電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)

1/1電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)

2007-12-1023:49

在生產(chǎn)了S-10s汽車(chē)已達(dá)20年之久的時(shí)候，通用汽車(chē)公司在2004年的秋季推出了他們的雪佛蘭Colorado和GMCCanyon兩款中級(jí)皮卡。在這兩款車(chē)上，所采用的所有新的和改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)就是“ETC”這3個(gè)字母，即“電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)”。

自1988年寶馬轎車(chē)開(kāi)始應(yīng)用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)以來(lái)，該控制系統(tǒng)只是應(yīng)用在一小部分高級(jí)轎車(chē)上。在過(guò)去的3年中，電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)在美國(guó)已經(jīng)被應(yīng)用于更多本國(guó)生產(chǎn)的汽車(chē)上。從最新的報(bào)道可以看到，在大眾化的汽車(chē)市場(chǎng)上，電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為許多售價(jià)僅為一萬(wàn)四千美元的汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置了。通用汽車(chē)公司并不是唯一一家在汽車(chē)上采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的汽車(chē)制造商，因?yàn)樗拱汪敼疽呀?jīng)宣布，他們將在2005年生產(chǎn)的所有車(chē)型上應(yīng)用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)。另外，福特汽車(chē)公司的旗艦產(chǎn)品福特F－150也將采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)。電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，其價(jià)格已經(jīng)降了下來(lái)，性?xún)r(jià)比也在不斷地得到提高。在汽車(chē)上應(yīng)用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為1個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

我們一般都是通過(guò)控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案中，節(jié)氣門(mén)的位置主要是通過(guò)1個(gè)機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)（鮑頓拉索）來(lái)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(zhǎng)時(shí)間以來(lái)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(chē)NVH（噪聲、振動(dòng)和不平順性）和裝配的角度來(lái)看，由于安裝鮑頓拉索機(jī)構(gòu)需要在駕駛室的前壁上開(kāi)1個(gè)孔，以便將發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)和駕駛室內(nèi)的加速踏板連接在一起，而這個(gè)孔同時(shí)也就成為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲向駕駛室傳播的1

個(gè)通道。其次，鮑頓拉索機(jī)構(gòu)包含有多根鋼絲，鋼絲的2個(gè)末端分別與加速踏板和節(jié)氣門(mén)閥片相連接。在這種情況下就必須設(shè)法將許多零部件布置在1個(gè)非常狹小的空間內(nèi)。采用鮑頓拉索機(jī)構(gòu)控制節(jié)氣門(mén)所要面臨的第3個(gè)問(wèn)題是：由于整個(gè)操作過(guò)程都是通過(guò)機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成，因此從駕駛員通過(guò)踩下加速踏板發(fā)出操作指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出響應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)1個(gè)時(shí)間滯后，這樣就會(huì)導(dǎo)致駕駛員所期望的最好燃油經(jīng)濟(jì)性能和排放性能與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際實(shí)現(xiàn)的往往并不一樣。而采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)則可避免這種在時(shí)間上滯后現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試儀表測(cè)得的數(shù)據(jù)可以知道，替代機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)的電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)大大縮短了執(zhí)行元件的響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)在駕駛員的操作和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)之間設(shè)置一些軟件程序，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度更精確的控制，而節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制精度的提高將會(huì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性能及排放性能。

電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)也稱(chēng)為電動(dòng)線控駕駛系統(tǒng)，是將巧妙的設(shè)計(jì)應(yīng)用于汽車(chē)工程的典型例子。大部分用來(lái)檢驗(yàn)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)應(yīng)用于汽車(chē)的安全性方面的工作，人們都已經(jīng)在軍用和民用飛機(jī)上進(jìn)行了。如果沒(méi)有計(jì)算機(jī)的持續(xù)監(jiān)測(cè)和對(duì)控制平面的不斷調(diào)整，一些新型飛機(jī)根本就無(wú)法飛行。飛機(jī)這種對(duì)于超可靠性、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制執(zhí)行的需要，大大促進(jìn)了電動(dòng)線控駕駛系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)后，一般都是通過(guò)加速踏板總成（TPA）來(lái)實(shí)現(xiàn)駕駛員的意圖的，并通過(guò)傳感器將駕駛員的意圖傳遞給控制電腦。加速踏板總成設(shè)置了3個(gè)相同的位置傳感器，當(dāng)其中的某個(gè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，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(shè)置了1個(gè)怠速開(kāi)關(guān)以及1個(gè)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)開(kāi)關(guān)。這2個(gè)開(kāi)關(guān)分別對(duì)應(yīng)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(gè)目的就是讓駕駛員仍然能夠體驗(yàn)到被替換掉的機(jī)械式鋼索和彈簧所產(chǎn)生的“腳感”。

在節(jié)氣門(mén)總成中，節(jié)氣門(mén)閥片的位置由1個(gè)馬達(dá)調(diào)節(jié)控制，該馬達(dá)能夠讓節(jié)氣門(mén)閥片在1～80°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以得到期望的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。在典型的電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)中，馬達(dá)根據(jù)控制電腦的指令調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)閥片的偏轉(zhuǎn)角度，對(duì)于節(jié)氣門(mén)閥片的大部分轉(zhuǎn)動(dòng)位置，其定位精度一般都在±0.5°的范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速空轉(zhuǎn)時(shí)，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(dá)自身配備有多個(gè)位置傳感器，能夠?qū)⒐?jié)氣門(mén)的位置信息反饋給控制電腦，形成閉環(huán)控制。這樣，當(dāng)控制電腦把指令傳給調(diào)節(jié)馬達(dá)后，馬達(dá)就能夠根據(jù)傳感器反饋的信息正確地讓節(jié)氣門(mén)閥片轉(zhuǎn)動(dòng)定位。

節(jié)氣門(mén)閥片調(diào)節(jié)馬達(dá)本身是遵循電磁場(chǎng)相互作用原理工作的。馬達(dá)內(nèi)部有2個(gè)方向相反的磁場(chǎng)，并采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制其中1個(gè)磁場(chǎng)相對(duì)于另1個(gè)磁場(chǎng)的大小。通過(guò)增大脈沖持續(xù)時(shí)間的百分比來(lái)增加調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，也就是說(shuō)，脈沖持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，調(diào)節(jié)馬達(dá)讓節(jié)氣門(mén)閥片轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就越大。作為一種安全保險(xiǎn)措施，節(jié)氣門(mén)閥片采用彈簧裝置支撐，這樣，一旦電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，節(jié)氣門(mén)閥片能夠在彈簧的作用下回到怠速空轉(zhuǎn)時(shí)的位置。

汽車(chē)整車(chē)制造商們積極采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的主要原因，是為了享用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的一系列優(yōu)點(diǎn)，這其中的1個(gè)優(yōu)點(diǎn)便是它能改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。例如，在汽車(chē)減速的時(shí)候，駕駛員的腳脫離油門(mén)踏板而去踩制動(dòng)踏板的時(shí)候，同時(shí)也就關(guān)掉了節(jié)氣門(mén)閥片，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)則會(huì)造成很高的進(jìn)氣歧管真空度，這種高的真空度將會(huì)導(dǎo)致供油方面的故障。通過(guò)加速踏板總成和步進(jìn)馬達(dá)之間設(shè)置1個(gè)控制軟件，通用汽車(chē)公司期望實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的碳?xì)浠衔铮℉C）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(chē)公司在其一款車(chē)型中取消了往排氣系統(tǒng)注入空氣的空氣泵。汽車(chē)整車(chē)制造商采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)后，將會(huì)使更多的汽車(chē)成為低排放的汽車(chē)（LEV）。

美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）發(fā)表的一篇論文里，Delphi公司報(bào)告了他們研制的電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)還具有的其他一些優(yōu)點(diǎn)。該公司生產(chǎn)的電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)集成了駕駛員的一些獨(dú)特的操縱行為特征。例如，駕駛員可選擇的踏板響應(yīng)，以滿足汽車(chē)的動(dòng)力性能需求或冬季特殊的操縱控制需求等。當(dāng)汽車(chē)行駛在海拔較高的山路上時(shí)，可通過(guò)對(duì)踏板響應(yīng)的調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償海拔高度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的影響；車(chē)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可以防止踏板處于不恰當(dāng)?shù)奈恢?，汽?chē)租賃公司就對(duì)車(chē)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很感興趣。此外，Delphi公司設(shè)計(jì)的電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)還具有2個(gè)與汽車(chē)操縱性能有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)：一是消除了手動(dòng)變速器換擋時(shí)的碰撞沖擊現(xiàn)象；二是發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)延遲特性，這個(gè)特性能夠改善三元催化轉(zhuǎn)化器指示燈在汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)熄滅的故障現(xiàn)象。

汽車(chē)采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)和采用鮑頓拉索機(jī)構(gòu)哪個(gè)價(jià)格更低廉呢？這個(gè)問(wèn)題的答案似乎并不明確，不過(guò)若把汽車(chē)當(dāng)作1個(gè)整體來(lái)看的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)要比采用鮑頓拉索機(jī)構(gòu)要便宜些。Delphi公司和其他的原廠設(shè)備制造商（OEMs）所做的事情，就是把電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的特性融合到汽車(chē)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(mén)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)馬達(dá)對(duì)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度實(shí)施了控制，在動(dòng)力控制模塊（PCM）的控制下，步進(jìn)馬達(dá)能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)和巡航控制伺服系統(tǒng)。同時(shí)，利用汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器得到的數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)汽車(chē)的牽引力問(wèn)題，這樣做的目的是，當(dāng)汽車(chē)牽引力方面出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，無(wú)論駕駛員此時(shí)的意圖怎樣，動(dòng)力控制模塊都會(huì)減小節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度。

如果采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)，則只需很少的一些開(kāi)關(guān)和軟件就能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的各項(xiàng)功能。采用電子節(jié)氣門(mén)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(fèi)用足夠彌補(bǔ)由于使用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)而增加的支出。

在汽車(chē)上能夠廣泛地采用電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的另外1個(gè)原因是電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)自身價(jià)格的下降。最早的電子節(jié)氣門(mén)控制裝置，當(dāng)時(shí)稱(chēng)作節(jié)氣門(mén)開(kāi)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(guò)1個(gè)單獨(dú)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制執(zhí)行器控制模塊實(shí)現(xiàn)的，然后，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制執(zhí)行器控制模塊再把這些信息反饋給動(dòng)力控制模塊。而最新的動(dòng)力控制模塊允許傳感器的信息直接輸入，經(jīng)過(guò)處理之后再把正確的指令信息傳遞給節(jié)氣門(mén)閥片轉(zhuǎn)動(dòng)控制執(zhí)行元件。

電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的上述功能的作用之一就是能夠改善汽車(chē)的可靠性。由于只需要1個(gè)節(jié)氣門(mén)位置控制器，所以需要的零部件總數(shù)會(huì)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(jī)械部件之間發(fā)生干涉的幾率也越小。可靠性研究表明這是一件非常值得提倡的事情。從電子學(xué)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(gè)事實(shí)要比它聽(tīng)起來(lái)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(mǎi)到1個(gè)普通的微處理芯片，不過(guò)那些用來(lái)支持微處理芯片的零件的價(jià)格卻非常昂貴。采用單獨(dú)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度控制執(zhí)行器控制模塊需要1個(gè)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(shí)還需要一些其他的零部件，例如，電路板、時(shí)鐘振蕩器、射頻干擾抑制器等。同時(shí)，將價(jià)格不到1美元的微處理器與其它元器件封裝形成1個(gè)系統(tǒng)，其成本加起來(lái)比10倍的微處理器價(jià)格還要多。如今的電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)把所有的微處理控制器都集成到1個(gè)電子控制模塊中，這