丰田智能电子节气门控制系统性能分析

刘国新，王晓华

（1.河北交通职业技术学院，河北 石家庄 050091；2.石家庄公路主枢纽西王客运站，河北 石家庄 050081）

电子节气门是汽油发动机电控系统的重要组成部分，是汽车众多新技术中应用最为广泛和成熟的前沿技术之一。从2004年起至今，丰田公司已在丰田轿车全系范围内完成了丰田公司最新研发的第2代智能电子节气门控制系统ETCS-I（Electronic Throtlle Control System-intelligence）的普及应用。由于该系统结构简单、设计巧妙、性能可靠、技术先进，使丰田轿车在经济、动力、安全、舒适等性能方面都有了很大提升。为帮助广大维修人员深入全面地了解该系统，本文就该系统的结构原理、工作性能与故障诊断做以下阐述和分析。

1 丰田ETCS-I系统的结构特点

丰田ETCS-I系统是丰田轿车发动机电控系统的组成部分，它主要由传感器、执行器和控制单元3部分组成，如图1所示。

1.1 传感器

传感器包括加速 （油门）踏板位置传感器 （Ac celerator Pedal Position Sensor，简称 APPS，见图

2）和节气门位置传感器 （Throttle Position Sensor，简称TPS，见图3），均采用双传感器设计。加速踏板位置传感器安装在加速踏板总成内，通过导线直接将信号传送至发动机ECU，这样不再由油门拉索来控制节气门的转动，而改由电动机来驱动，亦即所谓的电子油门 （现在的ETCS-I系统为第2代产品，第1代ETCS-I系统的加速踏板位置传感器的安装位置在节气门体上，通过油门拉线来控制，但并非用来直接驱动节气门）。节气门位置传感器在节气门体内，用来感知节气门的开度。与众不同的是这2种传感器丰田均采用非接触的双霍尔式，结构设计非常精巧，这种设计由于没有采用传统的接触式滑膜电阻，使传感器没有了磨损，具有使用寿命长、信号输出精度高、可靠性强等特点，为发动机精确控制奠定了非常好的基础条件。

1.2 执行器

执行器是指节气门体，主要包括节气门控制电动机、减速机构、节气门位置传感器和节气门等，如图4所示。早期电动机应用在节气门体上主要用于发动机的怠速控制，而并非直接用于节气门的驱动，且怠速机构种类和形式繁多，使得节气门体结构复杂，控制不够精准，性能不佳。节气门控制电动机采用直流电动机，直流电动机的特点是响应快、耗能低。由于采用无连杆式节气门体，使得节气门体的结构变得极为简单，但控制精准，功能完备。

1.3 电子控制单元

智能电子节气门控制系统属于发动机控制系统的一个功能 （子系统），发动机ECU采集各传感器信号，通过程序设定的占空比电流直接控制节气门电动机的转动，再经过两级减速后驱动节气门转动，完成节气门各种角度的开启。丰田召回门事件后，美国交通安全委员会组织专家历时近1年时间，对该系统长达28万行的控制程序进行了分析和研究，力图找出ETCS-I系统控制程序的缺陷，最终确认丰田ETCS-I系统的控制程序不存在任何问题。

2 丰田ETCS-I系统的性能特点

采用ETCS-I之后，它能够为发动机等各个控制系统的每个工作范围提供最佳的节气门控制。

1）加速踏板位置传感器APPS检测加速踏板位置 （驾驶员施加的踩踏力控制），转换成电信号后传送到发动机ECU。

2）发动机ECU根据加速踏板位置传感器APPS的输入信号和其他ECU （如ABS、TRC、VSC等）的传送信号，来计算适合于每个驱动状态的最佳节气门开启位置，通过节气门控制电动机来控制节气门开启角度，为节气门开度控制的主控信号。

3）节气门位置传感器TPS检测节气门的开启角度，转换成电信号后传送至发动机ECU，用来确认节气门开启是否达到所需位置，实现对发动机的精确控制。

4）具有怠速控制功能，这种类型的怠速控制也称为由全程电动机控制的节气门直动式怠速控制机构。为了维持一个理想的怠速，可通过发动机ECU来控制节气门开度。

5）结合其他控制系统，如自动变速器ECT、怠速控制系统ISC、巡航控制系统CCS、牵引力控制系统TRC、车辆制动防滑控制系统VSC、制动优先系统BOS等各系统，ETCS-I能够在所有操作范围内实现非常好的节气门控制和舒适度，将节气门控制在适合于所有工况的最佳开度。比如，①牵引力控制系统TRC对节气门的控制，作为TRC系统部分，如果驱动轮滑移过多，根据来自制动防滑控制ECU的请求信号，发动机ECU将节气门关闭，这样便于车辆保持稳定和一定的驱动力；②车辆制动防滑控制VSC协调控制，为了使VSC系统控制的效果最佳，可通过制动防滑控制ECU的有效协调控制来控制节气门开度；③巡航控制CCS，巡航控制ECU可以作为发动机ECU的一个子系统，与发动机ECU成—个整体，直接驱动节气门来进行巡航控制操作，这样使得巡航控制系统结构变得极为简单，即使是后加装也极为便捷；④在丰田召回门事件后，丰田开始加装制动优先系统BOS，由于采用了ETCS-I，使得加装起来很简单。通过对计算机程序修改等简单改装后，当遇到紧急制动时，优先实施车轮制动，同时制动ECU向发动机ECU发出请求指令，解除加速踏板位置传感器的信号控制，减小节气门的开度，降低发动机的转速和输出功率与转矩，车速迅速降低，确保安全，这是对车辆主动安全系统的又一提升。

6）ETCS-I也能够实现像拉线型节气门体一样，节气门的开启角度根据加速踏板的作用力不断变化而改变这一目的。但是区别在于这种控制不再是线性控制 （即节气门的开启角度与驾驶员的踩踏力成正比），而是非线性控制，非线性控制将节气门控制在适于行驶条件的最佳节气门开度，行驶条件如加速踏板的下量和发动机转速等。这样发动机ECU能够根据既定目标通过程序来控制发动机运转，从而实现动力性、经济性、安全和排放等方面的最佳控制。

7）万一出现异常情况，这个系统转换为应急模式，并具有自诊断功能。

由于ETCS-I系统的应用，尤其是丰田在高端车（如新皇冠、雷克萨斯）上采用了多路通信系统MPX（由多个局域网构成的系统）之后，在发动机、自动变速器、底盘以及车身控制等方面都发挥了重要作用，它的作用得到了充分扩展，实现了车辆的综合控制，这是非电子油门无法达到和实现的。ETCS-I系统的应用使车辆性能在各个方面都得到了提升，但是这只是丰田众多先进技术应用之一，并不是单靠这一个系统能够完成的，需要各个控制系统的综合协调和配合，从而实现车辆的综合控制，这也是车载局域网的应用目的和显著特点。

3 丰田ETCS-I系统的工作特点

需要进一步明确的是，ETCS-I系统的真正归属仍然属于发动机控制系统。下面就ETCS-I系统各主要元件的工作特性作简要介绍。以下数据测量车型为2007年5月由天津一汽丰田生产的2.5L锐志，发动机型号为5GR-FE，ETCS-I系统由日本电装公司DENSO生产。

3.1 加速踏板位置传感器

加速踏板位置传感器采用了双霍尔式，即主副2个霍尔IC对置，结构如图2所示，连接电路及输出特性如图5所示。VPA、VPA2为输出端子，VCPA、VCP2端子为5V电源端子，EPA、EPA2为搭铁端子，传感器连接器端子数为6针。当驾驶员踩踏加速踏板时，磁铁随踏板一起转动，穿过每个霍尔元件的磁场 （磁通量）发生变化而输出霍尔电压。

1）从图5曲线可以看出，2个霍尔元件的输出电压信号均为线性输出 （为模拟型电压信号，而非直接输出数字信号），即输出特性曲线为一直线，说明输出电压与加速踏板的下压角度成正比。

2）两输出为同向型，输出电压均随着加速踏板的下压角度增大而增大。

3）2条输出线平行，直线平行说明在加速踏板下压过程中，2个霍尔元件输出之差应为一常数。怠速时实际测量，VPA=0.73 V，VPA2=1.53 V，差值为0.8V，加速时差值不变；数据流显示电压比为VPA=14.6%，VPA2=30.6%，即测量值与电源电压5V之比，且加速时比值差值16%保持不变。

4）只要点火开关置于IG（也称为ON）档，不管发动机是否起动均有输出，与怠速时相同。

5）怠速请求信号 （或称为怠速主控信号）电压分别为0.7V和1.5V，发动机怠速控制需要通过加速踏板位置传感器和节气门位置传感器的信号来控制和确认，其中加速踏板位置传感器的信号为主控信号，节气门位置传感器的信号为检测确认信号。

加速踏板位置传感器采用双传感器的设置方式，主要目的是为了能够通过2个传感器的输出电压的变化快慢对比，来反映驾驶员加速快慢的意图，实现对发动机的控制；如果其中一个传感器失效，ECU通过对比确认后启动失效安全模式，并采用另一个传感器的信号来控制发动机。

3.2 节气门位置传感器

节气门位置传感器与加速踏板位置传感器相似，也采用了主副2个霍尔IC对置的方式，结构如图3所示，连接电路及输出特性如图6所示。VTA、VTA2为输出端子，VC为5V电源端子，E2为搭铁端子，电源和搭铁端子为2个霍尔元件共用，节气门体连接器端子数为6针，另2针为M+和M-，为节气门电动机的连接端子。当节气门电动机转动时，磁铁随齿轮和节气门一起转动，穿过每个霍尔元件的磁场 （磁通量）发生变化而输出霍尔电压。

1）2个霍尔元件的输出电压信号也为线性输出，输出特性曲线也为直线，说明输出电压与节气门的开度成正比 （注意这与发动机的非线性控制并不矛盾）。

2）两输出为同向型，即输出电压均随着节气门开度增大而增大。

3）2条输出线不平行，说明在节气门开启过程中，2个霍尔元件输出之差不是常数。怠速时实际测量，VTA=0.8 V，VTA2=2.4 V，差值为1.6 V，加速时，差值在节气门开度约为70%以前逐渐增大，之后逐渐变小；数据流显示电压比为VTA=16%，VTA2=48%，即测量值与电源电压5V之比，且加速时比值差值逐渐增大，直至VTA2=5V，分析认为以此作为划分负荷大小的依据。

4）只要点火开关置于IG（也称为ON）档，不管发动机是否起动均有输出。

5）怠速检测信号 （即怠速确认信号）电压分别为0.8V和2.4V，因节气门位置传感器中没有怠速开关，怠速状态需要通过节气门位置传感器的检测值来确认，即所谓的软信号。

6）节气门全关，确认电压0.7V （学习值）。

节气门位置传感器采用双传感器的设置方式，也是为了能够通过2个传感器的输出电压差值的变化来反映发动机加速的快慢；如果其中一个传感器失效，ECU通过对比确认后启动失效安全模式，并采用另一个传感器的信号来控制发动机。

3.3 节气门控制电动机

丰田ETCS-I系统采用的是响应快、耗能低的DC电动机，通过发动机ECU控制节气门控制电动机的电流占空比来调节节气门的开度。电动机的2个连接端子为M+和M-，与节气门位置传感器同在节气门体连接器上，端子数为6针。

1）在怠速后的发动机控制过程中，节气门控制电动机的电流流向是从M+→M-，M+和M-两端子电压波形如图7所示 （某一转速时测定）。

2）电流的占空比增大，节气门开度变大，发动机的转速增高，数据流电流值为0.5A。

3）特别是无论发动机转速如何变化，怠速后节气门电动机的电流频率并不发生变化，或者说周期一定 （通过测量为1ms），变化的是占空比。

4）示波器显示怠速时流经节气门电动机的电流反向，即电动机反转，通电时间约为2ms，数据流读数占空比为18% （即0.18ms），周期仍然为1ms不变，节气门开度保持在6°开度，波形如图8所示。

5）即使发动机不起动，只要接通点火开关，踩踏加速踏板，节气门电动机就会有电流通过，节气门也会转动，所以在清洗节气门时可以不用起动发动机。尽管发动机运转进气和冷却液可以起到冷却作用，但也要注意，不要长时间让电动机通电，以免烧毁。

6）电动机的工作状态是当电动机的转矩大于节气门回位弹簧的转矩时，节气门连续运转，节气门开大；当电动机的转矩等于节气门回位弹簧的转矩时，电动机停转，节气门开度不变；当电动机的转矩小于节气门回位弹簧的转矩时，在回位弹簧的作用下节气门关小，此时即使电流为正向，电动机也会反转。也就是说无论电动机如何转动，电动机始终通有占空比电流，这就是为什么在接通点火开关后，能够听到电动机响的原因，但电动机不一定转动，因频率较高，看不出节气门在振动，鉴于此，笔者给这种直流电动机按用途命名为转矩电动机。

4 丰田ETCS-I系统的故障诊断

丰田ETCS-I系统的常见故障主要为传感器失效、线路连接不良以及节气门脏污引起的怠速不良等。当发生传感器失效、线路连接不良等故障时，发动机ECU会自动启用失效安全保护模式，以确保行车安全，并让车辆能够继续低速行驶到维修站进行维修，避免了拖车，给用户提供了方便。

4.1 加速踏板位置传感器失效

当加速踏板位置传感器损坏或线路连接不良，发动机ECU视为失效，启用失效安全模式 （fail safe mode），也叫做应急模式。设置故障后踩踏加速踏板，若其中一个信号失效，发动机ECU控制节气门的开度能够在怠速和全开之间变化，怠速后的最高转速能够升至6500r／min，但发动机转速上升反应迟缓；若2个信号都失效，发动机ECU就会把节气门的开度控制在怠速开度，发动机转速1100 r／min（为快怠速），此时即使再踩踏加速踏板，发动机转速也没有变化，车辆能够低速行驶。以上故障发生时，发动机ECU出现故障码，同时点亮发动机故障指示灯。故障码DTC及含义见表1。

4.2 节气门位置传感器失效

当节气门位置传感器损坏或线路连接不良，发动机ECU启用失效安全模式。设置故障后检测，不论其中1个信号失效还是2个信号都失效，即使踩踏加速踏板，发动机转速也能够变化，最高转速也能够接近2000r／min （实测值为1800r／min）， 但节气门的开度却维持在怠速开度不再变化。分析转速能够变化的原因，是应急时发动机ECU能够根据加速踏板位置传感器的信号改变喷油量，控制发动机的转矩和功率输出，能够使车辆慢速行驶。以上故障发生时，发动机ECU出现故障码，同时点亮发动机故障指示灯。故障码DTC及含义见表1。

表1 加速踏板／节气门位置传感器失效后的故障码DTC及含义

4.3 节气门控制电动机失效

若节气门控制电动机断电失效，发动机ECU启用失效安全模式。由于节气门控制电动机没有电流输入导致不转动，没有转矩输出，这样节气门维持在自然开度，比怠速开度稍大 （约为7°，这一点不难理解，可以从怠速时电动机为什么通反向电流来分析即可得到证实），踩踏加速踏板，发动机转速也能够变化，最高转速也能够接近2000 r／min，应急时发动机ECU能够根据加速踏板位置传感器的信号改变喷油时间，控制发动机的转矩和功率输出，车辆也能够慢速行驶。故障发生时，发动机ECU不出现故障码，也不点亮发动机故障指示灯。

5 怠速的初始化

丰田ETCS-I系统本身具有怠速控制功能，但由于发动机进气时，流经的气流会对节气门造成不同程度的脏污，使节气门的回位受到阻滞，发动机进气量减小，脏污严重时出现怠速不稳、车辆抖动现象，保养时或维修后必须进行初始化 （大众称为基本设定）。通过初始化，控制单元中的某些参数（如怠速时的点火正时、传感器信号的怠速确认值等）会恢复到生产厂家设定的设定值，或者将某些元件 （如节气门位置传感器的位置）的实时参数存入控制单元，以便实行精确控制。

轻微的脏污不会造成此现象，因为发动机控制系统的怠速控制具有学习功能。轻微脏污时，节气门的怠速开度会比正常开度偏大，使得节气门位置传感器的输出值偏高，但发动机ECU会再对加速踏板位置传感器、发动机转速传感器、水温传感器、空气流量传感器以及空档位置开关等送来的信号进行综合分析并计算负荷，在确认怠速状态后，发动机ECU就会围绕预先设定的目标转速，通过控制喷油和点火来控制发动机转速，使发动机仍然保持在稳定怠速状态。这时，发动机ECU会记忆此时节气门位置传感器送来的信号电压，并以此信号替代原信号作为怠速识别信号来控制怠速。实际上，在节气门的怠速位置发生改变后，发动机ECU必须知道电动机控制节气门在节气门位置传感器上能达到实际的最小和最大位置，重新划定怠速范围、部分负荷的范围和全负荷范围。发动机ECU通过控制电动机把节气门关到尽可能最小的开度，节气门位置传感器信号传入发动机ECU，发动机ECU就会记忆这个开度。

若节气门体过脏，超过了发动机ECU内的限定值时，即学习超限后也无法纠正。丰田的怠速确认值是VTA=0.8 V，在不超过0.9 V时怠速保持稳定，超过时就会出现怠速不稳现象。分析原因，是由于节气门太脏，堵塞了进气道，进气量下降，发动机功率和转速都会下降，转速可降至500r／min，为防止发动机熄火，发动机ECU开大节气门，使转速迅速回升，经过反复几次调整之后，发动机转速升高至1500r／min后稳定 （偏高），但这种稳定只是暂时的，对怠速后的发动机控制无影响，但在以后的怠速时会经常出现，这就是怠速不稳、车辆抖动的原因 （油质不好也会引发此现象，但为偶发）。

清洗节气门后，发动机ECU仍然按照学习值控制节气门开度，进气量变大，结果发动机怠速居高不下。这种状况在发动机ECU怠速学习程序下能够逐渐恢复正常，但时间很长。初始化的目的就是让发动机ECU立刻恢复厂家设定的节气门的怠速开度，使发动机的怠速控制恢复正常。丰田车怠速的初始化方法是断开蓄电池负极60s以上即可。