◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

2.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)(ETCS-i)

ETCS-i是使用計算機控制節(jié)氣門開度的系統(tǒng)。ETCS-i系統(tǒng)組成如圖18所示，包括加速踏板位置傳感器、發(fā)動機ECU和節(jié)氣門體。節(jié)氣門體的結(jié)構(gòu)如圖19所示。節(jié)氣門體包括控制進氣量的節(jié)氣門、檢測節(jié)氣門開度狀態(tài)的節(jié)氣門位置傳感器、打開或關(guān)閉節(jié)氣門的驅(qū)動馬達(dá)、使節(jié)氣門返回固定位置的回位彈簧。節(jié)氣門驅(qū)動馬達(dá)采用了反應(yīng)靈敏度高、耗能小的直流馬達(dá)。

圖18 ETCS-i系統(tǒng)組成

節(jié)氣門位置傳感器由霍爾元件和可繞其轉(zhuǎn)動的磁鐵制成的霍爾IC構(gòu)成，磁鐵安裝在節(jié)氣門軸上，與節(jié)氣門一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)節(jié)氣門開啟時，磁鐵也同時轉(zhuǎn)動，改變位置，使磁通量發(fā)生變化，霍爾IC因磁通量變化從VTA1和VTA2端子輸出霍爾效應(yīng)電壓，此電壓信號被輸送到發(fā)動機ECU作為節(jié)氣門位置信號。此傳感器不僅能精確檢測節(jié)氣門開啟程度，還采用了無接觸方式，結(jié)構(gòu)簡單，不易發(fā)生故障。而且，為了保證傳感器的可靠性，還具有不同輸出的兩個輸出信號的冗余設(shè)計，如圖20所示。

霍爾型加速踏板位置傳感器的構(gòu)造和工作原理同霍爾型節(jié)氣門位置傳感器基本相同，為確保元件較好的可靠性，兩個輸出信號都有各自的電路構(gòu)成，如圖21所示。

圖19 節(jié)氣門體的結(jié)構(gòu)

圖20 霍爾型節(jié)氣門位置傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理圖

圖21 霍爾型加速踏板位置傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理圖

常規(guī)機械連接的節(jié)氣門系統(tǒng)中，節(jié)氣門開啟與關(guān)閉是由從加速踏板到節(jié)氣門體之間的一根油門拉索來控制。在ETCS-i系統(tǒng)里，油門拉索已被廢除，而是根據(jù)加速踏板的踩壓量大小，發(fā)動機ECU使用節(jié)氣門驅(qū)動馬達(dá)來柔性控制節(jié)氣門的開啟或關(guān)閉。尤其是在混合動力汽車上，發(fā)動機怠速及低負(fù)荷停止工作，使得節(jié)氣門的開度與加速踏板位置已是非線性關(guān)系，而是由混合動力系統(tǒng)HV-ECU根據(jù)駕駛員的操作信息，例如，加速踏板位置、制動踏板位置、擋位、空調(diào)工作狀態(tài)、SOC狀態(tài)、減速與加速等信息,這些信息通過多路通信傳輸給發(fā)動機ECU，ECU將這些信息計算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)當(dāng)前曲軸位置、凸輪軸位置、進氣充量、冷卻液溫度和節(jié)氣門位置等信息對節(jié)氣門轉(zhuǎn)角期望值進行補償，得到節(jié)氣門的最佳開度，并且換算成節(jié)氣門驅(qū)動馬達(dá)的電流矢量，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動或維持，然后通過減速齒輪打開或關(guān)閉節(jié)氣門，節(jié)氣門的實際開啟角由節(jié)氣門位置傳感器檢測并反饋給發(fā)動機ECU，形成閉環(huán)的節(jié)氣門位置控制。當(dāng)沒有電流流向馬達(dá)時，節(jié)氣門回位彈簧使節(jié)氣門開啟在大約7°的固定位置。

ETCS-i系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動機扭矩有兩條可供選擇的路徑，如圖22所示。

圖22 ETCS-i系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動機扭矩輸出控制路徑

一條是漸進反應(yīng)路徑，它受節(jié)氣門(帶ETCS-i)觸發(fā)控制，快速控制點火正時和/或停止噴油。另一條是較慢的路徑，也被稱為充量(進氣量)控制路徑，是針對平穩(wěn)的操作。對一個給定的扭矩計算得出的充量要求決定汽缸進氣量，然后將這個充量轉(zhuǎn)換成節(jié)氣門開度。如圖23所示給出了發(fā)動機各運行模式與加速踏板角度和節(jié)氣門開度曲線。對于帶有扭矩激活傳動系控制縱向力加速度的車輛，采用節(jié)氣門開啟角度小于或大于加速踏板的踩壓角度，改變節(jié)氣門開啟速率，以便于車輛的縱向加速度逐漸上升，來達(dá)到平穩(wěn)的車輛加速行駛，如圖24所示ETCS-i系統(tǒng)控制車輛傳動系扭矩曲線圖。

ETCS-i失效保護功能，如果發(fā)動機ECU檢測到ETCS-i系統(tǒng)出現(xiàn)故障，它將點亮組合儀表上的故障指示燈以通報給駕駛員。例如，加速踏板位置傳感器信號或節(jié)氣門位置傳感器信號輸出電路中的冗余電壓出現(xiàn)反常差別時，發(fā)動機ECU都會將車輛轉(zhuǎn)換到跛行模式(故障慢行模式)。加速踏板傳感器故障跛行模式控制中，使用剩余一條電路輸出電壓來計算加速踏板位置的開啟角度，并將車輛在節(jié)氣門開啟角度大于正常值的有限條件下行駛。節(jié)氣門位置傳感器故障跛行模式，發(fā)動機ECU會切斷驅(qū)動馬達(dá)的控制電流，這時由回位彈簧將節(jié)氣門開啟到固定的位置，而噴油量和噴射時間都由加速踏板位置信號來控制。雖然發(fā)動機輸出功率受到很大限制，但車輛仍能行駛。

3.廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)(EGR)

廢氣再循環(huán)技術(shù)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是將一部分內(nèi)燃機燃燒產(chǎn)生的廢氣重新導(dǎo)入到進氣系統(tǒng)中，與新鮮充量混合后一同進入汽缸，再次參與缸內(nèi)燃燒，這項技術(shù)主要用來降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，抑制NOx的生成與排放。而對汽油機而言，引入EGR還能夠在部分負(fù)荷下降低泵氣損失，從而降低燃油消耗率。

EGR系統(tǒng)的分類有很多種。根據(jù)廢氣進入汽缸是否通過發(fā)動機的進氣系統(tǒng)，EGR可以分為外部EGR系統(tǒng)和內(nèi)部EGR系統(tǒng)。內(nèi)部EGR循環(huán)是通過可變氣門正時機構(gòu)改變配氣相位來實現(xiàn)的，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，不需要改變發(fā)動機的機體構(gòu)造，但其對EGR率的控制非常困難。外部EGR循環(huán)是在發(fā)動機上加裝外部管路，將廢氣從排氣管引入進氣系統(tǒng)，中間還需加裝冷卻系統(tǒng)、EGR閥等，結(jié)構(gòu)雖然相對復(fù)雜，但是可以通過電控系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)EGR率。如圖25所示為EGR系統(tǒng)廢氣循環(huán)示意圖。

圖23 發(fā)動機各運行模式與加速踏板角度和節(jié)氣門開度曲線圖

圖24 ETCS-i系統(tǒng)控制車輛傳動系扭矩曲線圖

發(fā)動機在燃燒后排出的廢氣中氧含量極低，近乎為零，因此排出的廢氣與新鮮空氣充量混合后會使總的進氣中氧氣濃度降低，這樣比空氣的含氧量還低的進氣充量在缸內(nèi)燃燒會使燃燒速率下降、最高燃燒溫度降低，從而破壞了NOx生成的條件，抑制了NOx的生成。另外試驗結(jié)果表明，與不引入EGR的缸內(nèi)燃燒相比，EGR中高比熱容的CO2和H2O會大量吸收缸內(nèi)燃燒釋放的熱量，如果兩種情況中燃燒釋放的熱量相同，那么引入EGR的缸內(nèi)燃燒的最高燃燒溫度必然降低。同時EGR中的二氧化碳、水以及N2等成分基本不參與燃燒，引入EGR相當(dāng)于稀釋了總的進氣充量，這樣導(dǎo)致了缸內(nèi)燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停紵艧崧蕼p緩，同樣使得最高燃燒溫度下降。EGR通過以上兩個方面的綜合作用抑制了NOx的生成與排放。

EGR不僅影響發(fā)動機的排放性，還影響經(jīng)濟性。例如豐田混合動力發(fā)動機在高負(fù)荷工況下引入冷卻廢氣再循環(huán)，一方面降低缸內(nèi)燃燒溫度，提升大負(fù)荷工況發(fā)動機的抗爆性，從而降低油耗；另一方面，發(fā)動機長期在大負(fù)荷工況工作，排氣溫度偏高，利用冷卻EGR也可以降低排氣溫度，原來阿特金森循環(huán)技術(shù)可使油耗降低8.5%，冷卻EGR技術(shù)可使油耗在此基礎(chǔ)上進一步降低1.7%。典型混合動力汽車自然吸氣高膨脹比汽油機性能參數(shù)對比如圖26所示。

圖25 EGR系統(tǒng)廢氣循環(huán)示意圖

圖26 典型混合動力汽車自然吸氣高膨脹比汽油機性能參數(shù)對比

五、減少發(fā)動機機械損失技術(shù)

圖27所示為豐田混合動力發(fā)動機電控冷卻液循環(huán)系統(tǒng)示意圖。

圖27 豐田混合動力發(fā)動機電控冷卻液循環(huán)系統(tǒng)示意圖

豐田采用電動水泵替代發(fā)動機曲軸皮帶驅(qū)動機械水泵，并由電機操縱冷卻液流循環(huán)，實現(xiàn)不同工況下對冷卻液流量的自由控制，在高負(fù)荷工況下增加流量增強發(fā)動機的散熱效果。由于混合動力發(fā)動機主要工作在中高負(fù)荷，其缸內(nèi)負(fù)壓相對傳統(tǒng)發(fā)動機較小，加上1.8L汽油機在相同的輸出功率時相比1.5L汽油機轉(zhuǎn)速更低，因此豐田適當(dāng)減小了活塞環(huán)壓緊力，最終使得1.8L汽油機機械損失比1.5L汽油機減小了26.8%，發(fā)動機機械損失構(gòu)成及減少量如圖28所示。

圖28 豐田兩代混合動力發(fā)動機機械損失對比

在排放后處理方面，針對發(fā)動機冷啟動工況及高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況，豐田利用電動水泵減少冷卻液流量，利用排氣熱量回收系統(tǒng)收集排氣余熱對催化劑進行快速預(yù)熱，優(yōu)化排放性能，縮短暖機時間，降低冷啟動油耗，使整車在冬天的燃油經(jīng)濟性提高19%。

六、混合動力汽車發(fā)動機故障分析

1.案例一

故障現(xiàn)象

一輛2006年生產(chǎn)的豐田普銳斯，車型NHW20L,搭載豐田THS混合動力系統(tǒng)和1.5L 1NZ-FXS發(fā)動機，行駛里程70km?？蛻粼谛萝囂彳嚭?，行駛30km回家。次日第一次啟動車輛發(fā)現(xiàn)發(fā)動機故障燈點亮，因此客戶將車輛返回經(jīng)銷店檢查。

故障診斷

(1)故障現(xiàn)象確認(rèn)

①“READY ON”狀態(tài)(發(fā)動機不工作狀態(tài))無明顯異常。

②將車輛調(diào)整為維修模式，發(fā)動機強制工作時，可感受到發(fā)動機傳來的強烈振動(明顯的異常振動傳遞到駕駛室)。豐田普銳斯混合動力激活檢查模式如圖29所示。

圖29 豐田普銳斯混合動力汽車激活檢查模式示意圖

③故障現(xiàn)象與冷車或熱車沒有關(guān)系。故障現(xiàn)象不會改變。

④電源開關(guān)回到IG OFF，再次打開IG NO(READY ON狀態(tài))，激活檢查模式使發(fā)動機工作，發(fā)動機警告燈點亮(DTC：P0171輸出，雙程檢測邏輯的原因)。

⑤清除DTC，DTC清除不了。

(2)檢查

①發(fā)動機怠速時的數(shù)據(jù)流確認(rèn)，空燃比稀，暖機狀態(tài)下發(fā)動機怠速與正常車輛相比，可以明顯發(fā)現(xiàn)空燃比稀薄，故障車數(shù)據(jù)流與正常車數(shù)據(jù)流如圖30、31所示。

故障車數(shù)據(jù)流：A/F傳感器電壓：4.99(稀);LFT：14.8%;SFT：19～20%;O2傳感器電壓：0。

正常車數(shù)據(jù)流：A/F傳感器電壓：3.2～3.3(正常);LFT：14.8%;SFT：-2.4～-0.8%;O2傳感器電壓：0.6V。

圖30 故障車混合汽稀數(shù)據(jù)流

圖31 正常車混合汽數(shù)據(jù)流

②用智能診斷儀執(zhí)行主動測試(InjVol)，增加燃料噴射量后，發(fā)動機的振動好轉(zhuǎn)。

根據(jù)上述主動測試的結(jié)果，可以確定是由于空燃比稀薄引起的故障。可能是由于下列的原因造成的故障：從進氣系統(tǒng)處(電子節(jié)氣門后方)存在空氣吸入；燃油壓力低下；噴油器堵塞；發(fā)動機ECU異常。

③進氣系統(tǒng)的吸氣檢查：確認(rèn)在節(jié)氣門體與進氣歧管接觸部存在空氣吸入，檢查方法如圖32所示。

圖32 檢查進氣系統(tǒng)漏氣示意圖