汽车发动机电控技术-怠速控制系统

一、任务分析

怠速是指节气门关闭，油门踏板完全松开，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。本任务主要学习怠速控制系统的功用、组成、控制方法，步进电动机式、旋转电磁阀式、占空比控制电磁阀式、开关式、节气门直动式怠速控制装置的结构与工作原理。通过任务的学习，掌握各种怠速控制阀的检修方法。

二、相关知识

(一)怠速控制系统概述

1. 怠速控制系统的功用

当汽车在交通密度大的城市道路上行驶时，约有30%的燃油消耗在怠速阶段。怠速转速的高低直接影响燃油消耗和排放污染。怠速转速过高，燃油消耗增加。但怠速转速过低，又会增加排放污染。此外，如怠速转速过低，当发动机冷车运转、空调打开、电器负荷增大、自动变速器挂入挡位、动力转向时，由于运行条件较差或负载增加，还容易导致发动机运转不稳甚至熄火。

随着电控技术在汽车上的广泛应用，怠速控制已成为发动机集中控制系统的基本控制内容之一。怠速控制的目的是在保证发动机排放要求且运转稳定的前提下，尽量使发动机的怠速保持最低，以降低怠速时的燃油消耗量。

在除怠速以外的其他工况下，驾驶员可通过油门踏板控制节气门的开度，从而改变发动机的进气量，以调节发动机的转速和输出功率。而在油门踏板完全松开的怠速工况下，驾驶员则无法控制发动机的进气量。电控燃油喷射式发动机在怠速工况时，空气通过节气门的缝隙或旁通节气门的怠速空气道进入发动机，并由空气流量传感器(或进气歧管绝对压力传感器)对进气进行检测，电控燃油喷射系统则根据各传感器信号控制喷油量，保证发动机的怠速运转。怠速控制系统的功能是根据发动机工作温度和负何，由ECU自动控制怠速工况下的空气供给量，维持发动机以稳定怠速运转。

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。传感器的功用是检测发动机的运行工况和负载设备的工况，ECU则根据各种传感器的输入信号确定一个怠速运行的目标转速，并与实际转速进行比较，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转速。在怠速控制系统中，ECU需要根据节气门位置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，才进行怠速控制，以免与驾驶员通过加速踏板对进气量的调节发生干涉。

图4-1 怠速控制系统的组成

1—冷却液温度信号;2—A/C开关信号;3—空挡位置开关信号;4—转速信号;5—节气门位置信号;6—车速信号;7—执行元件

3. 怠速控制的方法

怠速控制的实质就是对怠速工况下的进气量进行控制。在发动机集中控制系统中，控制怠速进气量的方法可分为两种基本类型:节气门直动式和旁通空气式。如图4-2所示，节气门直动式通过执行元件改变节气门的最小开度来控制怠速进气量，而在旁通空气式怠速控制系统中，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。

目前应用比较广泛的是旁通空气式怠速控制系统。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式、旋转电磁阀式、占空比控制电磁阀式、开关式等。怠速控制的方法及执行元件的类型因车型而异，目前应用较多的是步进电动机控制的旁通空气式怠速控制系统。不同车型的怠速控制系统，其控制的内容也不完全相同，控制内容通常包括:起动控制、暖机控制(快怠速控制)、负荷变化控制、反馈控制和学习控制等。

图4-2 怠速进气量控制方式

1—节气门;2—进气管;3—节气门操纵臂;4—执行元件;5—怠速空气道

(二)步进电动机式怠速控制阀

1. 怠速控制阀的结构与工作原理

图4-3 步进电动机式怠速控制阀的结构图

1—控制阀;2—前轴承;3—后轴承;4—密封圈;5—丝杠机构;6—线束插接器;7—定子;8—转子

步进电动机型怠速控制阀的结构如图4-3所示。步进电动机由转子和定子构成，丝杠机构将步进电动机的旋转运动变为阀杆的直线运动，控制阀与阀杆制成一体。步进电动机型怠速控制阀安装在节气门体上，控制阀伸入到设在怠速空气道内的阀座处，发动机怠速运转时，ECU根据各传感器的信号，控制步进电动机的正反转和转动量，以调节控制阀与阀座之间的间隙，从而改变怠速空气道的流通截面，控制发动机在怠速工况下的空气供给量。步进电动机的结构如图4-4所示，主要由永久磁铁制成的有16个(8对磁极沿圆周均匀分布)磁极的转子和两个定子铁心组成。每个定子都由两个带16个爪极的铁心交错装配在一起，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4-4 步进电动机的结构

1、2—线圈;3—爪极;4、6—定子;5—转子

步进电动机的工作原理如图4-5所示。当ECU控制使步进电动机的线圈按1—2—3—4顺序依次搭铁时，定子磁场顺时针转动(图4-5(b)向右)，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4-5 步进电动机的工作原理

步进电动机式怠速控制阀电路(日本丰田皇冠3.0轿车)如图4-6所示。EFI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(ISC)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控制各线圈的搭铁回路，以控制怠速控制阀的工作。

图4-6 步进电动机式怠速控制阀电路

2. 控制阀的控制内容

(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的M-REL端子向主继电器线圈供电延续2～3s。在这段时间内，蓄电池继续给ECU和步进电动机供电， ECU使怠速控制阀回到起动初始(全开)位置。待步进电动机回到起动初始位置后，主继电器线圈断电，蓄电池停止给ECU和步进电动机供电，怠速控制阀保持全开不变，为下次起动做好准备。

(2)起动控制。

发动机起动时，由于怠速控制阀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根据冷却液温度的高低控制步进电动机，调节控制阀的开度，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。

(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70℃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将通过步进电动机控制怠速控制阀，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，如变速器挡位、动力转向、空调工作状态的变化等，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或熄火，在发动机负荷出现变化时，不待发动机转速变化，ECU就会根据各负载设备开关信号(A/C开关等)，通过步进电动机提前调节怠速控制阀的开度。

(6)电器负载增多时的怠速控制。

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根据蓄电池电压调节怠速控制阀的开度，提高发动机的怠速转速，以提高发动机的输出功率。

(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，当怠速控制阀的位置相同时，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，还可将步进电动机转过的步数存储在ROM存储器中，以便在此后的怠速控制过程中使用。

(三)旋转滑阀式怠速控制阀

如图4-7所示，旋转滑阀式怠速控制装置由永久磁铁转子，电枢，旋转滑阀，回位弹簧和电刷等组成。旋转滑阀与电枢轴固连，随电枢轴一起转动，改变旁通气道截面的大小，调节怠速时的空气量。其接线图见图4-8，永久磁铁转子安装在装置壳体上，形成固定的磁场。电枢位于永久磁铁的磁场中，电枢铁心上缠有两组绕向相反的电磁线圈L1和L2，当线圈L1通电时，电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，空气旁通气道截面变小。当线圈L2通电时，电枢带动旋转滑阀逆时针偏转，空气旁通气道截面变大。L1和L2的两端与电刷滑环相连，经电刷引出与ECU相连接。

图4-7 旋转滑阀式怠速控制装置

1—电接头;2—外壳;3—永久磁铁转子;4—电枢;5—旁通气道;6—旋转滑阀

图4-8 旋转滑阀式怠速控制装置连接电路图

电枢轴上的电刷滑环与电机换向器结构类似，它由三段滑片围合而成，分别与一个电刷相接触。电枢绕组L1和L2的两端分别焊接在相应的滑片上。当点火开关打开时，怠速控制装置接线插头“2”上即受蓄电池电压，电枢绕组L1和L2是否通电，由ECU控制两线圈的搭铁三极管VT1和VT2的通断决定。由于占空比(一个脉冲周期高电平的时间与一个脉冲周期所经历的时间之比)控制信号和三极管VT1的基极之间接有反向器，所以三极管VT1和VT2集电极输出相位相反，使两个电枢绕组总是交替地通过电流，又因两组线圈绕向相反，致使电枢上交替地产生方向相反的电磁力矩。由于电磁力矩交变的频率(约250Hz)较高，且电枢转动具有一定的惯性，所以旋转滑阀根据控制信号的占空比，摆到一定的角度即处于稳定状态。

当占空比为50%时，线圈L1和L2的平均通电时间相等，二者产生的电磁力矩抵消，电枢轴停止偏转。

当占空比小于50%时，线圈L1的平均通电时间长，其合成电磁力矩使电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，空气旁通气道截面变小，怠速降低;

当占空比大于50%时，空气旁通气道截面变大，怠速升高。占空比的范围为18%(旋转滑阀关闭)至82%(旋转滑阀达到最大开度)之间，滑阀的最大偏转角度限制在90°以内。

对旋转滑阀式怠速控制装置，滑阀的偏转角度，由两组线圈的通电时间比例，即由控制脉冲的占空比确定。ECU对旋转滑阀式怠速控制装置的控制内容与步进电机式基本相同，在此不再重复。

(四)占空比控制电磁阀式怠速控制阀

1. 控制阀的结构与工作原理

占空比控制电磁阀式怠速控制阀结构如图4-9所示，主要由控制阀、阀杆、电磁线圈和回位弹簧等组成。控制阀与阀杆制成一体，当电磁线圈通电时，电磁线圈就会产生电磁吸力，当它超过回位弹簧的弹力时，阀杆将被吸起，使阀杆离开阀座，将旁通空气道打开;当电磁线圈断电时，阀杆在回位弹簧的作用下回位，旁通空气道关闭。控制阀的开度取决于电磁线圈产生的电磁力的大小，ECU也是通过控制输入电磁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，实现对怠速空气量的控制。

图4-9 占空比控制电磁阀式怠速控制阀结构

1、5—回位弹簧;2—电磁线圈;3—阀杆;4—控制阀

2. 控制阀的控制内容

占空比控制电磁阀式怠速控制系统的控制内容包括起动控制、暖机控制、反馈控制、怠速预测控制和学习控制。但由于占空比控制电磁阀式怠速控制阀控制的旁通空气量少，在采用此种控制阀的怠速控制系统中，仍需要快怠速控制阀辅助控制发动机暖机过程的空气供给量。

快怠速控制阀的结构如图4-10所示，主要由石蜡感温器、控制阀和弹簧等组成。在发动机起动后的暖机过程中，冷却液温度较低，石蜡收缩，控制阀在弹簧的作用下打开，增加怠速供给空气量，使发动机快怠速运转;随着温度的升高，石蜡膨胀，推动连接杆使控制阀开度逐渐减小，怠速逐渐下降。发动机达到正常工作温度后，控制阀将完全关闭其空气道，发动机恢复正常怠速。

有些快怠速控制阀的感温元件采用双金属片，双金属片式快怠速控制阀和石蜡式的工作原理类似，它也是利用金属元件的热胀冷缩变形来控制阀门的开度，从而控制发动机暖机过程的空气供给量。

图4-10 快怠速控制阀的结构

1—冷却液腔;2—石蜡感温器;3—控制阀;4、5—弹簧

(五)开关式怠速控制阀

1. 控制阀的结构与工作原理

开关式怠速控制阀的结构如图4-11所示，主要由线圈和控制阀组成。其工作原理与占空比控制电磁阀型的类似。不同的是开关式怠速控制阀工作时，ECU只对阀内线圈通电或断电两种状态进行控制，电磁线圈通电时，控制阀开启，线圈断电则控制阀关闭。开关型怠速控制阀也只有开或关两个位置。

图4-11 开关式怠速控制阀的结构(www.xing528.com)

1—线圈;2—控制阀

2. 控制阀的控制内容

由于开关型怠速控制阀只有开或关两个位置，所以发动机工作时，ECU根据发动机的工作状况对控制阀线圈只进行通、断电控制，其控制条件见表4-1。在满足所列条件之一时，控制阀即开或关。

表4-1 开关式怠速控制阀控制条件

此外，与占空比控制电磁阀式怠速控制阀相比，开关式怠速控制阀控制的旁通空气量更少，所以在采用此种控制阀的怠速控制系统中，也需要快怠速控制阀辅助控制发动机暖机过程的空气供给量。

(六)节气门直动式怠速控制装置

1. 控制装置的结构与工作原理

节气门直动式怠速控制装置通过控制节气门开度，调节怠速时的进气量，完成怠速控制的各项内容。图4-12所示的节气门直动控制方式怠速控制装置，是近年在微机控制汽油机中采用较多的一种结构形式。该怠速控制装置安装在节气门体上，主要由步进电机总成，减速齿轮，节气门操纵齿板等组成。发动机在怠速工况运转时，在ECU控制下，步进电机正转一定步数，经过减速齿轮组的减速增矩，由最后一级小齿轮拨动齿板转动，齿板通过传动机构把节气门打开至某一开度，若步进电机反转，则节气门开度随之变小。由此能够根据怠速工况负荷变化，对怠速时的空气量进行调节。齿板与节气门之间为单向传动，因此不会和油门踏板对节气门的控制发生干涉。

节气门直动控制方式，具有位置控制稳定性好的优点。但怠速控制装置工作时，为了克服节气门关闭方向回位弹簧的作用力，采用能起增矩作用的减速齿轮组，使变位速度下降，响应较慢。

图4-12 节气门直动式怠速控制装置

1—节气门;2—步进电机总成;3—减速齿轮;4—节气门操纵齿板;5—节气门轴

2. 控制装置的控制电路

以桑塔纳2000GSi、捷达CT、GTX采用的节气门控制组件J338为例说明节气门直动式怠速控制装置的控制电路。

如图4-13所示，节气门控制组件J338由怠速开关F60、怠速节气门电位计G88、怠速控制电动机V60和节气门电位计G69等组成。怠速开关F60的作用是:在节气门关闭时，其触点闭合，电控单元判断发动机处于怠速工况，从而按怠速工况要求控制喷油;当节气门打开时，其触点断开，电控单元根据怠速开关触点的位置信号控制从怠速到小负荷的过渡工况的喷油量。怠速开关触点的位置还可作为电控单元判断是否进行怠速自动控制和急减速断油控制的依据。

当怠速开关信号中断时，电控单元把节气门电位计的信号和怠速节气门电位计的信号进行比较，从而判断出节气门的怠速位置。节气门电位计G69直接连接在节气门轴上。在发动机工作转速范围内，向电控单元提供当时的节气门位置信号，作为电控单元判断发动机运转工况的依据。电控单元还利用这个信号控制自动变速器。若没有收到此信号，电控单元将根据发动机转速信号和空气流量信号计算确定一个替代值。怠速节气门电位计G88装在节气门体内，与怠速控制电机连接在一起，可将节气门的开度、怠速控制电机的位置信号输送给控制单元。怠速控制电动机V60在怠速调节控制范围内，通过齿轮传动机构来操纵节气门，使其开度增大或减小。

图4-13 节气门控制组件J338的结构

1—节气门控制组件壳体;2—怠速开关F60;3—怠速节气门电位计G88;4—应急弹簧;5—怠速控制电动机V60;6—节气门电位计G69

节气门控制组件J338与电控单元J220的连接电路如图4-14所示。当发动机怠速工作时，怠速节气门位置传感器将其电阻值变化转换为电信号输入电控单元;电控单元接收到该信号后，根据信号电压高低确定节气门在怠速时的位置，再控制怠速控制电动机;怠速控制电动机通过齿轮传动来操纵节气门，在怠速调节范围内微量调节节气门开度，从而调节发动机的怠速转速。

当发动机的实际转速低于目标转速时，发动机控制单元发出控制脉冲使怠速控制电动机正转，电动机输出轴通过齿轮传动机构将节气门开大一个微小角度，增加进气量，使发动机转速略微升高，并逐渐接近目标转速。当发动机的实际转速高于目标转速时，发动机控制单元发出控制脉冲使怠速控制电动机反转，将节气门关小一个微小角度，减少进气量，使发动机转速降低，并逐渐接近目标转速。当怠速控制电动机发生故障或发动机控制单元对怠速控制电动机的控制失灵时，应急弹簧将把节气门拉到一个特定的应急位置，使发动机处于应急状态运转，怠速转速升高。

图4-14 节气门控制组件J338与发动机控制单元J220的连接

(a)节气门控制组件J338插头 (b)节气门控制组件J338与发动机控制单元J220的连接电路

三、任务实施

(一)教学设备

(1)电控发动机实验台架;

(2)万用表;

(3)常用工具;

(4)步进电动机式怠速控制阀、旋转电磁阀式怠速控制阀、占空比控制电磁阀式怠速控制阀、节气门控制组件。

(二)步进电动机式怠速控制阀的检测

(1)在检修步进电动机式怠速控制阀时的注意事项有如下几点:

①不要用手推或拉控制阀，以免损坏丝杠机构的螺纹。

②不要将控制阀浸泡在任何清洗液中，以免步进电动机损坏。

③安装时，检查密封圈不应有任何损伤，并在密封圈上涂少量润滑油。

(2)检修步进电动机式怠速控制阀的方法按如下操作步骤进行:

①拆开怠速控制阀线束插接器，将点火开关转至“ON”但不起动发动机，在线束侧分别测量B1和B2端子(图4-15)与搭铁之间的电压，均应为蓄电池电压(9～14V)，否则说明怠速控制阀电源电路有故障。

②发动机起动后再熄火时，2～3s内在怠速控制阀附近应能听到内部发出的“嗡嗡”响声，否则应进一步检查怠速控制阀、控制电路及ECU。

③拆开怠速控制阀线束插接器，在控制阀侧分别测量端子B1与S1和S3、B2与S2和S4之间的电阻，电阻值均应为10～30Ω，否则应更换怠速控制阀。

④拆下怠速控制阀后，将蓄电池正极接至B1和B2端子，负极按顺序依次接通S1→S2→S3→S4端子时，随步进电动机的旋转，控制阀应向外伸出。蓄电池负极按相反顺序依次接通S4→S3→S2→S1时，则控制阀应向内缩回。若工作情况不符合上述要求，应更换怠速控制阀。

图4-15 步进电动机式怠速控制阀的检测

(三)旋转滑阀式怠速控制阀检测

旋转滑阀式怠速控制阀电路(日本丰田PREVIA轿车)如图4-16所示，在维修时，应进行如下检查:

图4-16 旋转滑阀式怠速控制阀电路

(1)起动发动机，使发动机达到正常工作温度、变速器处于空挡位置时，使发动机维持怠速运转，打开空调，观察发动机转速，转速应升高至1000～1200r/min，若不符合上述要求，应进一步检查怠速控制阀电路、ECU和怠速控制阀。

(2)拆开怠速控制阀线束连接器，将点火开关转至“ON”但不起动发动机，在线束侧测量电源端子+B与搭铁之间的电压，应为9～14V，否则说明怠速控制阀电源电路有故障。

(3)拆开怠速控制阀上的三端子线束连接器，在控制阀侧分别测量中间端子( +B)与两侧端子(ISC1和ISC2)之间的电阻，正常应为18.8～22.8Ω，否则应更换怠速控制阀。

(4)检查怠速控制阀的旋转情况。当+B和ISC1和蓄电池相连时，阀应旋转至全开位置;当+B和ISC2和蓄电池相连时，阀应旋转至关闭位置;如果阀不能正常开启和关闭，应检查控制阀是否有油污和卡滞等现象，当经过清洗后，若仍不能正常开启和关闭，则应更换怠速控制阀。

(四)占空比控制电磁阀式怠速控制阀检测

1. 控制阀的检修

占空比控制电磁阀式怠速控制阀电路(日本本田轿车)，如图4-17所示。在维修时，主要应进行以下检查:

(1)拆开怠速控制阀线束插接器，将点火开关转至“ON”但不起动发动机，在线束侧测量电源端子与搭铁之间的电压，应为蓄电池电压，否则说明怠速控制阀电源电路有故障。

(2) 拆开怠速控制阀上的两端子线束插接器，在控制阀侧分别测量两端子之间的电阻，正常应为10～15Ω，否则应更换怠速控制阀。

图4-17 日本本田轿车占空比控制电磁阀式怠速控制阀电路

(五)开关式怠速控制阀的检测

开关式怠速控制阀的检修与占空比控制电磁阀式怠速控制阀基本相同。

(六)节气门直动式怠速控制装置的检测

在检修时应注意，发动机ECU具有基本设定功能，它能记录点火开关断开时节气门控制组件的停止位置。如果拆装或换了新的节气门控制组件或者发动机ECU出了故障，都必须重新进行基本设定，即完成发动机ECU与节气门控制组件的匹配工作(匹配工作要用大众公司VAG1552故障诊断仪来完成)。进行基本设定时，下列情况将会使发动机怠速不能正常工作:首先，节气门转动不灵活，如因油泥沉积。其次，节气门拉索调整不当。再次，蓄电池电压过低(低于11V)。最后，节气门控制组件线束或插接器不良。

节气门控制组件的检测主要包括以下三方面内容:

(1)检查怠速开关F60，检测标准见表4-2，如不符合检测标准，则应更换节气门控制组件。

表4-2 怠速开关F60检测标准

续表

(2)怠速节气门电位计G88和节气门电位计G69检查，检测标准见表4-3，如不符合检测标准，则应更换节气门控制组件。

表4-3 怠速节气门电位计G88和节气门电位计G69检测标准

(3)怠速控制电动机V60检测，怠速控制电动机绕组电阻值应为3～200Ω，否则说明电动机有故障，须更换节气控制组件。

四、检查与评估

本次课程主要依据表4-4考核学生对任务的完成情况。

表4-4 怠速控制系统考核卡

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