2020年02月26日 | 粉碎流言 | 机械油门比电子油门安全吗？！

引子

“机械系统永远比电子系统安全可靠！”，这是我的老驾驶员朋友长久的执念。

从某种角度讲，这是完全可信的的理论！

或许电子系统可靠性稍差，就不能确保安全吗？

油门与刹车，永远是事关行车安全的大事。最近，就汽车广泛装备的电子油门系统安全性，他又开始“发难”了，“我们过去使用的机械油门安全可靠，用这玩意儿，不怕车辆失控加速停不下来吗？！”。

鉴于过去确实发生过此类事情，我给他的答复是：如今成熟的电子控制系统，如果出现安全问题，在机械方面出现故障的可能性反而会更大！

“理由呢？”，“自己上网搜去吧。”，“找不到答案！”。。。。。。

本期笔者会用通俗的讲解，从原理上给许多持有类似观点的读者以清晰的答案。

的确，绝大部分车主朋友，完全不清楚油门踏板下隐藏着什么。。。。。。

节气门

控制汽车动力的“阀门”

简单来说，内燃机汽车的动力来自于引擎这座“大灶”。

足够的空气与燃料充分混合，才能取得良好的燃烧效果。汽车的油门，正是驾驶者控制引擎燃烧做功过程的“阀门”。

我们日常所说的汽车油门，其实是指汽车的节气门（也称：节流阀）系统。

驾驶者通过这个“阀门”，控制着流入引擎燃烧室的空气总量（通常，您是用脚来完成对阀门的管理），车载电子控制单元（ECU）正是根据流入空气量的多少，按既定程序喷出适量的燃油，来配合整个燃烧过程。当然，您的油门给得越大，更多的空气会导致喷油系统提供更多的燃油供给，引擎输出的功率与扭矩也会上升。

但是，您用油门踏板表达的动力控制意图，如何传递到“阀门”处呢？

机械油门

包括笔者在内的不少老驾驶员，都驾驶过这样的旧式汽车，油门踏板通过机械结构连接到“阀门”（节气门）外体的摇臂上。

这种连接方式大致有两种类型，一种为是金属拉杆方式的硬连接结构，而另一种是内芯为钢丝拉线（俗称油门拉线）的软连接结构。

通过这种最简单的机械连接方式，实现了将油门踏板的位置（角度）变化，同步传递到节气阀门处，从而实现了两者之间的联动功能。

例如：当驾驶员踩下一半油门时，因为此种机械联动装置的存在，节气阀门也会同步实现50%的开度（打开角度），而当驾驶者松开油门时，机械弹簧又使之恢复原位。

当然，节气门如果完全关闭，空气将无法进入引擎，这将造成引擎立即熄火。但汽车节气门的设计结构，保留了直接绕开节气阀门的小流量空气通道，适量的空气能维持引擎基本工作，这就是我们常说的“怠速状态”。

机械油门系统在汽车发展史上存在了相当长的时间，其可靠性与安全性的确不容置疑！

即使是现在，仍有少量车辆（旧式、廉价车型或工程机械）使用这种节气门控制方式，原因仅有一个：成本！

但是，机械油门存在两大问题：

1.由于长时间处于往复运动状态，机械油门联动装置的各部位会逐渐磨损松旷，从而引起油门控制精度的严重下降，因此其寿命也不会太过长久。

2.这一点是最为致命的！机械油门系统已经无法与汽车电子技术的发展与时俱进了，其它车载电子系统无法与这个纯机械装置协同工作！

它可能仅余下唯一优点：驾驶者可以任意控制汽车的动力输出！（特殊需求）

有读者可能会对此感到非常疑惑，别急，答案在下一小节！

电子油门

电子节气门控制（ETC）是一种汽车电子技术，ETC系统由三个主要部分组成：油门踏板模块，节气门（阀门由电动机驱动），电子控制单元（ECU）或动力控制模块（PCM）。

电子控制单元通过各种传感器（油门踏板位置传感器，发动机转速传感器，车速传感器以及巡航控制等系统）获取数据，参照预先设置程序，综合计算出结果，伺服电机打开节气阀门至指定角度位置，从而保持最佳空气燃油混合比例（空燃比）。

电子油门系统基本架构

让我们来看看它与机械油门系统的区别：

首先，油门踏板与节气门之间，已不存在任何实质性的机械连接结构，取代机械联动装置的，是油门踏板位置传感器（APS），其功能为检测油门踏板的实时位置（角度），将其转换为电信号，发送给车载电子控制单元（ECU）。

其次，与机械油门相比，电子油门踏板的位置（角度）变化，节气门不会直接响应，其变化数据须先经车载电子控制单元进行处理，经预设程序综合分析计算以后，再将“合理”指令发送至节气门处，由阀门电机具体执行！

电子油门系统的控制方式，在减少了机械运动部件的同时，极大提高了汽车油门操控的灵敏度与精确度（电控特性），车辆的操控性与燃油经济性都得以大幅提升。

但是，要达到机械油门系统那样安全与可靠，仍然需要在系统设计上进一步强化。

为提高电子油门安全性与可靠性，节气门外体上设置有节气门位置传感器（TPS），与油门踏板位置传感器类似，其功能是实时监测节气门的开度（打开角度），将数据实时回传ECU，如果回传的节气门开度信息与此前发送的数据不符，这显然代表节气门执行机构存在某种故障，系统会转入故障处理程序，并在仪表盘显示故障信息。

如此周而复始，随着油门踏板的位置（角度）变化，节气门的开度也随之发生相应改变，引擎始终在最佳空燃比的工况下运行。

由此，电子油门系统采用闭环工作的方式，实时监测并可干预驾驶者通过油门踏板执行的任何操作。

最重要的是，ECU绝对不会允许驾驶者任意操控引擎动力，其基本原则是：电子油门控制程序只接收任何给定情况下节气门的唯一正确开度，对行车安全、引擎安全有负面影响的油门操作，一律不予执行（系统保护）！

没错，这看起来的确有些“喧宾夺主”，但优势也很明显。

引擎不太可能因驾驶者的恣意操作而损坏！

更重要的是，以往的机械油门系统，无法与其它电子系统进行数据分享与功能协作，但电子油门系统可以！

大部分现代汽车装备的先进辅助系统，例如：电子巡航控制（ACC），电子牵引力控制（TSC），电子稳定性控制（ESC）以及预碰撞安全等电子系统，均需要对引擎的输出动力，进行实时精确的管理与控制。

而电子油门系统规范的数据接口，使众多电子系统的集成变为现实！

冗余设计 算法安全

电子油门系统安全吗？

电子油门系统安全吗？

前文解析的内容，部分回答了这个问题。

阅读完本节，答案就会非常明晰。

其实，秘密就在电子油门系统功能实现的细节之中。

幸运的是，我们只需要了解一种传感器的工作原理，就能了解其整个系统的工作模式与安全机制。

①油门踏板位置传感器

从外观上看，电子油门踏板与机械油门踏板并无太大区别。

唯一不同的是，前者增加了小型传感器，这就是前文提到过的“油门位置传感器”。

这个不起眼的小玩意儿，如何把油门踏板的实时位置（角度）传送给车载电子控制单元的呢？

其实，原理并不复杂。

该传感器的侦测部件与油门踏板联动，应用电位器原理，将油门踏板实时位置（角度）信息转换为电信号，传送给ECU。

滑动臂与油门踏板在整块电阻轨道上滑动，这种移动会动态改变以滑动臂（电刷）为分界线的电阻R1与R2的阻值。

由于电子油门系统已经提供了稳定的参考电压，那么这种滑动变阻的直接结果就是：当油门踏板处于不同位置时，传感器输出端会采集到不同的电压值。

于是，该传感器实现了这样的功能：不同的油门踏板位置（角度）=不同的采集电压值

接触式油门踏板位置传感器工作原理

上图可直观地说明该传感器的基本工作原理，例如：当滑动臂向右移动时，电阻R1的阻值逐渐减小，传感器输出端采集到的电压值会逐渐增大，这显然标志着驾驶者正通过踩下油门踏板，试图加速。

如果要获得的精确结果，只需使用我们初中学过的基本物理电学定律即可：

欧姆定律：V（电压） = I（电流）X R（电阻）

其实，R1与R2的具体数值都很容易算出，直接利用基尔霍夫公式即可：

公式的推导与运算非常简单，且非本文重点，我们不需深究，重要的是，我们获得如下认知：

通过油门踏板位置传感器，电子油门控制系统建立了踏板位置（角度）与传感器输出电压的对应关系。

驾驶者通过操作油门踏板欲实现的加减速意图，已被传感器完美采集，并可实时发送至车载电控单元！

划重点的地方来了！

双传感单元设计 保证安全与可靠性

典型的电子油门踏板组件里，厂商至少设置了两个功能与原理完全相同的传感单元（仅是工作电压有所区别）！

以下笔者将专用示波器监测到的一次通过油门踏板加油的全过程，展示给读者。

油门踏板位置传感器动态采集数据实例

无需专业知识，笔者为大家进行图表分析：这是一次通过油门踏板，从无油门到油门到底，最后停止加速的全过程。

我们可以清楚地看到：以红蓝线为代表的两个传感单元，采集输出到ECU的电压值连续变化情况。

您看到其采集到的电压值，随油门踏板位置的变化而波动了吗？

有两个非常完整的连续增高电压构成的工作波形（工作电压较低的传感单元，波形不太明显）。

有读者会问，我明白工作原理了，但这与电子油门的安全性有关吗？

其秘密在于：该传感器不但具有两个传感单元，而且电子油门控制程序，会综合计算两个传感单元同时采集到的电压值，来确定最终结果。

这种处理机制最大的优点是：如果单个传感单元出现故障而产生错误数值，控制程序通过对比计算，很容易发现故障问题！

控制程序发现运算结果异常以后，其预设的故障处理程序就会启动。

或许ECU会允许您缓慢地将车行驶至维修地点，但无论怎样加油，车辆不会响应驾驶者的请求，直至故障排除。

②节气门位置传感器

这部分内容就没有难度了。

因为节气门位置传感器的基本工作原理，与前者完全一样，亦是将位置信息转换为电信号，回转给ECU，正如前文所述，后者根据采集回传的数据，监控节气门是否正常工作。

同样，此传感器仍然以至少两个传感单元的配置出现，避免因单个传感单元失效，可能会带来的安全性与可靠性方面的问题。

节气门位置传感器动态采集数据实例

上图为两个节气门传感单元检测到同一次加油过程，唯一与油门位置传感器的区别是：两个传感单元以相反的模式采集数据。

ECU仍会将两者数据进行综合计算，其最终结果才能作为判断依据。

结论分析

写到这里，关于电子油门系统的安全性，读者朋友们可以得出什么结论？

本图文中的电子油门系统，采用了经典的电子冗余器件配置模式，由两个功能相同的传感单元，共同完成同一数据采集，这有效避免了因单个传感器件故障带来的诸多问题。

而针对多个传感单元采集的数据，将“相互监督”式的交叉对比计算结果，作为最终的判定依据，显然具有高精确性与高容错性。

而当系统中单个传感单元出现故障时，控制程序会立即启动故障处理程序，限制甚至停止引擎动力输出，防止意外事故发生。

通过本文的解析，面对电子油门系统完善的工作模式与故障处理机制，我们还有什么理由去质疑其安全性呢？！