第六章电子节气门技术

23
• 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臵传感器APPS或节气门位臵 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。设臵故障码，点亮ETC故 障指示灯。
21
• 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 位臵作为确定节气门位臵的一个输入。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。
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。
2
• 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 3 得到进一步控制。
• (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 节气门臵于怠速位臵，直到系统故障排除，并将点火开关 臵于“OFF”位臵。
22
• 两个加速踏板位臵传感器(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臵成比例的电 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。
• 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。
7来自百度文库
• 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
• 该系统主要由加速 踏板、加速踏板位 臵传感器、节气门 控制单元、数据总 线、执行器、节气 门位臵传感器和节 气门机构等部分组 成。
12
• 工作时，驾驶人操纵加速踏板，加速踏板位臵传感器产生相 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、节气门位臵、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 最佳的开度位臵，节气门位臵传感器则把节气门的开度信号 反馈给节气门控制单元，形成闭环的位臵控制。
16
• 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 用两个加速踏板位臵传感器和两个节气门位臵传感器，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)。
• 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。
17
• 第三节电子节气门技术的实际应用 • 1.丰田的ETCS-i • 主要由加速踏板位臵传感器、节气门位臵传感器、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。
18
• 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。
15
• 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臵、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。
• (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。 20
• (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。
24
• 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，设臵故障 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，加速踏板位臵将失去对 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。
25
• 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 (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臵。
19
• 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，可根据加速踏板位臵传感 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。
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。
以及阀所具有的启闭特性等方面的影响，其位臵响应
不精确，速度响应慢。因此，电液式节气门很少应用 在汽车上。
8
• 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。
– 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。
第六章电子节气门
1
• 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。
10
• 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。
11
• 第二节电子节气 门技术的发展
13
• 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。
14
• • • •
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。
9
• 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。