汽车发动机电控系统原理与检修：旁通空气道的关闭与恢复

1.石蜡式附加空气滑阀

石蜡式附加空气滑阀根据发动机的冷却液温度控制旁通空气道截面积，控制力来自恒温石蜡的热胀冷缩，而热胀冷缩随周围温度变化而变化。石蜡式附加空气滑阀如图3-4b所示。

图3-4 旁通空气式怠速控制系统

a）原来的总体构成 b）石蜡式附加空气滑阀 1—节气门体 2—怠速调节螺钉 3—节气门 4—来自空气滤清器 5—去往进气总管 6—恒温石蜡 7—提动阀 8—外弹簧 9—内弹簧

发动机冷却液温度较低时，恒温石蜡收缩，提动阀在外弹簧的作用下打开。随着温度的升高，恒温石蜡膨胀，推动连杆使提动阀缓慢关闭，发动机怠速转速下降。当暖车后，提动阀将完全关闭其旁通空气道，发动机恢复至正常怠速。

图3-5 旋转滑阀式怠速控制机构的结构

1—电气插头 2—外壳 3—永久磁铁 4—电枢 5—旁通空气道 6—旋转滑阀

2.旋转滑阀式怠速控制机构

旋转滑阀式怠速控制机构的结构如图3-5所示。

它主要由永久磁铁、电枢、旋转滑阀、电刷及引线组成。旋转滑阀固装在电枢轴上，与电枢轴一起转动，用来控制流过旁通空气道的空气量。永久磁铁固装在外壳上，其间形成磁场。电枢铁心上缠有两组绕向相反的电磁线圈L₁和L₂，当电磁线圈L₁通电时，电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，旁通空气道截面积变小；当电磁线圈L₂通电时，旋转滑阀逆时针偏转，旁通空气道截面积变大。

旋转滑阀式怠速控制机构电路如图3-6所示。

电磁线圈L₁与ECU内部的晶体管VT₂连接，脉冲控制信号直接加到VT₂的基极，电磁线圈L₂与ECU内部的晶体管VT₁连接，脉冲信号经过反相器将高、低电平反向后加到晶体管VT₁的基极上。因此，当脉冲信号的高电平到来时，晶体管VT₁截止、VT₂导通，电磁线圈L₁通电、L₂断电；反之，当脉冲信号的低电平到来时，晶体管VT₂截止、VT₁导通，电磁线圈L₂通电、L₁断电。这样，两个电枢绕组总是交替地通过电流，又因为两电磁线圈绕向相反，致使电枢上交替产生方向相反的电磁转矩。

因为这种怠速控制阀的转角范围限定在90°以内，所以步进电动机的步进角必须很小才能满足旁通进气量控制精度的要求，因此采用了控制占空比的方法来控制步进电动机顺时针转动或逆时针转动。占空比R_C是指在一个信号周期T内，高电平时间t_on所占的比率，如图3-7所示，t_off为低电平所占时间。

图3-6 旋转滑阀式怠速控制机构电路

图3-7 占空比示意

a）占空比等于50％ b）占空比小于50％ c）占空比大于50％

当占空比等于50％时，如图3-7a所示，电磁线圈L₁和L₂的平均通电时间相等，产生的电磁转矩互相抵消，电枢轴与滑阀将保持在某一位置不动。

当占空比小于50％时，如图3-7b所示，电磁线圈L₂的通电时间长，电磁线圈L₁的通电时间短，两者合成的电磁转矩使电枢带动旋转滑阀逆时针偏转，使旁通空气道开启面积加大，旁通进气量增多，发动机的怠速转速将升高。

当占空比大于50％时，如图3-7c所示，电磁线圈L₁的通电时间长，电磁线圈L₂的通电时间短，两者合成的电磁转矩使电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，使旁通空气道开启面积减小，旁通进气量减少，发动机的怠速转速将降低。

3.步进电动机式怠速控制机构

目前，相当一部分汽车采用步进电动机控制怠速转速，使发动机在不同的怠速工况下都能以最佳状态运转。

（1）结构与工作原理 不同汽车公司所采用的步进电动机式怠速控制机构的结构形式略有差异，但其基本工作原理相同。图3-8所示为日产和三菱公司的步进电动机式怠速控制机构。

图3-8 日产和三菱公司的步进电动机式怠速控制机构

1—阀座 2—阀轴 3—定子线圈 4—轴承 5—进给丝杆 6—转子 7—阀芯 8—旁通空气进口

步进电动机与怠速控制阀做成一体，装在进气歧管内。步进电动机式怠速控制机构是由永久磁铁构成的转子、由激励线圈构成的定子和把旋转运动变成直线运动的进给丝杆及阀门等组成。它利用步进转换控制，使转子可顺时针旋转也可逆时针旋转，使阀芯上下运动（轴向移动），改变了阀与阀座之间的间隙，达到了调节旁通空气道截面积的目的，从而调节流过节气门旁通空气道的空气量。

步进电动机的转子由永久磁铁构成，N极和S极在圆周上相间排列，共有8对磁极，定子由A和B两个定子组成，其内绕有A和B两组线圈，线圈由导磁材料制成的爪极包围，如图3-9所示。每个定子各由8对爪极，每对爪极（N极与S极）之间的间距为1个爪的宽度，A和B两定子爪极相差1个爪的差位，形成一体安装在外壳上，如图3-10所示。

图3-9 定子结构

图3-10 定子爪极的位置

ECU通过控制定子相线绕组的电压脉冲，交替变换定子爪极极性，使步进电动机转子产生步进式转动。A和B两定子绕组分别由1、3相绕组和2、4相绕组构成，由ECU晶体管控制各相绕组的搭铁，如图3-11所示。

图3-11 相线绕组的控制电路

相线的控制脉冲（正转）如图3-12所示，欲使步进电动机正转时，相线控制脉冲按1相—2相—3相—4相顺序依次滞后90°相位角，定子上N极向右移动（见图3-13）所示，转子随之正转。反之，欲使步进电动机反转时，相线控制脉冲按1相—2相—3相—4相顺序依次超前90°相位角，定子上N极向左移动，转子随之反转。

图3-12 相线的控制脉冲（正转）

图3-13 步进电动机(www.xing528.com)

转子的转动是为了使定子爪极和转子永久磁铁的N极和S极互相吸引到最近距离，因定子的爪极极性随相线控制脉冲的变化而变化，所以转子将随之转动，以保持转子的N极随时与定子的S极对齐。转子转动1圈分为32个步级进行，每个步级转动一个爪的角度，即11.25°，步进电动机的工作范围为0～125个步级。

（2）怠速控制过程 微型计算机进行怠速控制时，首先根据节气门全关（怠速开关）信号、车速信号来判断发动机处于怠速状态。然后根据发动机冷却液温度传感器、空调、动力转向机构以及自动变速器等负荷情况，按照存储器存储的参考数据（与冷却液温度、空调工作状态等相对应的目标转速都存储在ECU的存储器中）确定相应的目标转速。一般情况下，采用发动机转速反馈形式时，发动机的实际转速与目标转速进行比较，根据比较得出的差值确定相应的目标转速控制量去驱动步进电动机。步进电动机控制电路如图3-14所示。微型计算机按照一定的顺序控制驱动电路中的晶体管VT₁、VT₂、VT₃、VT₄适时导通，分别向步进电动机4个线圈（定子线圈）供电，驱动步进电动机转子旋转，调节旁通空气道的开度，从而调节旁通空气量，使发动机转速达到所要求的目标转速。其控制项目如下：

图3-14 步进电动机控制电路

1）起动初始位置的确定。为了改善发动机的再次起动性能，在点火开关断开时，ECU将控制怠速控制阀处于全开状态，为下次起动做好准备。

为了保证怠速控制阀在发动机下次起动时处于全开位置，在点火开关断开后，必须继续给ECU和步进电动机供电一段时间（一般为2s）。当点火开关断开时，通过ECU内部主继电器控制电路对主继电器进行控制，由ECU的电源输入端提供电压控制主继电器线圈继续供电2s，直至怠速控制阀退回到初始位置，以便下次起动时具有较大的进气量。

2）起动控制。起动发动机时，由于怠速控制阀预先设定在全开位置，因此进气量较大，发动机容易起动。但当发动机起动后，若怠速控制阀仍保持全开，则会使怠速转速过高。因此在发动机起动后，当转速达到由冷却液温度确定的对应转速时，ECU就会控制步进电动机步进的步数，使怠速控制阀阀门关小到由冷却液温度确定的阀芯位置，使怠速转速稳定。

3）暖机控制。在发动机起动后的暖机过程中，ECU将根据冷却液温度传感器信号确定步进电动机步进的位置。随着转速和发动机温度的升高，怠速控制阀阀门将逐渐关小，当冷却液温度达到70℃时，暖机控制结束，怠速控制阀保持正常怠速开度。

4）反馈控制。在怠速运转过程中，当发动机的实际转速与ECU存储器中所存放的目标转速相差超过一定值（20r/min）时，ECU将通过步进电动机控制怠速控制阀相应地增减旁通空气量，使发动机的实际转速与目标转速相同。目标转速与发动机怠速工况时的负荷有关，不同的负荷（空调是否打开，用电器是否增加）都有确定的目标转速。

5）发动机负荷变化的预控制。在发动机怠速运转时，空调开关、空档起动开关等接通或断开都将使发动机的负荷立刻发生变化。为了避免发动机怠速时转速波动或熄火，在发动机转速出现变化前，ECU将控制怠速控制阀开大或关小一个固定的距离。

6）学习控制。ECU通过控制步进电动机的转动，进而控制怠速控制阀的位置，调整发动机的怠速转速。由于发动机在整个使用过程中，其性能会发生变化，虽然步进电动机控制阀门的位置未变，而怠速转速也会与初设的数值不同，此时，ECU除了用反馈控制使怠速转速仍然达到目标值外，与此同时，ECU将此时步进电动机转过的步数存储在存储器中，以便在以后的怠速控制中使用。

4.旋转电磁阀式怠速控制机构

（1）结构与工作原理 旋转电磁阀式怠速控制机构安装在节气门体上，按ECU的控制信号控制节气门旁通空气道的进气量。旋转电磁阀型体积小，重量轻，它还可以控制快怠速，而不需要空气阀。旋转电磁阀式怠速控制机构的结构如图3-15所示。

图3-15 旋转电磁阀式怠速控制机构的结构

圆柱形永久磁铁安装在阀轴的末端，当永久磁铁的磁场与线圈L₁和线圈L₂产生的电磁场相互作用时，使圆柱形永久磁铁产生偏转，其磁场工作原理如图3-16所示。

阀安装在阀轴的中部，与带有永久磁铁的轴一同转动，改变了旁通空气道的截面积，从而控制流过旁通空气道的空气量。

线圈L₁和L₂及其铁心装在圆柱形永久磁铁对应的圆周位置上。当ECU给线圈L₁和L₂通电时，线圈铁心产生电磁场，面向圆柱形永久磁铁的一端均为电磁场的N极（见图3-16）。在磁场的作用下，圆柱形永久磁铁和轴一起旋转。ECU可通过控制线圈产生的磁场强度改变轴的转角。

双金属片制成盘香型，一端用固定销固定，另一端与阀轴端部的挡块相连接。阀轴上的杆穿过挡块的凹槽，可在限定的范围内摆动。双金属片检测流过阀体冷却液温度的变化，是一套保护装置，其功用是为了防止怠速控制机构电路出现故障时，发动机转速过高或过低。只要怠速控制正常工作，阀轴上的杆就不与挡块的凹槽两侧接触。

怠速控制机构控制电路的工作原理如图3-17所示。

ECU根据有关信号计算出发动机所处工况的占空比并输出相应的控制信号，从而驱动功率晶体管VT₁和VT₂，使线圈L₁和L₂通电。线圈通电时产生的磁场与圆柱形永久磁铁的磁场相互作用，使阀轴偏转。

ECU周期性使线圈接通或断开，由于占空比控制信号和晶体管VT₁基极之间接有反相器，因此晶体管VT₁和VT₂集电极的输出相位相反，如图3-18所示。

当占空比为50％时，线圈L₁和L₂的平均通电时间相等，产生的磁场强度相同，与永久磁铁产生的磁场作用相抵消，阀轴停止转动；当占空比超过50％时，线圈L₂的磁场强度超过L₁的磁场强度，永久磁铁将转过一定角度，使旁通空气道打开，如图3-19所示。

图3-16 永久磁铁的磁场工作原理

图3-17 怠速控制机构控制电路的工作原理

图3-18 晶体管VT₁和VT₂的工作原理图

图3-19 占空比对阀的影响

（2）控制过程 旋转电磁阀式怠速控制机构电路如图3-20所示。

图3-20 旋转电磁阀式怠速控制机构电路

在整个怠速范围内，ECU根据冷却液温度传感器等输入的信号确定发动机所处怠速工况的占空比（0～100％），从而对怠速转速进行反馈控制。空调工作时，发动机的怠速转速是通过怠速升高机构单独进行控制的。

旋转电磁阀式怠速控制项目主要有以下几项：

1）起动控制。在发动机起动时，ECU根据发动机运行条件在存储器中读取预存的数据，从而控制怠速控制阀的开度。

2）暖机控制。在发动机起动后，ECU根据冷却液的温度控制发动机在暖机过程中怠速转速的变化。

3）反馈控制。发动机起动后，当所有反馈控制条件［①节气门位置传感器怠速触点（IDL）闭合；②车速低于2km/h；③空调（A/C）开关断开］都满足时，ECU将根据发动机实际转速与ECU存储器中预先设定的目标转速进行比较。如果发动机实际转速低于目标转速，则ECU将控制怠速控制阀使其开大；反之，如果发动机实际转速高于目标转速，则将控制怠速控制阀使其关小。

目标怠速转速随发动机工况而定，如空档起动开关是接通还是关断、电气负载信号（ELS）是通还是断、动力转向开关是接通还是断开等。

4）发动机负荷变化时的预控制。在发动机怠速运转时，如果空档起动开关、尾灯继电器、除霜继电器或某种负载较大电器等接通或关断，则将使发动机的负荷发生改变，为避免由此引起的发动机转速波动或熄火，在发动机转速出现变化前，ECU控制怠速控制阀开大或关小一定的角度。

5）学习控制。旋转电磁阀式怠速控制是根据占空比控制阀阀门的转动角度调节发动机的怠速转速。但由于发动机在整个使用过程中性能将发生变化，虽然占空比相同，但是发动机的怠速转速将和使用初期的数值不同。ECU利用反馈控制的方法输出怠速控制信号，将性能发生变化后的发动机怠速转速调整到目标怠速值。当怠速值达到目标怠速后，ECU将此时的占空比存入备用的存储器中，在以后的怠速控制中作为这一工况下占空比的基准值。