《汽车新结构新技术》电子节气门技术

1、1电子节气门本章教学内容本章介绍电子节气门技术的发展过程，电子节气门的类型及特点，丰田、大众等公司电子节气门的结构及工作原理。本章教学目标了解电子节气门技术的发展过程。掌握电子节气门的类型及特点，丰田、大众等公司电子节气门的结构及工作原理等内容。23第一节电子节气门技术第二节电子节气门技术的发展第三节电子节气门技术的实际应用4电子节气门技术的研究始于20世纪70年代后期，80年代开始问世。90年代开始应用。5 第一节电子节气门技术所谓电子节气门(Electronic Throttle Control，ETC)，是一种柔性控制系统，通过节气门体上的电动机驱动节气门，取消了传统节气门与加速踏板之间

2、的直接机械连接，在电控单元的控制下，可实现节气门开度的快速精确控制。相对于传统的机械式节气门，电子节气门系统能根据驾驶人的需求愿望以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并能够为防抱死制动系统(ABS)、滑移率控制(ASR)、牵引力控制(TRC)、巡航控制(CCS)等控制功能的实现奠定基础，从而提高安全性和乘坐舒适性。6一、优点 精确控制节气门开度。首先由ECU 对各种工况信息和传感器信号做出判断并处理，接着计算出最佳的节气门开度，再由驱动电机控制节气门达到相应的油门开启角度。可以实现发动机全范围的最佳扭矩的输出。7 改善了发动机的排放性能。ETC 系统在各

3、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。8 具有更高的车辆行驶可靠性。电子节气门控制系统采用传感器冗余设计，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，电子气节门 在很大程度上增加了系统的可靠性，保证行车的安全性。9 可选择不同的工作模式。驾驶员可以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。 可获得海拔高度补偿。

4、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，电子节气门控制系统可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油门踏板位置的关系保持稳定。10二、缺点 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，而ECU 会根据当前的车速、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，这就限制了汽车起步时要求较浓混合气。当前，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

5、器的加速而增加。11 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【 比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation)控制器】 控制不能精确地设定反馈的增益，影响控制的精确性。 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，使成本大幅度上升。1213三、电子节气门的分类1.电液式节气门电液式节气门大多数应用在有液压系统的工程机械中。它具有结构简单、成本低、驱动力大、功耗低等特点

6、，其电液控制的转换主要通过高速开关数字阀实现，控制精度高，对液压油没有太高的要求。但是由于液压系统存在供油压力波动，液压执行机构之间的摩擦力以及阀所具有的启闭特性等方面的影响，其位置响应不精确，速度响应慢。因此，电液式节气门很少应用在汽车上。2.线性电磁铁式节气门用比例电磁铁作为控制器。它用电磁力作为驱动力，其中控制信号为电流信号，具有结构简单、体积小、控制方便、响应速度快、稳态精度高等优点，但它的最大作用力受到线圈匝数和最大工作电流的限制，且在一定的工作负荷下所需的电功耗相对较大。因此，线性电磁式节气门很少在汽车上应用。14153.步进电动机式节气门通过步进电动机直接驱动节气门轴实现节气门的

7、开度控制。驱动步进电动机通常采用桥式电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电动机进行控制。步进电动机具有结构简单、可靠性高和成本低的优点，但它的控制精度不高。因此，步进电动机式节气门也较少在汽车上应用。4.直流伺服电动机式节气门采用PWM（脉冲宽度调制）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。控制单元通过调节PWM信号的占空比来控制直流电动机转角的大小。电动机输出转矩和PWM信号的占空比成正比。由于这些优点，直流伺服电动机广泛应用于电子节气门的控制。161718第二节电子节气门技术的发展该系统主要由加速踏板、加速踏板位置传感器、节气门控制单元、数据总线、执行

8、器、节气门位置传感器和节气门机构等部分组成。19工作时，驾驶人操纵加速踏板，加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除电磁干扰，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶人意图，计算出对发动机转矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。经过CAN总线和其他控制单元进行通信，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、挡位、节气门位置、空调系统能耗等，由此计算出整车所需求的全部转矩，通过对节气门转角期望值进行修正，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电动机使节气门达到最佳的开度位置，节气门位置

9、传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制。20目前，电子节气门技术的发展趋势为：在控制策略上由线性控制发展为非线性控制，由辅助电子节气门发展为独立的电子节气门系统，从单一的控制功能发展到集成多种控制功能。211.可选工作模式正常模式：大多数驾驶条件下。动力模式：需要强大功率时。雪地模式：维持最大操控性，减少轮胎打滑。222.集成多种控制功能对电子节气门系统实现非线性伺服控制，主要的控制功能有：牵引力控制（TRC）：又称驱动防滑系统（ ASR ）。它的作用是当汽车加速时将滑移率控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑动。它的功能一是提高牵引力；二是保持汽车的行驶稳定(V

10、SC) 。它通过减少节气门开度来降低发动机功率从而达到控制目的。控制单元采集加速踏板的位置、车轮速度和方向盘转向角度等信号，通过计算求得滑移率，并产生相应的控制电压信号，通过数据总线把信号传送至控制单元，依据此信号，控制单元将减少节气门开度来调整混合气流量，以降低发动机功率。此时控制单元对节气门发出的控制信号将不受驾驶员驾驶意图的影响，这样就可以避免驾车者的误操作。（节气门回位控制及车辆稳定性控制）怠速控制(ISC)：由节气门控制电动机控制节气门开度来完成。减少换挡冲击控制：根据当前车速、节气门开度以及发动机转速等信号，控制单元选择合适的传动比，实现自动换档。巡航控制：由节气门控制电动机控制节

11、气门来实现车速控制。23243.监视系统及失效保护为了行车安全，增强系统可靠性，电子节气门系统需要有强大的故障检测功能。电子节气门系统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。如第二代Delphi电子节气门系统中，其安全特色之一是使用两个加速踏板位置传感器和两个节气门位置传感器，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)。25 第三节电子节气门技术的实际应用1.丰田的ETCS-i主要由加速踏板位置传感器、节气门位置传感器、节气门驱动电

12、动机、其他传感器、执行器和节气门控制单元组成。26驾驶人踩下加速踏板时，传感器的滑动触头随踏板轴转动，其输出电压与节气门的开度成正比，在加速踏板踩下的全程范围内，可向节气门控制单元输出0-5V的电压。为了确保可靠性，采用双系统输出，即安装了两个具有不同输出特性的线性传感器，其中VPA1信号指示加速踏板的实际开度，用于发动机的控制，VPA2信号则用于VPA1传感器的故障检测。2728ETCS-i智能电子节气门的控制功能如下：(1)正常模式非线性控制通过控制节气门，调整到适合加速踏板作用力和发动机转速等驾驶条件的最佳节气门角度，从而实现优异的节气门控制性能和所有工作范围内的舒适操作。(2)怠速控制

13、当驾驶人松开加速踏板时，可根据加速踏板位置传感器信号判定发动机进入怠速工况，再根据温度信号、发动机负荷等控制节气门开度，保持发动机在理想的怠速状态。(3)牵引力控制防滑控制单元根据轮速和车速信号，判定驱动车轮出现打滑现象，及时控制节气门电动机，关小节气门开度，减小发动机功率，以获得合适的驱动力，提高车辆行驶的平稳性。29(4)车辆稳定性控制利用防滑控制单元的综合控制来控制节气门的开启角度，以最大效率地利用车辆稳定性控制系统的控制效果。(5)巡航控制通过节气门控制电动机将节气门任意定位，取消了巡航控制执行器和拉索，真正实现了定速巡航全电控。(6)失效保护当ECU检测到ETCS-i系统出现故障时，

14、ECU将转换到“跛行模式”(故障慢行模式)。在“跛行模式”控制中，车辆将在节气门开启角度大于正常值的有限条件下行驶，或者将节气门置于怠速位置，直到系统故障排除，并将点火开关置于“OFF”位置。302.克莱斯勒的电子节气门系统节气门翻板通过PCM（动力控制模块）控制的电动机驱动，不再机械连接到加速踏板上。加速踏板位置作为确定节气门位置的一个输入。PCM接收各传感器的输入，计算希望的转矩需求，输出控制信号到节气门电动机、点火线圈和喷油器。在这个系统中，PCM控制进气流量、点火正时和发动机怠速。没有额外的速度控制单元或处理器，取消了怠速控制电动机。31两个加速踏板位置传感器(APPS)输入驾驶人的转

15、矩需求信号到PCM。两个传感器在一个壳体内，安装在加速踏板上。传感器是两个三线式的线性传感器，向PCM提供两个与加速踏板位置成比例的电压信号。这两个传感器的信号是不一样的，当节气门打开时，一个传感器信号的增加率是另一个传感器信号增加率的两倍。两个传感器有完全独立的电路，独立的5V参考电压、信号线和搭铁线。32电控节气门总成包括节气门翻板、电动机、双节气门位置传感器、齿轮和弹簧。节气门电机由来自PCM的信号控制。弹簧负责关闭节气门翻板。如果驱动电机电源丢失，弹簧将关闭节气门到缺省位置。3334两个节气门位置传感器(TPS)内置在节气门内，提供两个节气门位置信号给PCM。传感器输出模拟信号来通知P

16、CM节气门翻板的运动情况。传感器采用两个三线电位计，使用一个共用的5V参考电源和传感器搭铁线。每个传感器输出一个与节气门位置成比例的模拟信号，但一个传感器使用反向逻辑。当节气门翻板打开时，传感器1的信号电压增加，传感器2的信号电压下降，但两个传感器信号电压的和一直接近于5V。PCM监控这一数值来检查系统的完整性。3536对于带有电子节气门的车辆，在每次起动时起动机的吸合会有短暂的延迟，此时PCM进行电子节气门弹簧测试：节气门翻板被迅速驱动打开，然后完全关闭，延迟时间约0.2s。此时节气门翻板会有一个比正常运行范围大的行程。失去一个加速踏板位置传感器APPS或节气门位置传感器TPS输入将会造成P

17、CM进入安全失效模式。电子节气门系统将限制节气门的打开，减缓加速踏板的响应，在应用制动时降低发动机转速到怠速，速度控制功能失效。设置故障码，点亮ETC故障指示灯。37某些严重的故障将会使系统进入“跛行模式”。在这种模式下，ETC故障指示灯会闪烁，设置故障码和点亮故障灯。但发动机仍将保持运转，车辆能在一些严重限制下被驱动，速度控制操作将不被允许。在跛行模式下，加速踏板位置将失去对于节气门或者发动机转速的控制，发动机将运转在两个受控于制动踏板的发动机转速下。38当制动踏板被踏下，发动机转速将被控制在约800r/min，松开制动踏板，发动机转速会缓慢增大到1200-15OOr/min。PCM通过控制

18、节气门电动机、点火正时和喷油来控制发动机转速，如果PCM不能控制节气门翻板位置，PCM将试图通过控制点火正时和喷油来控制发动机转速。393、一汽大众速腾EPC电子节气门技术一汽大众速腾电子节气门技术 (E1ectronic Power Contro1，EPC)。此项技术使发动机对节气门的控制不再由拉索来操纵，加速踏板和节气门之间无机械结构的连接。节气门开度由ECU按设定的程序通过内部一个电动机来控制，不完全取决于加速踏板位置。40(1)一汽大众速腾 EPC系统的结构1)ECUECU J361根据加速踏板位置传感器提供的信号，计算出驾驶人所要求的功率，并通过执行元件将所需功率转换成所需的发动机转

19、矩。在计算过程中，ECU会考虑到发动机管理系统的其他功能(例如转速限制、车速限制和功率限制)以及其他车辆系统(例如制动系统或者自动变速器)。另外，ECU还监控EPC系统，以防出现故障。41422)加速踏板模块如图5-23所示，速腾采用了一种新型的加速踏板模块，由加速踏板、机械部件、薄金属盘、盖板和PCB印制电路板等组成，带有2个加速踏板位置传感器。43优点是：浮动传感器无摩擦，寿命长，整体式传感器不需要进行强制低速挡基本设定。44加速踏板位置传感器由一个励磁线圈、金属薄片、接收线圈和信号处理电路组成。45励磁线圈产生磁场，当加速踏板被踩下时，金属薄片被带着在励磁线圈产生的磁场中作直线运动，所造

20、成的磁场变化在接收线圈中感应出电压，经过信号处理器处理，传送给ECU。46两个加速踏板位置传感器随加速踏板行程变化而产生电压变化。两个传感器有两条不同的特性曲线。利于安全和检查。47加速踏板位置传感器一个或两个都失效后，系统会有故障记忆，同时仪表上的EPC故障指示灯也会亮起。车辆的一些便捷功能，如定速巡航或发动机制动辅助控制功能也将会失效。当一个加速踏板位置传感器信号失真或中断时，如果另一个加速踏板位置传感器处于怠速位置，则发动机进入怠速工况；如果另一个加速踏板位置传感器处于负荷工况，则发动机转速上升缓慢。若两个传感器同时出现故障，则发动机高怠速（1500r/min）运转。483)节气门控制单

21、元节气门控制单元J338在进气歧管上，它的作用是保证发动机获得所需的空气量。49节气门控制单元由节气门壳体、节气门、节气门驱动器、节气门角度传感器等部件构成。50节气门控制单元既不可以打开，也不可以修理。更换节气门控制单元后，必须对节气门控制单元进行基本设定。51如图5-28所示，ECU操纵节气门驱动器来打开或关闭节气门。两个角度传感器将节气门最新位置反馈给ECU。52如图5-29所示，节气门驱动器G186就是一个电动机，它由ECU来操纵，通过一套小齿轮机构来带动节气门运动，可实现从怠速到全负荷位置的无级调节。53节气门在机械下止点位置是关闭的。该位置用于对节气门控制单元进行基本设定。54而电

22、动下止点(图5-31)这个位置预存在ECU内，它比机械下止点稍高一点。节气门在工作时最多可运动(关闭)到电动下止点。这样可防止节气门与壳体发生干涉。55如图5-32所示，在节气门驱动器不通电时，弹簧回位系统将节气门拉至应急运行位置。在这个位置时，只能以较高的怠速转速来完成某些行驶工况(受到限制)。56电动上止点由ECU来确定，它是车辆行驶时节气门打开最大角度的点，图5-33 。机械上止点(图5-34)在电动上止点的上方。57如果节气门驱动器失效了，那么节气门被自动拉到应急运行位置。故障存储器内记录一个故障，EPC故障指示灯就被接通了，此时驾驶入只能使用应急功能，舒适功能被关闭(比如定速巡航)。

23、58如图5-35所示，节气门角度传感器都是滑动接触式电位计。滑动触点在齿轮上，齿轮装在节气门轴上。节气门位置不同，电位计轨道上的电阻也不同，因此发送到ECU的电压信号也不同。59这两个电位计的特性曲线是相反的。因此ECU可以区分出这两个电位计，并执行检查功能。当ECU从某个角度传感器接收到不可靠的信号或根本接收不到信号时，则故障存储器内存储一个故障，EPC故障指示灯被接通，影响转矩的子系统(例如定速巡航和发动机牵引力矩调节)被关闭。60当ECU从两个角度传感器都接收到不可靠的信号或根本接收不到信号时，则两个传感器都会在故障存储器中记录故障，EPC故障指示灯被接通，节气门驱动器被关闭，发动机以1

24、5OOr/min的高转速怠速运行，对加速踏板不再做出反应。614)EPC故障指示灯在接通点火开关后，EPC故障指示灯亮3s，如果故障存储器内没有故障记录或者在这段时间内没有识别出故障的话，该灯就又熄灭。当系统出现故障时，ECU会接通该灯，故障存储器内也会记录下故障。EPC故障指示灯出现故障时不会对电子节气门的功能产生影响，但是会导致故障存储器内记录一个故障，而且对系统内的其他故障就不能再实现视觉提示了。625)附加信号制动灯开关和制动踏板开关这两个开关集成在制动踏板上的一个部件内。制动踏板开关是起安全作用的，用作ECU的第二个信息传感器。收到制动踏板已踏下的信号后，ECU将关闭定速巡航装置，并

25、且默认为怠速状态(如果某个加速踏板位置传感器失灵)。如果制动灯开关和制动踏板开关中的一个失效，或者识别出输入信号不可靠，ECU就会关闭舒适功能(例如定速巡航)。如果这两个开关都损坏，那么发动机转速就被限制为较高的怠速转速。63离合器位置传感器 如图5-36所示，ECU根据离合器位置传感器的信号来判定离合器踏板是否已踏下。如果离合器踏板已踏下，那么定速巡航和负荷变换功能就被关闭了。64(2)一汽大众速腾EPC电子节气门工作过程节气门控制单元负责提供所需要的空气量。节气门驱动机构按照ECU发出的指令来操纵节气门。节气门当前位置值由节气门角度传感器反馈给ECU。6566EPC系统可以实现按转矩来管理发动机。ECU首先收集内部和外部的转矩请求信息，然后计算出所需要的控制动作。因此，这个系统比以前的更精确、更有效率。67常