11级机械设计六班张强1102130812汽车电子节气门系统新技术的研究.docx

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11级机械设计六班张强1102130812汽车电子节气门系统新技术的研究

郑州华信学院

选修课论文

汽车电子节气门系统新技术的研究

专业机械设计制造及其自动化

姓名张强

学号1102130812

班级11机械设计六班

任课教师郭斌峰

2013年12月15日

摘要电子节气门控制系统用电子信号代替了油门踏板和节气门之间的机械连接。

该系统即众所周知的“drivebywire”（线驱动节流系统），它将关于油门的数字信息发送到发动机管理系统中央单元。

然后，通过微型电子马达单独调节每一个节气门的位置。

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。

随着汽车电子技术的飞速发展，汽车智能化新技术正在逐步得到应用。

汽车智能化技术使汽车的操纵越来越简单,控制性和经济性越来越高，行驶安全性越来越好，这是未来汽车的发展趋势。

关键词电子节气门控制

一、研究意义

由于汽车传统的节气门控制需要拉索，在实际运作时存在滞后以及控制精确性差等缺陷，现在车上越来越多的采用了电子节气门控制系统，从而可以使汽车的燃油的消费降低、尾气排放减少，实现发动机全转速范围的最佳转矩输去。

美国通用汽车公司研发与规划副总裁伯恩斯说：

“未来的汽车将具有以下七大特点：

安全、价廉、环保、实用、高效、省时以及提供与外部世界的联系。

这就意味着汽车行业必须围绕低价位、实用性、设计和技术进行创新。

”当今，在这个网络驱动的日子里，数字化应用正在以前所未有的速度和方式进行整合，将汽车的设计、工程、采购和制造业务集成起来，这使我们能够缩短汽车的开发时间，并以更快的速度将新款汽车推向市场。

最主要的有以下几点：

1、是在汽车设计和控制方面。

由于越来越多地采用计算机工具，从而能在更短的时间开发出更多的款式、车型。

使汽车的控制性能有了很大的提升。

2、是在消费者方面。

由于消费者的生活方式主导汽车设计的潮流，将诞生出新的汽车种类，进而满足消费者越来越多的需求。

这些新产品将在不同程度上组合轿车、旅行车、皮卡车、越野车的特点，同时也将促成汽车市场进一步分化。

从而使电子节气门的技术和要求不断提高。

二、电子节气门新技术国内外现状

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。

当前电子气节门，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。

三、电子节气门组成及其作用

1、组成

图1

在电子节气门控制系统中，不采用常规的与加速踏板相连的机械控制系统，该控制系统采用的是飞机上使用的有线操纵（Fly-by-wire）技术，此项技术目前在汽车上的应用很少，只有在一些概念车上会用该项技术。

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（６）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。

2、作用

节气门在于能根据驾驶员的需求愿望以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并具有牵引力控制、巡航控制等控制功能，提高安全性和乘坐舒适性。

精确控制节气门开度。

首先由ECU对各种工况信息和传感器信号做出判断并处理，接着计算出最佳的节气门开度，再由驱动电机控制节气门达到相应的油门开启角度。

电子节气门控制系统仅需要120毫秒便可以完全打开节气门，与一个熟练驾驶员能够精确使用地发动机的动力，并确保在发动机低速运转时实现及其平稳的驾驶。

最佳的点火时间和最佳的阀门打开时间、理想节气门位置和喷射的燃油量同样也有利于最佳的燃油消耗和排气控制。

更为重要的是电子节气门控制系统会在发生机械故障危险的情况下，自动执行程序来提升驾驶的稳定性。

例如节气门被不小心地置于满载设置时。

此外，驾驶员还可以通过按下一个按钮来启动电子节气门控制系统的一个特殊运动型设置。

四、电子节气门工作原理

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。

接着再经过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、频率和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，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。

五、典型零部件节气门传感器的介绍

1、节气门位置传感器作用及类型、检测结构

.作用

a、反映节气门开度（负荷）的大小，判定发动机怠速、部分负荷、全负荷工况，实现不同的控制模式；

b、反映节气门变化快慢（加速、减速），实现加速加浓和减速减油或断油控制。

.类型

线性输出型节气门位置传感器

开关量输出型节气门位置传感器

.结构（丰田2JZ－GE）

2原理

3检测

.万用表检测

供电电压：

拔下连接器，点火开关ON，测量插头VＣ与搭铁间的电压，应为5V。

搭铁电阻：

拔下连接器，点火开关OFF，测量插头Ｅ与搭铁间的电阻，应为0Ω。

静态检测：

拔下连接器，点火开关OFF，测量插座各接角间的电阻，应与规定相符。

动态检测：

插好连接器，点火开关ON，测量各接角间的电压，应与规定相符。

丰田2JZ－GE节气门位置传感器的标准值

.示波器检测

模拟信号：

输出信号电压随节气门开度的增大而增大。

传感器的电压应从怠速时的低于1V到节气门全开时的低于5V；波形上不应有任何断裂、对地尖峰或大跌落；应特别注意在前1/4节气门开度中的波形，这是在驾驶中最常用到传感器碳膜的部分。

传感器的前1/8至1/3的碳膜通常首先磨损。

六、电子节气门新技术优缺点

优点

（1）电子节气门控制系统的最大优点是可以实现发动机转速全范围的最佳扭矩的输出。

（2）高精度的功率控制系统——电子节气门控制系统通过油门踏板的运动转换成送往发动机管理系统的数码信号，来精确控制发动机的输出功率，从而带来更平稳的功率输去，以及更低的排放和更高的燃油效率。

（3）改善了发动机的排放性能。

ETC系统在各种情况下对空燃比进行精确控制，使燃烧更加充分，同时也降低了废气的产生;在怠速状态下，节气门保持在一个极小开启角度来稳定燃烧，提高了燃油经济性，排放也得到进一步控制。

（4）具有更高的车辆行驶可靠性。

电子节气门控制系统采用传感器冗余设计，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。

（5）可选择不同的工作模式。

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。

（6）可获得海拔高度补偿。

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，电子节气门控制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油门踏板位置的关系保持稳定。

缺点

（1）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，而ECU会根据当前的车速、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。

（2）非线性影响。

ETC控制系统存在各种非线性影响，除了弹簧非线性、粘滑摩擦及齿隙非线性等影响外，同时受到进气流产生的非线性阻尼力以及进气气流的不稳定扰流阻矩的影响，导致常规PID控制不能精确地设定反馈的增益，影响控制的精确性。

（3）成本高。

ETC系统采用了智能型传感器、快速响应的执行器、高性能控制单元及冗余设计，使成本大幅度上升，目前ETC系统只装配在高档轿车上。

七、改进措施

对于上面提出的缺点目前应以以下措施加以改进：

1、尽可能的提高油门的输出量，保证汽车起步时不会产生油门滞后的现象发生；

2、提高PID电子集成设备的监控力度，或者另外研发一个电子设备进行实时监控；

3、采用专用机床或一些机械设备进行加工，提高生产率，降低成本。

八、小结

电子节气门的研究和开发对今后的汽车的向高速运行、准确控制方向发展有着很重要意义，符合当今时代的要求和人民的需要。

今后电子节气门可能向集成化、综合化发展，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。

当前，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。

参考文献：

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机械工业出版社，1996．1—2，10—13．

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