2.7 電控節氣門系統

2.7.1 電控節氣門（ETC）系統的結構組成及工作原理

基于轉矩的ETC系統是一種硬件和軟件的結合產物，可根據駕駛員的需求（加速踏板位置）提供發動機輸出轉矩（通過節氣門角度）。它使用電子節氣門體、電子節氣門控制單元、發動機控制單元ECU和加速踏板來控制節氣門開度和發動機轉矩。ETC系統取代了加速踏板操縱線纜、怠速空氣控制（IAC）閥、三線節氣門位置（TP）傳感器和機械節氣門體，可實現節氣門開度的快速精確控制。德爾福公司開發了幾種電控節氣門系統，圖2-67所示為德爾福第一代ETC系統。

1.ETC系統工作原理

如圖2-68所示，ETC系統多數集成到現有發動機控制單元ECU中，由電動機在整個調節范圍內來調節節氣門位置。駕駛員的命令和加速踏板位置信號輸送給ECU，由ECU處理以調節節氣門體電動機電壓。ECU基于內轉矩需求（起動、催化轉化器加熱、怠速控制、功率限制、限速裝置、空燃比控制）和外轉矩需求（自動變速器換檔點、牽引力控制、發動機制動控制、空調壓縮機開/關、巡航控制），來調節節氣門開啟、火花塞點火時刻、燃油輸送量，以及EGR閥、活性炭罐的工作。以往，為了保持發動機怠速，怠速空氣控制（IAC）系統必須設置怠速旁通道，以繞過關閉的節氣門。ETC系統將IAC控制和節氣門的調節控制集成一個單元，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須調節發動機轉矩，帶有ETC功能的發動機控制單元可單獨調節節氣門位置（無須駕駛員踩踏加速踏板）。

2.ETCS的優點

1）可以根據駕駛員愿望以及排放、油耗和安全需求確定節氣門的最佳開度。參考各種功能要求來改善駕駛的安全性和舒適性，包括限速裝置、巡航控制系統、牽引力控制系統（TCS）及發動機制動控制系統（EBC）等，從而使發動機控制更加理想。

2）解決了傳統節氣門難以根據汽車的不同工況相應地做出精確調整，特別是在冷起動、低負荷和怠速工況下會導致經濟性下降、有害物質排放量增加等問題。

3）裝備此系統的發動機具有低轉速高轉矩輸出、起步反應快、加速靈敏，節油低耗的特點。

簡言之，基于轉矩控制的ETC可實現主動的自動變速（較早的升檔和較晚的降檔）。通過計算所需轉矩，調節節氣門開度以在換檔期間獲得相同的車輪驅動轉矩，可以防止發動機拖滯（持續低轉速和低進氣歧管真空度），同時仍能提供駕駛員要求的性能和轉矩。它還支持許多燃油經濟性和排放改進技術，例如可變凸輪軸正時（VCT），可在過渡工況期間提供相同的轉矩。

3.ETC系統結構

如圖2-69所示，電控節氣門系統主要由以下零部件組成：

1）帶加速踏板位置傳感器的加速踏板模塊。

2）發動機控制單元。

3）節氣門控制單元。

4）電控節氣門故障指示燈。

（1）加速踏板模塊

該模塊通過傳感器來確定加速踏板的當前位置，并將該信號發送至發動機控制單元。該模塊由加速踏板、加速踏板位置傳感器1（G79）、加速踏板位置傳感器2（G185）組成，如圖2-70所示。為了盡可能保證安全，該系統配置兩個加速踏板傳感器。發動機控制單元利用這兩個傳感器的信號來判斷加速踏板當前位置。這兩個傳感器均為滑動接觸式電位計，它們位于同一根軸上。滑動接觸式電位計的電阻和傳輸至發動機控制單元的電壓，隨加速踏板位置的變化而變化。

這兩個滑動接觸式電位計上加載有5V電壓。出于安全考慮，每個傳感器都有獨立的供電線（紅色）、搭鐵線（棕色）和信號線（綠色）。傳感器G185安裝了一個串聯電阻，因此，這兩個傳感器就有兩條不同的特性曲線。這是執行安全功能和測試功能的先決條件。

為了提高可靠性，有的車型采用第三個加速器踏板傳感器來提高整體踏板位置感測的可靠性。系統需要監視3個踏板位置信號，見圖2-71。APP2和APP3均具有負斜率（增加踏板行程，降低電壓），APP1具有正斜率（增加踏板行程，提高電壓）。在正常操作期間，APP1會被策略用為踏板位置的指示。

（2）發動機控制單元

發動機控制單元根據加速踏板位置傳感器提供的輸入信號，計算駕駛員所需的發動機輸出功率，并通過執行元件將該功率轉換成所需的發動機轉矩。在計算過程中，發動機控制單元會考慮到發動機管理系統的其他功能（例如，發動機轉速限制、車速限制和功率限制）及其他車輛系統（例如，制動系統或自動變速器）的要求。另外，發動機控制單元還監控“電子節氣門”系統，以防出現故障。

（3）節氣門控制單元

節氣門控制單元從電動機到節氣門板軸的齒輪比為17:1，二級齒輪減速。復位彈簧機構能在電動機不通電時，將節氣門稍微打開，見圖2-72。節氣門控制單元負責提供所需空氣量。節氣門控制單元根據發動機控制單元發出的指令來操縱節氣門。節氣門位置（TP）傳感器將節氣門位置反饋至發動機控制單元。

為了加強監控，TP傳感器具有兩個信號電路以實現冗余。第一個TP信號（TP1）具有負斜率（增大節氣門開度、降低電壓），而第二個信號（TP2）具有正斜率（增大節氣門開度、提高電壓）。在正常運行期間，控制策略將負斜率TP信號（TP1）用為節氣門位置的指示。

如圖2-73所示，節氣門控制單元需要6根線：

1）5V參考電壓。

2）信號返回（搭鐵）。

3）具有負電壓斜率（5～0V）的TP1信號電壓。

4）具有正電壓斜率（0～5V）的TP2信號電壓。

5）執行電動機兩根電源線。

（4）電控節氣門故障指示燈

電控節氣門出現故障，影響到功率輸出和動力傳動，節氣門故障指示燈點亮。此燈位于組合儀表上，用于提醒駕駛員動力傳動出現故障，如圖2-74所示。它是一個黃色指示燈，其上帶有“EPC”字樣（大眾車系），或用節流通道圖形表示（通用車系），或者使用“VSC”字樣（豐田車系）。

4.節氣門驅動電動機的工作原理及工作方式

節氣門驅動電動機采用了反應靈敏度高、耗能少的直流驅動電動機。發動機ECU控制流向節氣門驅動電動機電流量的大小和方向，使電動機轉動并通過減速齒輪打開或關閉節氣門，節氣門的實際開度由節氣門位置傳感器檢測，并反饋給發動機ECU。

節氣門驅動電動機有5種工作方式。

（1）失效模式

當沒有電流流向電動機時（ECU察覺出故障或點火開關處于“OFF”時），靠節氣門復位彈簧的作用使節氣門開啟到一個固定位置（大約7°）。但是，怠速期間的節氣門的開度反而要關閉到小于這個固定位置。

（2）節氣門關閉

ECU控制節氣門關閉，如圖2-75所示，ECU內的MC搭鐵晶體管和MO電源晶體管導通，電流從ECU內流出經MC端子、驅動電動機，再從MO端子流回ECU，使節氣門保持關閉（約0.75 °）。

（3）節氣門開啟

此時MC搭鐵晶體管和MO電源晶體管導通，驅動電動機電流方向與節氣門關閉時相反，如圖2-76所示。當脈寬調制占空比增大，節氣門驅動力也增大，節氣門開度加大；當脈寬調制占空比減小，節氣門驅動力減小，彈簧松弛，節氣門開度減小。

（4）節氣門保持

為使節氣門保持開啟一定角度，脈沖電流的占空比要能滿足使驅動電動機驅動節氣門的開啟力與彈簧彈力保持平衡。

（5）怠速控制

調節節氣門的開度以維持怠速轉速。如果要達到的目標怠速轉速需要小于失效模式時的節氣門開度，節氣門關閉電路被激活；如果要達到的目標怠速轉速需要高于失效模式時的節氣門開度，節氣門開啟電路被激活。節氣門驅動電動機的脈寬調制占空比變大，節氣門開大，發動機轉速升高。

2.7.2 電控節氣門系統的控制功能

根據加速踏板的踩下量的大小，ETC系統將控制節氣門的開啟角度達到最佳角度，它具備如下的控制功能。

1.工作模式選擇

駕駛員操作開關或屏幕選項來調節加速踏板的靈敏度或增益，也就是說，只需按一下按鈕，即可選擇駕駛模式（車輛工作模式）。車輛有3種工作模式：正常模式、動力模式和雪地模式。

在一般情況下應使用正常模式控制，節氣門的開度與加速踏板的踩下量近似成正比關系。正常模式控制是一種基本的線性控制模式，用于保持平衡的操作和平穩駕駛，但是正常控制可以切換到雪地模式控制或動力模式控制。

非線性控制模式指節氣門的開度與加速踏板的踩下量不成正比關系，是非線性關系。

非線性控制模式包括雪地模式控制和動力模式控制。

1）雪地模式控制。與正常模式控制相比，這種控制模式使節氣門維持在一個較小的開啟角度，以防止在較滑的路面上行駛時，車輛打滑，例如下雪天的路面上。

2）動力模式控制。在這種控制模式中，節氣門的開啟角度要比正常模式大很多。因此，這種模式可增強節氣門對加速踏板的響應，從而產生運動感。動力模式控制只限于某些車型上才配備。

以上3種控制模式的比較見圖2-77，可以看出ETCS系統處于雪地控制模式時，駕駛員需要加大踩踏程度才能達到正常控制模式下的動力輸出。

2.海拔補償

穿越高山時，大氣壓的變化使人和發動機的“呼吸”都更加困難。人類最終適應了變化，借助德爾福ETC系統，內燃機也能適應這種變化。如果沒有ETC海拔補償，車輛性能會很差。使用德爾福ETC系統海拔補償時，節氣門處于比節氣門全開位置小一點的位置，而且發動機ECU對加速踏板響應，在高海拔下不會改變節氣門這個開度。此時，發動機不再節流，達到最高的發動機功率點。ETC系統通過對節氣門開度與乘數的函數作為大氣壓補償，控制當前高度的節氣門開度，見圖2-78。

3.發動機轉速和車輛速度控制

在高速公路上使車輛以最高速度通過彎道加速行駛時，遇到帶有燃油切斷限速功能的發動機，會出現令人不安的工況。由于發動機禁用或啟用噴油，車輛突然減速或加速，一點警告都沒有。此外，帶有燃料切斷限速功能的發動機，也會增加發動機本身和傳動系統零件的磨損。控制過程中導致出現的稀薄混合氣，會導致催化劑高溫和快速老化。突然出現的轉矩變化，會增加傳動系統的磨損。

ETC系統消除了由于燃油切斷限速功能所引起的嚴重轉矩波動和潛在的硬件損壞，見圖2-79。在ETC系統調節下，噴油保持開啟狀態，并通過控制節氣門開度以保持發動機轉速和車輛速度在目標值附近。這樣的過渡對駕駛員而言是平滑且透明的。

在自動變速器車輛的空檔中，ETC轉速控制功能通過控制發動機處于低轉速來保護變速器免受濫用。ETC轉速控制功能激活后，ETC通過使用比例積分前向反饋控制器，將節氣門開度控制在加速踏板操控值以下。

4.消除手動變速器的換檔顛簸

開啟手動變速器的應用，從負轉矩到正轉矩可能會導致傳動系統不良的顛簸。這是由于傳動系統支架在加速和減速過程中承受相反方向的卸載和加載。德爾福ETC踩入式顛簸消除功能大大減少了傳動系統由于轉矩引起的從負轉矩到正轉矩過渡期間的振蕩。

節氣門開啟，TPS顛簸消除器啟用閾值TP1，作為隨轉速和檔位變化而變化的節氣門開度值（圖2-80）。TP值被選定為TP1值，對應于驅動輪的零轉矩，即開始出現顛簸時希望得到的節氣門開度值，意在逐步提高節氣門開度，避免顛簸。

踩下加速踏板后，所期盼的未過濾TP值和過濾的TP值都在增加，直到未過濾的TP值已達到TP1。TP值被TP1替代，執行TP1值。TP值按斜率上升到被TP2替代，滯后濾波器用于平滑過渡到未過濾TP值。未過濾的TP值高于閾值TP2時則禁用TP遞增，讓發動機處于平穩工作狀態不會有節氣門進一步迅速打開而發生的撞擊或振動。

5.補償催化劑火花延遲熄滅控制

為了快速將催化劑提高到工作溫度，已實施了火花延遲熄滅和稀薄燃燒策略。這些策略的使用在沒有補償的情況下，機械節氣門車輛和ETC車輛都會出現動力傳遞改變的狀況。特別地，對于給定的加速踏板位置，火花延遲熄滅或稀薄燃燒導致了功率減小。為此必須進行補償控制，要使駕駛員無法察覺到駕駛性能的變化。補償催化劑火花延遲熄滅控制功能，能讓ETC節氣門被打開，以補償轉矩損失并保持原始加速踏板傳遞功能，見圖2-81。

2.7.3 電控節氣門系統的自診斷

2.7.3.1 ETC系統功能完整性實現策略

為了確保功能的完整性，電控節氣門系統廣泛使用了自診斷、冗余控制、多樣性控制，測試ETC相關傳感器輸入并進行處理，以及實施發動機功率控制，見圖2-82。傳感器硬件檢測的完整性是通過對多個加速踏板/節氣門位置傳感器、制動開關的相關診斷實現的。ETC功率控制的完整性是通過使用許多控制器自診斷、設立監控CPU，以及計算冗余安全關鍵值來實現的。功率執行安全性是通過合理自診斷和功率調整策略得以實現的，以避免影響發動機功率水平。發動機功率水平是通過調節進氣、燃油供給和點火時刻進行控制的。

2.7.3.2 ETC系統失效模式和影響

ETC系統故障出現時，ETC系統將點亮組合儀表上的動力傳動系統故障指示燈（EPC燈或VSC燈或節流通道圖形燈），問題伴隨有故障碼（DTC）儲存時，也可能點亮與尾氣排放相關的故障指示燈（MIL），也有用“CHECK ENGINE”字樣表示與尾氣排放相關的故障指示燈。ETC系統失效模式和影響見表2-14。

2.7.3.3 ETC系統故障碼

1.與電子節氣門監控操作相關的故障碼

相關故障碼見表2-15。

2.與加速踏板位置傳感器輸入相關的故障碼

相關故障碼見表2-16。

3.與節氣門位置傳感器輸入相關的故障碼

相關故障碼見表2-17。

4.與節氣門執行器輸出相關的故障碼

節氣門執行器控制的目的是將節氣門位置保持在所需的節氣門開度。它是嵌入在ECU中的一個獨立芯片。主CPU向節氣門執行器傳送期望開度時，發送頻率為312.5Hz的占空比（DC）信號。節氣門執行器控制對占空比信號的解釋如下：

小于5% -超出范圍，“跛行回家”默認位置。

≥5%但＜6%的命令默認位置，關閉。

≥6%但＜7%的命令默認位置。用于鑰匙打開，發動機關閉。

≥7%但＜10%針對硬停止關閉。用來節氣門執行器激活后，學習零開度節氣門。

≥10%但＜或等于92%正常工作，在0 °（硬停車）和82 °之間。10%占空比等于0 °節氣門開度，92%占空比等于82 °節氣門開度。

＞92%但≤96%節氣門全開，82 °～86 °節氣門開度。

＞96%但≤100%超出范圍，“跛行回家”默認位置。

所需的開度是相對于硬停止角度的。在每次節氣門執行器激活過程中，在主CPU要求節氣門緊靠硬停止關閉之前，都會學習硬停止角度。與節氣門執行器輸出相關的故障碼及含義見表2-18。

2.7.4 電控節氣門系統的檢測

當電控節氣門系統進入失效模式時，故障指示燈亮，此時駕駛員踩加速踏板的響應程度變慢，必須用診斷儀讀取故障碼，并依據原廠維修手冊推薦的步驟對ETC系統進行檢測。

1.節氣門驅動電動機的檢測

檢測步驟見表2-19。

2.加速踏板位置傳感器的檢測方法

加速踏板位置傳感器的檢測方法與傳統的節氣門位置傳感器相同。

3.電控節氣門系統的初始化

（1）電子節氣門總成初始化

電子節氣門總成在下列情況下需要進行初始化：

1）更換了發動機電控單元。

2）更換或修復了電子節氣門總成。

3）對發動機電控單元進行了編程或編碼。

電控節氣門總成的初始化是發動機電控單元讀取包括節氣門的最大開度和關閉等位置信息。在未完成對電控節氣門總成初始化的情況下，發動機電控單元不能很好地通過調節節氣門的開度來控制發動機轉矩。

以東風雪鐵龍愛麗舍轎車為例，電控節氣門初始化方法如下：先將點火開關置于“ON”位30s（不踩加速踏板），然后斷開點火開關15s。注意：在這15s內不要接通點火開關，因為在這15s內電源仍向電控節氣門總成供電，而發動機電控單元在記錄節氣門的初始參數。

如果操作不當，發動機電控單元就不能準確地控制節氣門的開度，轎車將進入“跛行回家”模式。出現這種情況后，必須用專用診斷儀PROXIA進行自動調節裝置的初始化。

（2）加速踏板位置傳感器的初始化

加速踏板位置傳感器的初始化，就是讀取加速踏板在停止位置和最大行程位置與加速踏板位置傳感器信號的關系，它是發動機電控單元執行駕駛員意圖的必要條件。

加速踏板位置傳感器在下列情況下需要初始化：

1）更換了發動機電控單元。

2）維修或更換了加速踏板位置傳感器。

3）對發動機電控單元進行了編程或編碼。

還是以東風雪鐵龍愛麗舍轎車為例，加速踏板位置傳感器的初始化步驟如下：

1）在不踩加速踏板條件下接通點火開關。

2）將加速踏板踩到底。

3）松開加速踏板。

4）在不踩加速踏板條件下起動發動機。