丰田卡罗拉电控发动机电子节气门控制原理及检修方法

6/6丰田卡罗拉电控发动机电子节气门控制原理及检修方法

介绍电子节气门控制系统的结构系统与故障分析和排除，以及电子节气门基本控制结构、工作原理、及其控制策略，并且运用具体实例和多种车型来结合，通过传统的节气门的弊端指出电子节气门的优势和目前的不足之处。而在种种相比之下可以看出电子节气门的普及是势在必然的。

自21世纪以来，大部分汽车都使用电子油门替换了常规的拉线油门。电子油门通过油门踏板深浅来控制电子信号发出指令使得引擎提供与之匹配的动力。电子节气门，亦称为电子驱动节气门。

电子节气门在操控技术中是相对容易实现产品化同时具备发展前景的。传统发动机节气门操纵机构采用机械连接方式，应用范畴受到限制并且缺乏精确性。电子节气门通过传感器、微处理器和执行器对节气门进行控制，反应更灵敏，控制更精确，结构简单，非常可靠。

电子节气门可以设置各种功能或与其它控制系统ECU通讯来改善驾驶的安全性和舒适性。电子节气门是多种新一代汽车电子控制系统的基础，常见的例如定速巡航控制系统和驱动防滑系统等，并为汽车上的集中控制提供基础。

第一章电子节气门控制原理

第一节电子节气门国内外的研究现状

电子节气门的研究工作起源于20世纪70年代，80年代开始有产品问世，近10年来，国外对电子节气门的研究取得了非常迅速的发展。发展趋势可总结为：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，兼顾提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放性和乘坐舒适性。国外多家公司已对电子节气门控制系统作了深入的研发，比如德国、美国、日本、意大利、等已推出系列化产品应用于各种品牌的中高档轿车。

目前，中国第一集团公司开发了电子节气门控制系统，并把该项技术用于红旗HQ3高级轿车上。此外，国内部分高校对电子节气门控制系统开展了研究，并取得了阶段性成果。比如：吉林大学对汽车电子节气门控制器的开发，实现了控制器的动态响应满足设计指标；北京理工大学进行了电子节气门模糊控制器快速控制原型设计等。

第二节电子节气门发展趋势与应用车型

1.2.1电子节气门发展趋势

（1）向集成化和综合控制方向发展。

集成化和综合控制不仅是电子节气门控制系统的发展方向，也是将来汽车电子控制系统的发展方向。它有助于简化电子节气门控制系统，降低制造成本，增强各系统间的信息交流。目前，ETC已经向集成化和集中控制方向发展，如将怠速控制、巡航控制、减小换档冲击控制、节气门回位控制及车辆稳定性控制等多种功能集成;或者是将制动防抱死控制系统、牵引力控制系统及驱动防滑控制系统综合在一起进行制动控制。

（2）结合多种控制方法进行综合控制。

目前,多模态控制、神经网络控制及滑模变结构控制等方法已被引入到电子节气门控制中。神经网络控制方法与PID控制相结合，可以提高电子节气门控制系统的自适应能力。但这些理论自身还有待完善和进一步的发展，因此需要更深入的研究才能将这些综合控制策略成熟的应用到电子节气门控制系统中。

（3）车载网络、总线技术在汽车电子节气门控制系统的应用。

现在国际上普遍采用的车载网络技术是CAN总线控制器局域网，它能够满足汽车上电子系统数据传输安全可靠、数据共享及系统集成等需要，并且大大降低了布线的复杂度，提高了汽车电子系统的运行可靠性。所以，CAN总线技术在汽车电子节气门控制系统上的应用也将是一个重要趋势。

（4）应用车型

电子油门的应用车型适用的汽车品牌和车型如下：

丰田：新威驰、卡罗拉、锐志、普拉多、霸道、皇冠雅力士、凯美瑞

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

第三节电子节气门控制系统的基本结构和工作原理

1.3.1电子节气门控制系统的基本结构主要包括

（1）加速踏板位置传感器由两无触点线性电位变，电位器阻止也发生线性的变化，由此产生反应加速踏板下踏量大小和变化速率的电压信号输入ECU。

（2）节气门位置传感器和踏板位置传感器类似，节气门位置传感器也是由两个无触点线性电位器传感器组成且由ECU提供相同的基准电压。

（3）节气门控制电机一般选用步进电机或直流电机，经过两级齿轮减速器来调节节气门的开度。

（4）控制单元（ECU）是整个系统的核心，包括两部分：信息处理模块和电机驱动电路模块。

1.3.2电子节气门控制系统的工作原理

电子节气门控制系统的工作原理如下：

驾驶员操作加速踏板，加速踏板位置传感器产生相应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环境噪音的影响，然后根据但前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员的意图，计算出对发动机扭矩的基本需要，得到相应的节气门转角的基本值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等，由此计算出整车所需要的全部扭矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，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，驱动控制电机是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。

节气门驱动步进电机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电瓶对步进电机控制。电瓶的高低控制步进电机转动的方向，脉冲个数控制电机转动的角度，转速与脉冲频率成正比。因此，通过对上述三个参数的调节可以实现电机精确定位与调速。

控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比。当占空比一定，电机输出转矩与复位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增加大时，电机驱动力矩克服复位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。

ECU对系统的功能进行监控，如果发生故障，将点亮系统故障指示灯，提示驾驶员系统有故障。同时电磁离合器被分离，节气门不再受电机控制。节气门在复位弹簧的作用下返回到一个小开度的位置，使车辆慢速开到维修地点。

第四节电子节气门控制系统分类

1.4.1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。

1.4.2线性电磁铁式节气门

电磁铁式节气门用比例电磁铁作为控制器。具有结构简单、体积小、控制方便、响应速度快、稳态精度好，但它的最大作用力受到线圈匝数和最大工作电流的限制，而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。

1.4.3步进电机式节气门

步进电机式节气门通过步进电机直接驱动节气门轴实现油门的开度控制。步进电机具有结构简单、可靠性高和成本低的优点，但它的控制精度不高。因此，步进电机式节气门也较少在汽车上应用。

1.4.4直流伺服电机式节气门

直流伺服电机采用脉冲宽度调制技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高等多种优点。因此，直流伺服电机广泛应用于电子节气门的控制。

第五节电子节气门的特点

1.5.1电子节气门的优点

（1）电子节气门控制系统的最大优点，是可以实现发动机全范围的最佳扭矩的输出。

（2）精确控制节气门开度。

（3）改善了发动机的排放性能。

（4）具有更高的车辆行驶可靠性。

（5）可选择不同的工作模式。

（6）可获得海拔高度补偿。

1.5.2电子节气门的缺点

（1）汽车在起步时会产生油门迟滞。

（2）非线性影响。

（3）成本高。

第六节电子节气门与传统节气门的区别

我们知道，操纵节气门开度就能控制可燃混合气的流量，改变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。传统发动机节气门操纵机构是通过拉索或者拉杆，一端联接油门踏板，另一端联接节气门连动板而工作。但这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精确性，在日新月异的汽车电子技术发展形势下，一种电子油门应运而生。与传统油门比较，电子油门明显的一点是可以用线束来代替拉索或者拉杆，在节气门那边装一只微型电动机，用电动机来驱动节气门开度。即所谓的“导线驾驶”，用导线代替了原来的机械传动机构。但这仅仅是电子油门表面的东西，它的实质和作用仅仅用连接代替方式来解析是远远不够的。

第七节丰田卡罗拉电控发动机电子节气门故障排除

案例分析:

故障现象：一辆2011款丰田卡罗拉1.8L轿车，行驶里程5万km。只要发动机达到

1000r/min左右，且发动机严重抖动。

故障诊断：该车已经行驶了5万km，按照经验，如果电子节气门表面附着的灰尘和积碳很多，就会造成节气门开度相对减小，从而减少进气量，导致怠速过低的现象。一般发动机转速在300～500r/min范围内时抖动非常厉害。

将电子节气门拆下清洗，清洗后装车试验，结果又出现怠速过高的故障现象，发动机已经运行了一段时间，但怠速始终在15O0r/min左右。

从车主处得知，该车因车主出差前洗过一次车。当车主回来后发现，怠速转速始终为11OOr/min，不能回到正常状态（750±50r/min）。我们使用金德KT600检测仪读取故障码，故障码为节气门位置传感器。再往下检查，发现在怠速状态下节气门位置传感器的输出电压比标准值大了很多，经过查阅丰田卡罗拉维修手册，节气门位置传感器电路图如图7-1所示。

图7-1

（1）使用金德KT600读取故障码

a）将电脑检测仪与汽车诊断接口连接。

b）打开点火开关置于ON位置并开启检测仪。

c）选择一下菜单项：汽车发动机和变速箱/数据流/节气门位置的1号和2号节气门位置。

d）读取测量仪上的数值，如表1。

表1：

经查阅丰田卡罗拉维修手册，节气门位置传感器标准数据流见表2，经对比后发现VTA1电路短路或断路现象。

表2：

（2）检测-线束检查

a）断开节气门体连接器。

b）断开ECM连接器。

c）用汽车万用表检测连接线是否有短路或断路。

1号节气门位置（VTA1）

松开加速踏

板时

2号节气门位置（VTA2）松开加速踏板时1号节气门位

置（VTA1）踩下加速踏板时2号节气门位置（VTA2）踩下加速踏板时故障部位0-0.2V,

或4.5-5.0V

2.4-

3.4V（失效保护）0-0.9V,或5.0-7.0V2.4-3.4V（失效保护）VTA1电路短路或断路

1号节气门位置（VTA1）松开加速踏板时

2号节气门位置（VTA2）松开加速踏板时1号节气门位置（VTA1）踩下加速踏板时2号节气门位置

（VTA2）踩下加速踏板时

故障部位

0-0.2V0-0.2V0-0.2V0-0.2VVC电路存在

断路

4.4-

5.0V

4.4-

5.0V4.5-5.0V4.4-5.0VE2电路存在

断路0-0.2V,

或4.5-5.0V2.4-3.4V（失效保护）0-0.2V,或4.5-5.0V2.4-3.4V（失效保护）VTA1电路短路或断路

0.7-1.3V（失效保护）

0-0.2V,或4.5-5.0V0.7-1.3V（失效保护）0-0.2V,或4.5-5.0VVTA2电路短

路或断路0.5-1.1V

2.1-

3.1V3.3-

4.9V，（无失效保护）4.6-

5.0V，（无失效保护）传感器电路正常

标准电阻（断路检查）

检测仪连接条件规定状态B25-5（VC）-B31-67（VCTA）始终小于1Ω

B25-6（VTA）-B31-115（VTA1）始终小于1Ω

B25-4（VTA2）-B31-114（VTA2）始终小于1Ω

B25-3（E2）-B31-（ETA）始终小于1Ω

标准电阻（短路）

检测仪连接条件规定状态

始终小于1ΩB25-5（VC）或B31-67（VCTA）

-车身搭铁

始终小于1ΩB25-6（VTA）或B31-115

（VTA1）-车身搭铁

B25-4（VTA2）或B31-114

始终小于1Ω

（VTA2）-车身搭铁

d）重新连接节气门体连接器。

e）重新连接ECM连接器。

f）检测线束没有断路和短路现象，再往下查检测。

（3）卡罗拉轿车节气门位置传感器检测-供电电压（VC电路）

a）断开节气门体连接器。

b）将点火开关置ON位置。

c）检测电压值，