豐田卡羅拉電控發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門(mén)控制原理及檢修方法

6/6豐田卡羅拉電控發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門(mén)控制原理及檢修方法

介紹電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與故障分析和排除，以及電子節(jié)氣門(mén)基本控制結(jié)構(gòu)、工作原理、及其控制策略，并且運(yùn)用具體實(shí)例和多種車型來(lái)結(jié)合，通過(guò)傳統(tǒng)的節(jié)氣門(mén)的弊端指出電子節(jié)氣門(mén)的優(yōu)勢(shì)和目前的不足之處。而在種種相比之下可以看出電子節(jié)氣門(mén)的普及是勢(shì)在必然的。

自21世紀(jì)以來(lái)，大部分汽車都使用電子油門(mén)替換了常規(guī)的拉線油門(mén)。電子油門(mén)通過(guò)油門(mén)踏板深淺來(lái)控制電子信號(hào)發(fā)出指令使得引擎提供與之匹配的動(dòng)力。電子節(jié)氣門(mén)，亦稱為電子驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門(mén)。

電子節(jié)氣門(mén)在操控技術(shù)中是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化同時(shí)具備發(fā)展前景的。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)操縱機(jī)構(gòu)采用機(jī)械連接方式，應(yīng)用范疇受到限制并且缺乏精確性。電子節(jié)氣門(mén)通過(guò)傳感器、微處理器和執(zhí)行器對(duì)節(jié)氣門(mén)進(jìn)行控制，反應(yīng)更靈敏，控制更精確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常可靠。

電子節(jié)氣門(mén)可以設(shè)置各種功能或與其它控制系統(tǒng)ECU通訊來(lái)改善駕駛的安全性和舒適性。電子節(jié)氣門(mén)是多種新一代汽車電子控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，常見(jiàn)的例如定速巡航控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)等，并為汽車上的集中控制提供基礎(chǔ)。

第一章電子節(jié)氣門(mén)控制原理

第一節(jié)電子節(jié)氣門(mén)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

電子節(jié)氣門(mén)的研究工作起源于20世紀(jì)70年代，80年代開(kāi)始有產(chǎn)品問(wèn)世，近10年來(lái)，國(guó)外對(duì)電子節(jié)氣門(mén)的研究取得了非常迅速的發(fā)展。發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為：在控制策略上由線性控制發(fā)展為非線性控制，由輔助電子節(jié)氣門(mén)發(fā)展為獨(dú)立的電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)，從單一的控制功能發(fā)展到集成多種控制功能，兼顧提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、排放性和乘坐舒適性。國(guó)外多家公司已對(duì)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)作了深入的研發(fā)，比如德國(guó)、美國(guó)、日本、意大利、等已推出系列化產(chǎn)品應(yīng)用于各種品牌的中高檔轎車。

目前，中國(guó)第一集團(tuán)公司開(kāi)發(fā)了電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)，并把該項(xiàng)技術(shù)用于紅旗HQ3高級(jí)轎車上。此外，國(guó)內(nèi)部分高校對(duì)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)開(kāi)展了研究，并取得了階段性成果。比如：吉林大學(xué)對(duì)汽車電子節(jié)氣門(mén)控制器的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；北京理工大學(xué)進(jìn)行了電子節(jié)氣門(mén)模糊控制器快速控制原型設(shè)計(jì)等。

第二節(jié)電子節(jié)氣門(mén)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用車型

1.2.1電子節(jié)氣門(mén)發(fā)展趨勢(shì)

（1）向集成化和綜合控制方向發(fā)展。

集成化和綜合控制不僅是電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是將來(lái)汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。它有助于簡(jiǎn)化電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)，降低制造成本，增強(qiáng)各系統(tǒng)間的信息交流。目前，ETC已經(jīng)向集成化和集中控制方向發(fā)展，如將怠速控制、巡航控制、減小換檔沖擊控制、節(jié)氣門(mén)回位控制及車輛穩(wěn)定性控制等多種功能集成;或者是將制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)綜合在一起進(jìn)行制動(dòng)控制。

（2）結(jié)合多種控制方法進(jìn)行綜合控制。

目前,多模態(tài)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及滑模變結(jié)構(gòu)控制等方法已被引入到電子節(jié)氣門(mén)控制中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法與PID控制相結(jié)合，可以提高電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。但這些理論自身還有待完善和進(jìn)一步的發(fā)展，因此需要更深入的研究才能將這些綜合控制策略成熟的應(yīng)用到電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)中。

（3）車載網(wǎng)絡(luò)、總線技術(shù)在汽車電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

現(xiàn)在國(guó)際上普遍采用的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是CAN總線控制器局域網(wǎng)，它能夠滿足汽車上電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、數(shù)據(jù)共享及系統(tǒng)集成等需要，并且大大降低了布線的復(fù)雜度，提高了汽車電子系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。所以，CAN總線技術(shù)在汽車電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用也將是一個(gè)重要趨勢(shì)。

（4）應(yīng)用車型

電子油門(mén)的應(yīng)用車型適用的汽車品牌和車型如下：

豐田：新威馳、卡羅拉、銳志、普拉多、霸道、皇冠雅力士、凱美瑞

奧迪:A3、A4、A5、A6、A8、Q5、Q7、新A4L、A6L、TT、R8

第三節(jié)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.3.1電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要包括

（1）加速踏板位置傳感器由兩無(wú)觸點(diǎn)線性電位變，電位器阻止也發(fā)生線性的變化，由此產(chǎn)生反應(yīng)加速踏板下踏量大小和變化速率的電壓信號(hào)輸入ECU。

（2）節(jié)氣門(mén)位置傳感器和踏板位置傳感器類似，節(jié)氣門(mén)位置傳感器也是由兩個(gè)無(wú)觸點(diǎn)線性電位器傳感器組成且由ECU提供相同的基準(zhǔn)電壓。

（3）節(jié)氣門(mén)控制電機(jī)一般選用步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)齒輪減速器來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度。

（4）控制單元（ECU）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括兩部分：信息處理模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊。

1.3.2電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的工作原理

電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的工作原理如下：

駕駛員操作加速踏板，加速踏板位置傳感器產(chǎn)生相應(yīng)電壓信號(hào)輸入節(jié)氣門(mén)控制單元，控制單元首先對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波以消除環(huán)境噪音的影響，然后根據(jù)但前的工作模式、踏板移動(dòng)量和變化率解析駕駛員的意圖，計(jì)算出對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的基本需要，得到相應(yīng)的節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)角的基本值。然后再經(jīng)過(guò)CAN總線和整車控制單元進(jìn)行通訊，獲取其他工況信息以及各種傳感器信號(hào)如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位、節(jié)氣門(mén)位置、空調(diào)能耗等等，由此計(jì)算出整車所需要的全部扭矩，通過(guò)對(duì)節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)角期望值進(jìn)行補(bǔ)償，得到節(jié)氣門(mén)的最佳開(kāi)度，并把相應(yīng)的電壓信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電路模塊，驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)是節(jié)氣門(mén)達(dá)到最佳的開(kāi)度位置。

節(jié)氣門(mén)位置傳感器則把節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度信號(hào)反饋給節(jié)氣門(mén)控制單元，形成閉環(huán)的位置控

制。

節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)常采用H橋電路結(jié)構(gòu)，控制單元通過(guò)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)、頻率和方向控制電瓶對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制。電瓶的高低控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，脈沖個(gè)數(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，通過(guò)對(duì)上述三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確定位與調(diào)速。

控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比來(lái)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)角的大小，電機(jī)方向則是由和節(jié)氣門(mén)相連的復(fù)位彈簧控制的。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比。當(dāng)占空比一定，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與復(fù)位彈簧阻力矩保持平衡時(shí)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度不變；當(dāng)占空比增加大時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩克服復(fù)位彈簧阻力矩，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大；反之，當(dāng)占空比減小時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度也隨之減小。

ECU對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行監(jiān)控，如果發(fā)生故障，將點(diǎn)亮系統(tǒng)故障指示燈，提示駕駛員系統(tǒng)有故障。同時(shí)電磁離合器被分離，節(jié)氣門(mén)不再受電機(jī)控制。節(jié)氣門(mén)在復(fù)位彈簧的作用下返回到一個(gè)小開(kāi)度的位置，使車輛慢速開(kāi)到維修地點(diǎn)。

第四節(jié)電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)分類

1.4.1電液式節(jié)氣門(mén)

電液式節(jié)氣門(mén)，大多數(shù)應(yīng)用在有液壓系統(tǒng)的工程機(jī)械中。

1.4.2線性電磁鐵式節(jié)氣門(mén)

電磁鐵式節(jié)氣門(mén)用比例電磁鐵作為控制器。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、控制方便、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度好，但它的最大作用力受到線圈匝數(shù)和最大工作電流的限制，而且在一定的工作負(fù)荷下所需的電功耗相對(duì)較大。因此，線性電磁式節(jié)氣門(mén)很少在汽車上應(yīng)用。

1.4.3步進(jìn)電機(jī)式節(jié)氣門(mén)

步進(jìn)電機(jī)式節(jié)氣門(mén)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門(mén)軸實(shí)現(xiàn)油門(mén)的開(kāi)度控制。步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但它的控制精度不高。因此，步進(jìn)電機(jī)式節(jié)氣門(mén)也較少在汽車上應(yīng)用。

1.4.4直流伺服電機(jī)式節(jié)氣門(mén)

直流伺服電機(jī)采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高等多種優(yōu)點(diǎn)。因此，直流伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于電子節(jié)氣門(mén)的控制。

第五節(jié)電子節(jié)氣門(mén)的特點(diǎn)

1.5.1電子節(jié)氣門(mén)的優(yōu)點(diǎn)

（1）電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)，是可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全范圍的最佳扭矩的輸出。

（2）精確控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。

（3）改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。

（4）具有更高的車輛行駛可靠性。

（5）可選擇不同的工作模式。

（6）可獲得海拔高度補(bǔ)償。

1.5.2電子節(jié)氣門(mén)的缺點(diǎn)

（1）汽車在起步時(shí)會(huì)產(chǎn)生油門(mén)遲滯。

（2）非線性影響。

（3）成本高。

第六節(jié)電子節(jié)氣門(mén)與傳統(tǒng)節(jié)氣門(mén)的區(qū)別

我們知道，操縱節(jié)氣門(mén)開(kāi)度就能控制可燃混合氣的流量，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，以適應(yīng)汽車行駛的需要。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)操縱機(jī)構(gòu)是通過(guò)拉索或者拉桿，一端聯(lián)接油門(mén)踏板，另一端聯(lián)接節(jié)氣門(mén)連動(dòng)板而工作。但這種傳統(tǒng)油門(mén)應(yīng)用范疇受到限制并缺乏精確性，在日新月異的汽車電子技術(shù)發(fā)展形勢(shì)下，一種電子油門(mén)應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)油門(mén)比較，電子油門(mén)明顯的一點(diǎn)是可以用線束來(lái)代替拉索或者拉桿，在節(jié)氣門(mén)那邊裝一只微型電動(dòng)機(jī)，用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。即所謂的“導(dǎo)線駕駛”，用導(dǎo)線代替了原來(lái)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。但這僅僅是電子油門(mén)表面的東西，它的實(shí)質(zhì)和作用僅僅用連接代替方式來(lái)解析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

第七節(jié)豐田卡羅拉電控發(fā)動(dòng)機(jī)電子節(jié)氣門(mén)故障排除

案例分析:

故障現(xiàn)象：一輛2011款豐田卡羅拉1.8L轎車，行駛里程5萬(wàn)km。只要發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到

1000r/min左右，且發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重抖動(dòng)。

故障診斷：該車已經(jīng)行駛了5萬(wàn)km，按照經(jīng)驗(yàn)，如果電子節(jié)氣門(mén)表面附著的灰塵和積碳很多，就會(huì)造成節(jié)氣門(mén)開(kāi)度相對(duì)減小，從而減少進(jìn)氣量，導(dǎo)致怠速過(guò)低的現(xiàn)象。一般發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在300～500r/min范圍內(nèi)時(shí)抖動(dòng)非常厲害。

將電子節(jié)氣門(mén)拆下清洗，清洗后裝車試驗(yàn)，結(jié)果又出現(xiàn)怠速過(guò)高的故障現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)運(yùn)行了一段時(shí)間，但怠速始終在15O0r/min左右。

從車主處得知，該車因車主出差前洗過(guò)一次車。當(dāng)車主回來(lái)后發(fā)現(xiàn)，怠速轉(zhuǎn)速始終為11OOr/min，不能回到正常狀態(tài)（750±50r/min）。我們使用金德KT600檢測(cè)儀讀取故障碼，故障碼為節(jié)氣門(mén)位置傳感器。再往下檢查，發(fā)現(xiàn)在怠速狀態(tài)下節(jié)氣門(mén)位置傳感器的輸出電壓比標(biāo)準(zhǔn)值大了很多，經(jīng)過(guò)查閱豐田卡羅拉維修手冊(cè)，節(jié)氣門(mén)位置傳感器電路圖如圖7-1所示。

圖7-1

（1）使用金德KT600讀取故障碼

a）將電腦檢測(cè)儀與汽車診斷接口連接。

b）打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置于ON位置并開(kāi)啟檢測(cè)儀。

c）選擇一下菜單項(xiàng)：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱/數(shù)據(jù)流/節(jié)氣門(mén)位置的1號(hào)和2號(hào)節(jié)氣門(mén)位置。

d）讀取測(cè)量?jī)x上的數(shù)值，如表1。

表1：

經(jīng)查閱豐田卡羅拉維修手冊(cè)，節(jié)氣門(mén)位置傳感器標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)流見(jiàn)表2，經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)VTA1電路短路或斷路現(xiàn)象。

表2：

（2）檢測(cè)-線束檢查

a）斷開(kāi)節(jié)氣門(mén)體連接器。

b）斷開(kāi)ECM連接器。

c）用汽車萬(wàn)用表檢測(cè)連接線是否有短路或斷路。

1號(hào)節(jié)氣門(mén)位置（VTA1）

松開(kāi)加速踏

板時(shí)

2號(hào)節(jié)氣門(mén)位置（VTA2）松開(kāi)加速踏板時(shí)1號(hào)節(jié)氣門(mén)位

置（VTA1）踩下加速踏板時(shí)2號(hào)節(jié)氣門(mén)位置（VTA2）踩下加速踏板時(shí)故障部位0-0.2V,

或4.5-5.0V

2.4-

3.4V（失效保護(hù)）0-0.9V,或5.0-7.0V2.4-3.4V（失效保護(hù)）VTA1電路短路或斷路

1號(hào)節(jié)氣門(mén)位置（VTA1）松開(kāi)加速踏板時(shí)

2號(hào)節(jié)氣門(mén)位置（VTA2）松開(kāi)加速踏板時(shí)1號(hào)節(jié)氣門(mén)位置（VTA1）踩下加速踏板時(shí)2號(hào)節(jié)氣門(mén)位置

（VTA2）踩下加速踏板時(shí)

故障部位

0-0.2V0-0.2V0-0.2V0-0.2VVC電路存在

斷路

4.4-

5.0V

4.4-

5.0V4.5-5.0V4.4-5.0VE2電路存在

斷路0-0.2V,

或4.5-5.0V2.4-3.4V（失效保護(hù)）0-0.2V,或4.5-5.0V2.4-3.4V（失效保護(hù)）VTA1電路短路或斷路

0.7-1.3V（失效保護(hù)）

0-0.2V,或4.5-5.0V0.7-1.3V（失效保護(hù)）0-0.2V,或4.5-5.0VVTA2電路短

路或斷路0.5-1.1V

2.1-

3.1V3.3-

4.9V，（無(wú)失效保護(hù)）4.6-

5.0V，（無(wú)失效保護(hù)）傳感器電路正常

標(biāo)準(zhǔn)電阻（斷路檢查）

檢測(cè)儀連接條件規(guī)定狀態(tài)B25-5（VC）-B31-67（VCTA）始終小于1Ω

B25-6（VTA）-B31-115（VTA1）始終小于1Ω

B25-4（VTA2）-B31-114（VTA2）始終小于1Ω

B25-3（E2）-B31-（ETA）始終小于1Ω

標(biāo)準(zhǔn)電阻（短路）

檢測(cè)儀連接條件規(guī)定狀態(tài)

始終小于1ΩB25-5（VC）或B31-67（VCTA）

-車身搭鐵

始終小于1ΩB25-6（VTA）或B31-115

（VTA1）-車身搭鐵

B25-4（VTA2）或B31-114

始終小于1Ω

（VTA2）-車身搭鐵

d）重新連接節(jié)氣門(mén)體連接器。

e）重新連接ECM連接器。

f）檢測(cè)線束沒(méi)有斷路和短路現(xiàn)象，再往下查檢測(cè)。

（3）卡羅拉轎車節(jié)氣門(mén)位置傳感器檢測(cè)-供電電壓（VC電路）

a）斷開(kāi)節(jié)氣門(mén)體連接器。

b）將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置ON位置。

c）檢測(cè)電壓值，