电子节气门技术

第六章电子节气门1第一节概述2一、电子节气门技术二、电子节气门技术的发展三、电子节气门技术的实际应用3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。4一、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。5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，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。62.线性电磁铁式节气门–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。73.步进电动机式节气门–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。84.直流伺服电动机式节气门–直流伺服电动机采用PWM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。此外，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。二、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、执行器、节气门位置传感器和节气门机构等部分组成。9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补偿，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。1011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。121.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。132.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：牵引控制：发动机正常进气控制。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：自动变速器模拟节气门开度选择传动比，实现自动换挡。节气门回位控制(TRC)：在驱动轮产生过大打滑量的情况下，节气门控制单元根据驾驶情况发出指令信号控制电动机关闭节气门，

以利于保证汽车的稳定性和驱动力。车辆稳定控制(VSC)系统协调控制：根据ABS和TRC等的信号由节气门控制单元施加协调控制来控制节气门开度，使VSC系统达到最佳状态。巡航控制：车速由节气门控制电动机控制节气门来实现车速控制。143.监视系统及失效保护为了行车安全，增强系统可靠性，电子节气门系统控制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)。三、电子节气门技术的实际应用1.丰田的ETCS-I主要由节气门位置传感器、加速踏板位置传感器、节气门驱动电动机、其他传感器、执行器和节气门控制单元组成。1516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，即安装了两个线性传感器，具有两个不同输出特性的输出信号，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。17ETCS-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)牵引力节气门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。18(4)车辆稳定性控制的协调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，以达到最大效率地利用车辆稳定性控制系统的控制效果。(5)巡航控制巡航控制单元可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，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。19202.克莱斯勒的电子节气门系统该系统中，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。21两个加速踏板位置传感器(APPS)输入驾驶人的转

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。2223两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PCM节气门翻板的运动。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。2425对于带有电子节气门的车辆，起动机的吸合会在每次起动时有短暂的延迟，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，并会发出转动的声音。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PCM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。26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，加速踏板位置对于节气门开启或者发动机转速变化将不起作用，发动机将运转在两个不同的转速下，两个受控于制动踏板的发动机转速。27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。283、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也称电子节气门(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步进电动机来控制，不完全取决于加速踏板位置。29(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。30312).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，带有加速踏板位置传感器、加速踏板位置传感器。其优点是：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。32如图5-24所示为加速踏板位置传感器结构，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。33如图5-25所示，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。34两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，如图5-26所示。两个传感器有两条不同的特性曲线，这对于安全功能和检查功能来说是必需的。3536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，则发动机高怠速运转。373).节气门控制单元节气门控制单元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。如图5-27所示，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。3839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。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。出于安全考虑，使用了两个角度传感器。40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。41在机械下止点这个位置上节气门是关闭的。该位置用于对节气门控制单元进行基本设定。42而电动下止点(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。43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)。44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，它不

会影响发动机功率，因为它在节气门轴的“阴影”内。4546•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)。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。传感器扫描壳体

盖上的轨道，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。4748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。此时ECU使用负荷信号来校验剩余的那个角度传感器，加速踏板的反应与正常一样。49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15OOr/min的高转速

怠速运行，对加速踏板不再做出反应。504).EPC故障指示灯EPC故障指示灯K132位于组合仪表上，它是一个黄色的灯，其上带有“EPC”字样。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。515).附加信号①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。②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。5253(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。5455EPC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。56常见的内部转矩请求有：起动、三元催化转化器加热、怠速调节、功率限制、转速限制、λ调节。而外部转矩请求有：自动变速器(换挡时刻)、制动系统(驱动防滑调节、发动机牵引力矩调节)、空调系统(压缩机接通与关闭)、定速巡航装置(GRA)。57ECU根据外部和内部的转矩请求来产生一个额定转矩值。实际的转矩值是根据发动机转速、负荷信号以及点火角等计算出来的。系统分成两路来同时进行控制。第一路管理的是影响充气的调节量，人们把这些调节量称为“长期有效的转矩请求”，这些量有：节气门开启角度、增压压力(涡轮增压发动机)。第二路管理的是短时影响转矩而又不依赖于充气的调节量，这些量有：点火时刻、喷油时间、关闭某缸。该系统具体工作过程如下：•1)怠速时–①如图5-16所示，ECU从加速踏板位置传感器的信号电压中得知没有踩动加速踏板，怠速调节过程开始工作。58–②如图5-17所示，ECU激活节气门驱动装置，于是电动机就带动节

气门转动。根据实际

怠速转速值与规定怠

速转速值之间偏差的

大小，节气门会再打

开一些或再关闭一些。59–③如图5-18所示，这两个节气门角度传感器将节气门瞬时位置信息传送给

ECU。这两个节气门角度传感器在节气门控制单元内。602)踩动加速踏板时①如图5-19所示，ECU根据加速踏板位置传感器传来的信号，就可以判断出加速踏板被踏下的程度。于是ECU就计算出驾驶入所需要的状态，并通过节气门驱动电动机来将节气门转到需要的位置处。另外，ECU还会调节点火正时、喷油时间。61②如图5-20所示，两个节气门角度传感器会判定节气门的位置，并将这个信息发送给ECU。62③如图5-21所示，在计算节气门应处的位置时，ECU会

考虑到额外的发动机转矩需求。这些额外的因素包括：