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摘要：汽车电子节气门控制系统是发动机电子控制系统的一个重要组成部分，对汽车的动力性、安全性、舒适性和燃油性有很大的影响。本文介绍了电子节气门基本工作原理，并对其硬件组成进行了详细的说明，分析了技术现状和发展趋势。
关键词：电子节气门 硬件组成 技术现状
1 前言
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、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机器相应的电子控制系统，组成了电子节气门控制系统（Electronic Throttle Control System，简称ETC）。
2.电子节气门控制系统的组成
ETC的硬件主要由油门踏板总成、节气门体总成和电子控制单元组成。
2.1 油门踏板总成
油门踏板总成是ETC的一个重要组成部分，油门踏板角位移有油门踏板角位移传感器转化为电压信号输入到电控单元，通过测量油门探班的角位移量和变化率可以反应驾驶员的操作意图。
2.2 节气门体总成
电子节气门体主要由节气门阀、驱动电机、减速齿轮组、复位弹簧和节气门位置传感器等组成。如图1所示。
2.2.1 节气门阀
因节气门阀具有一定的厚度，为了避免节气门阀在全关闭位置时卡在进气管道中，节气门的全关闭角度（节气门与进气流垂直方向的夹角）并不是 0°，而是有 2°的夹角，相应地节气门形状设计成椭圆形。静态时节气门并非完全关闭，靠复位弹簧保持在10°的开度。节气门开度为θ时，其有效面积为节气门在垂直于空气流动方向的投影面积。
2.2.2 驱动电机
用于节气门驱动的电机通常有步进电机或直流电机。步进电机具有较高的位置保持特性，但高速性能较差，而节气门控制要求有较高的动态响应性能，只有通过直流电机才能达到节气门的控制要求。
2.2.3 减速齿轮组
直流电机的扭矩通过减速齿轮组驱动节气门转轴，如图 1所示。减速齿轮组使电机可以与节气门的转轴平行放置，使节气门尺寸减小，结构更加紧凑。
2.2.4 复位弹簧
复位弹簧是ETC引入的机械保护装置。静态时，节气门开度靠复位弹簧的转矩保持在9°的开度，ETC失效时可依靠复位弹簧使节气门阀回到9°的开度，以保证ETC失去作用后发动机仍能继续运转，达到安全行车的目的。
2.2.5 节气门位置传感器
节气门位置传感器用于实时采集节气门开度，对闭环控制进行位置反馈，是节气门状态的唯一检测元件。
3. 电子节气门控制系统的功能
3.1 基于发动机扭矩需求的节气门控制
传统油门的节气门开度完全取决于驾驶员的操作意图。电子节气门系统的节气门开度并不完全由油门踏板位置决定，而是控制单元根据当前行驶状况下整车对发动机的全部扭矩需求，计算出节气门的最佳开度，从而控制电机驱动节气门到达相应的开度。因此，节气门的实际开度并不完全与驾驶员的操作意图一致。
控制单元根据整车扭矩需求获得所需的理论扭矩，而实际扭矩通过发动机转速、点火提前角和发动机负荷信号求得。在发动机扭矩调节过程中，控制单元首先将实际扭矩与理论扭矩进行对比，如果两者有偏差，发动机电控系统将通过适当的调节作用使实际扭矩值和理论扭矩值一致。
3.2 传感器冗余设计
电子节气门控制系统采用2个踏板位置传感器和2个节气门位置传感器，传感器两两反接，实现阻值的反向变化，即两个传感器阻值变化量之和为零。对两个传感器施加相同的电压，两者输出的电压信号也相应反向变化，且其和始终等于供电电压。
从控制角度讲，使用一个传感器就可使系统正常运转，但冗余设计可使两个传感器相互检测，当一个传感器发生故障时能及时被识别，在很大程度上增加了系统的可靠性，保证行车的安全性。
3.3 可选的工作模式
驾驶员可根据不同的行车需要通过模式开关选择不同的工作模式，通常有正常模式、动力模式和雪地模式三种，区别在于节气门对加速踏板的响应速度不同。在正常模式下，节气门对加速踏板的响应速度适合于大多数行驶工况。在动力模式下，节气门加快对加速踏板的响应速度，发动机能提供额外的动力。在附着较差的工况下（比如：雪地，雨天）驾驶员可选择雪地模式驾驶车辆，此时节气门对加速踏板的响应降低，发动机输出的功率比正常情况下小，使车轮不易打滑，保持车辆稳定行驶。
3.4 海拔高度补偿
在海拔较高的地区，大气压下降，空气稀薄，氧气含量下降，导致发动机输出动力下降。此时电子节气门系统由压力传感器获得气压信号，按照大气压强和海拔高度的函数关系对节气门开度进行补偿，保证发动机输出动力和加速踏板位置的关系保持稳定，从而获得与平地一样的行驶性能。
4. 电子节气门系统的非线性问题
4.1 齿隙非线性
齿轮减速机构不仅增大了施加于中心轴上的扭矩，同时还降低了节气门阀片的转速，减少了工作时的冲击，有利于节气门控制。
但是在齿轮减速机构中，由于齿轮啮合存在间隙，产生了齿间隙非线性，电机转矩和节气门输出转矩之间成非线性关系： （ x—为输入转矩，y—为输出转矩， —为死区宽度）
4.2 弹簧非线性
在节气门工作时，当节气门需要从较大开度位置降到较小开度或回到节气门关闭位置时，为了保证系统的可靠及响应的快速性，在节气门阀片中心轴另一端设计有复位弹簧，该弹簧提供一个较大的扭转力矩，使节气门阀片可以快速地回到要求位置。通过对该弹簧的调整，还可以调节节气门初始开度，使节气门即使处于最低开度也能提供一定的空气流量，实现怠速控制。 复位弹簧采用非线性扭转弹簧，该弹簧具有如下非线性特性：
（ —复位弹簧力 ， —节气门转角， —弹簧平衡位置， —弹簧刚度， —弹簧初始转矩）
4.3 摩擦非线性
节气门阀片在运动过程中要受到摩擦阻力矩的作用。摩擦力矩包括粘性摩擦力矩和库仑摩擦力矩，其中库仑摩擦属于静摩擦，而粘性摩擦属于动摩擦。粘性摩擦力矩与节气门阀片的转速大小有关，方向与转动方向相反；库仑摩擦力矩则与节气门阀片运动方向有关，方向亦与其相反。
（ ——总摩擦力， ——粘性摩擦力， ——库仑摩擦力， 粘性摩擦系数， 库仑摩擦系数）
5. 电子节气门系统的优点与不足
电子节气门系统的基本控制策略决定了其具有相对于普通机械式节气门的优势，但通过分析也可以发现，电子节气门在硬件方面要求过高，由此产生诸多不足之处。
5.1 电子节气门的优点
1） 精确控制节气门开度
2） 集成各种控制功能，节约成本
3） 车辆行驶可靠性优良
4） 提高操纵稳定性和乘坐舒适性
5） 排放降低
5.2 电子节气门的不足
1） 系统要求选用的电机和传感器具有极高的精度和响应速度，为了安全可靠，传感器采用冗余设计，使成本大大提高，成为制约其广泛应用的瓶颈。
2） 系统失效后以及怠速情况下，为保持发动机正常工作，节气门将在回位弹簧的作用下保持一个微小的开度。此时，节气门受到回位弹簧产生的非线性弹力、进气气流产生非线性阻尼力以及进气气流的不稳定扰流阻矩的影响，使得系统难以达到高精度的控制。
3） ECU处理数据的能力对提高系统响应时间起着至关重要的作用。但由于进气气流通过节气门和进气歧管进入气缸的时间非常短，即使ECU处理信号的速度非常快，节气门对信号的响应也存在10个毫秒级的延迟，对发动机形成均匀混合气产生不利的影响。
4） 节气门处积垢会对系统精度产生影响，当积垢到达一定限度时，控制信号偏差过大，会使系统控制失效。
5） 电控系统结构复杂，不便于故障诊断和维修。
6. 电子节气门系统的发展现状及展望
20世纪70年代后期，随着电驱动（drive-by-wire）的理念就开始了ETC相关技术的研究工作。20世纪80年代开始有产品问世，Bosch（博世）公司的ETC产品在某些赛车上就有应用；1988年，在宝马（BWM750iL）轿车上也开始装置ETC。但由于其价格昂贵，技术和市场条件也不成熟，因而发展缓慢。直到20世纪90年代初，日本、美国和德国等的一些汽车电子公司对其研究相继加大了投入，ETC产品市场开始活跃。1993年，Toyota（丰田）研制了ETC系统，使用步进电机驱动其增设的辅助节气门，保留了原来机械控制的主节气门系统作为备用；但其结构复杂、体积庞大且价格也很高。1995年以后，德国Bosch，Pierburg（皮尔博格），美国Delphi（德尔福）、Visteon（伟世通，原福特旗下子公司），日本Toyota，Hitachi（日立）和Denso（电装），意大利Marelli（玛瑞利）等公司陆续推出第1代和第2代ETC产品，它们的发展趋势都是全电子化。如Pierburg的半机械半电控的ETC—I发展到全电控的ETC—E；Toyota的保留原机械控制的ETC系统发展到智能控制的ETC—I系统。近年来，ETC产品的发展更是如雨后春笋，各公司都不断推陈出新。Visteon公司将节气门体与燃油喷射及进气歧管有机地结合在一起，成为下一代控制集成的典范；而Bosch和Delphi公司的产品在综合控制与监测性能上则为楷模。到2000年，ETC产品开始大规模进入市场。
目前，产品一般都装配到高中档轿车、跑车及一些重型车发动机上，如Bosch公司为奔驰和宝马等提供产品，丰田为凌志和苏帕拉配置的产品，Delphi公司为一些运动车型及流行车型如1.6L欧宝-雅特等推出第2代ETC系统产品。国外的宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃、福特以及凌志等系列轿车中已经广泛应用ETC系统；我国的上海大众、通用、广州本田、重庆福特以及天津丰田等生产的车也已有或者准备配置ETC系统。
电子节气门系统作为发动机进气系统控制的下一代产品，在国内外都都得到大力发展，并日趋成熟。国外如Bosch，Delphi及Toyota等公司已经推出了新一代的电子节气门产品，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与试验。目前，电子节气门产品的性能比其最初一代有了很大的提高。目前，各种电子节气门系统在控制策略和设计方法上千差万别，但具有共同的着眼点，即提高控制精度和进行集中控制。
2002年，宝马公司生产出了无节气门汽油发动机，由电机驱动气门直接控制进气，消除了泵气损失，较大地提高了发动机性能。但到直接驱动气门控制进气还有很长一段路要走。电子节气门系统的研究试验为将来生产无节气门发动机打下了基础。
电子节气门系统的研发已有了很大的进步，但在技术上仍不成熟，因此应用也并不十分广泛，但是电子节气门系统对提高车辆动力性、经济性、安全性、乘坐舒适性，降低排放有重大意义。在21世纪新能源开发和电控技术飞速发展的形势下，随着生产成本下降以及排放要求不断提高，电子节气门系统的普及使用将成为必然。
参考文献
[1]王玉顺，张振东.电子节气门控制系统研究[J].传动技术， 2008，（3）： 29-31
[2]廖传书，全书海. 汽车电子节气门的研究. 汽车研究与开发，1996（2）.
[3]王绍銧，夏群生，李建秋. 汽车电子学. 北京：清华大学出版社，2005
[4]朱盛 .电子节气门控制系统的开发. 汽车化油器，1996，（2）：1
关键词：电子节气门 硬件组成 技术现状
1 前言
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、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机器相应的电子控制系统，组成了电子节气门控制系统（Electronic Throttle Control System，简称ETC）。
2.电子节气门控制系统的组成
ETC的硬件主要由油门踏板总成、节气门体总成和电子控制单元组成。
2.1 油门踏板总成
油门踏板总成是ETC的一个重要组成部分，油门踏板角位移有油门踏板角位移传感器转化为电压信号输入到电控单元，通过测量油门探班的角位移量和变化率可以反应驾驶员的操作意图。
2.2 节气门体总成
电子节气门体主要由节气门阀、驱动电机、减速齿轮组、复位弹簧和节气门位置传感器等组成。如图1所示。
2.2.1 节气门阀
因节气门阀具有一定的厚度，为了避免节气门阀在全关闭位置时卡在进气管道中，节气门的全关闭角度（节气门与进气流垂直方向的夹角）并不是 0°，而是有 2°的夹角，相应地节气门形状设计成椭圆形。静态时节气门并非完全关闭，靠复位弹簧保持在10°的开度。节气门开度为θ时，其有效面积为节气门在垂直于空气流动方向的投影面积。
2.2.2 驱动电机
用于节气门驱动的电机通常有步进电机或直流电机。步进电机具有较高的位置保持特性，但高速性能较差，而节气门控制要求有较高的动态响应性能，只有通过直流电机才能达到节气门的控制要求。
2.2.3 减速齿轮组
直流电机的扭矩通过减速齿轮组驱动节气门转轴，如图 1所示。减速齿轮组使电机可以与节气门的转轴平行放置，使节气门尺寸减小，结构更加紧凑。
2.2.4 复位弹簧
复位弹簧是ETC引入的机械保护装置。静态时，节气门开度靠复位弹簧的转矩保持在9°的开度，ETC失效时可依靠复位弹簧使节气门阀回到9°的开度，以保证ETC失去作用后发动机仍能继续运转，达到安全行车的目的。
2.2.5 节气门位置传感器
节气门位置传感器用于实时采集节气门开度，对闭环控制进行位置反馈，是节气门状态的唯一检测元件。
3. 电子节气门控制系统的功能
3.1 基于发动机扭矩需求的节气门控制
传统油门的节气门开度完全取决于驾驶员的操作意图。电子节气门系统的节气门开度并不完全由油门踏板位置决定，而是控制单元根据当前行驶状况下整车对发动机的全部扭矩需求，计算出节气门的最佳开度，从而控制电机驱动节气门到达相应的开度。因此，节气门的实际开度并不完全与驾驶员的操作意图一致。
控制单元根据整车扭矩需求获得所需的理论扭矩，而实际扭矩通过发动机转速、点火提前角和发动机负荷信号求得。在发动机扭矩调节过程中，控制单元首先将实际扭矩与理论扭矩进行对比，如果两者有偏差，发动机电控系统将通过适当的调节作用使实际扭矩值和理论扭矩值一致。
3.2 传感器冗余设计
电子节气门控制系统采用2个踏板位置传感器和2个节气门位置传感器，传感器两两反接，实现阻值的反向变化，即两个传感器阻值变化量之和为零。对两个传感器施加相同的电压，两者输出的电压信号也相应反向变化，且其和始终等于供电电压。
从控制角度讲，使用一个传感器就可使系统正常运转，但冗余设计可使两个传感器相互检测，当一个传感器发生故障时能及时被识别，在很大程度上增加了系统的可靠性，保证行车的安全性。
3.3 可选的工作模式
驾驶员可根据不同的行车需要通过模式开关选择不同的工作模式，通常有正常模式、动力模式和雪地模式三种，区别在于节气门对加速踏板的响应速度不同。在正常模式下，节气门对加速踏板的响应速度适合于大多数行驶工况。在动力模式下，节气门加快对加速踏板的响应速度，发动机能提供额外的动力。在附着较差的工况下（比如：雪地，雨天）驾驶员可选择雪地模式驾驶车辆，此时节气门对加速踏板的响应降低，发动机输出的功率比正常情况下小，使车轮不易打滑，保持车辆稳定行驶。
3.4 海拔高度补偿
在海拔较高的地区，大气压下降，空气稀薄，氧气含量下降，导致发动机输出动力下降。此时电子节气门系统由压力传感器获得气压信号，按照大气压强和海拔高度的函数关系对节气门开度进行补偿，保证发动机输出动力和加速踏板位置的关系保持稳定，从而获得与平地一样的行驶性能。
4. 电子节气门系统的非线性问题
4.1 齿隙非线性
齿轮减速机构不仅增大了施加于中心轴上的扭矩，同时还降低了节气门阀片的转速，减少了工作时的冲击，有利于节气门控制。
但是在齿轮减速机构中，由于齿轮啮合存在间隙，产生了齿间隙非线性，电机转矩和节气门输出转矩之间成非线性关系： （ x—为输入转矩，y—为输出转矩， —为死区宽度）
4.2 弹簧非线性
在节气门工作时，当节气门需要从较大开度位置降到较小开度或回到节气门关闭位置时，为了保证系统的可靠及响应的快速性，在节气门阀片中心轴另一端设计有复位弹簧，该弹簧提供一个较大的扭转力矩，使节气门阀片可以快速地回到要求位置。通过对该弹簧的调整，还可以调节节气门初始开度，使节气门即使处于最低开度也能提供一定的空气流量，实现怠速控制。 复位弹簧采用非线性扭转弹簧，该弹簧具有如下非线性特性：
（ —复位弹簧力 ， —节气门转角， —弹簧平衡位置， —弹簧刚度， —弹簧初始转矩）
4.3 摩擦非线性
节气门阀片在运动过程中要受到摩擦阻力矩的作用。摩擦力矩包括粘性摩擦力矩和库仑摩擦力矩，其中库仑摩擦属于静摩擦，而粘性摩擦属于动摩擦。粘性摩擦力矩与节气门阀片的转速大小有关，方向与转动方向相反；库仑摩擦力矩则与节气门阀片运动方向有关，方向亦与其相反。
（ ——总摩擦力， ——粘性摩擦力， ——库仑摩擦力， 粘性摩擦系数， 库仑摩擦系数）
5. 电子节气门系统的优点与不足
电子节气门系统的基本控制策略决定了其具有相对于普通机械式节气门的优势，但通过分析也可以发现，电子节气门在硬件方面要求过高，由此产生诸多不足之处。
5.1 电子节气门的优点
1） 精确控制节气门开度
2） 集成各种控制功能，节约成本
3） 车辆行驶可靠性优良
4） 提高操纵稳定性和乘坐舒适性
5） 排放降低
5.2 电子节气门的不足
1） 系统要求选用的电机和传感器具有极高的精度和响应速度，为了安全可靠，传感器采用冗余设计，使成本大大提高，成为制约其广泛应用的瓶颈。
2） 系统失效后以及怠速情况下，为保持发动机正常工作，节气门将在回位弹簧的作用下保持一个微小的开度。此时，节气门受到回位弹簧产生的非线性弹力、进气气流产生非线性阻尼力以及进气气流的不稳定扰流阻矩的影响，使得系统难以达到高精度的控制。
3） ECU处理数据的能力对提高系统响应时间起着至关重要的作用。但由于进气气流通过节气门和进气歧管进入气缸的时间非常短，即使ECU处理信号的速度非常快，节气门对信号的响应也存在10个毫秒级的延迟，对发动机形成均匀混合气产生不利的影响。
4） 节气门处积垢会对系统精度产生影响，当积垢到达一定限度时，控制信号偏差过大，会使系统控制失效。
5） 电控系统结构复杂，不便于故障诊断和维修。
6. 电子节气门系统的发展现状及展望
20世纪70年代后期，随着电驱动（drive-by-wire）的理念就开始了ETC相关技术的研究工作。20世纪80年代开始有产品问世，Bosch（博世）公司的ETC产品在某些赛车上就有应用；1988年，在宝马（BWM750iL）轿车上也开始装置ETC。但由于其价格昂贵，技术和市场条件也不成熟，因而发展缓慢。直到20世纪90年代初，日本、美国和德国等的一些汽车电子公司对其研究相继加大了投入，ETC产品市场开始活跃。1993年，Toyota（丰田）研制了ETC系统，使用步进电机驱动其增设的辅助节气门，保留了原来机械控制的主节气门系统作为备用；但其结构复杂、体积庞大且价格也很高。1995年以后，德国Bosch，Pierburg（皮尔博格），美国Delphi（德尔福）、Visteon（伟世通，原福特旗下子公司），日本Toyota，Hitachi（日立）和Denso（电装），意大利Marelli（玛瑞利）等公司陆续推出第1代和第2代ETC产品，它们的发展趋势都是全电子化。如Pierburg的半机械半电控的ETC—I发展到全电控的ETC—E；Toyota的保留原机械控制的ETC系统发展到智能控制的ETC—I系统。近年来，ETC产品的发展更是如雨后春笋，各公司都不断推陈出新。Visteon公司将节气门体与燃油喷射及进气歧管有机地结合在一起，成为下一代控制集成的典范；而Bosch和Delphi公司的产品在综合控制与监测性能上则为楷模。到2000年，ETC产品开始大规模进入市场。
目前，产品一般都装配到高中档轿车、跑车及一些重型车发动机上，如Bosch公司为奔驰和宝马等提供产品，丰田为凌志和苏帕拉配置的产品，Delphi公司为一些运动车型及流行车型如1.6L欧宝-雅特等推出第2代ETC系统产品。国外的宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃、福特以及凌志等系列轿车中已经广泛应用ETC系统；我国的上海大众、通用、广州本田、重庆福特以及天津丰田等生产的车也已有或者准备配置ETC系统。
电子节气门系统作为发动机进气系统控制的下一代产品，在国内外都都得到大力发展，并日趋成熟。国外如Bosch，Delphi及Toyota等公司已经推出了新一代的电子节气门产品，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与试验。目前，电子节气门产品的性能比其最初一代有了很大的提高。目前，各种电子节气门系统在控制策略和设计方法上千差万别，但具有共同的着眼点，即提高控制精度和进行集中控制。
2002年，宝马公司生产出了无节气门汽油发动机，由电机驱动气门直接控制进气，消除了泵气损失，较大地提高了发动机性能。但到直接驱动气门控制进气还有很长一段路要走。电子节气门系统的研究试验为将来生产无节气门发动机打下了基础。
电子节气门系统的研发已有了很大的进步，但在技术上仍不成熟，因此应用也并不十分广泛，但是电子节气门系统对提高车辆动力性、经济性、安全性、乘坐舒适性，降低排放有重大意义。在21世纪新能源开发和电控技术飞速发展的形势下，随着生产成本下降以及排放要求不断提高，电子节气门系统的普及使用将成为必然。
参考文献
[1]王玉顺，张振东.电子节气门控制系统研究[J].传动技术， 2008，（3）： 29-31
[2]廖传书，全书海. 汽车电子节气门的研究. 汽车研究与开发，1996（2）.
[3]王绍銧，夏群生，李建秋. 汽车电子学. 北京：清华大学出版社，2005
[4]朱盛 .电子节气门控制系统的开发. 汽车化油器，1996，（2）：1