浅谈电子节气门的发展趋势
摘要: 国外对电子节气门控制系统（ETC）的研究已有20年的历史，产品亦已大规模投放市场。我国在这方面的研究工作尚属起步阶段。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。本文简要回顾了发动机电喷系统中电子节气门的由来及发展；论述了最新电子节气门产品的系统组成、工作原理、功能及其优点，阐述了可能会出现的不足，同时从各个方面讨论不足产生的原因。最后，对ETC系统的技术特点进行了系统性的分析，并对其进一步的发展趋势作了分析探讨。
| 国外对电子节气门控制系统（ETC）的研究已有20年的历史，产品亦已大规模投放市场。我国在这方面的研究工作尚属起步阶段。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。 电子节气门的由来及其发展 （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：（a）起动性能好起动时间仅为传统化油器式的50%左右；（b）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；（c）加速性能好进行油门全开的加速试验，车速由0km/h-100km/h的时间比传统化油器缩短7%；（d）耗油量低，经济性好EFI系统能实现空燃比α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%；（e）减少排气污染EFI系统可获得最佳，与三元催化剂配合使用时可以使排气中的CO，HC和NOx控制在最低范围内。 （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α。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α，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。 （3）ETC 的发展 20世纪70年代后期，随着电驱动（drive-bywire）的理念就开始了ETC 相关技术的研究工作。20世纪80年代开始有产品问世，Bosch（博世）公司的ETC产品在某些赛车上就有应用；1988 年，在宝马（BWM750iL）轿车上也开始装置ETC。但由于其价格昂贵，技术和市场条件也不成熟，因而发展缓慢。直到20世纪90年代初，日本、美国和德国等的一些汽车电子公司对其研究相继加大了投入，ETC产品市场开始活跃。1993年，Toyota（丰田）研制了ETC系统ETCS，使用步进电机驱动其增设的辅助节气门，保留了原来机械控制的主节气门系统作为备用；但其结构复杂、体积庞大且价格也很高。1995年以后，德国Bosch，Pierburg（皮尔博格），美国Deiphi（德尔福）、Visteon（伟世通，原福特旗下子公司），日本Toyota，Hitachi（日立）和Denso（电装），意大利Mareii（i 玛瑞利）等公司陆续推出第1代和第2代ETC产品，它们的发展趋势都是全电子化。如Pierburg的半机械半电控的ETC—I发展到全电控的ETC-E；Toyota的保留原机械控制的ETCS系统发展到智能控制的ETCS—I系统。近年来，ETC 产品的发展更是如雨后春笋，各公司都不断推陈出新。Visteon 公司将节气门体与燃油喷射及进气歧管有机地结合在一起，成为下一代α控制集成的典范；而Bosch 和Deiphi 公司的产品在综合控制与监测性能上则为楷模。到2000年，ETC产品开始大规模进入市场。 目前，产品一般都装配到高中档轿车、跑车及一些重型车发动机上，如Bosch 公司为奔驰和宝马等提供产品，丰田为凌志和苏帕拉配置的产品，Deiphi公司为一些运动车型及流行车型如1.6L欧宝—雅特等推出第2 代ETC 系统产品。国外的宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃、福特以及凌志等系列轿车中已经广泛应用ETCS；我国的上海大众、通用、广州本田、重庆福特以及天津丰田等生产的车也已有或者准备配置ETCS系统。 ETCS的组成、工作原理与技术现状 （1）ETCS 的基本组成 目前，各厂商生产的ETCS结构总体上主要包括：
（a）加速踏板位置传感器。此类传感器将踏板移动量转换成带有不同输出特性的两类（下踏量大小和变化速率）电子信号输入ECU。（b）节气门位置传感器。两个节气门位置传感器将相互监测的节气门开度信号转换为电子信号输入ECU，输出特性与加速踏板传感器的相同。（c）节气门控制电机。节气门控制电机为步进电机或伺服直流电机，具有反应灵敏和能耗低的特点（早期多为步进电机，由于控制精度及便于伺股控制的需要，现在则是直流电机为主）。ECU通过对节气门控制电机的电流方向和强度进行占空比控制，经过两级齿轮减速来调节节气门开度。（d）ECU 模块包括信息处理模块和驱动电路模块。
前4者集成在节气门体上，其中复位弹簧可使节气门回转到一个微小的开度，以保证在系统失去作用后发动机仍有一个较高的转速，达到行车安全的目的。 （2）工作原理 首先ECU 由发动机控制模块（ECM）确定工作模式；根据踏板移动量及其变化率解析驾驶者的意图，得到节气门转角的基本期望值；再根据各传感器的信号如节气门位置、进气流量、发动机转速、档位以及其他方面的工况信息，经过运算和处理，进行补偿，得到最佳节气门角度，从而确定控制电机的工作电流大小及方向；然后发出指令，通过驱动电路控制电机作出相应转动，使节气门处于该工况下的最佳开度位置，从而在不同行驶条件下实现不同节气门开度的优化控制，获得满意的发动机性能。 （3）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）和系统故障检测与失效保护。
目前ETCS 的技术特点
（a）可选工作模式 正常模式：大多数驾驶条件下； 动力模式：需要强大功率时； 雪地模式：维持最大操控性，减少轮胎滑差；
（b）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： 牵引控制发动机正常进气控制； 怠速控制（ISC ）由节气门控制电机控制节气门开度来完成； 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； 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； 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； 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。 （c）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（limp 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。 ETCS的优点及不足 （1）ETCS的优点 节气门开度的精确控制。由ECU 对应于驾驶状况来计算出最佳的节气门开度，由控制电机驱动节气门来实现。 控制系统结构紧凑，节约成本ETCS。集成了加速控制、怠速控制及巡行控制等，实现信息共享，并用同一执行器控制节气门，使车辆结构大大简化。 车辆行驶可靠性优良ETCS。提供了双重操纵系统或容错处理的能力。 最佳的操控及稳定性。在接到驾驶员踩油门到底指令时，并不会直接将节气门全开，而是根据发动机当时的负荷及转速增加的速度，节气门先打开一个基本角度TP1，然后缓慢地往第2个角度TP 前进，这种渐进式的开启方式可以减轻因发动机转速突变所带来的振动，并得到最有效率的进气控制，从而使发动机的加速更柔顺，更快速，也更省油。 排放降低。由于在各种情况下对α的精确控制，使得燃烧更加完全；在怠速时又只允许极小的开度来增进稳定燃烧，提高了燃油经济性，排放也得到进一步控制。 海拔高度补偿。由于在高海拔时吸入发动机的空气更加稀薄，降低了发动机的有效扭矩和节气门反应灵敏度。为抵消这种性能损失，ETCS 可以根据压力传感器信号来增加节气门的开度，从而获得与平地一样的行车性能。 （2）ETCS 的不足 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；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；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10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；控制系统复杂，不便于维修。当然，随着技术的发展，应用的日益广泛，ETCS的这些缺点会不断得到克服。 结论 ETCS作为发动机进气系统控制的下一代产品，国外的研究试验得到大力发展，并日趋成熟，在国内也引起了一些厂家的重视并已投入研制。 （a）在控制方面，针对现有的ETCS，通过对其控制系统各部分理论研究的进一步深入，搞清非线性因素成因，采取最佳控制算法，从而提高控制精度比如对非线性节气门动力学模型的研究，对节气门转动控制的控制策略与算法研究，对节气门的摩擦阻尼研究以及驱动电机传动方式及电机控制电路的研究等。另外，可考虑变换系统部件，如改变节气门形状，用电磁力使节气门复位，以取代产生非线性的弹簧等。 （b）系统集成多种控制功能，降低产品价格。ETCS 作为发动机控制的一个功能模块，除了维持发动机正常运转所进行的加速、怠速及超速等控制外，还应完成与进气控制有关的巡航控制、防抱死控制、车辆稳定控制以及减小换挡冲击控制等协调控制，实行信息共享，使用ETCS 中的驱动电机控制节气门的开度来实现综合控制要求。这样既利用了共同信息，节约了成本，又便于实现集中控制，精简结构。节气门体材料可采用高性能塑料制品，以进一步降低成本，并可减轻质量。 （c）柴油机是没有节气门的，但如果要提高其动力性及经济性，降低其排放，安装ETCS 可以达到目的，研究ETCS在柴油机上的应用也是一个方向，目前已经有了此类产品。2001 年上海汉诺威车展上展出的国内第一辆柴油机轿车，一汽大众捷达柴油车就采用了ETCS。 （d）2002 年，宝马公司生产出了无节气门汽油发动机，由电机驱动气门直接控制进气，消除了泵气损失，较大地提高了发动机性能。但到直接驱动气门控制进气还有很长一段路要走。ETCS的研究试验为将来生产无节气门发动机打下了基础。目前ETCS 总体来说应用还不广泛。随着社会的发展，技术的进步，我国排放法规的逐渐严格及ETCS 成本的下降，相信越来越多的车辆将装配该系统，ETCS 也必将有广阔的市场。 |
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