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汽車電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

要長高 ? 來源:汽修電子技術(shù)與新能源 ? 作者:汽修電子技術(shù)與新 ? 2022-04-29 14:55 ? 次閱讀

汽車電子節(jié)氣門控制(Electronic Throttle Control,ETC)系統(tǒng)是伴隨汽車電子驅(qū)動理念而誕生的。ETC系統(tǒng)由位于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)的電子節(jié)氣門體(ETB)和專門的控制系統(tǒng)組成。

它通過傳感器控制器、節(jié)氣門驅(qū)動裝置實(shí)現(xiàn)與發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)的配合:根據(jù)駕駛員和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩需求、汽車行駛狀態(tài)等相關(guān)信息快速且精確地控制節(jié)氣門開度,以此來精確調(diào)節(jié)進(jìn)氣量,使發(fā)動機(jī)在最合適的狀態(tài)下工作;使車輛具有良好的怠速、加速及減速工況過渡性能,從而有效降低排放和燃油消耗,提高汽車的動力性、平穩(wěn)性、安全性和舒適性;同時(shí)ETC系統(tǒng)也能按照車輛其他系統(tǒng),如驅(qū)動防滑控制(ASR)系統(tǒng)、巡航控制(CCS)系統(tǒng)、車輛穩(wěn)定性控制(VSC)系統(tǒng)等的要求,改變節(jié)氣門開度和發(fā)動機(jī)扭矩輸出。ETC系統(tǒng)已成為高檔轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置。

1. 電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)1.1.1 傳統(tǒng)節(jié)氣門

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傳統(tǒng)節(jié)氣門的連接方式如圖1所示。傳統(tǒng)拉線式機(jī)械節(jié)氣門采用的是剛性連接方式,其結(jié)構(gòu)包括加速踏板、杠桿、拉繩、節(jié)氣門閥體等。踏板通過拉索或連桿與節(jié)氣門擋板相連,駕駛員以踩下或釋放加速踏板的方式控制進(jìn)入氣缸的空氣流量。這種剛性連接方式的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高、能快速反映駕駛員意圖,但節(jié)氣門開度由駕駛員主觀控制,即將控制發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量的任務(wù)完全交給了駕駛員,未考慮車輛工況、道路、天氣等條件。此時(shí)節(jié)氣門開度不一定是最佳開度,不能保證發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)與汽車的運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)最佳匹配。隨著EMS的出現(xiàn),以及對汽車經(jīng)濟(jì)性、舒適性和排放指標(biāo)的要求越來越苛刻,電子節(jié)氣門應(yīng)運(yùn)而生。

1.1.2 電子節(jié)氣門

電子節(jié)氣門作為機(jī)電一體化產(chǎn)品,主要由位置傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,如圖2所示。

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其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)由ETB、驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪組和復(fù)位彈簧等組成。(1)電子節(jié)氣門閥體節(jié)氣門閥體由節(jié)氣門閥片和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成.節(jié)氣門閥片具有一定厚度,閥門完全關(guān)閉會導(dǎo)致閥片卡在進(jìn)氣管,因此完全關(guān)閉角(節(jié)氣門閥片和空氣流進(jìn)入閥體的垂直方向的夾角)并不是0°,而是2°。

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將閥片設(shè)計(jì)成橢圓形(圖3a),其節(jié)氣門閥開度范圍是0°~88°。在靜態(tài)時(shí),閥門并不是完全關(guān)閉的,而是通過復(fù)位彈簧使節(jié)氣門開度保持在9°左右(圖3b)。當(dāng)節(jié)氣門開啟θ時(shí),有效區(qū)域是節(jié)氣門閥在垂直于氣流方向上的投影區(qū)域(圖3c)。(2)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動電機(jī)采用具有較高響應(yīng)速度、精度和頻率的12V直流伺服電機(jī)為節(jié)氣門閥片提供適當(dāng)轉(zhuǎn)矩。為了降低功耗和平滑電流峰值,發(fā)動機(jī)電控單元(ECU)分別在2個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)通道上輸出信號,控制雙向H橋電路對角線上的2組功率晶體管同時(shí)導(dǎo)通。具體為通過改變電流方向來控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動方向,通過改變脈寬調(diào)制信號的占空比來調(diào)節(jié)驅(qū)動電流大小以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,再通過減速齒輪組向節(jié)氣門閥傳遞相應(yīng)的扭矩。(3)減速齒輪組由圖2可以看出,節(jié)氣門閥體上的減速齒輪組連接著驅(qū)動電機(jī)和節(jié)氣門閥.齒輪裝置由主動齒輪(np)、中間齒輪(nm,ni)和從動齒輪(nu)組成,如圖4所示。

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驅(qū)動電機(jī)通過2級齒輪的減速來增大扭矩,從而減小電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中的運(yùn)動沖擊。力矩的改善使得電機(jī)的尺寸減小,同時(shí)齒輪組使電機(jī)與節(jié)氣門軸平行放置,因此節(jié)氣門尺寸減小,結(jié)構(gòu)更緊湊。(4)跛行復(fù)位彈簧電子節(jié)氣門體內(nèi)有2個(gè)正反彈性系數(shù)不同的內(nèi)置復(fù)位彈簧,它們在各自方向獨(dú)立起作用,并且都有一定的預(yù)緊力。如前所述,當(dāng)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩為0即靜態(tài)時(shí),復(fù)位彈簧使節(jié)氣門保持一個(gè)約9°的開度,這個(gè)位置被稱為故障安全位置的“跛行回家”(Limp-Home,L-H)位置,因而復(fù)位彈簧是電子節(jié)氣門引入的機(jī)械保護(hù)裝置。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),主彈簧用于關(guān)閉節(jié)氣門,而另一個(gè)位于閥門的柱塞總成上的彈簧,使節(jié)氣門閥以默認(rèn)角度打開。當(dāng)ETC系統(tǒng)或驅(qū)動電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),復(fù)位彈簧可以使節(jié)氣門閥回到稍高于完全關(guān)閉的L—H位置,以保證發(fā)動機(jī)怠速工作的進(jìn)氣量需求,汽車能“跛行”至最近的車輛維修站。

1.2 節(jié)氣門位置傳感器

節(jié)氣門位置傳感器(Throttle Position Sensor,TPS)是節(jié)氣門狀態(tài)的唯一檢測元件,通常有接觸型和非接觸型2種,用于將實(shí)時(shí)采集的節(jié)氣門開度轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出,以便對閉環(huán)控制進(jìn)行位置反饋。接觸型TPS采用輸出信號互補(bǔ)式變化的雙冗余式傳感器測量節(jié)氣門位置,2路傳感器信號雖電壓變化趨勢相反,但其和值應(yīng)始終等于供電電源+5 V,這可作為硬件故障識別的依據(jù)。當(dāng)某一路傳感器出現(xiàn)異常時(shí),系統(tǒng)及時(shí)檢測并切換到另一路傳感器,從而提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。目前,在許多車輛上使用的節(jié)氣門位置傳感器由帶有移動觸點(diǎn)的厚膜電阻電位器組成,提供與節(jié)氣門軸位置成正比的輸出信號。非接觸型TPS在傳感器技術(shù)中使用霍爾效應(yīng)、磁阻或感應(yīng)原理。基于這些原理,節(jié)氣門閥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動被轉(zhuǎn)換成與傳感器的旋轉(zhuǎn)角成正比的線性輸出電壓。與接觸型TPS相比,非接觸型具有更高的可靠性和更長的使用壽命。

1.3 控制系統(tǒng)1.3.1電子加速踏板

當(dāng)駕駛員踩下電子加速踏板,加速踏板角度的變化及其改變的速度,通過節(jié)氣門位置傳感器將信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳遞給控制單元,控制單元由此獲得駕駛員的駕駛意圖.根據(jù)當(dāng)前行駛狀態(tài)下發(fā)動機(jī)整體轉(zhuǎn)矩需求和其他參數(shù),如發(fā)動機(jī)負(fù)荷、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等,以及ECU預(yù)設(shè)的控制策略,控制單元計(jì)算出所需進(jìn)氣量,進(jìn)而計(jì)算出節(jié)氣門最佳開度,控制驅(qū)動電機(jī)的輸出力矩,使電機(jī)克服復(fù)位彈簧扭矩,節(jié)氣門閥片軸旋轉(zhuǎn),達(dá)到相應(yīng)的開度。

1.3.2 ECUECU是ETC系統(tǒng)的核心,一般集成在EMS中。EMS由大量控制模塊(控制回路)和電子節(jié)氣門控制器組成,其主要任務(wù)是根據(jù)駕駛員驅(qū)動意圖控制發(fā)動機(jī)的輸出功率和扭矩,計(jì)算所需的進(jìn)氣量和與之對應(yīng)的噴油量、最佳點(diǎn)火時(shí)間。

1.3.3 ETC節(jié)氣門開度估計(jì)策略

節(jié)氣門開度估計(jì)模塊是ETC系統(tǒng)的重要組成部分。在ETC節(jié)氣門開度估計(jì)中,通常采用踏板跟隨器和基于扭矩這2種方法。彈簧扭矩是分段線性函數(shù)且彈簧剛度差異很大,因此彈簧扭矩取決于節(jié)氣門閥是否處于L-H位置附近。(1)踏板跟隨器策略踏板跟隨器策略通常用于早期的ETC系統(tǒng),是一種非常簡單的節(jié)氣門開度估計(jì)方法.在該方法中,節(jié)氣門開度角與駕駛員給出的加速踏板位置成比例,但在發(fā)生發(fā)動機(jī)怠速或減速、節(jié)氣門突然關(guān)閉、自動變速器換擋和節(jié)氣門消除傳動間隙等情況時(shí),加速踏板位置與節(jié)氣門開度不成比例。駕駛員對汽車動力性能的需求通過加速踏板位置傳感器轉(zhuǎn)換為節(jié)氣門閥的開啟輸入,此時(shí)節(jié)氣門僅作為踏板位置的輸入函數(shù)來控制。只考慮驅(qū)動因素,其他系統(tǒng)要求(如巡航控制、牽引控制、催化劑加熱等)不在節(jié)氣門的開度估計(jì)內(nèi),考慮這是踏板跟蹤器策略的主要缺點(diǎn)。(2)基于扭矩的開度估計(jì)策略基于扭矩的開度估計(jì)策略是將各種輸入,諸如驅(qū)動需求、發(fā)動機(jī)和車輛相關(guān)系統(tǒng)需求,轉(zhuǎn)換成發(fā)動機(jī)扭矩變量,作為發(fā)動機(jī)控制單元和車輛控制系統(tǒng)內(nèi)的其他功能的輸入。該策略主要由2個(gè)查詢表組成:一個(gè)是驅(qū)動一扭矩一踏板,另一個(gè)是空氣流量。

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如圖5a所示,駕駛者的扭矩需求被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的加速器踏板位置和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,然后,控制系統(tǒng)中的扭矩需求管理器通過考慮其他系統(tǒng)和驅(qū)動器的要求來計(jì)算總轉(zhuǎn)矩需求。如圖5b所示,對于相應(yīng)的扭矩值和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,空氣流量設(shè)定值由空氣流量圖計(jì)算。根據(jù)空氣流量的設(shè)定值,通過控制系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型來計(jì)算節(jié)氣門開度角。這2種節(jié)氣門開度估計(jì)策略中,節(jié)氣門開度角(θreq)必須通過節(jié)氣門閥的精確定位來實(shí)現(xiàn)。因此,ETC中的位置控制系統(tǒng)模塊通過TPS的反饋來估計(jì)節(jié)氣門閥的實(shí)際位置以調(diào)節(jié)節(jié)氣門角度。然而,非線性使得節(jié)氣門的實(shí)際位置與所需的節(jié)氣門角輸入相比有出入。為了研究節(jié)氣門位置的非線性效應(yīng),通過考慮電子節(jié)氣門體內(nèi)存在的各種影響,提出綜合數(shù)學(xué)模型。

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