電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)結構特點及其優(yōu)勢

1/1電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)結構特點及其優(yōu)勢電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)結構特點及其優(yōu)勢

2007-12-1023:49

在生產(chǎn)了S-10s汽車已達20年之久的時候，通用汽車公司在2004年的秋季推出了他們的雪佛蘭Colorado和GMCCanyon兩款中級皮卡。在這兩款車上，所采用的所有新的和改進的標準技術就是“ETC”這3個字母，即“電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)”。

自1988年寶馬轎車開始應用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)以來，該控制系統(tǒng)只是應用在一小部分高級轎車上。在過去的3年中，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)在美國已經(jīng)被應用于更多本國生產(chǎn)的汽車上。從最新的報道可以看到，在大眾化的汽車市場上，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)已經(jīng)成為許多售價僅為一萬四千美元的汽車的標準配置了。通用汽車公司并不是唯一一家在汽車上采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的汽車制造商，因為斯巴魯公司已經(jīng)宣布，他們將在2005年生產(chǎn)的所有車型上應用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。另外，福特汽車公司的旗艦產(chǎn)品福特F－150也將采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的技術已經(jīng)相當成熟，其價格已經(jīng)降了下來，性價比也在不斷地得到提高。在汽車上應用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)已經(jīng)成為1個發(fā)展趨勢。

我們一般都是通過控制進入發(fā)動機的空氣流量來調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。在傳統(tǒng)的發(fā)動機設計方案中，節(jié)氣門的位置主要是通過1個機械連桿機構（鮑頓拉索）來控制的，其中還包括彈簧、皮帶輪以及其它的一些零件。

鮑頓拉索總成長時間以來都很好地發(fā)揮了它的作用，但是它也表現(xiàn)出了一些不足。首先，從汽車NVH（噪聲、振動和不平順性）和裝配的角度來看，由于安裝鮑頓拉索機構需要在駕駛室的前壁上開1個孔，以便將發(fā)動機節(jié)氣門和駕駛室內(nèi)的加速踏板連接在一起，而這個孔同時也就成為發(fā)動機噪聲向駕駛室傳播的1

個通道。其次，鮑頓拉索機構包含有多根鋼絲，鋼絲的2個末端分別與加速踏板和節(jié)氣門閥片相連接。在這種情況下就必須設法將許多零部件布置在1個非常狹小的空間內(nèi)。采用鮑頓拉索機構控制節(jié)氣門所要面臨的第3個問題是：由于整個操作過程都是通過機械連桿機構來完成，因此從駕駛員通過踩下加速踏板發(fā)出操作指令到執(zhí)行機構做出響應就會出現(xiàn)1個時間滯后，這樣就會導致駕駛員所期望的最好燃油經(jīng)濟性能和排放性能與發(fā)動機實際實現(xiàn)的往往并不一樣。而采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)則可避免這種在時間上滯后現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)發(fā)動機調(diào)試儀表測得的數(shù)據(jù)可以知道，替代機械連桿機構的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)大大縮短了執(zhí)行元件的響應時間，通過在駕駛員的操作和發(fā)動機的運轉(zhuǎn)之間設置一些軟件程序，還能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機節(jié)氣門開度更精確的控制，而節(jié)氣門開度控制精度的提高將會改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性能及排放性能。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)也稱為電動線控駕駛系統(tǒng)，是將巧妙的設計應用于汽車工程的典型例子。大部分用來檢驗電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)應用于汽車的安全性方面的工作，人們都已經(jīng)在軍用和民用飛機上進行了。如果沒有計算機的持續(xù)監(jiān)測和對控制平面的不斷調(diào)整，一些新型飛機根本就無法飛行。飛機這種對于超可靠性、遠程計算機控制執(zhí)行的需要，大大促進了電動線控駕駛系統(tǒng)相關技術的發(fā)展。

采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)后，一般都是通過加速踏板總成（TPA）來實現(xiàn)駕駛員的意圖的，并通過傳感器將駕駛員的意圖傳遞給控制電腦。加速踏板總成設置了3個相同的位置傳感器，當其中的某個傳感器出現(xiàn)故障時，加速踏板仍然可以將駕駛員的意圖傳遞給控制電腦。另外，加速踏板總成還設置了1個怠速開關以及1個節(jié)氣門全開開關。這2個開關分別對應于駕駛員的最小與最大輸入意圖。采用加速踏板總成的第2個目的就是讓駕駛員仍然能夠體驗到被替換掉的機械式鋼索和彈簧所產(chǎn)生的“腳感”。

在節(jié)氣門總成中，節(jié)氣門閥片的位置由1個馬達調(diào)節(jié)控制，該馬達能夠讓節(jié)氣門閥片在1～80°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，以得到期望的節(jié)氣門開度。在典型的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，馬達根據(jù)控制電腦的指令調(diào)節(jié)節(jié)氣門閥片的偏轉(zhuǎn)角度，對于節(jié)氣門閥片的大部分轉(zhuǎn)動位置，其定位精度一般都在±0.5°的范圍內(nèi)。當發(fā)動機怠速空轉(zhuǎn)時，閥片的轉(zhuǎn)角精確度甚至能控制在±0.1°的范圍內(nèi)。此外，這種調(diào)節(jié)馬達自身配備有多個位置傳感器，能夠?qū)⒐?jié)氣門的位置信息反饋給控制電腦，形成閉環(huán)控制。這樣，當控制電腦把指令傳給調(diào)節(jié)馬達后，馬達就能夠根據(jù)傳感器反饋的信息正確地讓節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動定位。

節(jié)氣門閥片調(diào)節(jié)馬達本身是遵循電磁場相互作用原理工作的。馬達內(nèi)部有2個方向相反的磁場，并采用脈寬調(diào)制技術控制其中1個磁場相對于另1個磁場的大小。通過增大脈沖持續(xù)時間的百分比來增加調(diào)節(jié)馬達的轉(zhuǎn)動角度，也就是說，脈沖持續(xù)的時間越長，調(diào)節(jié)馬達讓節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動的角度就越大。作為一種安全保險措施，節(jié)氣門閥片采用彈簧裝置支撐，這樣，一旦電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，節(jié)氣門閥片能夠在彈簧的作用下回到怠速空轉(zhuǎn)時的位置。

汽車整車制造商們積極采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的主要原因，是為了享用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的一系列優(yōu)點，這其中的1個優(yōu)點便是它能改善發(fā)動機的排放性能。例如，在汽車減速的時候，駕駛員的腳脫離油門踏板而去踩制動踏板的時候，同時也就關掉了節(jié)氣門閥片，此時發(fā)動機繼續(xù)轉(zhuǎn)動則會造成很高的進氣歧管真空度，這種高的真空度將會導致供油方面的故障。通過加速踏板總成和步進馬達之間設置1個控制軟件，通用汽車公司期望實現(xiàn)發(fā)動機的碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOX）的排放量能夠減少15％左右。采用這種方法之后，通用汽車公司在其一款車型中取消了往排氣系統(tǒng)注入空氣的空氣泵。汽車整車制造商采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)后，將會使更多的汽車成為低排放的汽車（LEV）。

美國汽車工程師協(xié)會（SAE）發(fā)表的一篇論文里，Delphi公司報告了他們研制的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)還具有的其他一些優(yōu)點。該公司生產(chǎn)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)集成了駕駛員的一些獨特的操縱行為特征。例如，駕駛員可選擇的踏板響應，以滿足汽車的動力性能需求或冬季特殊的操縱控制需求等。當汽車行駛在海拔較高的山路上時，可通過對踏板響應的調(diào)節(jié)來補償海拔高度對發(fā)動機進氣量的影響；車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可以防止踏板處于不恰當?shù)奈恢?，汽車租賃公司就對車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很感興趣。此外，Delphi公司設計的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)還具有2個與汽車操縱性能有關的優(yōu)點：一是消除了手動變速器換擋時的碰撞沖擊現(xiàn)象；二是發(fā)動機的正時延遲特性，這個特性能夠改善三元催化轉(zhuǎn)化器指示燈在汽車啟動時熄滅的故障現(xiàn)象。

汽車采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)和采用鮑頓拉索機構哪個價格更低廉呢？這個問題的答案似乎并不明確，不過若把汽車當作1個整體來看的話，就會發(fā)現(xiàn)采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)要比采用鮑頓拉索機構要便宜些。Delphi公司和其他的原廠設備制造商（OEMs）所做的事情，就是把電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的特性融合到汽車的巡航速度控制、怠速空轉(zhuǎn)控制以及牽引和行駛穩(wěn)定性控制等系統(tǒng)中去。一旦電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構步進馬達對節(jié)氣門的開度實施了控制，在動力控制模塊（PCM）的控制下，步進馬達能夠為發(fā)動機提供怠速控制和加速控制等功能，這樣就可以省去怠速控制（IAC）馬達和巡航控制伺服系統(tǒng)。同時，利用汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的車輪轉(zhuǎn)速傳感器得到的數(shù)據(jù)來監(jiān)測汽車的牽引力問題，這樣做的目的是，當汽車牽引力方面出現(xiàn)問題時，無論駕駛員此時的意圖怎樣，動力控制模塊都會減小節(jié)氣門的開度。

如果采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，則只需很少的一些開關和軟件就能實現(xiàn)汽車的各項功能。采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)后，便可省去巡航控制裝置和牽引力控制裝置，這樣節(jié)省下的費用足夠彌補由于使用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)而增加的支出。

在汽車上能夠廣泛地采用電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的另外1個原因是電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)自身價格的下降。最早的電子節(jié)氣門控制裝置，當時稱作節(jié)氣門開度控制執(zhí)行器（TAC），其所有傳感器和執(zhí)行元件的信息處理都是通過1個單獨的節(jié)氣門開度控制執(zhí)行器控制模塊實現(xiàn)的，然后，節(jié)氣門開度控制執(zhí)行器控制模塊再把這些信息反饋給動力控制模塊。而最新的動力控制模塊允許傳感器的信息直接輸入，經(jīng)過處理之后再把正確的指令信息傳遞給節(jié)氣門閥片轉(zhuǎn)動控制執(zhí)行元件。

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的上述功能的作用之一就是能夠改善汽車的可靠性。由于只需要1個節(jié)氣門位置控制器，所以需要的零部件總數(shù)會大大減少，零部件數(shù)量越少則意味著電子連接部件越少，機械部件之間發(fā)生干涉的幾率也越小?？煽啃匝芯勘砻鬟@是一件非常值得提倡的事情。從電子學的角度看，電路的連接件（或接頭）越少，電路的可靠性就越高。

這個事實要比它聽起來重要許多。如今的微處理芯片很便宜，通常80美分左右就可以買到1個普通的微處理芯片，不過那些用來支持微處理芯片的零件的價格卻非常昂貴。采用單獨的節(jié)氣門開度控制執(zhí)行器控制模塊需要1個額外的封裝殼體以及放置封裝殼體的空間，需要更多的電纜和連接器，同時還需要一些其他的零部件，例如，電路板、時鐘振蕩器、射頻干擾抑制器等。同時，將價格不到1美元的微處理器與其它元器件封裝形成1個系統(tǒng)，其成本加起來比10倍的微處理器價格還要多。如今的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)把所有的微處理控制器都集成到1個電子控制模塊中，這