第六章电子节气门技术

1第六章电子节气门2•第一节电子节气门技术•所谓电子节气门(ElectronicThrottleControl，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。•一、优点–⑴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。–⑵可以实现发动机全范围的最佳扭矩的输出。–⑶改善了发动机的排放性能。–ETC系统在各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。3•⑷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。4•⑸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。•⑹可获得海拔高度补偿。–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。5•二、缺点•⑴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器的加速而增加。6•⑵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。•⑶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。78•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，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。910•3.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。•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。1112•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、执行器、节气门位置传感器和节气门机构等部分组成。13•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。14•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。15•1.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。16•2.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(VSC)。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气门来实现车速控制。17•3.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)。18•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、节气门驱动电动机、其他传感器、执行器和节气门控制单元组成。19•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。20•ETCS-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。21•(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，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。22•2.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。23•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。24•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。25•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。26•3、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(E1ectronicPowerContro1，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。27•(1)一汽大众速腾EPC系统的结构•1)ECU•ECUJ361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。28•2)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。29•加速踏板位置传感器由一个励磁