2.7 电控节气门系统_电控发动机原理与检测技术（第2版）-QQ阅读中文历史网

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2.7 电控节气门系统

问题链接：

1.电控节气门系统与普通节气门有什么区别？

2.电控节气门是如何工作的？

2.7.1 电控节气门（ETC）系统的结构组成及工作原理

基于转矩的ETC系统是一种硬件和软件的结合产物，可根据驾驶员的需求（加速踏板位置）提供发动机输出转矩（通过节气门角度）。它使用电子节气门体、电子节气门控制单元、发动机控制单元ECU和加速踏板来控制节气门开度和发动机转矩。ETC系统取代了加速踏板操纵线缆、怠速空气控制（IAC）阀、三线节气门位置（TP）传感器和机械节气门体，可实现节气门开度的快速精确控制。德尔福公司开发了几种电控节气门系统，图2-67所示为德尔福第一代ETC系统。

1.ETC系统工作原理

如图2-68所示，ETC系统多数集成到现有发动机控制单元ECU中，由电动机在整个调节范围内来调节节气门位置。驾驶员的命令和加速踏板位置信号输送给ECU，由ECU处理以调节节气门体电动机电压。ECU基于内转矩需求（起动、催化转化器加热、怠速控制、功率限制、限速装置、空燃比控制）和外转矩需求（自动变速器换档点、牵引力控制、发动机制动控制、空调压缩机开/关、巡航控制），来调节节气门开启、火花塞点火时刻、燃油输送量，以及EGR阀、活性炭罐的工作。以往，为了保持发动机怠速，怠速空气控制（IAC）系统必须设置怠速旁通道，以绕过关闭的节气门。ETC系统将IAC控制和节气门的调节控制集成一个单元，因此故障率降低，提高了操作的可靠性。如果由于安全或油耗方面的需要而必须调节发动机转矩，带有ETC功能的发动机控制单元可单独调节节气门位置（无须驾驶员踩踏加速踏板）。

图2-67 德尔福第一代电控节气门（ETC）系统结构

图2-68 德尔福第二代电控节气门（ETC）工作原理

2.ETCS的优点

1）可以根据驾驶员愿望以及排放、油耗和安全需求确定节气门的最佳开度。参考各种功能要求来改善驾驶的安全性和舒适性，包括限速装置、巡航控制系统、牵引力控制系统（TCS）及发动机制动控制系统（EBC）等，从而使发动机控制更加理想。

2）解决了传统节气门难以根据汽车的不同工况相应地做出精确调整，特别是在冷起动、低负荷和怠速工况下会导致经济性下降、有害物质排放量增加等问题。

3）装备此系统的发动机具有低转速高转矩输出、起步反应快、加速灵敏，节油低耗的特点。

简言之，基于转矩控制的ETC可实现主动的自动变速（较早的升档和较晚的降档）。通过计算所需转矩，调节节气门开度以在换档期间获得相同的车轮驱动转矩，可以防止发动机拖滞（持续低转速和低进气歧管真空度），同时仍能提供驾驶员要求的性能和转矩。它还支持许多燃油经济性和排放改进技术，例如可变凸轮轴正时（VCT），可在过渡工况期间提供相同的转矩。

3.ETC系统结构

如图2-69所示，电控节气门系统主要由以下零部件组成：

图2-69 电控节气门系统（ETC）的组成

1）带加速踏板位置传感器的加速踏板模块。

2）发动机控制单元。

3）节气门控制单元。

4）电控节气门故障指示灯。

（1）加速踏板模块

该模块通过传感器来确定加速踏板的当前位置，并将该信号发送至发动机控制单元。该模块由加速踏板、加速踏板位置传感器1（G79）、加速踏板位置传感器2（G185）组成，如图2-70所示。为了尽可能保证安全，该系统配置两个加速踏板传感器。发动机控制单元利用这两个传感器的信号来判断加速踏板当前位置。这两个传感器均为滑动接触式电位计，它们位于同一根轴上。滑动接触式电位计的电阻和传输至发动机控制单元的电压，随加速踏板位置的变化而变化。

这两个滑动接触式电位计上加载有5V电压。出于安全考虑，每个传感器都有独立的供电线（红色）、搭铁线（棕色）和信号线（绿色）。传感器G185安装了一个串联电阻，因此，这两个传感器就有两条不同的特性曲线。这是执行安全功能和测试功能的先决条件。

图2-70 加速踏板模块结构

为了提高可靠性，有的车型采用第三个加速器踏板传感器来提高整体踏板位置感测的可靠性。系统需要监视3个踏板位置信号，见图2-71。APP2和APP3均具有负斜率（增加踏板行程，降低电压），APP1具有正斜率（增加踏板行程，提高电压）。在正常操作期间，APP1会被策略用为踏板位置的指示。

图2-71 三个加速踏板传感器信号对比

（2）发动机控制单元

发动机控制单元根据加速踏板位置传感器提供的输入信号，计算驾驶员所需的发动机输出功率，并通过执行元件将该功率转换成所需的发动机转矩。在计算过程中，发动机控制单元会考虑到发动机管理系统的其他功能（例如，发动机转速限制、车速限制和功率限制）及其他车辆系统（例如，制动系统或自动变速器）的要求。另外，发动机控制单元还监控“电子节气门”系统，以防出现故障。

（3）节气门控制单元

节气门控制单元从电动机到节气门板轴的齿轮比为17:1，二级齿轮减速。复位弹簧机构能在电动机不通电时，将节气门稍微打开，见图2-72。节气门控制单元负责提供所需空气量。节气门控制单元根据发动机控制单元发出的指令来操纵节气门。节气门位置（TP）传感器将节气门位置反馈至发动机控制单元。

为了加强监控，TP传感器具有两个信号电路以实现冗余。第一个TP信号（TP1）具有负斜率（增大节气门开度、降低电压），而第二个信号（TP2）具有正斜率（增大节气门开度、提高电压）。在正常运行期间，控制策略将负斜率TP信号（TP1）用为节气门位置的指示。

如图2-73所示，节气门控制单元需要6根线：

1）5V参考电压。

2）信号返回（搭铁）。

3）具有负电压斜率（5～0V）的TP1信号电压。

4）具有正电压斜率（0～5V）的TP2信号电压。

5）执行电动机两根电源线。

图2-72 电控节气门体结构

图2-73 节气门控制单元

（4）电控节气门故障指示灯

电控节气门出现故障，影响到功率输出和动力传动，节气门故障指示灯点亮。此灯位于组合仪表上，用于提醒驾驶员动力传动出现故障，如图2-74所示。它是一个黄色指示灯，其上带有“EPC”字样（大众车系），或用节流通道图形表示（通用车系），或者使用“VSC”字样（丰田车系）。

图2-74 电控节气门故障指示灯

4.节气门驱动电动机的工作原理及工作方式

节气门驱动电动机采用了反应灵敏度高、耗能少的直流驱动电动机。发动机ECU控制流向节气门驱动电动机电流量的大小和方向，使电动机转动并通过减速齿轮打开或关闭节气门，节气门的实际开度由节气门位置传感器检测，并反馈给发动机ECU。

节气门驱动电动机有5种工作方式。

（1）失效模式

当没有电流流向电动机时（ECU察觉出故障或点火开关处于“OFF”时），靠节气门复位弹簧的作用使节气门开启到一个固定位置（大约7°）。但是，怠速期间的节气门的开度反而要关闭到小于这个固定位置。

（2）节气门关闭

ECU控制节气门关闭，如图2-75所示，ECU内的MC搭铁晶体管和MO电源晶体管导通，电流从ECU内流出经MC端子、驱动电动机，再从MO端子流回ECU，使节气门保持关闭（约0.75 °）。

图2-75 节气门关闭时节气门驱动电动机的动作示意图

（3）节气门开启

此时MC搭铁晶体管和MO电源晶体管导通，驱动电动机电流方向与节气门关闭时相反，如图2-76所示。当脉宽调制占空比增大，节气门驱动力也增大，节气门开度加大；当脉宽调制占空比减小，节气门驱动力减小，弹簧松弛，节气门开度减小。

图2-76 节气门开启时节气门驱动电动机的动作示意图

（4）节气门保持

为使节气门保持开启一定角度，脉冲电流的占空比要能满足使驱动电动机驱动节气门的开启力与弹簧弹力保持平衡。

（5）怠速控制

调节节气门的开度以维持怠速转速。如果要达到的目标怠速转速需要小于失效模式时的节气门开度，节气门关闭电路被激活；如果要达到的目标怠速转速需要高于失效模式时的节气门开度，节气门开启电路被激活。节气门驱动电动机的脉宽调制占空比变大，节气门开大，发动机转速升高。

2.7.2 电控节气门系统的控制功能

根据加速踏板的踩下量的大小，ETC系统将控制节气门的开启角度达到最佳角度，它具备如下的控制功能。

1.工作模式选择

驾驶员操作开关或屏幕选项来调节加速踏板的灵敏度或增益，也就是说，只需按一下按钮，即可选择驾驶模式（车辆工作模式）。车辆有3种工作模式：正常模式、动力模式和雪地模式。

在一般情况下应使用正常模式控制，节气门的开度与加速踏板的踩下量近似成正比关系。正常模式控制是一种基本的线性控制模式，用于保持平衡的操作和平稳驾驶，但是正常控制可以切换到雪地模式控制或动力模式控制。

非线性控制模式指节气门的开度与加速踏板的踩下量不成正比关系，是非线性关系。

非线性控制模式包括雪地模式控制和动力模式控制。

1）雪地模式控制。与正常模式控制相比，这种控制模式使节气门维持在一个较小的开启角度，以防止在较滑的路面上行驶时，车辆打滑，例如下雪天的路面上。

2）动力模式控制。在这种控制模式中，节气门的开启角度要比正常模式大很多。因此，这种模式可增强节气门对加速踏板的响应，从而产生运动感。动力模式控制只限于某些车型上才配备。

以上3种控制模式的比较见图2-77，可以看出ETCS系统处于雪地控制模式时，驾驶员需要加大踩踏程度才能达到正常控制模式下的动力输出。

图2-77 ETC系统正常模式、雪地模式和动力模式3种工作模式的比较

2.海拔补偿

穿越高山时，大气压的变化使人和发动机的“呼吸”都更加困难。人类最终适应了变化，借助德尔福ETC系统，内燃机也能适应这种变化。如果没有ETC海拔补偿，车辆性能会很差。使用德尔福ETC系统海拔补偿时，节气门处于比节气门全开位置小一点的位置，而且发动机ECU对加速踏板响应，在高海拔下不会改变节气门这个开度。此时，发动机不再节流，达到最高的发动机功率点。ETC系统通过对节气门开度与乘数的函数作为大气压补偿，控制当前高度的节气门开度，见图2-78。

图2-78 ETC系统海拔补偿原理

3.发动机转速和车辆速度控制

在高速公路上使车辆以最高速度通过弯道加速行驶时，遇到带有燃油切断限速功能的发动机，会出现令人不安的工况。由于发动机禁用或启用喷油，车辆突然减速或加速，一点警告都没有。此外，带有燃料切断限速功能的发动机，也会增加发动机本身和传动系统零件的磨损。控制过程中导致出现的稀薄混合气，会导致催化剂高温和快速老化。突然出现的转矩变化，会增加传动系统的磨损。

ETC系统消除了由于燃油切断限速功能所引起的严重转矩波动和潜在的硬件损坏，见图2-79。在ETC系统调节下，喷油保持开启状态，并通过控制节气门开度以保持发动机转速和车辆速度在目标值附近。这样的过渡对驾驶员而言是平滑且透明的。

在自动变速器车辆的空档中，ETC转速控制功能通过控制发动机处于低转速来保护变速器免受滥用。ETC转速控制功能激活后，ETC通过使用比例积分前向反馈控制器，将节气门开度控制在加速踏板操控值以下。

图2-79 ETC系统发动机转速和车辆速度控制

4.消除手动变速器的换档颠簸

开启手动变速器的应用，从负转矩到正转矩可能会导致传动系统不良的颠簸。这是由于传动系统支架在加速和减速过程中承受相反方向的卸载和加载。德尔福ETC踩入式颠簸消除功能大大减少了传动系统由于转矩引起的从负转矩到正转矩过渡期间的振荡。

节气门开启，TPS颠簸消除器启用阈值TP1，作为随转速和档位变化而变化的节气门开度值（图2-80）。TP值被选定为TP1值，对应于驱动轮的零转矩，即开始出现颠簸时希望得到的节气门开度值，意在逐步提高节气门开度，避免颠簸。

踩下加速踏板后，所期盼的未过滤TP值和过滤的TP值都在增加，直到未过滤的TP值已达到TP1。TP值被TP1替代，执行TP1值。TP值按斜率上升到被TP2替代，滞后滤波器用于平滑过渡到未过滤TP值。未过滤的TP值高于阈值TP2时则禁用TP递增，让发动机处于平稳工作状态不会有节气门进一步迅速打开而发生的撞击或振动。

图2-80 ETC系统消除手动变速器换档颠簸控制

5.补偿催化剂火花延迟熄灭控制

为了快速将催化剂提高到工作温度，已实施了火花延迟熄灭和稀薄燃烧策略。这些策略的使用在没有补偿的情况下，机械节气门车辆和ETC车辆都会出现动力传递改变的状况。特别地，对于给定的加速踏板位置，火花延迟熄灭或稀薄燃烧导致了功率减小。为此必须进行补偿控制，要使驾驶员无法察觉到驾驶性能的变化。补偿催化剂火花延迟熄灭控制功能，能让ETC节气门被打开，以补偿转矩损失并保持原始加速踏板传递功能，见图2-81。

图2-81 ETC系统补偿催化剂火花延迟熄灭控制

2.7.3 电控节气门系统的自诊断

2.7.3.1 ETC系统功能完整性实现策略

为了确保功能的完整性，电控节气门系统广泛使用了自诊断、冗余控制、多样性控制，测试ETC相关传感器输入并进行处理，以及实施发动机功率控制，见图2-82。传感器硬件检测的完整性是通过对多个加速踏板/节气门位置传感器、制动开关的相关诊断实现的。ETC功率控制的完整性是通过使用许多控制器自诊断、设立监控CPU，以及计算冗余安全关键值来实现的。功率执行安全性是通过合理自诊断和功率调整策略得以实现的，以避免影响发动机功率水平。发动机功率水平是通过调节进气、燃油供给和点火时刻进行控制的。

图2-82 ETC控制系统功能实现的完整性

2.7.3.2 ETC系统失效模式和影响

ETC系统故障出现时，ETC系统将点亮组合仪表上的动力传动系统故障指示灯（EPC灯或VSC灯或节流通道图形灯），问题伴随有故障码（DTC）储存时，也可能点亮与尾气排放相关的故障指示灯（MIL），也有用“CHECK ENGINE”字样表示与尾气排放相关的故障指示灯。ETC系统失效模式和影响见表2-14。

表2-14 ETC系统失效模式和影响