不准确使系统 控制失误，发动机控制性能变差； 3.14 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， ECU 会根据当前的 而 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，其实就是 ECU 通过限制发动机瞬时 输出功率，这就限制了汽车起步时要求较浓混合气的工况实现。 目前，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。 3.15 控制系统复杂，不便于维修。 所以，随着技术的发展，应用的日益广泛，E1ES 一方面的发展趋势就是这些缺点会不 断得到克服。 3.2 电子节气门技术另一方面的发展趋势： 电子节气门技术另一方面的发展趋势： 3.21 向集成化和综合控制方向发展。 向集成化和综合控制方向发展。 集成化和综合控制不仅是电子节气门控制系统的发展方向，也是将来汽车电子控制系统 的发展方向。 它有助于简化电子节气门控制系统， 降低制造成本， 增强各系统间的信息交流。 目前，ETC 已经向集成化和集中控制方向发展，如将怠速控制、巡航控制、减小换档冲击 控制、节气门回位控制及车辆稳定性控制等多种功能集成;或者是将制动防抱死控制系统、 牵引力控制系统及驱动防滑控制系统综合在一起进行制动控制。 3.22 结合多种控制方法进行综合控制。 结合多种控制方法进行综合控制。 采取多种控制策略相结合，可以提高 ETC 的控制精度及反应速度。 目前的发展方向 是从线性控制发展到非线性控制，从单一模式控制发展到多模式控制以及从传统的 PID 控 制发展到采用 PID 与现代控制理论相结合的控制。 由于传统 PID 控制受到参数整定方法 繁杂的困扰，参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。 因此，多模态控 制、神经网络控制及滑模变结构控制等方法被引入到电子节气门控制中。 滑模变结构控制 有良好的鲁棒性和很强的非线性， 该方法与系统的参数和扰动无关， 也体现了今后电子节气 门控制方式的发展方向。 神经网络控制方法与 PID 控制相结合，可以提高电子节气门控制 系统的自适应能力。 但这些理论自身还有待完善和进一步的发展，因此需要更深入的研究 才能将这些综合控制策略成熟的应用到电子节气门控制系统中。 3.23 车载网络、总线技术在汽车电子节气门控制系统的应用。 车载网络、总线技术在汽车电子节气门控制系统的应用。 随着 ETC 等电控系统在汽车上越来越多的应用， 各种传感器和电子控制单元急剧增多， 造成了整车控制电路复杂、车辆上导线的数量增加。 此外，各个系统的信息资源要能够共 享。这些都对汽车的综合布线和信息共享提出了更高要求。现在国际上普遍采用的 车 载网络技术是 CAN 总线控制器局域网，它能够满足汽车上电子系统数据传输安全可靠、数 据共享及系统集成等需要， 并且大大降低了布线的复杂度， 提高了汽车电子系统的运行可靠 性。 所以，CAN 总线技术在汽车电子节气门控制系统上的应用也将是一个重要趋势。 4 电子节气门控制系统组成与工作原理： 电子节气门控制系统组成与工作原理： 控制系统组成与工作原理 图一： 图一：电子节气门控制系统图 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） 、 节气门电子控制单元（ ） 其中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。 4.1 电子节气门的系统组成和功能 电子节气门的系统组成和功能: 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 F 6 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。2 个信号值正好相反，形成对比。 2 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。 。 3 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 2 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。 4 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。 5 制动踏板开关 5 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。 6 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。 7 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。 4.2 基本结构 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） 其中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 （） 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 （10） 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（4） ，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（3）信息、发动机转速传感器（2）信号、车速传感器（7）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。 4.3 工作原理 ： 工作原理： 将司机通过加速踏板位置传感器需要加速或减速的信息传递给节气门电子控制单元， 控 制单元首先对输入的的模拟信号进行采样处理， 消除环境噪声对驱动电机控制的影响， 然后 将处理后的加速踏板位置信号经过 CAN 总线送给整车控制单元(简称上位机)，由上位机根 据车辆行驶工况进行综合分析计算，输出一个期望的节气门开度值，再由 CAN 总线返回给 电子节气门控制单元。 控制单元则将期望值与当前反馈回来的节气门开度值进行比较， 计算出控制系统需要发 出的脉冲个数以及方向控制电平， 由步进电机驱动器对步进角进一步细分控制， 用来消除电 机在定位时的低频振荡， 最后驱动步进电机使节气门移动到一个与期望的节气门开度值相对 应的位置。 之所以将采样处理后的信号交由上位机进行分析， 主要是为了进行车辆行驶工况 的判别和信息共享。因为在整个车辆控制系统中，除了电子节气门控制单元之外，还有其它 多个电控单元。 此外，采用这种分层控制方式可以使得各控制单元的任务明确、负荷均衡。图 l 中，步 进电机及其驱动器构成了一个开环的定位运动系统， 该系统与电子节气门控制单元、 节气门 开度反馈信号一起构成了闭环的反馈控制系统。 驱动电机控制单元将控制系统发出的脉冲信 号转化为步进电机的角位移，即控制系统每发出 1 个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机 旋转 1 步距角，步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。 因此， 通过控制步进脉冲信号的频率， 可以实现电机的精确调速； 控制步进脉冲的个数， 可以实现电机的精确定位。 无刷直流电机驱动形式的系统组成与上述步进电机驱动形式系统 的区别在于： a 驱动电机的控制单元为无刷直流电机驱动电路，用于放大控制信号并向电动机提供所 需能量的电子装置。 b 驱动电机为无刷直流电机。无刷直流电机驱动形式的工作原理与上述步进电机驱动形 式的区别在于，电子节气门控制单元需要发出的是占空比可调的脉宽调制信号(PWM)，由 脉宽调制信号来控制直流电机的转动角度， 最后使节气门移动到一个与期望的节气门开度值 相对应的位置。由于在使用无刷直流电机驱动时，只控制其脉宽的占空比，即电机转角的大 小，因此，电机方向的控制是靠节气门上的复位弹簧实现的。 4.4 电子节气门控制系统控制策略 电子节气门控制系统控制策略 控制策略; (1) 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。 (2) 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，在很大程度上增加了系统的可靠性，保证行车的安全性。 (3) 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， 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。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。 (4) 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。 (5) 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。 4.5 主要有如下控制功能： 主要有如下控制功能： 牵引力控制（ 4.51 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。 4.52 巡航控制（CCS） 巡航控制（ ） 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。 4.53 怠速控制（ISC） 怠速控制（ ） 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。 4.54 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。 4.6 电子节气门系统分类 (1)电液式节气门 电液式节气门 电液 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。 (2)线性电磁铁式节气门 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。 (3)步进电机式节气门 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。 (4)直流伺服电机式节气门 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。 5 天然气发动电子节气门控制系统 其结构如图 2 所示，主要由节气门、直流电机、减速齿轮组、复位弹簧和节气门位置传感 器等组成。 当节气门出现故障或电机驱动信号被切断时， 节气门在复位弹簧作用下回到最小 开度位置，使发动机能够正常运行。 电子节气门的控制原理是通过 DBW+ 和 DBw 一驱动直流电机， 通过减速齿轮组减速增扭， 然后驱动节气门片转动，节气门位置传感器用于反馈节气门打开的角度。 电子节气门控制系统的组成： 5.1 天然气发动机 电子节气门控制系统的组成： 本研究设计的电子节气门控制系统选用 Motorola 公司的 32 位微处理器 MC68376，它 内部集成有多个智能模块： CAN2 通信控制模块 TouCAN、 0B 队列式 AD 转换器 QADC 以及定时器处理单元 TPU。其中 TPU 模块功能最强，它可独立与 CPU 工作，处理与时间 相关的操作；QADC 模块用于输入信号的 AD 转换；TouCAN 可用于和上位机通信，作 为标定和诊断的接口。 选用此微处理器，可节省大量外围电路的设计工作。直流电机驱动形式一般有线性驱动 和脉宽调制(PWM)驱动两种1，其中，采用与电机串联一个可变电阻的线性驱动形式，由 于其消耗的能量大部分用于产生热量，效率比较低，实际应用中一般不采 用。另外一种为脉宽调制形式，其原理是利用晶体管的开关特性，通过改变输入信号的占空 比来控制电机两端的平均电压， 从而控制直流电机的扭矩输出， 这是当前直流电机控制的主 要形式。在电子节气门的控制中，不仅需要直流电机能够正转，而且还能够反转，这就需要 采用 H 桥驱动 L2。H 桥正反向驱动电机是通过控制 4 个功率管的开关实现的。系统的节 气门驱动电路如图 3 所示，采用智能功率芯片 TLE6209。 6 电子节气门控制系统结构特点及其优势： 电子节气门控制系统结构特点及其优势： 采用电子节气门控制系统后， 一般都是通过加速踏板总成(TPA)来实现驾驶员的意图的， 并通过传感器将驾驶员的意图传递给控制电脑。加速踏板总成设置了 3 个相同的位置传感 器，当其中的某个传感器出现故障时，加速踏板仍然可以将驾驶员的意图传递给控制电脑。 另外， 加速踏板总成还设置了 1 个怠速开关以及 1 个节气门全开开关。 2 个开关分别对应 这 于驾驶员的最小与最大输入意图。 采用加速踏板总成的第 2 个目的就是让驾驶员仍然能够体 验到被替换掉的机械式钢索和弹簧所产生的“脚感” 。 在节气门总成中， 节气门阀片的位置由 1 个马达调节控制， 该马达能够让节气门阀片在 l8O。的范围内转动，以得到期望的节气门开度。在典型的电子节气门控制系统中，马达 根据控制电脑的指令调节节气门阀片的偏转角度， 对于节气门阀片的大部分转动位置， 其定 位精度一般都在05。的范围内。当发动机怠速空转时，阀片的转角精确度甚至能控制在 士 01。的范围内。 此外， 这种调节马达自身配备有多个位置传感器， 能够将节气门的位置信息反馈给控制 电脑，形成闭环控制。这样，当控制电脑把指令传给调节马达后，马达就能够根据传感器反 馈的信息正确地让节气门阀片转动定位。 节气门阀片调节马达本身是遵循电磁场相互作用原 理工作的。 马达内部有 2 个方向相反的磁场， 并采用脉宽调制技术控制其中 1 个磁场相对于 另 1 个磁场的大小。 通过增大脉冲持续时间的百分比来增加调节马达的转动角度， 也就是说， 脉冲持续的时间越长，调节马达让节气门阀片转动的角度就越大。作为一种安全保险措施， 节气门阀片采用弹簧装置支撑，这样，一旦电子节气门控制系统出现故障的时候，节气门阀 片能够在弹簧的作用下回到怠速空转时的位置。 汽车整车制造商们积极采用电子节气门控制 系统的主要原因， 是为了享用电子节气门控制系统的一系列优点， 这其中的 1 个优点便是它 能改善发动机的排放性能。 例如，在汽车减速的时候，驾驶员的脚脱离油门踏板而去踩制动踏板的时候，同时也就 关掉了节气门阀片， 此时发动机继续转动则会造成很高的进气歧管真空度， 这种高的真空度 将会导致供油方面的故障。 通过加速踏板总成和步进马达之间设置 1 个控制软件， 通用汽车 公司期望实现发动机的碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NO )的排放量能够减少 l 5左右。采 用这种方法之后，通用汽车公司在其一款车型中取消了往排气系统注入空气的空气泵。 汽车整车制造商采用电子节气门控制系统后，将会使更多的汽车成为低排放的汽车 (LEV)。美国汽车工程师协会(SAE)发表的一篇论文里，Delphi 公司报告了他们研制的电子 节气门控制系统还具有的其他一些优点。 该公司生产的电子节气门控制系统集成了驾驶员的 一些独特的操纵行为特征。 例如， 驾驶员可选择的踏板响应， 以满足汽车的动力性能需求或冬季特殊的操纵控制需 求等。 当汽车行驶在海拔较高的山路上时， 可通过对踏板响应的调节来补偿海拔高度对发动 机进气量的影响； 车速和发动机转速调节器可以防止踏板处于不恰当的位置， 汽车租赁公司 就对车速和发动机转速调节器很感兴趣。 此外，Delphi 公司设计的电子节气门控制系 统还具有 2 个与汽车操纵性能有关的优点： 一是?肖除了手动变速器换挡时的碰撞冲击现象； 二是发动机的正时延迟特性， 这个特性能够改善三元催化转化器指示灯在汽车启动时熄灭的 故障现象。汽车采用电子节气门控制系统和采用鲍顿拉索机构哪个价格更低廉呢?这个问题 的答案似乎并不明确， 不过若把汽车当作 1 个整体来看的话， 就会发现采用电子节气门控制 系统要比采用鲍顿拉索机构要便宜些。D el Phi 公司和其他的原厂设备制造商(OEMs)所做 的事情， 就是把电子节气门控制系统的特性融合到汽车的巡航速度控制、 怠速空转控制以及 牵引和行驶稳定性控制等系统中去。 一旦电子节气门控制系统的执行机构步进马达对节气门的开度实施了控制， 在动力控制 模块(PCM)的控制下，步进马达能够为发动机提供怠速控制和加速控制等功能，这样就可以 省去怠速控制(IAC)马达和巡航控制伺服系统。 同时， 利用汽车防抱死制动系统(ABS)的车轮 转速传感器得到的数据来监测汽车的牵引力问题， 这样做的目的是， 当汽车牵引力方面出现 问题时，无论驾驶员此时的意图怎样，动力控制模块都会减小节气门的开度。 如果采用电子节气门控制系统，则只需很少的一些开关和软件就能实现汽车的各项功 能。采用电子节气门控制系统后，便可省去巡航控制装置和牵引力控制装置，这样节省下的 费用足够弥补由于使用电子节气门控制系统而增加的支出。 在汽车上能够广泛地采用电子节 气门控制系统的另外 1 个原因是电子节气门控制系统自身价格的下降。 最早的电子节气门控 制装置，当时称作节气门开度控制执行器(TAc)，其所有传感器和执行元件的信息处理都是 通过 1 个单独的节气门开度控制执行器控制模块实现的， 然后， 节气门开度控制执行器控制 模块再把这些信息反馈给动力控制模块。而最新的动力控制模块允许传感器的信息直接输 入，经过处理之后再把正确的指令信息传递给节气门阀片转动控制执行元件。 电子节气门控制系统的上述功能的作用之一就是能够改善汽车的可靠性。由于只需要 1 个节气门位置控制器， 所以需要的零部件总数会大大减少， 零部件数量越少则意味着电子连 接部件越少， 机械部件之间发生干涉的几率也越小。 可靠性研究表明这是一件非常值得提倡 的事情。从电子学的角度看，电路的连接件(或接头)越少，电路的可靠性就越高。这个事实 要比它听起来重要许多。如今的微处理芯片很便宜，通常 8O 美分左右就可以买到 1 个普通 的微处理芯片， 不过那些用来支持微处理芯片的零件的价格却非常昂贵。 采用单独的节气门 开度控制执行器控制模块需要 1 个额外的封装壳体以及放置封装壳体的空间， 需要更多的电 缆和连接器，同时还需要一些其他的零部件，例如，电路板、时钟振荡器、射频干扰抑制器 等。同时，将