电子节流阀体积炭应对策略研究

祁克光，黄开胜（.奇瑞汽车股份有限公司发动机工程研究院，安徽 芜湖　4009；.清华大学汽车工程系，北京　00084）

电子节流阀体积炭应对策略研究

祁克光1，黄开胜2
（1.奇瑞汽车股份有限公司发动机工程研究院，安徽 芜湖241009；2.清华大学汽车工程系，北京100084）

通过售后和实际试验分析节流阀体的积炭会对控制产生影响，研究电子节流阀体积炭对进气量流量的影响及应对策略。

电子节流阀体；积炭；流量自学习

1　积炭导致的控制问题

在EMS系统路试的试验中，当车辆行驶里程超过1万km之后，出现起动后怠速不稳定的情况。其数据采集如图1所示。起动后发动机进入怠速控制工况，转矩开始干预，以怠速目标转速通过转矩调节进行闭环控制。从图1中可以看到起动后发动机转速再回落到目标怠速，在怠速控制的过程中出现转速 （图中黑线）波动的问题。怠速控制转矩调节逻辑为：目标转速对应的转矩需求，加上实际转速和目标转速偏差的PID控制调节量，组成了总的怠速控制转矩需求。总的转矩需求转化为充气量的需求，充气量的需求转化为进气量的需求，进气量的需求转化为节流阀体开度的需求，从而使实际怠速转速和目标怠速转速保持一致，整个过程通过转矩调节进行闭环控制。通过数据采集可以发现，实际充气量 （粉红色线）小于需求充气量 （黄色线），而实际节流阀体开度 （深蓝色线）却和需求的节流阀体开度 （浅绿色线）相同。这说明通过节流阀体的进气量出现了偏差，低于预先标定值。实际进气量小于需求进气量导致发动机转速波动，判断为电子节流阀体积炭。

典型特征：①发动机转速波动；②节气门实际开度和需求相同情况下，进气需求和实际偏差较大；③进气符合需求，在起动后10 s，转速波动逐渐消失；④暖机中怠速点火角持续偏大，说明进气不足。

把节流阀体拆掉后，清洗积炭，重新安装在整车上进行测试。清洁的电子节流阀体数据采集如图2所示。发动机转速 （黑色线）稳定，不再出现波动。实际充气量 （粉红色线）等于需求充气量 （黄色线），实际节流阀体开度 （深蓝色线）和需求的节流阀体开度 （浅绿色线）相同，控制正常。

典型特征：①发动机转速稳定；②节气门实际开度和需求相同情况下，进气需求和实际偏差很小；③怠速点火角正常；④节气门开度相对较小。

通过以上数据分析对比可知，电子节流阀体因为积炭的原因，导致其流量出现了偏差。当怠速克服同样的发动机阻力转矩时，需求相同的进气量对应的节气门开度不同，如果ECU无法识别则是怠速控制问题。通过售后故障案例分析，积炭严重时，甚至出现起动后熄火的问题。不仅如此，甚至怠速开关电器负载 （如空调、前照灯等）、原地加/减油门等的怠速控制都会因为积炭出现问题。

图2　　电子节流阀体清洗积炭后的怠速控制数据采集图

图3　　电子节流阀体积炭影响流量示意图［1］

2　积炭形成的机理

如图3所示，电子节流阀体一端为进气口，和进气软管连接在一起；一端接发动机的进气歧管。节流阀体内有一阀片，通过电机驱动阀片的开度来控制进气量。阀片在最小开度的位置为0位置，如果积炭在阀片的垂直下方，会影响0位置的偏移，由0位置自学习算法解决。因积炭或者节流阀体差异，在0位置时的进气量有差异，由0位置漏气量的自学习算法解决。但现在ECU控制策略中并没有对积炭问题导致的进气流量偏差进行考虑，如果阀片内侧积累一定量的积炭，会影响到小开度范围内进气流量的偏差。当然，如果阀片外侧积累一定量的灰尘，也存在类似问题。但因为进气口和进气软管相连，进气软管之前有空气滤清器，所以阀片外侧积累灰尘的几率远远低于阀片内侧积累积炭的几率。那是因为进气歧管和发动机的进气阀相连，发动机机内燃烧的废气回流或者油品有杂质，就会在阀片内侧产生积炭。通过实际试验数据采集，汽车行驶约每1万km，阀片内侧的积炭就会严重影响小开度范围内的进气流量，直接导致起动或者怠速控制的异常故障。

3　积炭对进气流量影响的测试

测试目标车型为奇瑞瑞虎3，EMS系统为奇瑞CEMS E1.0。测试方法：①积炭电子节流阀体整车；②清洁电子节流阀体同一台整车；③清洁电子节流阀体另一台整车。

分别关闭转矩模型控制，固定点火角为25°（曲轴角度），控制节气门开度5%，4.5%，4%，3.5%，3%，2.5%，2%，1.8%，1.6%，1.5%，1.4%，1.3%，1.2%，1.1%，1%，0.9%，0.8%，测量其对应的进气量。结果如图4所示。同一台车上，积炭电子节流阀体相对清洁电子节流阀体在相同的节气门开度下，进气量流量减少很多。而另一台车上清洁电子节流阀体的进气流量特性则和第一台车上使用清洁电子节流阀体的进气流量基本保持一致。由此说明积炭对电子节流阀体进气流量影响较大。

图4　　电子节流阀体流量测试对比图

4　积炭故障对怠速控制的影响

在怠速控制状态下，其气量控制的策略大体分为3部分：①怠速转矩需求；②怠速转矩需求转化为发动机进气量需求；③怠速进气量需求转化为节气门开度需求。

4.1怠速转矩需求

如图5所示，怠速运转不对外输出转矩，发动机燃烧所发出的转矩就是用来克服自身的摩擦阻力。所以，发动机的目标怠速对应着一个固定的基础阻力转矩，阻力转矩乘以怠速稳定系数，得到怠速转矩，然后经过怠速I闭环控制，怠速转矩加上怠速I部分调节量构成了怠速转矩需求，经过气路转矩协调模型，最终得到协调后的怠速转矩需求。

图5　　怠速控制转矩需求控制策略逻辑图

4.2怠速转矩需求转化为发动机充气量需求

如图6所示，协调后的怠速转矩需求经过充气量计算模型，由转矩需求转化为充气量需求。由于内部EGR会有部分残留的新鲜空气充量，这部分要减去，才是通过电子节流阀体控制的充量需求。充气量需求和实际充气量的差值作为充气量的调节系数补偿到充量需求中，从而获得修正后的充量需求。在当前怠速转速下，修正的充量需求乘上充量到进气量转化系数，就确定了怠速时进气量需求。

图6　　怠速控制转矩需求到进气需求控制策略逻辑图

4.3怠速转矩需求转化为发动机进气量需求

如图7所示，由怠速进气量需求，最终通过节气门开度控制需求来实现。由于炭罐电磁阀有部分新鲜空气流入，还有节气门0位置的漏气量，这两部分的进气量要减去后，才是阀片控制的需求进气量。阀片控制的进气量通过电子节流阀体的流量特性，就转化为怠速节气门开度需求。

图7　　怠速控制进气需求到节气门需求控制策略逻辑图

从整个控制策略逻辑可以看出，怠速目标转速的维持，基础是怠速转矩需求。怠速转矩需求经过充气量需求转化为进气量的需求，进气量的需求通过电子节流阀体流量特性，最终通过节流阀体开度控制需求来实现。这样，由于电子节流阀体积炭导致的进气流量偏差，就会导致当需求的节气门开度和实际开度相同的情况下，实际进气量达不到需求进气量的要求。通过实际数据采集发现，清洁的电子节流阀体怠速时节气门开度为0.9%，对应的进气量为6.9 kg/h，积炭的电子节流阀体怠速时的节气门开度为2%，对应的进气量为7 kg/h。这也更加论证了逻辑上怠速转矩需求和进气量需求的准确性，而产生偏差的原因即为积炭导致了电子节流阀体流量特性的偏差。

从逻辑上可以看到两个地方的修正可以对电子节流阀体积炭进气流量影响起到一定的作用：一个是充气调节量；一个是节气门漏气量。但并不能从根本上解决这个问题。

充气量的调节功能主要是用来在负荷突变的时候校正歧管压力。负荷突变主要是指加减速或者怠速时电器负载的开关过渡。可以称之为负荷控制器的P调节，对于怠速时电器负载的开关负载变化以及Tip-in/ Tip-out负载变化时，避免转速的过度上冲和下跌。当电子节流阀体出现积炭的时候，稳态怠速下需求进气量和实际进气量产生偏差，充量调节可以有积极的调节作用，但并不能根本解决问题。首先，充量调节因为是P调节，不能在起动后立即使能干预，通常是起动结束后10 s使能。如果过早使能会引起转速波动。如图8所示，把充量控制使能时间调整到1 s，出现发动机转速波动的情况。其次，当出现积炭的时候，充量调节在负荷突变的时候，其作用也会受到限制。

图8　　起动后1s立即进入充量控制转速波动采集图

节气门漏气量的调节。电子节流阀体在关闭 （机械0位置）的时候，仍旧有一部分进气量，称之为漏气量。节流阀体在生产一致性上存在散差，允许漏气量有稍许的偏差。通常每次起动的时候，漏气量的初始化值被赋给3.5 kg/h（依据电子节流阀体的设计指标），在怠速及断油的时候进行自学习 （炭罐冲刷时不使能），自学习范围0～7kg/h。通过实际数据采集分析，图9所示积炭的电子节流阀体漏气量的自学习从3.5kg/h开始向下学习，直至为0。这其中反映的并不是真正意义上的节气门漏气量为0，而是因为积炭导致进气流量较小，实际的进气量和需求的进气量偏差导致的漏气量误学习。因为本身节气门漏气量的学习需要一定的时间，况且漏气量的学习范围有限，也不能完全解决这种问题。

图9　　积炭节流阀体漏气量自学习采集图

4.4电子节流阀体流量自学习策略设计

为解决电子节流阀体积炭导致的进气流量偏差所带来的控制问题，需要新的控制策略设计。为此，专门对电子节流阀体流量自学习策略进行研究。电子节流阀体流量自学习策略主要包括2个部分：①电子节流阀体流量自学习使能条件的判断；②电子节流阀体流量自学习值的计算。

4.4.1自学习使能条件的判断策略

1）电子节流阀体流量自学习只能在怠速工况下进行。积炭对流量的影响在怠速工况最为明显，本身怠速进气量需求较小，积炭流量偏差更加显著，且这种积炭流量偏差只影响怠速控制。

2）在一些关键零部件有故障的时候，不能进行电子节流阀体的流量自学习控制。如：TMAP歧管压力传感器、电子节气门故障 （包括位置传感器和直流电机）等。这些零部件因为和进气量计算、节气门控制相关，一旦产生故障，在不可信的信号下不能进行自学习。

3）起动结束后才允许进入电子节流阀体流量自学习。因为起动的时候进气量的开环控制以及燃烧的不稳定性等直接影响进气量的计算。

4）Ld闭环控制进入，不再进行电子节流阀体的流量自学习。二者产生冲突，直接导致控制异常。

5）当有电器负载，如空调、前照灯、助力转向等电器负载开/关的时候，不允许进入电子节流阀体流量自学习。因为这些电器负载的开/关直接导致进气负荷的突变，容易导致自学习误判。

6）当实际的电子节流阀体位置和需求位置一致（偏差在一定的范围内），实际进气量和需求进气量的偏差超过特定的值，则判断电子节流阀体因为积炭导致流量偏差，需进行电子节流阀体流量自学习。

通过以上条件综合判断电子节流阀体是不是因为积炭而导致流量偏差，且对怠速控制产生不利的影响，从而进行电子节流阀体流量自学习。

4.4.2自学习值的计算

当电子节流阀体流量自学习使能条件满足后，实际的进气量和需求的进气量之间的偏差即为积炭对流量的影响量。在依据需求进气量计算节气门开度的时候，考虑到这部分偏差就完成了电子节流阀体的流量自学习。需要注意以下两点：①实际进气量和需求进气量之间的偏差需要通过滤波后，才能作为真正意义上用于电子节流阀体流量自学习的计算，波动的信号不能作为自学习值；②电子节流阀体自学习值学习完成后，要写入EEROM中，这样发动机每次起动都会从EEROM中调入自学习值，自学习才能有效实现功能控制。

5　结束语

电子节流阀体流量自学习功能，可判断因为积炭等因素导致进气流量偏差，并对这种偏差进行自动化的控制纠错，避免ECU系统控制功能故障，如怠速不稳、熄火等。通过试验跟踪，大约每1万km，电子节流阀体积炭就会对控制产生影响。而本文电子节流阀体积炭流量自学习策略，通过控制功能实现自动化纠错，驾驶者无需清洗电子节流阀体，同时提升控制系统的可靠性。奇瑞自主研发的二代发动机管理控制系统CEMS E1.0具有此控制功能，且已经在奇瑞瑞虎3上实现应用。

［1］祁克光.机械和电子节流阀体怠速控制技术分析［J］.汽车电器，2014（10）：32-35.（编辑心翔）

On the Coping Strategy for Carbon Deposit in Electronic Throttle Valve Body

QI Ke-guang1，HUANG Kai-sheng2
（1.Engine Engineering Research Institute of Chery Automobile Co.，Ltd.，Wuhu241009，China；2.Department of Automotive Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Control can be affected by carbon deposit in electronic throttle valve through aftersales and practical test analysis.The effect of carbon deposit on air input flow and its coping strategy are studied here.

electronic throttle valve body；carbon deposit；flow self-learning

U463.6

A

1003-8639（2016）02-0005-04

2015-09-14；

2015-11-13

祁克光，2002年从事汽车电控工作，2008年6月带领团队完成中国第一个完全自主知识产权的EMS系统CEMS1.0并批量应用，2011年以"奇瑞自主EMS项目"为课题获得中国汽车工业部科技进步二等奖。