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)動理念而誕生的。ETC系統(tǒng)由位于發(fā)動機進氣歧管內(nèi)的電子節(jié)氣門體（ETB）和專門的控制系統(tǒng)組成。

它通過傳感器、控制器、節(jié)氣門驅(qū)動裝置實現(xiàn)與發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）的配合：根據(jù)駕駛員和發(fā)動機轉(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，以此來精確調(diào)節(jié)進氣量，使發(fā)動機在最合適的狀態(tài)下工作；使車輛具有良好的怠速、加速及減速工況過渡性能，從而有效降低排放和燃油消耗，提高汽車的動力性、平穩(wěn)性、安全性和舒適性；同時ETC系統(tǒng)也能按照車輛其他系統(tǒng)，如驅(qū)動防滑控制（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)動機扭矩輸出。ETC系統(tǒng)已成為高檔轎車的標準配置。

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入氣缸的空氣流量。這種剛性連接方式的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、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)動機進氣量的任務(wù)完全交給了駕駛員，未考慮車輛工況、道路、天氣等條件。此時節(jié)氣門開度不一定是最佳開度，不能保證發(fā)動機的工作狀態(tài)與汽車的運行情況實現(xiàn)最佳匹配。隨著EMS的出現(xiàn)，以及對汽車經(jīng)濟性、舒適性和排放指標的要求越來越苛刻，電子節(jié)氣門應(yīng)運而生。

1.1.2 電子節(jié)氣門

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

其中執(zhí)行機構(gòu)由ETB、驅(qū)動電機、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)閉會導(dǎo)致閥片卡在進氣管，因此完全關(guān)閉角（節(jié)氣門閥片和空氣流進入閥體的垂直方向的夾角）并不是0°，而是2°。

將閥片設(shè)計成橢圓形（圖3a），其節(jié)氣門閥開度范圍是0°～88°。在靜態(tài)時，閥門并不是完全關(guān)閉的，而是通過復(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，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)動電機驅(qū)動電機采用具有較高響應(yīng)速度、精度和頻率的12V直流伺服電機為節(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)動機電控單元（ECU）分別在2個脈寬調(diào)制（PWM）通道上輸出信號，控制雙向H橋電路對角線上的2組功率晶體管同時導(dǎo)通。具體為通過改變電流方向來控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動方向，通過改變脈寬調(diào)制信號的占空比來調(diào)節(jié)驅(qū)動電流大小以控制電機的轉(zhuǎn)矩，再通過減速齒輪組向節(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)動電機和節(jié)氣門閥．齒輪裝置由主動齒輪（np）、中間齒輪（nm，ni）和從動齒輪（nu）組成，如圖4所示。

驅(qū)動電機通過2級齒輪的減速來增大扭矩，從而減小電機轉(zhuǎn)動過程中的運動沖擊。力矩的改善使得電機的尺寸減小，同時齒輪組使電機與節(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個正反彈性系數(shù)不同的內(nèi)置復(fù)位彈簧，它們在各自方向獨立起作用，并且都有一定的預(yù)緊力。如前所述，當(dāng)驅(qū)動電機輸出扭矩為0即靜態(tài)時，復(fù)位彈簧使節(jié)氣門保持一個約9°的開度，這個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)氣門引入的機械保護裝置。為了實現(xiàn)這一點，主彈簧用于關(guān)閉節(jié)氣門，而另一個位于閥門的柱塞總成上的彈簧，使節(jié)氣門閥以默認角度打開。當(dāng)ETC系統(tǒng)或驅(qū)動電機出現(xiàn)故障時，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)動機怠速工作的進氣量需求，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)的唯一檢測元件，通常有接觸型和非接觸型2種，用于將實時采集的節(jié)氣門開度轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，以便對閉環(huán)控制進行位置反饋。接觸型TPS采用輸出信號互補式變化的雙冗余式傳感器測量節(jié)氣門位置，2路傳感器信號雖電壓變化趨勢相反，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別的依據(jù)。當(dāng)某一路傳感器出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)及時檢測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觸點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。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)運動被轉(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，通過節(jié)氣門位置傳感器將信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳遞給控制單元，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)動機整體轉(zhuǎn)矩需求和其他參數(shù)，如發(fā)動機負荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等，以及ECU預(yù)設(shè)的控制策略，控制單元計算出所需進氣量，進而計算出節(jié)氣門最佳開度，控制驅(qū)動電機的輸出力矩，使電機克服復(fù)位彈簧扭矩，節(jié)氣門閥片軸旋轉(zhuǎn)，達到相應(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)動意圖控制發(fā)動機的輸出功率和扭矩，計算所需的進氣量和與之對應(yīng)的噴油量、最佳點火時間。

1.3.3 ETC節(jié)氣門開度估計策略

節(jié)氣門開度估計模塊是ETC系統(tǒng)的重要組成部分。在ETC節(jié)氣門開度估計中，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)，是一種非常簡單的節(jié)氣門開度估計方法．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)動機怠速或減速、節(jié)氣門突然關(guān)閉、自動變速器換擋和節(jié)氣門消除傳動間隙等情況時，加速踏板位置與節(jié)氣門開度不成比例。駕駛員對汽車動力性能的需求通過加速踏板位置傳感器轉(zhuǎn)換為節(jié)氣門閥的開啟輸入，此時節(jié)氣門僅作為踏板位置的輸入函數(shù)來控制。只考慮驅(qū)動因素，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)氣門的開度估計內(nèi)，考慮這是踏板跟蹤器策略的主要缺點。（2）基于扭矩的開度估計策略基于扭矩的開度估計策略是將各種輸入，諸如驅(qū)動需求、發(fā)動機和車輛相關(guān)系統(tǒng)需求，轉(zhuǎn)換成發(fā)動機扭矩變量，作為發(fā)動機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個查詢表組成：一個是驅(qū)動一扭矩一踏板，另一個是空氣流量。

如圖5a所示，駕駛者的扭矩需求被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的加速器踏板位置和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，然后，控制系統(tǒng)中的扭矩需求管理器通過考慮其他系統(tǒng)和驅(qū)動器的要求來計算總轉(zhuǎn)矩需求。如圖5b所示，對于相應(yīng)的扭矩值和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，空氣流量設(shè)定值由空氣流量圖計算。根據(jù)空氣流量的設(shè)定值，通過控制系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型來計算節(jié)氣門開度角。這2種節(jié)氣門開度估計策略中，節(jié)氣門開度角（θreq）必須通過節(jié)氣門閥的精確定位來實現(xiàn)。因此，ETC中的位置控制系統(tǒng)模塊通過TPS的反饋來估計節(jié)氣門閥的實際位置以調(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。