دریچه گاز برقی یا الکترونیکی (Electronic Throttle Body) چیست و چگونه کار می‌کند؟

توسعه فناوری‌های انژکتوری و جایگزینی دریچه گازهای الکترونیکی به جای سیمی در خودروها

نسل جدید موتورهای خودروهای جدید به طور فزاینده‌ای با استفاده از تکنولوژی‌های جدیدی که مهم ترین آنها الکترونیک، مکانیک و هیدرولیک می باشند و رابطه بسیار تنگاتنگ و نزدیکی با هم دارند، توسعه‌یافته و همچنان در حال گسترش هستند. این جنبه‌ها، با پیاده‌سازی قطعات بسیار حساس و پیشرفته‌ای مانند سنسورها (حسگرها)، محرک‌ها و سیستم‌های کنترل مبتنی بر ریزپردازنده و با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته انجام می‌گیرد تا مصرف سوخت، کارایی و عملکرد موتور و همچنین سطوح کاهش انتشار گازهای آلاینده و گلخانه‌ای را در بهترین وضعیت قرار دهند.

رسیدن به این اهداف به‌وسیله روش‌های قدیمی و با استفاده از رویکردهای مکانیکی قدیمی قابل انجام نمی‌باشد و بیشتر آنها با سیستم‌های کنترل الکترونیکی جایگزین شده است و بقیه موارد نیز درحال‌توسعه و جایگزین‌شدن هستند. به‌طورکلی موتورهای مدرن امروزی مجهز به یک کامپیوتر مرکزی تحت عنوان کامپیوتر موتور (ECU) هستند. این کامپیوتر همواره با تعداد زیادی سنسور (حسگر) و عملگر و نیز کامپیوترهای دیگر در ارتباط است که در نهایت اقدام به کنترل عملیاتی مانند تنظیم میزان پاشش سوخت، تنظیم آوانس جرقه، تنظیم نسبت هوا به سوخت، کنترل دور آرام، زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها و غیره می‌نمایند که نتیجه همه این کنترل‌ها و فعالیت‌ها، ایجاد یک احتراق مناسب است که کل سیستم را در جهت رسیدن به اهدافی که عنوان شد (حداکثر کارایی، حداقل مصرف سوخت و کمترین تولید گازهای آلاینده و گلخانه‌ای)، سوق می‌دهد.

در نسل اول خودروهای انژکتوری، سیستم دریچه گازهای سیمی (کابلی) مورد استفاده قرار می‌گرفت و در زمان خود دارای کارایی قابل‌قبولی بود. در این نوع دریچه‌ها، الزامات سیستم‌های داخلی و خارجی مانند بهره‌وری سوخت، شرایط جاده و آب‌وهوا و بسیاری از شاخص های دیگر، در دریچه گاز در نظر گرفته نمی‌گردید.

با توسعه و پیشرفت تکنولوژی‌های بکار رفته در سیستم‌های انژکتوری، به‌کارگیری آپشن‌هایی مانند کروز کنترل و محدودکننده سرعت و همچنین وضع قوانین سخت‌گیرانه در خصوص کاهش مصرف سوخت و گازهای آلاینده، افزایش قیمت سوخت و چندین فاکتور دیگر موجب شد تا شرکت‌های خودروسازی ملزم به جایگزین‌کردن دریچه گازهای برقی (الکترونیکی) به‌جای دریچه گازهای سیمی (کابلی) شوند. توسعه سیستم‌های ایمنی مانند سیستم ضد قفل چرخ‌ها (ABS)، سیستم کنترل پایداری خودرو (ESP) و سیستم ضدلغزش چرخ‌ها (جلوگیری از بکسوات چرخ‌ها و یا ASR) نیز موجب شد تا الزام استفاده از دریچه گازهای برقی (الکترونیکی) بیشتر مورد توجه قرار گرفته و دنبال شود. از طرفی دیگر تولید انبوه خودروهای مجهز به گیربکس اتوماتیک نیز در حذف دریچه‌های سیمی (کابلی) تأثیر زیادی داشته است.

در این مقاله قصد داریم تا به نحوه عملکرد دریچه گازهای برقی (الکترونیکی) و موارد مربوط به آنها بپردازیم. به دریچه گازهای برقی یا الکترونیکی Electronic Throttle Body ، Electronic Throttle Control یا Electronic Throttle Control system و یا به‌ اختصار ETB، ETC و یا ETCS نیز گفته می‌شود.

تفاوت دریچه گاز برقی (الکترونیکی) با دریچه گاز سیمی (کابلی) این است که در سیستم دریچه گاز سیمی (کابلی)، راننده به پدال گاز فشار می‌آورد و سیم(کابل) مابین پدال گاز و محور وسط دریچه گاز کشیده می شود و در نهایت دریچه گاز باز می‌شود، سپس سنسور موقعیت دریچه گاز (TPS)، اطلاعات باز شدن میزان دریچه گاز را به کامپیوتر موتور ارسال می‌نماید و کامپیوتر موتور با تجزیه‌وتحلیل و آنالیز اطلاعات دریافتی، میزان پاشش سوخت، آوانس جرقه و موارد دیگر را تنظیم می‌نماید. در مجله رنو ایران، مقاله‌ای تحت عنوان "سنسور موقعیت دریچه گاز (پتانسیل دریچه گاز) چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟" وجود دارد، با مطالعه آن، می‌توانید اطلاعات مفیدی در این‌ خصوص کسب نمایید.

در خودروهایی که از دریچه گاز برقی (الکترونیکی) بهره می‌برند، وضعیت متفاوت است. در این خودروها راننده پدال گاز را فشار می‌دهد، سنسوری تحت عنوان سنسور موقعیت پدال گاز بر روی پدال گاز نصب است، این سنسور اطلاعاتی به کامپیوتر موتور ارسال می‌نماید و کامپیوتر موتور با تجزیه‌وتحلیل و آنالیز آنها، به میزان فشرده شدن پدال گاز توسط راننده پی برده و با توجه به ملاحظات دیگر، اقدام به ارسال ولتاژ مناسب به موتور دریچه گاز، جهت باز کردن آن به میزان مناسب می‌نماید. مقاله دیگری تحت عنوان "سنسور موقعیت پدال گاز (APPS) چیست و چگونه کار می‌کند؟" در مجله رنو ایران وجود دارد که مطالعه آن برای اطلاع از نحوه عملکرد آن، پیشنهاد می‌شود.

تفاوت این دو سیستم این است که در خودروهایی که مجهز به دریچه گاز سیمی (کابلی) هستند، دریچه گاز تابع راننده است ولی در خودروهایی که دریچه گاز برقی (الکترونیکی) بر روی آنها نصب است، این کامپیوتر موتور است که تصمیم می‌گیرد دریچه گاز به چه میزان باز شود لذا خودروهایی که از سیستم دریچه گاز برقی (الکترونیکی) بهره می‌برند، دارای ایمنی بیشتر هستند و به طور مثال چنانچه مشکلی برای موتور و یا گیربکس به وجود آید، خودرو در وضعیت اضطراری (Emergency Mode) قرار می‌گیرد و برای اینکه خودرو، سرنشینان و موتور آن آسیب نبینند، دور موتور از حدی بیشتر افزایش نمی‌یابد. همچنین بر روی این خودروها قابلیت نصب آپشن‌هایی مانند کروز کنترل، کروز کنترل تطبیقی و محدودکننده سرعت و غیره وجود دارد. خودروهائیکه از دریچه گازهای برقی بهره می برند، قابلیت تطابق و سازگاری با سیستم های ایمنی فعال مانند ABS، ESP، ASR و موارد دیگری مانند رانندگی در حالت اقتصادی(ECO) و اسپورت و غیره را دارند.

بدنه دریچه گاز برقی (الکترونیکی) شبیه یک بدنه دریچه گاز معمولی است. در این قطعه استپر موتور حذف شده است و به‌جای سیم (کابل)، یک موتور الکترونیکی و یک سنسور موقعیت دریچه گاز (TPS) نصب شده است. کامپیوتر موتور به‌وسیله سنسور موقعیت دریچه گاز (TPS) میزان چرخش دریچه گاز را تشخیص می‌دهد.

در ساده‌ترین حالت، کامپیوتر موتور (ECU) به‌وسیله سنسور موقعیت پدال گاز (APP) میزان فشرده شدن پدال گاز، توسط راننده را تشخیص می‌دهد و با توجه به آنچه در الگوریتم‌ها، دستورالعمل‌ها و برنامه‌های خود تعریف شده است، میزان جریان مناسب را به موتور برقی (الکترونیکی) دریچه گاز ارسال می‌نماید و موتور برقی دریچه گاز نیز به همان میزان‌ باز می‌شود و هوا وارد منیفولد ورودی می‌شود.

به طور مثال وقتی راننده پدال گاز را 15 درصد فشار می‌دهد، کامپیوتر موتور نیز موتور الکترونیکی دریچه گاز را به میزان 15 درصد باز می‌کند و وقتی راننده پدال گاز را رها می‌کند، کامپیوتر موتور، دریچه گاز را می بندد و با توجه به شرایط موتور، اندکی دریچه گاز را باز نگه می دارد تا هوا فقط به اندازه مورد نیاز، برای روشن ماندن موتور در حالت درجا (Idle) وارد موتور شود. آنچه عنوان شد ساده ترین حالت عملکرد موتور دریچه گاز را توضیح داد، در حالیکه معمولا این حالت کمتر اتفاق می‌افتد و عملکرد کنترل الکترونیکی دریچه گاز پیچیده‌تر و کاربردی‌تر است و مزایای متعددی برای موتور به همراه دارد.

شکل زیر اجزا یک دریچه گاز برقی (الکترونیکی) را نمایش می‌دهد که از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است که مهم‌ترین آنها، یک موتور جریان مستقیم (DC) و یک سنسور (حسگر) موقعیت دریچه گاز (TPS) می باشند. قطر دریچه گاز و محفظه آن با توجه به حجم، ظرفیت و اندازه موتور متفاوت است. همان‌طور که در بالا توضیح داده شد، دریچه گاز الکترونیکی که در بیشتر خودروهای امروزی به کار می‌رود، مزایای فنی متعددی از جمله واکنش بهتر خودرو، ویژگی‌های رانندگی چندحالته (مانند اقتصادی، اسپرت و غیره)، ادغام با سایر سیستم‌های ایمنی فعال (مانند ABS، ESP، ASR و غیره) و نیز سیستم‌های دیگری مانند کروز کنترل، محدودکننده سرعت، کروز کنترل تطبیقی و موارد دیگر را ارائه می‌دهد، همچنین عملکرد بالاتر از نظر بهبود مصرف سوخت و کاهش انتشار گازهای آلاینده و گلخانه‌ای را دارا است.

شکل زیر معماری داخلی بدنه دریچه گاز الکترونیکی یک موتور، نشان‌ داده‌ شده است که از اجزای مختلفی تشکیل شده است. باز و بست دریچه گاز توسط چند چرخ‌دنده انجام می‌شود. برای این کار از چندین الگوریتم پیچیده در کامپیوتر موتور به همراه یک مدار پیشرفته برای تقویت جریان، یک مدار درایور به شکل H-bridge استفاده شده است. به منظور کاهش مصرف برق و همچنین صاف کردن پیک های جریان و از بین بردن نویزهای سیستم، از میکروکنترلر داخل کامپیوتر موتور و مدار پل H بکار گرفته شده است. عملکرد سیستم بصورت سیگنال مدولاسیون (PWM) انجام می‌گیرد و بدین صورت سرعت موتوری که دریچه گاز را می چرخاند، کنترل می گردد.

به منظور کاهش خطای عملکرد دریچه گاز و کنترل بیشتر اینکه دریچه دقیقا مطابق خواسته کامپیوتر موتور عمل کرده است، یک سیستم کنترل بازخورد حلقه بسته پیش‌بینی‌شده و در مدار قرار گرفته است که با استفاده از یک سنسور (حسگر) موقعیت دریچه گاز، انجام می‌شود این سنسور موقعیت دریچه گاز را اندازه‌گیری می‌کند و به کامپیوتر موتور گزارش می‌دهد. این کار با دو روش تماسی و غیرتماسی انجام می‌شود.

در نوع تماسی از پتانسیومتر دوگانه برای اندازه‌گیری موقعیت دریچه گاز استفاده می‌شود. دو سنسور برای اطمینان از تشخیص صحیح موقعیت دریچه گاز بکار گرفته می‌شود. کامپیوتر موتور از میزان همبستگی و ردیابی این دو سیگنال می‌تواند برای تشخیص خرابی‌های احتمالی در سیستم، سیم‌کشی، اتصالات الکتریکی یا ایرادهای مربوط به قطعات استفاده کند. سنسورهای موقعیت دریچه گاز فعلی که در بسیاری از وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد، شامل یک پتانسیومتر مقاومتی با یک تماس متحرک است که سیگنال خروجی متناسب با میزان چرخش دریچه گاز را به کامپیوتر موتور ارسال می‌نماید.

در فناوری سنسور موقعیت دریچه گاز از نوع غیرتماسی، از اصل اثر هال، مقاومت مغناطیسی یا اصل القایی استفاده شده است. بر اساس این اصول، حرکت چرخشی دریچه گاز به ولتاژ خروجی خطی تبدیل می‌شود که به طور مستقیم با زاویه چرخش سنسور متناسب است. سنسور غیرتماسی در مقایسه با طراحی سنسورهای تماسی، دوام و قابلیت اطمینان بیشتری دارد. این فناوری بر روی بعضی از خودروهای مدرن امروزی که تعداد آنها اندک است، بکار گرفته شده است.

شکل فوق معماری سیستم دریچه گاز برقی (الکترونیکی) با تمرکز بر روی سیستم عملگر و کنترل‌کننده آن را نمایش می‌دهد.

کامپیوتر موتور نقش یک مغز متفکر و تصمیم‌گیرنده اصلی و رابط بین بقیه کامپیوترها و ماژول‌ها را به عهده دارد و محور اصلی برنامه‌ریزی در یک خودرو است. بخشی از این کامپیوتر حاوی برنامه‌ها و الگوریتم‌هایی است که  وظیفه کنترل پاشش سوخت و جرقه را در سیلندرها به عهده دارند، این برنامه‌ها با توجه به ورودی‌های مختلف مانند میزان فشردن پدال گاز توسط راننده و نیز سایر نیازهای سیستم که به موتور و خودرو مربوط می‌شوند را مدیریت می‌نماید که در نهایت منجر به تولید گشتاور می‌شود.

مقدار زاویه‌ای که دریچه گاز می‌بایست باز شود به عوامل مختلفی بستگی دارد که مهم‌ترین آنها درخواست راننده است که راننده با فشردن پدال گاز به موتور اطلاع می‌دهد. کامپیوتر موتور با درنظرگرفتن درخواست راننده، ارزیابی و سنجش شاخص ها، فاکتورها و ملاحظات دیگر، اقدام به باز کردن دریچه گاز می‌نماید. این موارد با استفاده از دو جدول محاسبه می‌شوند که تصویری از آنها در زیر آمده است: یکی از آنها نقشه پدال گاز و دیگری نقشه مقدار جریان هوای مورد نیاز است، هر کدام از این جدول‌ها چندین بعد دارند.

شکل زیر، سمت چپ (a) مربوط به درخواست راننده است که با فشردن پدال گاز، به سیستم کنترل‌کننده مرکزی اعلام می‌شود، به دنبال آن، کامپیوتر موتور، توان و گشتاور مورد نیاز را برای اینکه نیاز راننده تأمین شود، محاسبه می‌کند. شکل سمت راست (b)، نشان دهنده جدول جریان جرمی هوای مورد نیاز است که توسط یک مدل ریاضی در سیستم کنترل محاسبه می گردد.

آنچه در بالا عنوان گردید، تنها یک تصویر کلی و ساده از فرایند باز شدن دریچه گاز، با توجه به نیاز راننده و درنظر گرفتن شاخص های دیگر است که بحث بیشتر در مورد آن از حوصله این مقاله خارج است و صرفا هدف از توضیح و گفت‌وگو در خصوص آن، اشاره به این موضوع است که در خودروهایی که مجهز به سیستم موتور دریچه گاز الکترونیکی (برقی) هستند، برای اینکه سیستم به فشردن پدال گاز پاسخ دهد و دریچه گاز را باز نماید، فرایند بسیار پیچیده‌ای سپری می شود و محاسبات بسیار دقیقی بر اساس الگوریتم‌ها، الگوها و مدل‌های ریاضی انجام می‌گیرد.

علائم خرابی دریچه گاز برقی:

همان‌طور که عنوان شد این قطعه تأثیر عمده ای در عملکرد موتور و میزان تولید گشتاور دارد لذا چنانچه خراب شود، پیامدهای زیادی به همراه دارد لذا تدابیر زیادی جهت کنترل آن اندیشیده شده است. اگر کوچک‌ترین اختلالی در این قطعه بوجود آید و یا تنها یکی از سیم‌های ارتباطی آن با کامپیوتر موتور دچار قطعی شود و یا اتصالی بین سیم‌های آن ایجاد گردد، چراغ هشدار سیستم مدیریت موتور و یا چراغ چک موتور (Engine Check) روشن شده و عملکرد موتور به وضعیت اضطراری (Emergency Mode) تغییر می کند و افزایش دور موتور و تولید گشتاور محدود می‌شود، به عبارت دیگر دور موتور از حدی بالاتر نمی‌رود.

عیب‌یابی دریچه گاز برقی:

با توجه به آنچه عنوان شد جهت عیب‌یابی موتور دریچه گاز با امکاناتی که در نمایندگی وجود دارد، تنها می‌توان پیوستگی مدار را یعنی سالم بودن سیم‌کشی مابین کامپیوتر موتور و موتور دریچه گاز را کنترل نمود.

تصویر فوق ارتباط سیمی مابین موتور دریچه گاز و کامپیوتر موتور را در خودرو کپچر نمایش می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌شود دو سیم، ارتباط موتور دریچه گاز و کامپیوتر موتور را برقرار می‌کنند و چهار سیم دیگر مربوط به سنسورهای موقعیت دریچه گاز می باشند که وظیفه دارند میزان بازشدن دریچه گاز را به کامپیوتر موتور گزارش نمایند (Feed Back) تا همان میزانی که کامپیوتر موتور محاسبه کرده و دستور باز شدن دریچه گاز را صادر نموده است، دریچه گاز دقیقاً به همان میزان باز شود و اختلافی بین درخواست گشتاور درخواستی توسط راننده و گشتاور تولید شده توسط موتور ایجاد نشود، همچنین سیستم‌های ایمنی مانند ABS، ESP و ASR و سیستم‌های کروز کنترل، محدودکننده سرعت، کروز کنترل تطبیقی و موارد دیگر و همچنین وضعیت اقتصادی (ECO) و Sport  به‌درستی عمل کنند و هیچ‌گونه اختلالی در عملکرد گیربکس اتوماتیک ایجاد نشود.

What is an Electronic Throttle Body and how does it work?

Writer: Alireza Keramatian/ Renault IRAN Technical Hub and Network Manager