豐田智能電子節氣門控制系統性能分析

劉國新，王曉華

（1.河北交通職業技術學院，河北 石家莊 050091；2.石家莊公路主樞紐西王客運站，河北 石家莊 050081）

電子節氣門是汽油發動機電控系統的重要組成部分，是汽車眾多新技術中應用最為廣泛和成熟的前沿技術之一。從2004年起至今，豐田公司已在豐田轎車全系范圍內完成了豐田公司最新研發的第2代智能電子節氣門控制系統ETCS-I（Electronic Throtlle Control System-intelligence）的普及應用。由于該系統結構簡單、設計巧妙、性能可靠、技術先進，使豐田轎車在經濟、動力、安全、舒適等性能方面都有了很大提升。為幫助廣大維修人員深入全面地了解該系統，本文就該系統的結構原理、工作性能與故障診斷做以下闡述和分析。

1 豐田ETCS-I系統的結構特點

豐田ETCS-I系統是豐田轎車發動機電控系統的組成部分，它主要由傳感器、執行器和控制單元3部分組成，如圖1所示。

1.1 傳感器

傳感器包括加速 （油門）踏板位置傳感器 （Ac celerator Pedal Position Sensor，簡稱 APPS，見圖

2）和節氣門位置傳感器 （Throttle Position Sensor，簡稱TPS，見圖3），均采用雙傳感器設計。加速踏板位置傳感器安裝在加速踏板總成內，通過導線直接將信號傳送至發動機ECU，這樣不再由油門拉索來控制節氣門的轉動，而改由電動機來驅動，亦即所謂的電子油門 （現在的ETCS-I系統為第2代產品，第1代ETCS-I系統的加速踏板位置傳感器的安裝位置在節氣門體上，通過油門拉線來控制，但并非用來直接驅動節氣門）。節氣門位置傳感器在節氣門體內，用來感知節氣門的開度。與眾不同的是這2種傳感器豐田均采用非接觸的雙霍爾式，結構設計非常精巧，這種設計由于沒有采用傳統的接觸式滑膜電阻，使傳感器沒有了磨損，具有使用壽命長、信號輸出精度高、可靠性強等特點，為發動機精確控制奠定了非常好的基礎條件。

1.2 執行器

執行器是指節氣門體，主要包括節氣門控制電動機、減速機構、節氣門位置傳感器和節氣門等，如圖4所示。早期電動機應用在節氣門體上主要用于發動機的怠速控制，而并非直接用于節氣門的驅動，且怠速機構種類和形式繁多，使得節氣門體結構復雜，控制不夠精準，性能不佳。節氣門控制電動機采用直流電動機，直流電動機的特點是響應快、耗能低。由于采用無連桿式節氣門體，使得節氣門體的結構變得極為簡單，但控制精準，功能完備。

1.3 電子控制單元

智能電子節氣門控制系統屬于發動機控制系統的一個功能 （子系統），發動機ECU采集各傳感器信號，通過程序設定的占空比電流直接控制節氣門電動機的轉動，再經過兩級減速后驅動節氣門轉動，完成節氣門各種角度的開啟。豐田召回門事件后，美國交通安全委員會組織專家歷時近1年時間，對該系統長達28萬行的控制程序進行了分析和研究，力圖找出ETCS-I系統控制程序的缺陷，最終確認豐田ETCS-I系統的控制程序不存在任何問題。

2 豐田ETCS-I系統的性能特點

采用ETCS-I之后，它能夠為發動機等各個控制系統的每個工作范圍提供最佳的節氣門控制。

1）加速踏板位置傳感器APPS檢測加速踏板位置 （駕駛員施加的踩踏力控制），轉換成電信號后傳送到發動機ECU。

2）發動機ECU根據加速踏板位置傳感器APPS的輸入信號和其他ECU （如ABS、TRC、VSC等）的傳送信號，來計算適合于每個驅動狀態的最佳節氣門開啟位置，通過節氣門控制電動機來控制節氣門開啟角度，為節氣門開度控制的主控信號。

3）節氣門位置傳感器TPS檢測節氣門的開啟角度，轉換成電信號后傳送至發動機ECU，用來確認節氣門開啟是否達到所需位置，實現對發動機的精確控制。

4）具有怠速控制功能，這種類型的怠速控制也稱為由全程電動機控制的節氣門直動式怠速控制機構。為了維持一個理想的怠速，可通過發動機ECU來控制節氣門開度。

5）結合其他控制系統，如自動變速器ECT、怠速控制系統ISC、巡航控制系統CCS、牽引力控制系統TRC、車輛制動防滑控制系統VSC、制動優先系統BOS等各系統，ETCS-I能夠在所有操作范圍內實現非常好的節氣門控制和舒適度，將節氣門控制在適合于所有工況的最佳開度。比如，①牽引力控制系統TRC對節氣門的控制，作為TRC系統部分，如果驅動輪滑移過多，根據來自制動防滑控制ECU的請求信號，發動機ECU將節氣門關閉，這樣便于車輛保持穩定和一定的驅動力；②車輛制動防滑控制VSC協調控制，為了使VSC系統控制的效果最佳，可通過制動防滑控制ECU的有效協調控制來控制節氣門開度；③巡航控制CCS，巡航控制ECU可以作為發動機ECU的一個子系統，與發動機ECU成—個整體，直接驅動節氣門來進行巡航控制操作，這樣使得巡航控制系統結構變得極為簡單，即使是后加裝也極為便捷；④在豐田召回門事件后，豐田開始加裝制動優先系統BOS，由于采用了ETCS-I，使得加裝起來很簡單。通過對計算機程序修改等簡單改裝后，當遇到緊急制動時，優先實施車輪制動，同時制動ECU向發動機ECU發出請求指令，解除加速踏板位置傳感器的信號控制，減小節氣門的開度，降低發動機的轉速和輸出功率與轉矩，車速迅速降低，確保安全，這是對車輛主動安全系統的又一提升。

6）ETCS-I也能夠實現像拉線型節氣門體一樣，節氣門的開啟角度根據加速踏板的作用力不斷變化而改變這一目的。但是區別在于這種控制不再是線性控制 （即節氣門的開啟角度與駕駛員的踩踏力成正比），而是非線性控制，非線性控制將節氣門控制在適于行駛條件的最佳節氣門開度，行駛條件如加速踏板的下量和發動機轉速等。這樣發動機ECU能夠根據既定目標通過程序來控制發動機運轉，從而實現動力性、經濟性、安全和排放等方面的最佳控制。

7）萬一出現異常情況，這個系統轉換為應急模式，并具有自診斷功能。

由于ETCS-I系統的應用，尤其是豐田在高端車（如新皇冠、雷克薩斯）上采用了多路通信系統MPX（由多個局域網構成的系統）之后，在發動機、自動變速器、底盤以及車身控制等方面都發揮了重要作用，它的作用得到了充分擴展，實現了車輛的綜合控制，這是非電子油門無法達到和實現的。ETCS-I系統的應用使車輛性能在各個方面都得到了提升，但是這只是豐田眾多先進技術應用之一，并不是單靠這一個系統能夠完成的，需要各個控制系統的綜合協調和配合，從而實現車輛的綜合控制，這也是車載局域網的應用目的和顯著特點。

3 豐田ETCS-I系統的工作特點

需要進一步明確的是，ETCS-I系統的真正歸屬仍然屬于發動機控制系統。下面就ETCS-I系統各主要元件的工作特性作簡要介紹。以下數據測量車型為2007年5月由天津一汽豐田生產的2.5L銳志，發動機型號為5GR-FE，ETCS-I系統由日本電裝公司DENSO生產。

3.1 加速踏板位置傳感器

加速踏板位置傳感器采用了雙霍爾式，即主副2個霍爾IC對置，結構如圖2所示，連接電路及輸出特性如圖5所示。VPA、VPA2為輸出端子，VCPA、VCP2端子為5V電源端子，EPA、EPA2為搭鐵端子，傳感器連接器端子數為6針。當駕駛員踩踏加速踏板時，磁鐵隨踏板一起轉動，穿過每個霍爾元件的磁場 （磁通量）發生變化而輸出霍爾電壓。

1）從圖5曲線可以看出，2個霍爾元件的輸出電壓信號均為線性輸出 （為模擬型電壓信號，而非直接輸出數字信號），即輸出特性曲線為一直線，說明輸出電壓與加速踏板的下壓角度成正比。

2）兩輸出為同向型，輸出電壓均隨著加速踏板的下壓角度增大而增大。

3）2條輸出線平行，直線平行說明在加速踏板下壓過程中，2個霍爾元件輸出之差應為一常數。怠速時實際測量，VPA=0.73 V，VPA2=1.53 V，差值為0.8V，加速時差值不變；數據流顯示電壓比為VPA=14.6%，VPA2=30.6%，即測量值與電源電壓5V之比，且加速時比值差值16%保持不變。

4）只要點火開關置于IG（也稱為ON）檔，不管發動機是否起動均有輸出，與怠速時相同。

5）怠速請求信號 （或稱為怠速主控信號）電壓分別為0.7V和1.5V，發動機怠速控制需要通過加速踏板位置傳感器和節氣門位置傳感器的信號來控制和確認，其中加速踏板位置傳感器的信號為主控信號，節氣門位置傳感器的信號為檢測確認信號。

加速踏板位置傳感器采用雙傳感器的設置方式，主要目的是為了能夠通過2個傳感器的輸出電壓的變化快慢對比，來反映駕駛員加速快慢的意圖，實現對發動機的控制；如果其中一個傳感器失效，ECU通過對比確認后啟動失效安全模式，并采用另一個傳感器的信號來控制發動機。

3.2 節氣門位置傳感器

節氣門位置傳感器與加速踏板位置傳感器相似，也采用了主副2個霍爾IC對置的方式，結構如圖3所示，連接電路及輸出特性如圖6所示。VTA、VTA2為輸出端子，VC為5V電源端子，E2為搭鐵端子，電源和搭鐵端子為2個霍爾元件共用，節氣門體連接器端子數為6針，另2針為M+和M-，為節氣門電動機的連接端子。當節氣門電動機轉動時，磁鐵隨齒輪和節氣門一起轉動，穿過每個霍爾元件的磁場 （磁通量）發生變化而輸出霍爾電壓。

1）2個霍爾元件的輸出電壓信號也為線性輸出，輸出特性曲線也為直線，說明輸出電壓與節氣門的開度成正比 （注意這與發動機的非線性控制并不矛盾）。

2）兩輸出為同向型，即輸出電壓均隨著節氣門開度增大而增大。

3）2條輸出線不平行，說明在節氣門開啟過程中，2個霍爾元件輸出之差不是常數。怠速時實際測量，VTA=0.8 V，VTA2=2.4 V，差值為1.6 V，加速時，差值在節氣門開度約為70%以前逐漸增大，之后逐漸變?。粩祿黠@示電壓比為VTA=16%，VTA2=48%，即測量值與電源電壓5V之比，且加速時比值差值逐漸增大，直至VTA2=5V，分析認為以此作為劃分負荷大小的依據。

4）只要點火開關置于IG（也稱為ON）檔，不管發動機是否起動均有輸出。

5）怠速檢測信號 （即怠速確認信號）電壓分別為0.8V和2.4V，因節氣門位置傳感器中沒有怠速開關，怠速狀態需要通過節氣門位置傳感器的檢測值來確認，即所謂的軟信號。

6）節氣門全關，確認電壓0.7V （學習值）。

節氣門位置傳感器采用雙傳感器的設置方式，也是為了能夠通過2個傳感器的輸出電壓差值的變化來反映發動機加速的快慢；如果其中一個傳感器失效，ECU通過對比確認后啟動失效安全模式，并采用另一個傳感器的信號來控制發動機。

3.3 節氣門控制電動機

豐田ETCS-I系統采用的是響應快、耗能低的DC電動機，通過發動機ECU控制節氣門控制電動機的電流占空比來調節節氣門的開度。電動機的2個連接端子為M+和M-，與節氣門位置傳感器同在節氣門體連接器上，端子數為6針。

1）在怠速后的發動機控制過程中，節氣門控制電動機的電流流向是從M+→M-，M+和M-兩端子電壓波形如圖7所示 （某一轉速時測定）。

2）電流的占空比增大，節氣門開度變大，發動機的轉速增高，數據流電流值為0.5A。

3）特別是無論發動機轉速如何變化，怠速后節氣門電動機的電流頻率并不發生變化，或者說周期一定 （通過測量為1ms），變化的是占空比。

4）示波器顯示怠速時流經節氣門電動機的電流反向，即電動機反轉，通電時間約為2ms，數據流讀數占空比為18% （即0.18ms），周期仍然為1ms不變，節氣門開度保持在6°開度，波形如圖8所示。

5）即使發動機不起動，只要接通點火開關，踩踏加速踏板，節氣門電動機就會有電流通過，節氣門也會轉動，所以在清洗節氣門時可以不用起動發動機。盡管發動機運轉進氣和冷卻液可以起到冷卻作用，但也要注意，不要長時間讓電動機通電，以免燒毀。

6）電動機的工作狀態是當電動機的轉矩大于節氣門回位彈簧的轉矩時，節氣門連續運轉，節氣門開大；當電動機的轉矩等于節氣門回位彈簧的轉矩時，電動機停轉，節氣門開度不變；當電動機的轉矩小于節氣門回位彈簧的轉矩時，在回位彈簧的作用下節氣門關小，此時即使電流為正向，電動機也會反轉。也就是說無論電動機如何轉動，電動機始終通有占空比電流，這就是為什么在接通點火開關后，能夠聽到電動機響的原因，但電動機不一定轉動，因頻率較高，看不出節氣門在振動，鑒于此，筆者給這種直流電動機按用途命名為轉矩電動機。

4 豐田ETCS-I系統的故障診斷

豐田ETCS-I系統的常見故障主要為傳感器失效、線路連接不良以及節氣門臟污引起的怠速不良等。當發生傳感器失效、線路連接不良等故障時，發動機ECU會自動啟用失效安全保護模式，以確保行車安全，并讓車輛能夠繼續低速行駛到維修站進行維修，避免了拖車，給用戶提供了方便。

4.1 加速踏板位置傳感器失效

當加速踏板位置傳感器損壞或線路連接不良，發動機ECU視為失效，啟用失效安全模式 （fail safe mode），也叫做應急模式。設置故障后踩踏加速踏板，若其中一個信號失效，發動機ECU控制節氣門的開度能夠在怠速和全開之間變化，怠速后的最高轉速能夠升至6500r／min，但發動機轉速上升反應遲緩；若2個信號都失效，發動機ECU就會把節氣門的開度控制在怠速開度，發動機轉速1100 r／min（為快怠速），此時即使再踩踏加速踏板，發動機轉速也沒有變化，車輛能夠低速行駛。以上故障發生時，發動機ECU出現故障碼，同時點亮發動機故障指示燈。故障碼DTC及含義見表1。

4.2 節氣門位置傳感器失效

當節氣門位置傳感器損壞或線路連接不良，發動機ECU啟用失效安全模式。設置故障后檢測，不論其中1個信號失效還是2個信號都失效，即使踩踏加速踏板，發動機轉速也能夠變化，最高轉速也能夠接近2000r／min （實測值為1800r／min）， 但節氣門的開度卻維持在怠速開度不再變化。分析轉速能夠變化的原因，是應急時發動機ECU能夠根據加速踏板位置傳感器的信號改變噴油量，控制發動機的轉矩和功率輸出，能夠使車輛慢速行駛。以上故障發生時，發動機ECU出現故障碼，同時點亮發動機故障指示燈。故障碼DTC及含義見表1。

表1 加速踏板／節氣門位置傳感器失效后的故障碼DTC及含義

4.3 節氣門控制電動機失效

若節氣門控制電動機斷電失效，發動機ECU啟用失效安全模式。由于節氣門控制電動機沒有電流輸入導致不轉動，沒有轉矩輸出，這樣節氣門維持在自然開度，比怠速開度稍大 （約為7°，這一點不難理解，可以從怠速時電動機為什么通反向電流來分析即可得到證實），踩踏加速踏板，發動機轉速也能夠變化，最高轉速也能夠接近2000 r／min，應急時發動機ECU能夠根據加速踏板位置傳感器的信號改變噴油時間，控制發動機的轉矩和功率輸出，車輛也能夠慢速行駛。故障發生時，發動機ECU不出現故障碼，也不點亮發動機故障指示燈。

5 怠速的初始化

豐田ETCS-I系統本身具有怠速控制功能，但由于發動機進氣時，流經的氣流會對節氣門造成不同程度的臟污，使節氣門的回位受到阻滯，發動機進氣量減小，臟污嚴重時出現怠速不穩、車輛抖動現象，保養時或維修后必須進行初始化 （大眾稱為基本設定）。通過初始化，控制單元中的某些參數（如怠速時的點火正時、傳感器信號的怠速確認值等）會恢復到生產廠家設定的設定值，或者將某些元件 （如節氣門位置傳感器的位置）的實時參數存入控制單元，以便實行精確控制。

輕微的臟污不會造成此現象，因為發動機控制系統的怠速控制具有學習功能。輕微臟污時，節氣門的怠速開度會比正常開度偏大，使得節氣門位置傳感器的輸出值偏高，但發動機ECU會再對加速踏板位置傳感器、發動機轉速傳感器、水溫傳感器、空氣流量傳感器以及空檔位置開關等送來的信號進行綜合分析并計算負荷，在確認怠速狀態后，發動機ECU就會圍繞預先設定的目標轉速，通過控制噴油和點火來控制發動機轉速，使發動機仍然保持在穩定怠速狀態。這時，發動機ECU會記憶此時節氣門位置傳感器送來的信號電壓，并以此信號替代原信號作為怠速識別信號來控制怠速。實際上，在節氣門的怠速位置發生改變后，發動機ECU必須知道電動機控制節氣門在節氣門位置傳感器上能達到實際的最小和最大位置，重新劃定怠速范圍、部分負荷的范圍和全負荷范圍。發動機ECU通過控制電動機把節氣門關到盡可能最小的開度，節氣門位置傳感器信號傳入發動機ECU，發動機ECU就會記憶這個開度。

若節氣門體過臟，超過了發動機ECU內的限定值時，即學習超限后也無法糾正。豐田的怠速確認值是VTA=0.8 V，在不超過0.9 V時怠速保持穩定，超過時就會出現怠速不穩現象。分析原因，是由于節氣門太臟，堵塞了進氣道，進氣量下降，發動機功率和轉速都會下降，轉速可降至500r／min，為防止發動機熄火，發動機ECU開大節氣門，使轉速迅速回升，經過反復幾次調整之后，發動機轉速升高至1500r／min后穩定 （偏高），但這種穩定只是暫時的，對怠速后的發動機控制無影響，但在以后的怠速時會經常出現，這就是怠速不穩、車輛抖動的原因 （油質不好也會引發此現象，但為偶發）。

清洗節氣門后，發動機ECU仍然按照學習值控制節氣門開度，進氣量變大，結果發動機怠速居高不下。這種狀況在發動機ECU怠速學習程序下能夠逐漸恢復正常，但時間很長。初始化的目的就是讓發動機ECU立刻恢復廠家設定的節氣門的怠速開度，使發動機的怠速控制恢復正常。豐田車怠速的初始化方法是斷開蓄電池負極60s以上即可。