基本介紹
- 中文名：電子節氣門
- 外文名：electronic throttle
- 釋義：汽車發動機的重要控制部件
- 基本結構：發動機、轉速感測器、節氣門等
- 系統分類：電液式、步進電機式節氣門等
- 優點：實現發動機最佳扭矩的輸出等
- 缺點：汽車起步時要求較濃混合氣等
簡述,系統組成,基本結構,工作原理,控制策略,系統分類,研究現狀,發展趨勢,優缺點,優點,缺點,清洗周期,
簡述
為了提高汽車行駛的安全性、動力性、平穩性及經濟性，並減少排放污染，世界各大汽車製造商推出了各種控制特性良好的電子節氣門及其相應的電子控制系統，組成電子節氣門控制系統（ETCS）。採用電子節氣門控制系統，使節氣門開度得到精確控制，不但可以提高燃油經濟性，減少排放，同時，系統回響迅速，可獲得滿意的操控性能；另一方面，可實現怠速控制、巡航控制和車輛穩定控制等的集成，簡化了控制系統結構。
系統組成
1帶加速踏板位置感測器的加速踏板模組—用來確定踏板位置並將踏板位置信號傳遞給控制單元
2發動機控制單元（ECU) —接收踏板位置感測器信號，根據輸入電壓信號計算得知所需動力。並根據其他如急加速，空調，自動變速器起步的扭矩信號，計算出實際的節氣門開度。同時還監控節氣門系統
3節氣門控制單元—控制所需進氣量，根據控制系統提供信號調節節氣門開度，反饋節氣門信號。
4節氣門 故障燈（大眾車型在儀表上為EPC燈）—提供節氣門故障信息給駕駛員
5感測器和執行器感測器：帶油門踏板感測器G79,G185的加速踏板模組，帶節氣門開度感測器的G187,G188，節氣門控制器J338,
離合器踏板開關F36，制動踏板開關F47，制動燈開關F
6執行器：帶節氣門驅動裝置的G186和G338，節氣門故障燈K132c（劃片變組器，等同與油浮子）控制系統根據兩個信號來確定踏板位置。2個信號值正好相反，形成對比。 2 當一個感測器壞。系統監測到還有一個節氣門信號時，能進入怠速運行，但節氣門全開要很慢。系統還通過制動燈開關和制動踏板開關信號來判別怠速狀態，關閉巡航，點亮EPC，在故障存儲器存儲故障碼。 3 節氣門角度感測器G187,.G188（滑動變阻器式）向系統反饋節氣門位置信號。裝兩個感測器是為了精確和備用。當一個感測器壞。系統使用另一個 感測器信號，對加速踏板回響不變，巡航關閉。EPC燈亮 存儲故障碼。當2 個信號中斷，發動機在1500轉左右運行，踩油門踏板無反應。EPC燈亮，有故障存儲。 4離合器踏板開關F36：開關信號，反饋離合器踏板位置，踏板踩下，負載變化功能關閉。系統不對其進行監控，故無故障碼存儲，也無替代值。 5制動踏板開關 5制動踏板開關F47和制動燈開關F（開關信號） 反饋制動踏板信號位置信號，控制單元收到踏板信號後，關閉巡航。如加速踏板感測器壞，代為替代怠速信號。 6 節氣門驅動裝置 J186：定位電機。接受系統命令，控制節氣門開度。出現故障後，進入緊急運行模式，由彈簧將節氣門打開到一定角度，系統運行高與怠速，踩油門沒反應。EPC燈亮，存儲故障碼。 7故障燈 EPC故障燈K132 ：提示信號。系統正常時打開點火開關3秒自檢後熄滅，有故障則常亮。
基本結構
其中轉速感測器也可以用曲軸位置感測器或者凸輪軸位置感測器來代替；節氣門執行器是一個伺服電機，由它來推動節氣門以控制節氣門的開度；加速踏板位置感測器的構造及工作原理和節氣門位置感測器的構造及工作原理是一樣的；節氣門電子控制單元一般是和發動機電子控制單元做在一起的。電子節氣門控制系統的工作原理如上圖所示。加速踏板位置感測器⑹將司機需要加速或減速的信息傳遞給節氣門電子控制單元⑽，ECU 根據得到的信息，計算出相應的最佳節氣門位置，發出控制信號給節氣門執行器⑷，由節氣門執行器將節氣門開到計算出的最佳節氣門的開度位置。ECU 通過與其它電子控制單元（如發動機電子控制單元，自動變速器電子控制單元等）進行通訊，ECU 根據得到的節氣門位置感測器⑶信息、發動機轉速感測器⑵信號、車速感測器⑺的信息對節氣門的最佳位置進行不斷的修正，使節氣門的開度達到司機所需要的理想位置。
電子氣節門
電子氣節門工作原理
駕駛員操縱加速踏板，加速踏板位置感測器產生相應的電壓信號輸入節氣門控制單元，控制單元首先對輸入的信號進行濾波，以消除環境噪聲的影響，然後根據當前的工作模式、踏板移動量和變化率解析駕駛員意圖，計算出對發動機扭矩的基本需求，得到相應的節氣門轉角的基本期望值。然後再經過CAN匯流排和整車控制單元進行通訊，獲取其他工況信息以及各種感測器信號如發動機轉速、檔位、節氣門位置、空調能耗等等，由此計算出整車所需求的全部扭矩，通過對節氣門轉角期望值進行補償，得到節氣門的最佳開度，並把相應的電壓信號傳送到驅動電路模組，驅動控制電機使節氣門達到最佳的開度位置。節氣門位置感測器則把節氣門的開度信號反饋給節氣門控制單元，形成閉環的位置控制。
電子氣節門
電子氣節門節氣門驅動電機一般為步進電機或直流電機，兩者的控制方式也有所不同。驅動步進電機常採用H橋電路結構，控制單元通過發出的脈衝個數、頻率與方向控制電平對步進電機進行控制。電平的高低控制步進電機轉動的方向，脈衝個數控制電機轉動的角度，即發出一個脈衝信號，步進電機就轉動一個步進角，脈衝頻率控制電機轉速，轉速與脈衝頻率成正比。因此，通過對上述三個參數的調節可以實現電機精確定位與調速。
控制直流電機採用脈衝寬度調製（PWM）技術，其特點有頻率高，效率高，功率密度高與可靠性高。控制單元通過調節脈寬調製信號的占空比，來控制直流電機轉角的大小，電機方向則是由和節氣門相連的復位彈簧控制的。電機輸出轉矩和脈寬調製信號的占空比成正比。當占空比一定，電機輸出轉矩與回位彈簧阻力矩保持平衡時，節氣門開度不變；當占空比增大時，電機驅動力矩克服回位彈簧阻力矩，節氣門開度增大；反之，當占空比減小時，電機輸出轉矩和節氣門開度也隨之減小。
ECU對系統的功能進行監控，如果發現故障，將點亮系統故障指示燈，提示駕駛員系統有故障。同時電磁離合器被分離，節氣門不再受電機控制。節氣門在回位彈簧的作用下返回到一個小開度的位置，使車輛慢速開到維修地點。
控制策略
⑴ 基於發動機扭矩需求的節氣門控制
傳統油門的節氣門開度完全取決於駕駛員的操作意圖。電子節氣門系統的節氣門開度並不完全由加速踏板位置決定，而是控制單元根據當前行駛狀況下整車對發動機的全部扭矩需求，計算出節氣門的最佳開度，從而控制電機驅動節氣門到達相應的開度。因此，節氣門的實際開度並不完全與駕駛員的操作意圖一致。
控制單元根據整車扭矩需求獲得所需的理論扭矩，而實際扭矩通過發動機轉速、點火提前角和發動機負荷信號求得。在發動機扭矩調節過程中，控制單元首先將實際扭矩與理論扭矩進行對比，如果兩者有偏差，發動機電控系統將通過適當的調節作用使實際扭矩值和理論扭矩值一致。
電子氣節門
電子氣節門⑵ 感測器冗餘設計
電子節氣門系統採用2個踏板位置感測器和2個節氣門位置感測器，感測器兩兩反接，實現阻值的反向變化，即兩個感測器阻值變化量之和為零。對兩個感測器施加相同的電壓，兩者輸出的電壓信號也相應反向變化，且其和始終等於供電電壓。
從控制角度上講，使用一個感測器就可以使系統正常運轉，但冗餘設計可以使兩個感測器相互檢測，當一個感測器發生故障時能及時被識別，在很大程度上增加了系統的可靠性，保證行車的安全性。
⑶ 可選的工作模式
駕駛員可根據不同的行車，需要通過模式開關選擇不同的工作模式，一般有正常模式、動力模式和雪地模式三種，區別在於節氣門對加速踏板的回響速度不同。在正常模式下，節氣門對加速踏板的回響速度適合於大多數行駛工況。在動力模式下，節氣門加快對加速踏板的回響速度，發動機能提供額外的動力。在附著較差的工況下（比如：雪地，雨天）駕駛員可選擇雪地模式駕駛車輛，此時節氣門對加速踏板的回響降低，發動機輸出的功率比正常情況下小，使車輪不易打滑，保持車輛穩定行駛。
⑷海拔高度補償
在海拔較高的地區，大氣壓下降，空氣稀薄，氧氣含量下降，會導致發動機輸出動力下降。此時電子節氣門系統可按照大氣壓強和海拔高度的函式關係對節氣門開度進行補償，保證發動機輸出動力和加速踏板位置的關係保持穩定。
⑸ 控制功能擴展及其原理
早期的電子節氣門功能比較簡單，在形式上採用一個機械式的主節氣門串聯一個電控的輔助節氣門，往往只能實現某一單一的功能。現代電子節氣門則獨立成一個系統，可實現多種控制功能，既提高行駛可靠性，又使結構簡化，成本降低。主要有如下控制功能：
電子氣節門
電子氣節門a。牽引力控制（ASR）
牽引力控制系統又稱驅動防滑系統。它的作用是當汽車加速時將滑移率控制在一定的範圍內，從而防止驅動輪快速滑動。它的功能一是提高牽引力；二是保持汽車的行駛穩定。它通過減少節氣門開度來降低發動機功率從而達到控制目的。原理如下：控制單元採集加速踏板的位置、車輪速度和方向盤轉向角度等信號，通過計算求得滑移率，並產生相應的控制電壓信號，通過數據匯流排把信號傳送至控制單元，依據此信號，控制單元將減少節氣門開度來調整混合氣流量，以降低發動機功率。此時控制單元對節氣門發出的控制信號將不受駕駛員駕駛意圖的影響，這樣就可以避免駕車者的誤操作。
b。巡航控制（CCS）
巡航控制系統又稱為速度控制系統，它是一種減輕駕車者疲勞的裝置。當駕駛員開啟該系統時，車速將被固定下來，駕駛員不必長時間踩踏加速踏板。原理如下：車速感測器將車速信號輸入控制單元，控制單元根據行駛阻力的變化輸出信號自動調節節氣門開度，當汽車阻力增大（上坡）和車速降低時，控制節氣門開度增大，反之減小，使行駛車速保持穩定。
c。怠速控制（ISC）
電子節氣門系統取消了怠速調節閥，而是直接由控制單元調節節氣門開度來實現車輛的怠速控制。
d。減少換檔衝擊控制
根據當前車速、節氣門開度以及發動機轉速等信號，控制單元選擇合適的傳動比，實現自動換檔。
系統分類
⑴電液式節氣門
電液式節氣門，大多數套用在有液壓系統的工程機械中。它具有結構簡單、成本低、驅動力大、功耗低等特點，其電液控制的轉換主要通過高速開關數字閥實現，控制精度高，對液壓油沒有太高的要求。但是由於液壓系統存在供油壓力波動，液壓執行機構之間的摩擦力以及閥所具有的啟閉特性等方面的影響，致使其位置回響不精確，速度回響慢。因此，電液式節氣門很少套用在汽車上。
電子氣節門
電子氣節門⑵線性電磁鐵式節氣門
電磁鐵式節氣門用比例電磁鐵作為控制器。它用電磁力作為驅動力，其中控制信號為電流信號，具有結構簡單、體積小、控制方便、回響速度快、穩態精度好，但它的最大作用力受到線圈匝數和最大工作電流的限制，而且在一定的工作負荷下所需的電功耗相對較大。因此，線性電磁式節氣門很少在汽車上套用。
⑶步進電機式節氣門
步進電機式節氣門通過步進電機直接驅動節氣門軸實現油門的開度控制。驅動步進電機通常採用橋式電路結構，控制單元通過發出的脈衝個數、頻率和方向控制電平對步進電機進行控制。步進電機具有結構簡單、可靠性高和成本低的優點，但它的控制精度不高。因此，步進電機式節氣門也較少在汽車上套用。
⑷直流伺服電機式節氣門
直流伺服電機採用脈衝寬度調製（PWM) 技術，其特點是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。控制單元通過調節脈寬調製信號的占空比來控制直流電機轉角的大小。此外，電機輸出轉矩和脈寬調製信號的占空比成正比。由於以上的優點，直流伺服電機廣泛套用於電子節氣門的控制。
研究現狀
電子節氣門的研究工作起源於20世紀70年代，80年代開始有產品問世，這些年來，國外對電子節氣門的研究取得了非常迅速的發展。發展趨勢可總結為：在控制策略上由線性控制發展為非線性控制，由輔助電子節氣門發展為獨立的電子節氣門系統，從單一的控制功能發展到集成多種控制功能，兼顧提高動力性、經濟性、操縱穩定性、排放性和乘坐舒適性。
國外多家公司已對電子節氣門系統作了深入的研發，比如德國Bosch，Pierburg，美國Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，義大利Marelli等已推出系列化產品套用於各種品牌的中高檔轎車。雖然國內某些轎車，如POLO，也配備了電子節氣門系統，但當前對ETC還沒有系統深入的研究，也沒有成熟的產品。
電子氣節門
電子氣節門當前，雖然國內部分高級轎車，如寶來、奧迪、帕薩特、POLO、紅旗等已經配備了電子節氣門控制系統，但都屬於國外引進的技術，對其核心技術了解得很少。可喜的是，這些年來，中國第一汽車集團公司開發了電子節氣門控制系統，並把該項技術用於紅旗HQ3高級轎車上。此外，國內部分高校對電子節氣門控制系統開展了研究，並取得了階段性成果。比如：吉林大學對汽車電子節氣門控制器的開發，實現了控制器的動態回響滿足設計指標；湖南大學進行了基於OSEK/VDX的電子節氣門控制器的研究與開發，構建了基於POW-EROSEK嵌入式作業系統的電子節氣門軟硬體架構；北京理工大學進行了電子節氣門模糊控制器快速控制原型設計。
發展趨勢
⑴ 向集成化和綜合控制方向發展。
集成化和綜合控制不僅是電子節氣門控制系統的發展方向，也是將來汽車電子控制系統的發展方向。它有助於簡化電子節氣門控制系統，降低製造成本，增強各系統間的信息交流。當前，ETC 已經向集成化和集中控制方向發展，如將怠速控制、巡航控制、減小換檔衝擊控制、節氣門回位控制及車輛穩定性控制等多種功能集成；或者是將制動防抱死控制系統、牽引力控制系統及驅動防滑控制系統綜合在一起進行制動控制。
⑵ 結合多種控制方法進行綜合控制。
電子氣節門
電子氣節門採取多種控制策略相結合，可以提高ETC 的控制精度及反應速度。當前的發展方向是從線性控制發展到非線性控制，從單一模式控制發展到多模式控制以及從傳統的PID控制發展到採用PID 與現代控制理論相結合的控制。由於傳統PID 控制受到參數整定方法繁雜的困擾，參數往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性很差。因此，多模態控制、神經網路控制及滑模變結構控制等方法被引入到電子節氣門控制中。滑模變結構控制有良好的魯棒性和很強的非線性，該方法與系統的參數和擾動無關，也體現了今後電子節氣門控制方式的發展方向。神經網路控制方法與PID 控制相結合，可以提高電子節氣門控制系統的自適應能力。但這些理論自身還有待完善和進一步的發展，因此需要更深入的研究才能將這些綜合控制策略成熟的套用到電子節氣門控制系統中。
⑶ 車載網路、匯流排技術在汽車電子節氣門控制系統的套用。
隨著ETC 等電控系統在汽車上越來越多的套用，各種感測器和電子控制單元急劇增多，造成了整車控制電路複雜、車輛上導線的數量增加。此外，各個系統的信息資源要能夠共享。這些都對汽車的綜合布線和信息共享提出了更高要求。當前國際上普遍採用的。
車載網路技術是CAN 匯流排控制器區域網路，它能夠滿足汽車上電子系統數據傳輸安全可靠、數據共享及系統集成等需要，並且大大降低了布線的複雜度，提高了汽車電子系統的運行可靠性。所以，CAN 匯流排技術在汽車電子節氣門控制系統上的套用也將是一個重要趨勢。
優缺點
優點
⑴ 電子節氣門控制系統的最大優點是可以實現發動機全範圍的最佳扭矩的輸出。
⑵ 精確控制節氣門開度。首先由ECU 對各種工況信息和感測器信號做出判斷並處理，接著計算出最佳的節氣門開度，再由驅動電機控制節氣門達到相應的油門開啟角度。
⑶ 改善了發動機的排放性能。
ETC 系統在各種情況下對空燃比進行精確控制，使燃燒更加充分，同時也降低了廢氣的產生；在怠速狀態下，節氣門保持在一個極小開啟角度來穩定燃燒，提高了燃油經濟性，排放也得到進一步控制。
電子氣節門
電子氣節門⑷ 具有更高的車輛行駛可靠性。
電子節氣門控制系統採用感測器冗餘設計，從控制角度講，使用一個感測器就可使系統正常運轉，但冗餘設計可使兩個感測器相互檢測，當一個感測器發生故障時能及時被識別，
在很大程度上增加了系統的可靠性，保證行車的安全性。
⑸ 可選擇不同的工作模式。
駕駛員可以根據不同的行車需要通過模式開關選擇不同的工作模式，通常有正常模式、動力模式和雪地模式三種，區別在於節氣門對加速踏板的回響速度不同。
⑹ 可獲得海拔高度補償。
在海拔較高的地區，大氣壓下降，空氣稀薄，氧氣含量下降，導致發動機輸出動力下降。此時，電子節氣門控制系統可按照大氣壓強和海拔高度的函式關係對節氣門開度進行補償，保證發動機輸出動力和油門踏板位置的關係保持穩定。
缺點
⑴ 汽車在起步時會產生油門遲滯。
汽車起步時需要提供濃混合氣，而ECU 會根據當前的車速、節氣門開度等進行分析，從燃油經濟性和排放合理的角度考慮，會限制節氣門的打開幅度，同時限制噴油系統進行濃混合氣供油，其實就是ECU 通過限制發動機瞬時輸出功率，這就限制了汽車起步時要求較濃混合氣
當前，大部分廠家通過電子油門加速器來緩解油門遲滯，但這種裝置並不能提高發動機性能，改變動力輸出及扭矩等，僅是一個信號的放大器，並且油耗也會隨著加速器的加速而增加。
電子氣節門
電子氣節門⑵ 非線性影響
ETC 控制系統存在各種非線性影響，除了彈簧非線性、粘滑摩擦及齒隙非線性等影響外，同時受到進氣流產生的非線性阻尼力以及進氣氣流的不穩定擾流阻矩的影響，導致常規PID 控制不能精確地設定反饋的增益，影響控制的精確性。
⑶ 成本高。
ETC 系統採用了智慧型型感測器、快速回響的執行器、高性能控制單元及冗餘設計，使成本大幅度上升，當前ETC 系統只裝配在高檔轎車上。
清洗周期
節氣門多久清洗
節氣門沒有具體的限制，一般怠速不穩了就清。跟用車的空氣環境，使用機油的種類，更換空濾的間隔，開車習慣都有關係的。一般人到了工況開始惡化的時候（怠速不穩，冷啟動時發動機抖動明顯）才清洗，其實推薦可以找一個熟悉的修理廠，隔一段時間，接上電腦查詢節氣門的開度（一般不用錢），如果開度在5%以內，可以不用清洗，如果超過5%，則進行清洗。
電子氣節門
電子氣節門