汽车电子节气门是什么?和传统节气门有什么优缺点

汽车电子节气门技术（ElectronicThrottleControlSystem简称ETC）是伴随汽车电子驱动理念(Drive—by—Wire)而诞生的。电子节气门(electronic throttle)是汽车发动机的重要控制部件。
它替换了传统油门踏板和节气门体之间的机械连接，通过导线使加速踏板与节气门建立联系，可以改善发动机控制，避免因驾车者不当操作加速踏板产生不良后果。它通过增加相应的传感器和电控单元，实时精确控制了节气门开度。它可实现发动机扭矩控制和精确空燃比控制，有助于提高汽车行驶的动力性、平稳性、经济性，并能有效降低排放污染。目前，ETC被广泛地运用于汽车的驱动防滑控制（ASR）、巡航控制(CCS)和车辆稳定性控制（VSC）等汽车动力控制系统中，并逐渐成为高档汽车的标准配置。

在传统的发动机设计方案中，节气门的位置主要是通过1个机械连杆机构（鲍顿拉索）来控制的，其中还包括弹簧、皮带轮以及其它的一些零件。鲍顿拉索长时间以来都很好地发挥了他的作用，但是也有很多不足：1）噪声较大；2）它包含有多根钢丝，钢丝的2个末端分别与加速踏板和节气门阀片相连接，所以必须将许多零部件布置在1个非常狭小的空间内；3）由于整个操作过程都是通过机械连杆机构来完成，因此，从驾驶员通过踩下加速踏板发出操作指令到执行机构做出响应就会出现时间滞后，这样就会导致驾驶员所期望的最好燃油经济性能和排放性能与发动机实际实现的往往并不一样。


电子节气门系统的基本结构组成：
电子节气门控制系统组成结构图，如图1所示。它包括节气门、节气门位置传感器、节气门控制单元ECU、节气门执行器（直流电机）、节气门指示灯以及油门踏板位置传感器等，所有用于确定、调整和监控节气门位置的零部件都属于电子节气门系统。

a) 实物图 b) 结构示意图图

2-13节气门直动式怠速控制系统怠速节气门位置传感器 2-应急弹簧 3-怠速电机 4-节气门位置传感器 5-怠速稳定装置 6-怠速开关

电子节气门系统工作原理：
加速踏板位置传感器将司机需要加速或减速的信息传递给节气门电子控制单元ECU，ECU根据得到的信息，计算出相应的最佳节气门位置，发出控制信号给节气门执行器，由节气门执行器将节气门开到计算出的最佳节气门的开度位置，然后ECU通过CAN总线与其它电控单元（如自动变速器电控单元ECU、巡航控制单元CCS等）进行通讯，获取其他工况信息。并且各种传感器会传递给节气门电控单元ECU一些信息（如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等），ECU根据这些信息对节气门的最佳位置进行不断的修正，使节气门的开度达到司机所需要的理想位置。整个系统控制过程是典型的闭环位置反馈控制。加速踏板位置传感器、节气门位置传感器设有主副系统，因此，当系统发生故障时仍可保持不断监视功能，确保运转安全性。

1、加速踏板位置传感器（或称油门踏板位置传感器）
电子节气门是在加速踏板上设置位置传感器，取代了加速踏板与节气门之间的机械连接，它可以检测加速踏板被驾驶员踩下的位置，将此信号转变为电信号传输给控制单元，所以它也被称为线控操纵。
加速踏板位置传感器实质上就是一个电位计或可变电阻，控制单元向线圈的一端供给5V基准电压，当驾驶员踩下加速踏板时，与线圈接触的滑臂沿圆弧转动，从而改变了基准电压输入端与滑臂触点之间的电阻值，滑臂触点的分电压就反映了加速踏板的位置。它的结构原理，如图2所示。

2、节气门位置传感器
节气门位置传感器又称为节气门开度传感器或
节气门开关。其主要功用是检测出发动机是处于怠速工况还是负荷工况，是加速工况还是减速工况。发动机电控单元根据节气门位置传感器的输出信号可以确定发动机的负荷。它安装在节气门体上，根据传感器的输出特性分为通断输出和线性输出两种类型。
1）通断型节气门位置传感器。
通断型节气门位置传感器的结构和特性如图3所示。内部有怠速触点（IDL）、大负荷触点（PSW）和动触点，动触点受节气门轴驱动，动触点由控制单元供给5V的基准电压。当节气门完全关闭时，动触点与怠速触点闭合，IDL信号输出高电平，表明发动机处于怠速工况。当节气门处于完全闭合至50%开度时，动触点悬空，IDL和PSW都输出低电平；当节气门开度超过50%时，动触点与大负荷触点闭合，PSW信号输出高电平，表明发动机处于大负荷工况[1]。

2）线性输出节气门位置传感器。
输出节气门位置传感器的结构和特性如图4所示，它实际上就是节气门轴驱动滑臂的电位计。滑臂上有连通的双触点与基板上制出的双轨厚膜电阻接触，由滑臂触点将两个厚膜电阻短接，在一个厚膜电阻的一端由控制单元供给5V基准电压。当滑臂随节气门轴转动时，双轨厚膜电阻之间的电阻值发生改变，由另一个厚膜电阻的一端输出的电压就与节气门开度呈线性关系。

3、怠速开关
怠速开关（见图）装在节气门体内，与节气门主驱动轴直接相连。它是触点式开关，仅当节气门主驱动机构复位时，该触点开关才闭合，通知发动机控制模块发动机进入怠速工况。发动机ECU根据该信号及发动机的负荷来调整怠速供油量和发动机转速；当节气门打开时，怠速触点开关断开，发动机ECU根据这一信号进行从怠速到小负荷的过渡工况的喷油控制。怠速开关的信号还可以作为发动机控制模块判断是否进行怠速自动控制和急减速断油控制的信号。

4、怠速直流电动机
怠速直流电动机如图2-17所示。当发动机怠速运行时，或因发动机冷却液温度低、空调运转、动力转向的加入等原因使发动机负荷增大时，为使发动机怠速稳定，怠速直流电动机经一套齿轮机构推动节气门，加大其开度来增加发动机的进气量，提高发动机的转速；相反，在发动机怠速下减载时，在怠速直流电机的作用下，使节气门的开度减小，以避免发动机超速，从而保证保证发动机在怠速工况下运行稳定。

汽车电子节气门ETC系统的优缺点

优点

电子节气门控制系统与传统的普通节气门相比有许多优越之处，主要表现在：
1）减少了机械故障，操纵更方便。电子节气门控制系统没有拉线，节气门踏板与节气门之间是电控，而不是机械控制，因此没有机械磨损，减少了机械故障。
2）实现发动机全范围的最佳扭矩的输出，并且能精确控制节气门开度。
3）节省燃料，改善了发动机的排放性能。ETC系统在各种情况下对空燃比进行精确控制，使燃烧更加充分，同时也降低了废气的产生；在怠速状态下，节气门保持在一个极小开启角度来稳定燃烧，提高了燃油经济性，排放也得到进一步控制。
4）具有更高的车辆行驶可靠性[3]。

缺点
主要表现在以下几点：
1）汽车在起步时会产生油门迟滞现象。
2）非线性影响。
ETC控制系统存在各种非线性影响，除了弹簧非线性、粘滑摩擦及齿隙非线性等影响外，同时受到进气流产生的非线性阻尼力以及进气气流的不稳定扰流阻矩的影响，导致常规PID控制不能精确地设定反馈的增益，影响控制的精确性。
3）成本高。
ETC系统采用了智能型传感器、快速响应的执行器、高性能控制单元及冗余设计，所以使成本大幅度上升。

总结
电子节气门系统ETC是汽车发动机电子控制系统的一个重要组成部分，对于提高汽车的动力性、可靠性、舒适性、便利性以及燃油经济性，实现汽车的完全电控具有重要意义。可以预见，电子节气门作为先进车辆控制与安全系统的关键技术之一，随着汽车向安全、节能与环保的方向发展，必将与其他先进汽车控制技术一样具有良好的应用前景。