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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 年宝马轿车开始使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 和 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

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) 动力性强和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 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，和 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，和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和试验。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)和系统故障检测和失效保护。 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，成为其广泛使用的瓶颈； 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，使用的日益广泛，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 和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， 该方法和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。 神经网络控制方法和 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使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使用。 车载网络、总线技术在汽车电子节气门控制系统的使用。

随着 ETC 等电控系统在汽车上越来越多的使用， 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使用也将是一个重要趋势。 4 电子节气门控制系统组成和工作原理： 电子节气门控制系统组成和工作原理： 控制系统组成和工作原理