发动机电子节气门技术的研究

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doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。 发动机电子节气门 技术的研究 杨正华 08223056 机电 0812 发动机电子节气门技术的研究

08223056 杨正华 机电 0812 摘要: 摘要:随着人们对效率和排放的要求日益增大,电子节气门技术开始运用到汽车发动机上, 介绍了发动机电子节气门技术的发展以及现状, 分析了电子节气门技术的优点、 缺点以及未 来发展的趋势。通过对电子节气门系统的研究分析,总结了其系统组成、功能、基本结构、 工作原理、控制策略以及以及系统分类。通过对天然气发动机的电子节气门系统的分析,展 现了电子节气门技术的优势以及不可替代性。 关键词: 关键词:发动机、电子节气门技术、ETCS、工作原理、天然气发动机、发展趋势 正文: 正文:节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性、平稳性及 经济性,并减少排放污染,世界各大汽车制造商推出了各种控制特性良好的电子节气 门及其相应的电子控制系统,组成电子节气门控制系统(ETCS) 。 采用电子节气门控制系统,使节气门开度得到精确控制,不但可以提高燃油经济 性,减少排放,同时,系统响应迅速,可获得满意的操控性能;另一方面,可实现怠 速控制、巡航控制和车辆稳定控制等的集成,简化了控制系统结构。 汽车电子技术飞速发展,对于发动机电子节气门技术的研究起源于 20 世纪七十年代, 80 年代开始有产品问世,自 1988 年宝马轿车开始使用电子节气门控制系统以来,发动机电 子节气门技术的研究步入飞速发展之中。电子节气门控制系统简称为 ETC,我国在这方面的 研究工作尚属起步阶段。 目前,虽然国内部分高级轿车,如宝来、奥迪、帕萨特、POLO、红旗等已经配备了电 子节气门控制系统,但都属于国外引进的技术,对其核心技术了解得很少。可喜的是,今年 来,中国第一汽车集团公司开发了电子节气门控制系统,并把该项技术用于红旗 HQ3 高级 轿车上。此外,国内部分高校对电子节气门控制系统开展了研究,并取得了阶段性成果。比 如:吉林大学对汽车电子节气门控制器的开发,实现了控制器的动态响应满足设计指标;湖 南 大 学 进 行 了 基 于 OSEK/VDX 的 电 子 节 气 门 控 制 器 的 研 究 和 开 发 , 构 建 了 基 于 POW-EROSEK 嵌入式操作系统的电子节气门软硬件架构;北京理工大学进行了电子节气门 模糊控制器快速控制原型设计。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。

1 电子节气门的由来及其发展

1.1 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: (1) 起动性能好起动时间仅为传统化油器式的 50%左右; (2) 动力性强和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; (3) 加速性能好进行油门全开的加速试验,车速由 0 km/h~100 km/h 的时间比传统化油 器缩短 7 % ; (4) 耗油量低,经济性好 EFI 系统能实现空燃比(a)的高精度控制,各缸充量分配较均匀,和 传统化油器相比,省油 5% ~15% ; (5) 减少排气污染 EFI 系统可获得最佳 a,和三元催化剂配合使用时可以使排气中的 CO, HC 和 NO 控制在最低范围内。 1.2 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 a。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 a,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。 2 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和试验。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)和系统故障检测和失效保护。 目前 ETCS 的技术特点:

(1)可选工作模式 可选工作模式

<1>正常模式:大多数驾驶条件下; <2>动力模式:需要强大功率时; <3>雪地模式:维持最大操控性,减少轮胎滑差;

(2)集成多种控制功能 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: <1>牵引控制发动机正常进气控制; <2>怠速控制(LSC) 由节气门控制电机控制节气门开度来完成; <3>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; <4>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; <5>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; <6>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。 (3)监视系统及失效保护 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(1imp 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。

3 电子节气门技术的发展趋势 3.1 电子节气门技术一方面发展趋势就是克服掉现在电

子节气门的缺点: 电子节气门技术一方面发展趋势就是克服掉现在电子节气门的缺点 发展趋势就是克服掉现在电子节气门的缺点: 3.11 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,成为其广泛使用的瓶颈; 3.12 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; 3.13 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 lO 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; 3.14 汽车在起步时会产生油门迟滞。 汽车起步时需要提供浓混合气, ECU 会根据当前的 而 车速、节气门开度等进行分析,从燃油经济性和排放合理的角度考虑,会限制节气门的 打开幅度,同时限制喷油系统进行浓混合气供油,其实就是 ECU 通过限制发动机瞬时 输出功率,这就限制了汽车起步时要求较浓混合气的工况实现。 目前,大部分厂家通过 电子油门加速器来缓解油门迟滞,但这种装置并不能提高发动机性能,改变动力输出及 扭矩等,仅是一个信号的放大器,并且油耗也会随着加速器的加速而增加。 3.15 控制系统复杂,不便于维修。 所以,随着技术的发展,使用的日益广泛,E1ES 一方面的发展趋势就是这些缺点会不 断得到克服。

3.2 电子节气门技术另一方面的发展趋势: 电子节气门技术另一方面的发展趋势: 3.21 向集成化和综合控制方向发展。 向集成化和综合控制方向发展。

集成化和综合控制不仅是电子节气门控制系统的发展方向,也是将来汽车电子控制系统 的发展方向。 它有助于简化电子节气门控制系统, 降低制造成本, 增强各系统间的信息交流。 目前,ETC 已经向集成化和集中控制方向发展,如将怠速控制、巡航控制、减小换档冲击 控制、节气门回位控制及车辆稳定性控制等多种功能集成;或者是将制动防抱死控制系统、 牵引力控制系统及驱动防滑控制系统综合在一起进行制动控制。

3.22 结合多种控制方法进行综合控制。 结合多种控制方法进行综合控制。 采取多种控制策略相结合,可以提高 ETC 的控制精度及反应速度。 目前的发展方向 是从线性控制发展到非线性控制,从单一模式控制发展到多模式控制以及从传统的 PID 控 制发展到采用 PID 和现代控制理论相结合的控制。 由于传统 PID 控制受到参数整定方法 繁杂的困扰,参数往往整定不良、性能欠佳,对运行工况的适应性很差。 因此,多模态控 制、神经网络控制及滑模变结构控制等方法被引入到电子节气门控制中。 滑模变结构控制 有良好的鲁棒性和很强的非线性, 该方法和系统的参数和扰动无关, 也体现了今后电子节气 门控制方式的发展方向。 神经网络控制方法和 PID 控制相结合,可以提高电子节气门控制 系统的自适应能力。 但这些理论自身还有待完善和进一步的发展,因此需要更深入的研究 才能将这些综合控制策略成熟的使用到电子节气门控制系统中。

3.23 车载网络、总线技术在汽车电子节气门控制系统的使用。 车载网络、总线技术在汽车电子节气门控制系统的使用。

随着 ETC 等电控系统在汽车上越来越多的使用, 各种传感器和电子控制单元急剧增多, 造成了整车控制电路复杂、车辆上导线的数量增加。 此外,各个系统的信息资源要能够共 享。这些都对汽车的综合布线和信息共享提出了更高要求。现在国际上普遍采用的 车 载网络技术是 CAN 总线控制器局域网,它能够满足汽车上电子系统数据传输安全可靠、数 据共享及系统集成等需要, 并且大大降低了布线的复杂度, 提高了汽车电子系统的运行可靠 性。 所以,CAN 总线技术在汽车电子节气门控制系统上的使用也将是一个重要趋势。 4 电子节气门控制系统组成和工作原理: 电子节气门控制系统组成和工作原理: 控制系统组成和工作原理

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