一、前言

節(jié)氣門的作用是控制發(fā)動機的進氣流量，決定發(fā)動機的運行工況。駕駛員通過操作加速踏板來操縱節(jié)氣門開度。加速踏板和節(jié)氣門的連接方式有兩種：剛性連接和柔性連接。傳統(tǒng)油門采用剛性連接，即通過拉桿或拉索傳動連接加速踏板和節(jié)氣門的機械連接方式，因此節(jié)氣門開度完全取決于加速踏板的位置，即駕駛員的操作意圖，但從動力性和經(jīng)濟性角度來看，發(fā)動機并不總是完全處于最佳運行工況，而且駕駛員的誤操作也給安全性帶來隱患。在混合動力車中，由于發(fā)動機和電池組成多能源動力系統(tǒng)，剛性連接方式不能實現(xiàn)各動力源之間的能量分配管理，因此，它必將被柔性連接方式所取代。柔性連接方式取消了傳統(tǒng)的機械連接，通過電控單元控制節(jié)氣門快速精確地定位，因此又稱為電子節(jié)氣門。它的優(yōu)點在于能根據(jù)駕駛員的需求愿望以及整車各種行駛狀況確定節(jié)氣門的最佳開度，保證車輛最佳的動力性和燃油經(jīng)濟性，并具有牽引力控制、巡航控制等控制功能， 提高安全性和乘坐舒適性。

本文通過闡述電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結構、工作原理、控制策略和發(fā)展現(xiàn)狀，使讀者對電子節(jié)氣門有深入的理解。

二、電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結構和工作原理

（一）電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結構

電子節(jié)氣門系統(tǒng)的基本結構主要包括：

1．加速踏板位置傳感器

加速踏板位置傳感器由兩個無觸點線性電位器傳感器組成，在同一基準電壓下工作，基準電壓由ECU提供。隨著加速踏板位置的改變，電位器阻值也發(fā)生線性的變化，由此產(chǎn)生反應加速踏板下踏量大小和變化速率的電壓信號輸入ECU。

2．節(jié)氣門位置傳感器

和踏板位置傳感器類似，節(jié)氣門位置傳感器也是由兩個無觸點線性電位器傳感器組成，且由ECU提供相同的基準電壓。當節(jié)氣門位置發(fā)生變化時，電位器阻值也隨之線性地改變，由此產(chǎn)生相應的電壓信號輸入ECU，該電壓信號反映節(jié)氣門開度大小和變化速率。

3．節(jié)氣門控制電機

節(jié)氣門控制電機一般選用步進電機或直流電機，經(jīng)過兩級齒輪減速來調節(jié)節(jié)氣門開度。早期以使用步進電機為主，步進電機精度較高、能耗低、位置保持特性較好，但其高速性能較差，不能滿足節(jié)氣門較高的動態(tài)響應性能的要求，所以現(xiàn)在比較多地采用直流電機，直流電機精度高、反應靈敏、便于伺服控制。

4．控制單元（ECU）

控制單元（ECU）是整個系統(tǒng)的核心，包括兩部分：信息處理模塊和電機驅動電路模塊。

信息處理模塊接受來自加速踏板位置傳感器的電壓信號，經(jīng)過處理后得到節(jié)氣門的最佳開度，并把相應的電壓信號發(fā)送到電機驅動電路模塊。

電機驅動電路模塊接受來自信息處理模塊的信號，控制電機轉動相應的角度，使節(jié)氣門達到或保持相應的開度。電機驅動電路應保證電機能雙向轉動。

（二）電子節(jié)氣門系統(tǒng)的工作原理

電子節(jié)氣門系統(tǒng)的工作原理如下：駕駛員操縱加速踏板，加速踏板位置傳感器產(chǎn)生相應的電壓信號輸入節(jié)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(huán)境噪聲的影響，然后根據(jù)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(fā)動機扭矩的基本需求，得到相應的節(jié)氣門轉角的基本期望值。然后再經(jīng)過CAN總線和整車控制單元進行通訊，獲取其他工況信息以及各種傳感器信號如發(fā)動機轉速、檔位、節(jié)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(jié)氣門轉角期望值進行補償，得到節(jié)氣門的最佳開度，并把相應的電壓信號發(fā)送到驅動電路模塊，驅動控制電機使節(jié)氣門達到最佳的開度位置。節(jié)氣門位置傳感器則把節(jié)氣門的開度信號反饋給節(jié)氣門控制單元，形成閉環(huán)的位置控制。

節(jié)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。驅動步進電機常采用H橋電路結構，控制單元通過發(fā)出的脈沖個數(shù)、頻率和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，脈沖個數(shù)控制電機轉動的角度，即發(fā)出一個脈沖信號，步進電機就轉動一個步進角，脈沖頻率控制電機轉速，轉速與脈沖頻率成正比。因此，通過對上述三個參數(shù)的調節(jié)可以實現(xiàn)電機精確定位與調速。

控制直流電機采用脈沖寬度調制（PWM）技術，其特點是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高�？刂茊卧�通過調節(jié)脈寬調制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(jié)氣門相連的復位彈簧控制的。電機輸出轉矩和脈寬調制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(jié)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(jié)氣門開度增大；反之，當占空比減小時，電機輸出轉矩和節(jié)氣門開度也隨之減小。

ECU對系統(tǒng)的功能進行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)故障，將點亮系統(tǒng)故障指示燈，提示駕駛員系統(tǒng)有故障。同時電磁離合器被分離，節(jié)氣門不再受電機控制。節(jié)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。

三、電子節(jié)氣門系統(tǒng)的控制策略

（一）基于發(fā)動機扭矩需求的節(jié)氣門控制

傳統(tǒng)油門的節(jié)氣門開度完全取決于駕駛員的操作意圖。電子節(jié)氣門系統(tǒng)的節(jié)氣門開度并不完全由加速踏板位置決定，而是控制單元根據(jù)當前行駛狀況下整車對發(fā)動機的全部扭矩需求，計算出節(jié)氣門的最佳開度，從而控制電機驅動節(jié)氣門到達相應的開度。因此，節(jié)氣門的實際開度并不完全與駕駛員的操作意圖一致。

控制單元根據(jù)整車扭矩需求獲得所需的理論扭矩，而實際扭矩通過發(fā)動機轉速、點火提前角和發(fā)動機負荷信號求得。在發(fā)動機扭矩調節(jié)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(fā)動機電控系統(tǒng)將通過適當?shù)恼{節(jié)作用使實際扭矩值和理論扭矩值一致。

（二）傳感器冗余設計

電子節(jié)氣門系統(tǒng)采用2個踏板位置傳感器和2個節(jié)氣門位置傳感器，傳感器兩兩反接，實現(xiàn)阻值的反向變化，即兩個傳感器阻值變化量之和為零。對兩個傳感器施加相同的電壓，兩者輸出的電壓信號也相應反向變化，且其和始終等于供電電壓。

從控制角度講，使用一個傳感器就可使系統(tǒng)正常運轉，但冗余設計可使兩個傳感器相互檢測，當一個傳感器發(fā)生故障時能及時被識別，在很大程度上增加了系統(tǒng)的可靠性，保證行車的安全性

（三）可選的工作模式

駕駛員可根據(jù)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(qū)別在于節(jié)氣門對加速踏板的響應速度不同。在正常模式下，節(jié)氣門對加速踏板的響應速度適合于大多數(shù)行駛工況。在動力模式下，節(jié)氣門加快對加速踏板的響應速度，發(fā)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(jié)氣門對加速踏板的響應降低，發(fā)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(wěn)定行駛。

（四）海拔高度補償

在海拔較高的地區(qū)，大氣壓下降，空氣稀薄，氧氣含量下降，導致發(fā)動機輸出動力下降。此時電子節(jié)氣門系統(tǒng)可按照大氣壓強和海拔高度的函數(shù)關系對節(jié)氣門開度進行補償，保證發(fā)動機輸出動力和加速踏板位置的關系保持穩(wěn)定。

（五）控制功能擴展及其原理

早期的電子節(jié)氣門功能比較簡單，在形式上采用一個機械式的主節(jié)氣門串聯(lián)一個電控的輔助節(jié)氣門，往往只能實現(xiàn)某一單一的功能�，F(xiàn)代電子節(jié)氣門則獨立成一個系統(tǒng)，可實現(xiàn)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：

1．牽引力控制（ASR）

牽引力控制系統(tǒng)又稱驅動防滑系統(tǒng)。它的作用是當汽車加速時將滑移率控制在一定的范圍內(nèi)，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(wěn)定。它通過減少節(jié)氣門開度來降低發(fā)動機功率從而達到控制目的。原理如下：控制單元采集加速踏板的位置、車輪速度和方向盤轉向角度等信號，通過計算求得滑移率，并產(chǎn)生相應的控制電壓信號，通過數(shù)據(jù)總線把信號傳送至控制單元，依據(jù)此信號，控制單元將減少節(jié)氣門開度來調整混合氣流量，以降低發(fā)動機功率。此時控制單元對節(jié)氣門發(fā)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

2．巡航控制（CCS）

巡航控制系統(tǒng)又稱為速度控制系統(tǒng)，它是一種減輕駕車者疲勞的裝置。當駕駛員開啟該系統(tǒng)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：車速傳感器將車速信號輸入控制單元，控制單元根據(jù)行駛阻力的變化輸出信號自動調節(jié)節(jié)氣門開度，當汽車阻力增大（上坡）和車速降低時，控制節(jié)氣門開度增大，反之減小，使行駛車速保持穩(wěn)定。

3．怠速控制（ISC）

電子節(jié)氣門系統(tǒng)取消了怠速調節(jié)閥，而是直接由控制單元調節(jié)節(jié)氣門開度來實現(xiàn)車輛的怠速控制。

4．減少換檔沖擊控制

根據(jù)當前車速、節(jié)氣門開度以及發(fā)動機轉速等信號，控制單元選擇合適的傳動比，實現(xiàn)自動換檔。

四、電子節(jié)氣門系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

電子節(jié)氣門的研究工作起源于20世紀70年代，80年代開始有產(chǎn)品問世，近10年來，國外對電子節(jié)氣門的研究取得了非常迅速的發(fā)展。發(fā)展趨勢可總結為：在控制策略上由線性控制發(fā)展為非線性控制，由輔助電子節(jié)氣門發(fā)展為獨立的電子節(jié)氣門系統(tǒng)，從單一的控制功能發(fā)展到集成多種控制功能，兼顧提高動力性、經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性、排放性和乘坐舒適性。

目前，國外多家公司已對電子節(jié)氣門系統(tǒng)作了深入的研發(fā)，比如德國Bosch，Pierburg，美國Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化產(chǎn)品應用于各種品牌的中高檔轎車。雖然國內(nèi)某些轎車，<