汽车发动机怠速控制系统结构

（一）怠速控制系统的功用及组成

1．怠速控制系统功用

怠速是指节气门关闭，加速踏板完全松开，且发动机对外无功率输出并保持最低转速稳定运转的工况。电控汽油喷射式发动机在怠速工况时，空气通过节气门缝隙或旁通的怠速空气道进入发动机，并由空气流量计（或进气管绝对压力传感器）对进气量进行检测，电控燃油喷射系统则根据各传感器信号控制喷油量，保证发动机以最佳的怠速转速运转。此时，驾驶人无法进行怠速进气量的调节与控制。要点

在怠速控制系统中，ECU根据节气门位置传感器信号和车速信号确认怠速工况，只有在节气门全关、车速为零时，才进行上述的怠速控制。

2．怠速控制系统的组成

怠速控制系统主要由传感器、ECU和执行元件三部分组成，如图4-1所示。各组成部分的功用如表4-1所示。首先，ECU根据各传感器的检测信号进行判断发动机是否处于怠速工况及发动机负荷的变化情况，并根据存储在ECU的怠速控制程序确定一个怠速运转的目标转速，并与实际怠速转速进行比较，根据比较结果控制执行元件工作，以调节进气量，使发动机的怠速转速达到所确定的目标值。

图4-1 怠速控制系统的组成

表4-1 怠速控制系统组成部分及其功用

（二）怠速控制系统的类型与控制内容

1．怠速控制系统的类型

怠速控制的实质就是对怠速工况下的进气量进行控制。根据控制进气量方式的不同，怠速控制可分为节气门直动式和旁通空气道式两种控制类型，如图4-2所示。

图4-2 怠速控制系统的控制类型

要点

节气门直动式是通过执行元件改变节气门的最小开度来控制怠速进气量。

在旁通空气道式怠速控制系统中，设有旁通节气门的怠速空气道，由执行元件控制流经怠速空气道的空气量。

2．怠速控制系统的控制内容

为了实现发动机在目标怠速转速下稳定运转，怠速控制系统主要完成起动初始位置的设定、起动控制、暖机控制、怠速稳定控制、怠速预测控制、电器负荷增多时的怠速控制等控制内容。

（1）起动初始位置的设定 为了改善发动机的起动性能，关闭点火开关使发动机熄火后，ECU继续给怠速控制执行机构供电约2~3s，使怠速控制执行机构回到起动初始（全开）位置。当怠速控制执行机构回到起动初始位置后，ECU停止给怠速控制执行机构供电，怠速控制执行机构保持全开不变，为下次起动须做好准备。

（2）起动控制 发动机起动时，由于怠速控制执行机构预先设定在全开位置，在起动期间经怠速空气道可供给最大的空气量，有利于发动机起动。但怠速控制阀如果始终保持在全开位置，发动机起动后的怠速转速就会过高，所以在起动期间，ECU根据冷却液温度传感器信号来控制怠速控制执行机构，调节怠速控制阀的开度，使之达到起动后暖机控制的最佳位置，此位置随冷却液温度的升高而减小，控制特性存储在ECU内。

（3）暖机控制 暖机控制又称快怠速控制，在暖机过程中，ECU根据冷却液温度信号按内存的控制特性控制怠速控制阀开度，随着温度上升，怠速控制阀开度逐渐减小。当冷却液温度达到设定温度时，暖机控制过程结束。

（4）怠速稳定控制 在怠速运转时，ECU将接收到的转速信号与确定的目标转速进行比较，其差值超过一定值（一般为20r/min）时，ECU将通过怠速控制执行机构控制怠速控制阀，调节怠速空气供给量，使发动机的实际转速与目标转速相同。怠速稳定控制又称反馈控制。

（5）怠速预测控制 发动机在怠速运转时，如变速器档位、动力转向、空调工作状态的变化都将使发动机的转速发生可以预见的变化。为了避免发动机怠速转速波动过大或熄火，在发动机负荷出现变化时，不等发动机转速变化，ECU就会根据各负载设备开关信号（A/C开关等），通过怠速控制执行机构提前调节怠速控制阀的开度。

（6）电器负荷增多时的怠速控制 在怠速运转时，如使用的电器负载增大到一定程度，蓄电池电压就会降低。为了保证电控系统正常的供电电压，ECU根据蓄电池电压信号，通过怠速控制执行机构调节怠速控制阀的开度，提高发动机的怠速转速，以提高发电机的输出功率。

（7）学习控制 在发动机使用过程中，由于磨损等原因会导致怠速控制阀的性能发生改变，怠速控制阀的位置相同时，但实际的怠速转速会与设定的目标转速略有不同。在此情况下，ECU在利用反馈控制使怠速转速回归到目标值的同时，还可将怠速控制执行机构的运行情况存储在ROM存储器中，以便在此后的怠速控制过程中使用。

（三）怠速控制执行机构的结构与工作原理

1．节气门直动式怠速控制执行机构的结构与工作原理

（1）节气门直动式怠速控制执行机构的结构。

要点

节气门直动式怠速控制执行机构，是通过节气门体怠速稳定控制器控制节气门的开启来实现怠速稳定控制的。

怠速稳定控制器由一个直流电动机通过齿轮传动，控制节气门的开启。

图4-3所示为大众轿车采用的节气门直动式怠速控制执行机构，节气门体主要由节气门和怠速稳定控制器组成，该怠速稳定控制器主要由怠速电动机、齿轮减速机构、应急弹簧、节气门电位计、怠速节气门电位计和怠速开关等构成。怠速电动机可正反两方向旋转，通过减速机构直接驱动节气门转动，使节气门开度增大或减小。节气门电位计相当于电喷发动机的节气门位置传感器，怠速节气门电位计相当于一个高灵敏度的，仅用于检测节气门怠速开度的节气门位置传感器，怠速开关则用来判定节气门是否进入怠速状态。

图4-3 节气门直动式怠速控制执行机构的结构

l－怠速节气门电位计 2－应急弹簧 3－怠速电动机 4－节气门位置传感器 5－怠速触点 6－节气门 7－怠速稳定控制器

（2）节气门直动式怠速控制执行机构的工作原理 节气门直动式怠速控制执行机构的控制电路如图4-4所示，节气门体上的怠速稳定控制器通过一个8端子连接器与ECU相连，各端子排列如图4-5所示。ECU的62端子向节气门电位计和怠速节气门电位计提供5V工作电压，67端子则通过ECU内部接地，75端子和74端于分别接收来自节气门电位计和怠速节气门电位计的信号，69端子与怠速开关相连，用来判定节气门是否进入怠速状态。当怠速开关闭合，69端子电位为0的情况下，ECU通过66端子和59端子向怠速电动机输出正向或反向的工作电流，使怠速电动机驱动节气门开大或关小，达到稳定和调节怠速的目的。当需要锁定怠速电动机从而锁定节气门开度时，ECU通过内部将66端子与59端子短接，即将怠速电动机的两个输入端子短接，利用电动机电枢感应电流所产生的磁场，形成电动机的转动阻力，从而产生制动效果。

图4-4 节气门直动式怠速控制执行机构的控制电路

图4-5 怠速稳定控制器端子排列顺序

l－怠速电动机正极端子 2－怠速电动机负极端子 3－怠速开关正极端子 4－电位计正极端子 5－节气门电位计信号端子 6－空端子7－怠速开关负极、电位计负极端子 8－怠速节气门电位计信号端子

当ECU根据转速、冷却液温度、空调开关等信号判定需要调节节气门开度来稳定或控制发动机的怠速转速时，就会向怠速电动机提供正向或反向工作电流，使怠速电动机正向或反向运转，并通过齿轮减速机构驱动节气门开度增大或减小，怠速节气门电位计则将节气门怠速开度的变化情况随时反馈给ECU。当发动机转速或节气门开度达到理想值时，ECU又会将怠速电动机锁定，从而使节气门开度锁定。当节气门由大开度突然关闭时，怠速电动机还可以减缓节气门的关闭速度，起到节气门缓冲器的作用。

此外，ECU具有自适应学习功能。在稳定的怠速工况下，电脑可将对应的怠速节气门开度位置存储记忆，以便下次起动后在稳定怠速控制过程中参考。当发动机技术状况发生变化（例如磨损、积炭等情况）时，要维持同样的怠速转速所需要的节气门开度可能会发生变化，这种自适应学习功能则可保证在发动机技术状态发生变化的情况下，其怠速转速基本维持不变。(www.xing528.com)

节气门直动式怠速控制器的结构比较简单，但采用齿轮减速机构后，会导致执行速度变慢，动态响应性差，控制器的外形尺寸也比较大，安装时受到一定的限制，其主要应用在大众、奥迪等车系上。

要点

当发动机熄火时，应急弹簧将节气门拉开至某特定开度，保证下次起动后，发动机处于高怠速运转状态，随着冷却液温度的升高，ECU通过怠速电机将节气门开度逐渐减小，发动机逐渐恢复到正常怠速状态。

当控制电路或怠速电动机等发生故障的情况下，应急弹簧还可将节气门拉开到某一预定的开度，保证发动机能以较高怠速应急运转，从而避免了熄火。

2．旁通空气式怠速执行机构的结构及原理

按执行元件的类型不同，旁通空气式怠速控制系统又分为步进电动机型、旋转电磁阀型、占空比控制电磁阀型等。

（1）步进电动机型怠速控制执行机构的结构与工作原理 步进电动机型怠速控制执行机构的结构如图4-6所示，步进电动机主要由转子和定子组成，丝杠机构将步进电动机的旋转运动转变为阀杆的直线运动，控制阀与阀杆制成一体，使阀心作轴向移动，改变阀心与阀座之间的间隙。步进电动机型怠速控制阀安装在节气门体上。

图4-6 步进电动机型怠速控制执行机构的结构

1－控制阀 2－前轴爪 3－后轴承 4－密封圈 5－丝杠机构 6－线束连接器 7－定子 8－转子

步进电机的结构如图4-7所示，主要由用永久磁铁制成的有16个（8对）磁极的转子和两个定子（定子A和定子B）组成。每个定子都由两个带16个爪极的铁心交错装配在一起，每对爪极（N极与S极）之间的间距为一个爪极的宽度，A、B两定子相差一个爪极的位差（图4-8），两个定子上分别绕有1、3相和2、4相两组线圈，每个定子上两线圈的绕制方向相反。ECU控制步进电动机工作时，给线圈输送的是脉冲电压，4个线圈的通电顺序（相位）不同，步进电动机的转动方向就不同，当按一定顺序输入一定数量的脉冲时，步进电动机就向某一方向转过一定的角度，步进电动机的转动量取决于输入脉冲的数量。因此，ECU通过对定子线圈通电顺序和输入脉冲数量的控制，即可改变步进电动机式怠速控制阀的位置（即开度），从而控制怠速空气量。由于给步进电动机每输入一定量的脉冲只转过一定的角度，其转动是不连续的，所以称为步进电动机。

图4-7 步进电动机的结构

1－控制阀 2－线圈A 3－线圈B 4－爪极 5－定子A 6－定子B

图4-8 定子爪极的位置

步进电动机的工作原理如图4-9所示。当ECU控制使步进电动机的线圈按1-2-3-4顺序依次接地时，定子磁场顺时针转动，由于与转子磁场间的相互作用（同性相斥，异性相吸），使转子随定子磁场同步转动。同理，步进电动机的线圈按相反的顺序通电时，转子则随定子磁场同步反转。转子每转一步与定子错开一个爪极的位置，由于定子有32个爪极（上、下两个铁心各16个），所以步进电动机每转一步为1/32圈（约11°转角），步进电动机的工作范围为0~125个步进级。

图4-9 步进电动机工作原理

图4-10所示为皇冠3.0轿车步进电动机型怠速控制执行机构电路图。主继电器触点闭合后，蓄电池电源经主继电器到达怠速控制阀的B1和B2端子、ECU的＋B和＋B1端子，B1端子向步进电动机的1、3相两个线圈供电，B2端子向2、4相两个线圈供电。4个线圈的分别通过端子S1、S2、S3和S4与ECU端子ISC1、ISC2、ISC3和ISC4相连，ECU控制各线圈的接地回路，以控制怠速控制阀的工作。

（2）旋转电磁阀型怠速控制执行机构的结构与工作原理 旋转电磁阀型怠速控制执行机构的结构如图4-11所示，怠速控制阀安装在阀轴的中部，阀轴的一端装有圆柱形永久磁铁，永久磁铁对应的圆周位置上装有位置相对的两个线圈。ECU控制两个线圈的通电或断开，改变两个线圈产生的磁场，两线圈产生的磁场与永久磁铁形成的磁场相互作用，可改变控制阀的位置，从而调节怠速空气口的开度，以实现怠速控制。由双金属片制成的卷簧，外端用固定销固定在阀体上，内端与阀轴端部的挡块相连接。阀轴上的限位杆穿过挡块的凹槽，使阀轴只能在挡块凹槽限定的范围内摆动。流过阀体冷却液腔的冷却液温度变化时，双金属片变形，带动挡块转动，从而改变阀轴转动的两个极限位置，以控制怠速控制阀的最大开度和最小开度。此装置主要起保护作用，可防止怠速控制系统电路出现故障时，发动机转速过高或过低，只要怠速控制系统工作正常，阀轴上的限位杆不与挡块的凹槽两侧接触。

图4-10 步进电动机型怠速控制阀电路

图4-11 旋转电磁阀型怠速控制阀结构

1－控制阀 2－双金属片 3－冷却液腔 4－阀体 5、7－线圈 6－永久磁铁 8－阀轴 9－怠速空气口 10－节气门体

图4-12所示为旋转电磁阀型怠速控制执行机构的控制电路，ECU通过控制旋转电磁阀型怠速控制执行机构两个线圈的平均通电时间（占空比）来实现对怠速控制阀开度的控制。占空比是指脉冲信号的通电时间与通电周期之比（如图4-13所示），通电周期一般是固定的，所以占空比增大，即是延长通电时间。当占空比为50%时，两线圈的平均通电时间相等，两者产生的磁场强度相同，电磁力相互抵消，阀轴不发生偏转。当占空比大于50%，两个线圈的平均通电时间一个增加，而另一个减小，两者产生的磁场强度也不同，所以使阀轴偏转一定角度，控制阀开启怠速空气口。占空比越大，两个线圈产生的磁场强度相差越多，控制阀开度越大。因此，ECU通过控制脉冲信号的占空比即可改变控制阀开度，从而控制怠速时的空气量。控制阀从全闭位置到全开位置之间，旋转角度限定在90°以内，ECU控制的占空比调整范围约为18%~82%。

图4-12 旋转电磁阀型怠速控制执行机构的控制电路

图4-13 占空比

（3）占空比控制电磁阀型怠速控制执行机构的结构与工作原理 占空比控制电磁阀型怠速控制执行机构的结构如图4-14所示，主要由控制阀、阀杆、线圈和弹簧等组成。控制阀与阀杆制成一体，当线圈通电时，线圈产生的电磁力将阀杆吸起，使控制阀打开。

图4-14 占空比控制电磁阀型怠速控制阀结构

1－控制阀 2－阀杆 3－线圈 4、5－弹簧

图4-15为占空比控制电磁阀型怠速控制执行机构的电路图，怠速控制阀的开度取决于线圈产生的电磁力大小，与旋转阀型怠速控制阀相同，ECU通过控制输入线圈脉冲信号的占空比来控制磁场强度，以调节控制阀的开度，从而实现怠速空气量的控制。

图4-15 占空比控制电磁阀型怠速控制执行机构电路图

由于占空比控制电磁阀型怠速控制阀控制的旁通气量少，因此需要辅助空气阀控制发动机快怠速暖机过程的空气量。辅助空气阀有双金属片式和石蜡式两种，其结构如图4-16和图4-17所示。

图4-16 双金属片式辅助空气阀的结构

图4-17 石蜡式辅助空气阀的结构