空气式怠速控制机构及检修原理

旁通空气式怠速控制执行机构的种类较多，一般可按结构分为平动电磁阀式、旋转电磁阀式和步进电机式三种。其中，平动电磁阀式又分为开关式和比例式两种控制方式。这些执行机构的结构不同，功能与控制方式也不同。表3-6-2对它们的特点进行了比较。

表3-6-2　各种旁通空气式怠速控制执行机构的比较

（一）平动电磁阀式怠速控制执行机构

平动电磁阀式怠速控制执行机构主要由一只比例电磁阀构成，其电磁线圈的驱动电流为ECU 送来占空比PWM信号。

如图3-6-7所示，平动电磁阀式怠速执行器由电磁线圈、阀轴、弹簧和阀等组成。当ECU 加大占空比PWM 信号的脉宽时，电磁力加大，阀轴上移而阀门开度加大，从而导致旁通空气量的加大与怠速的提高；当占空比PWM 信号脉宽减小时，旁通空气量减少而怠速下降。图中波纹管的作用是为了消除阀门上下两侧压差对开肩位置的影响，便于ECU 计算决定占空比PWM 信号，同时也减小了阀上的作用力。

图3-6-7　平动电磁阀式怠速控制执行机构的组成

如图3-6-8所示，占空比控制型电磁阀VSV 工作时，由ECU 确定控制脉冲信号的占空比，磁化线圈中平均电流的大小取决于占空比。占空比越大，磁化线圈中平均电流越大，磁场强度越大，阀门升程越大，旁通道开度也就越大。

图3-6-8　占空比控制电磁阀型怠速控制阀电路

这种执行机构的控制电路较简单。通过用晶体管放大电路将ECU 输出的占空比PWM 信号放大到足以驱动电磁阀的程度即可。平动电磁式怠速控制执行机构的反应快，且控制信号又是微机处理十分方便的占空比PWM 信号，前面提到的怠速控制执行机构应有的四种功能，它都能实现。

（二）旋转电磁阀式怠速控制执行机构

旋转电磁阀式怠速控制阀安装在发动机进气总管上。旋转电磁阀式怠速控制方式是在发动机工作过程中，由ECU 将检测到的怠速转速实际值与其所储存的设定目标值相比较，随时通过旋转电磁阀校正怠速旁通空气道的流通截面积，使发动机的怠速转速实际值与其所储存的设定目标值相一致。

如图3-6-9所示，旋转电磁阀式怠速控制阀主要由永久磁铁、旋转电磁阀、复位弹簧、电枢等组成。

图3-6-9　旋转电磁阀怠速控制阀结构

1.旋转电磁阀怠速控制阀的工作原理。

如图3-6-10所示，旋转电磁阀主要由永久性磁铁、电枢、旋转电磁阀、螺旋回位弹簧和电刷及电插等组成。旋转电磁阀固装在电动机的电枢轴上，与电枢轴一起转动，用于控制通过旁通空气道的空气量。

图3-6-10　旋转电磁阀结构图

电枢位于永久性磁铁的磁场中，电枢铁芯上绕有绕向相反的电磁线圈L1和L2，当线圈L1通电时，电枢带动滑阀顺时针方向旋转，旁通空气道的截面积增大；当线圈L2通电时，电枢带动滑阀逆时针方向旋转，使旁通空气道的截面积减小。线圈L1 和L2的两端分别与电刷滑环相连，经电刷引出接向ECU，其工作原理如图3-6-11所示。

图3-6-11　旋转电磁阀式怠速控制阀原理

接通点火开关，蓄电池的电压通过电刷“2”加到线圈L1和L2的公共端，但其搭铁回路受ECU 的控制。当晶体管VT1 导通时，线圈L2通电，其电流方向为（+）B →电刷→滑环→线圈L2 →滑环、电刷→晶体管VT1的集电极→发射极→搭铁→回到蓄电池的负极。电枢带动滑阀逆时针方向转动，使旁通空气道的截面积减小，发动机的转速降低。当晶体管VT2导通时，线圈L1 通电，电流方向为：（+）B →电刷→滑环→线圈L1→滑环、电刷→晶体管VT2的集电极→发射极→搭铁→回到蓄电池的负极。电枢带动滑阀顺时针方向转动，使旁通空气道的截面积增大，发动机转速升高。由控制电路可以看出，占空比信号与晶体管VT1的基极之间接有反向器，因此两个电枢线圈不可能同时导通，总是交替地通过电流，又因两线圈绕向相反，故电枢上交替产生方向相反的电磁力矩。由于电磁力矩交变的频率较高（约250Hz），且电枢转动具有一定的惯性，所以旋转电磁阀将根据控制信号的占空比转动一定的角度而稳定。

2.旋转电磁阀式怠速控制阀的控制电路。

旋转电磁阀式的怠速控制原理电路如图3-6-12所示。在ECU 的存储器中预存有不同的发动机水温所对应的占空比。占空比的大小，决定着滑阀的旋转方向和旋转角度。当占空比为50%时，线圈L1 和L2 的平均通电时间相等，两者产生的电磁力矩大小相等，方向相反，电枢轴停止旋转。当占空比小于50%时，线圈L1 的平均通电时间长，合成电磁力矩使电枢带动旋转电磁阀顺时针旋转，旁通空气道的流通面积增大，发动机怠速升高。反之，则发动机怠速降低。

图3-6-12　旋转电磁阀式怠速控制阀控制电路

在整个怠速范围内，ECU 根据冷却水温度等传感器输入的信号，确定发动机所处怠速工况的占空比，对怠速转速进行控制。

3.检测旋转电磁阀式怠速控制系统。如图3-6-13所示，在整个怠速范围内ECU 通过占空比（0%～100%）控怠速转速。

图3-6-13　旋转电磁阀式怠速控制阀动作测试

将点火开关转至ON 挡，在线束侧测量电源端子（+）B 与搭铁之间的电压，应为9～14 V。使发动机维持怠速运转，短接诊断座上的端子TE1 与E1，发动机转速应保持在1000～1200 r/min，5s 后转速下降约200r/min，如不符合要求，应检查ISC 阀、ISC阀至ECU的线路和ECU。

检查怠速控制阀电阻：拔下怠速控制阀连接器，测量插座（+）B 和RSC、（+）B和RSO 间的电阻，温度为-10℃～50℃时，应为17.0 ～24.5 Ω，温度为50℃～100℃时，应为21.5～28.5 Ω。(www.xing528.com)

检查怠速控制阀是否工作：拆下怠速控制阀，将蓄电池正极接（+）B，负极接RSC时，怠速控制阀应关闭；负极接RSO 时，怠速控制阀应打开。

（三）步进电机式怠速控制执行机构

ECU根据TPS信号和车速信号判定发动机是否怠速，再根据冷却液温度信号、空调开关信号等确定目标转速，根据曲轴位置传感器信号检测发动机实际转速，比较实际转速与目标转速的差值，确定控制量，驱动步进电机，使实际转速接近目标转速，如图3-6-14所示。

图3-6-14　步进电机式怠速控制执行机构

1.步进电机式的基本结构及工作原理。

步进电机与怠速空气调节器的控制阀做成一体，装在节气门体上或单独的旁通气道上，调节流过节气门旁通气道的空气量。步进电机式怠速空气调节器的控制阀有125 种不同的开启位置，它还可用来调节发动机的快怠速，而不需要辅助空气阀。ECU 给电磁线圈提供脉冲信号，当电机转子顺转或逆转时，阀芯轴向移动，改变阀芯与阀座之间的间隙。间隙小，进气量少，怠速低；反之，间隙大，则怠速高。

步进电机式空气调节器主要由阀芯、阀轴、阀座、转子、定子线圈、壳体等组成，如图3-6-15所示。

图3-6-15　步进电机式空气调节器结构图

如图3-6-16所示，永磁转子内壁制有螺纹，它由多对永久磁铁组成，N 极和S 极沿圆周相向排列。定子铁芯上绕有线圈，每组线圈的绕线方向相反。定子线圈被多对导磁性好的爪极包围，通电后产生磁极（N、S）。电流方向可变，极性也可变，从而使转子正转和反转。

图3-6-16　步进电机式的工作原理

阀芯固定在阀轴的一端，阀轴另一端的螺纹旋入步进电机转子。转子只能转动，不能轴移。当转子转动时，通过螺纹连接带动阀轴转动，但由于阀轴受导向槽的限制，不能转动，所以当转子旋转时，阀随阀轴一起做轴向移动，从而改变阀芯与阀座之间的间隙，即可控制空气量的多少。

不同汽车公司所采用的步进电机式怠速控制装置，在结构型式上略有差异，但其基本工作原理相同。步进电机的转子是用永久磁铁制成16 个磁极。定子是由两个带有16 齿的铁芯交错地装配在一起，每个铁芯上有两组线圈，两组线圈的绕线方向相反。N 极和S 极在圆周上相间排列，共有八对磁极。定子内绕有两组线圈，线圈由导磁材料制成的爪极包围。每个定子各有八对爪极，每对爪极（N 极与S 极）之间的间距为一个爪的宽度。两定子爪极相差一个爪的位差，组成一体安装在外壳上。

电机的旋转方向可以通过改变4 个线圈的通电顺序来实现。当步进电机的励磁从①到②向右错开时，定子线圈电磁铁和转子永久磁铁的N 极和S极相互吸引到最近距离，而同极相互排斥，所以转子按③转动1/32 转（约11°），这样交替改变通电的线圈和电流的方向，即可从③转到④再到①，循环进行。转子转一周约用1/4 s。步进电机的工作范围为125 步，锥阀总行程10 mm，旋转圈数为3.9 圈，转速调节范围为300 r/min。

2.步进电机式怠速控制阀的控制电路。

如图3-6-17所示，步进电机式怠速控制的电路：当发动机怠速负荷变化时，在怠速转速变化之前，ECU 将按照一定顺序，控制驱动电路中的三极管VT1、VT2、VT3、VT4适时导通，分别接通步进电机定子绕组电流，使电机转子旋转，带动控制阀的阀芯移动，从而调节进气量，使发动机怠速转速达到目标转速。

图3-6-17　步进电机式怠速控制阀的控制电路

3.步进电机式怠速控制系统的控制过程。

ECU对怠速控制装置的控制内容因发动机而异。步进电机的正常范围为0～125个步级。对于步进电机式怠速控制装置，其控制内容主要有以下几方面。

（1）起动初始位置设定。为了保证怠速控制阀在发动机再起动时处于全开位置，在发动机点火开关关闭后，ECU 的M—REL 端子继续向主继电器供电，使它继续保持接通状态。此时，ECU将控制步进电机转动使怠速控制阀全部打开，或控制在上一次起动时的位置，为下次起动做好准备，最后主继电器才会断电。

（2）起动后控制。由于发动机起动前，ECU 已把怠速控制阀的初始位置设定在最大开度位置，因此发动机起动后，若怠速控制阀仍保持全开，则会引起发动机转速过高。为避免这种情况，在起动过程中，当发动机转速达到由冷却液温度确定的对应转速时，ECU 控制步进电机转动，使怠速控制阀逐渐关小到与冷却液温度对应的开度。

（3）暖机控制。暖机过程中，ECU 控制步进电机转动，使怠速控制阀从起动后的开度逐渐关小，当冷却液温度达到70℃时，暖机控制结束，怠速控制阀达到正常怠速开度。

（4）反馈控制。当发动机处于怠速工况运转时，若发动机的实际转速与ECU 存储器中所存放的目标转速差超过规定值（如20 r/min），则ECU 控制步进电机转动，通过怠速控制阀增减旁通空气量，使发动机实际转速与目标转速差小于规定值。目标转速与发动机怠速工况时的负荷有关，对空挡起动开关是否接通、是否使用空调、用电器增加等不同情况，都有规定的目标转速。

（5）发动机转速变化的预控制。发动机处于怠速工况时，空调开关、空挡起动开关等接通或断开，都会即时引起发动机怠速负荷变化，产生较大的怠速转速波动。为了减小负荷变化对怠速转速的影响，ECU 在收到以上开关量信号、发动机转速变化出现前，就控制步进电机转动，预先把怠速控制阀开大或关小一个固定的距离。

（6）学习控制。ECU通过控制步进电机的转动，从而控制怠速控制阀的位置，调整发动机的怠速转速。由于发动机在使用过程中其性能会发生变化，因此这时怠速控制阀的位置虽然没有变化，但实际的怠速转速也会偏离初始数值。出现上述情况时，ECU 除了用反馈控制装置使怠速转速达到目标值外，还可将此时步进电机转过的步数储存在备用储存器中，供以后的怠速控制用。

（四）脉冲电磁阀式怠速控制阀

脉冲电磁阀式怠速控制阀主要由活动铁芯、电磁线圈、阀杆、固定铁芯、复位弹簧、阀芯、阀座等组成，如图3-6-18所示。

图3-6-18　脉冲电磁阀式怠速控制阀结构图

电磁线圈接通电流时会产生电磁吸力。当电磁线圈产生的电磁吸力超过复位弹簧的弹力时，活动铁芯在电磁吸力的作用下就会向固定铁芯方向移动，使阀芯离开阀座将旁通空气道打开。当电磁线圈断电时，活动铁芯与阀芯在复位弹簧的作用下左移复位，将旁通空气道关闭。旁通空气道的开启与关闭时间由发动机ECU 发出的占空比信号控制。占空比Rc 是指在一个信号周期T 内，高电平（ton）所占的比率，toff 为低电平所占的时间。

发动机工作时，ECU 根据怠速转速高低，向脉冲电磁阀发出频率相同而占空比不同的控制脉冲信号，通过改变阀芯开启与关闭的时间来调节旁通进气量。占空比在18%～82%之间的范围内变化。当怠速转速过低时，ECU 将减小占空比，使电磁阀线圈通电时间长，断点时间缩短；阀门开启时间增长，旁通进气量增多，怠速转速将升高，防止发动机熄火；当怠速转速过高时，ECU 将减小占空比，使电磁线圈通电时间缩短，断点时间增长，阀门开启时间缩短，旁通进气量减小，怠速转速将降低。