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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

1．1 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实验，车速由 0 km／h～100 km／h 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。 1．2 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

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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实验。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

<1>正常模式：大多数驾驶条件下； <2>动力模式：需要强大功率时； <3>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： <1>牵引控制发动机正常进气控制； <2>怠速控制(LSC> 由节气门控制电机控制节气门开度来完成； <3>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； <4>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； <5>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； <6>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

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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

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