发动机怠速控制系统的论文.docx

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发动机怠速控制系统的论文

电控汽油机怠速控制系统

——怠速控制系统维护及故障排除

机电实用技术（汽车维修方向）查君兵指导老师郑霞君

[摘要]本文简要介绍了怠速控制系统的工作原理及控制类型，以及怠速控制系统的控制方式，结合现有车型的实际情况，对旁通空气式怠速控制装置作了详细介绍，并在此基础上对常见的怠速控制系统的故障作了七种分类，对每种故障类型通过工作中的实际案例加以分析，结合怠速控制系统的工作原理，对每类故障进行故障总结，针对怠速控制系统故障复杂性提出了自己对于怠速系统故障处理与解决方案。

[关键词]怠速控制系统；控制方式；工作原理；执行器。

[SUMMARY]Inthispaper,wejustsimplyintrocucedtheworktheoryandcontrolstylefortheISC（IdleSpeedControlSystem）,andthecontrolmodeoftheISC.AndthenintroducedtheAirby-passIdleSpeedControlSysteminstallationamply,onthisbasic,classifiedthedefectsinto7types,analyzethedefectsthroughtheactualcasesineachclassification,andsum-upthedefectsforeachclassificationaccordingtotheworktheoryofISC,getmyownsolutiontotheISCdefectsinallusiontotheISCdefectscomplexity.

1引言………………………………………………………………………………………………3

2怠速控制系统的概述……………………………………………………………………………3

2.1怠速控制系统的工作原理……………………………………………………………………3

2.2怠速控制系统的控制信号……………………………………………………………………4

2.3怠速控制系统的执行器分类…………………………………………………………………4

3怠速控制系统的控制方式………………………………………………………………………5

3.1旁通空气式怠速控制装置……………………………………………………………………6

3.1.1旁通气道的分类……………………………………………………………………………6

3.1.2步进机式怠速控制系统……………………………………………………………………6

3.1.3旋转电磁阀式怠速控制系统………………………………………………………………8

3.1.4其它旁通式…………………………………………………………………………………11

3.2直动节气门式怠速控制系统…………………………………………………………………14

4怠速控制系统的故障分析与检测………………………………………………………………14

4.1无怠速的故障分析与检测……………………………………………………………………14

4.2怠速转速过高的故障分析与检测……………………………………………………………17

4.3怠速游车的故障分析与检测…………………………………………………………………19

4.4怠速工况有负荷不提速的故障分析与检测…………………………………………………21

4.5加速游车的故障分析与检测…………………………………………………………………24

4.6怠速转速过低的故障分析与检测……………………………………………………………26

4.7松加速踏板易熄火的故障分析与检测………………………………………………………30

5结束语……………………………………………………………………………………………34

主要参考文献……………………………………………………………………………………34

1引言

现代发动机对其动力性、经济性、排放污染等方面性能都提出了严格的要求，这要求对汽油机的可燃混合气的形成点火。

发动机怠速等进行精确的控制，所以，怠速控制系统是当代电喷发动机中的一个重要的组成部分，怠速工况的控制性能的好坏直接反映了一部车的技术性、稳定性、动力性、经济性、排放性等各种技术指标。

发动机处于怠速工况时的转速对发动机的性能有较大的影响，怠速过高，会增加无谓的燃油消耗。

据统计，汽车在交通密度大的道路上行驶时，约有30%的燃油消耗在怠速阶段，因此应尽可能的降低怠速，但从减少有害排放的角度考虑，怠速又不能过低，过低的怠速会使有害排放量增加，另外，发动机处于怠速工况运行时，由于用电器、空调装置、自动变速箱、动力转向伺服机构的接入情况，会使怠速下降，若不采取有效措施会引起发动机运转不稳定，甚至熄火。

因此，怠速控制的目标是应在尽可能低的排放下，保持怠速工况在较低的转速下运行平稳。

然而，在汽车维修行业中，怠速工况下的故障率及怠速控制有关的各种故障率远远大于非怠速控制的其它工况下的故障率。

如何分析、如何检测怠速工况下的各类故障，这就需要了解和掌握怠速控制系统的原理、方式及与其它工况的关联性，从而总结出对于怠速控制系统的故障的正确分析方法与简捷有序的检测手段。

2怠速系统的概述

传统的化油器采用单独的怠速系由怠速空气量孔与怠速孔共同调节，以供应怠速时较浓的混合气，保持怠速工况的稳定。

但是这种机械的调节方式无法满足发动机在复杂的外界条件下保持怠速排放良好的目标。

电控汽油机在怠速工况时除了将怠速转速适当提高以降低排放以外，还可以通过调整空气量与喷油的匹配将怠速转速控制在一个比较稳定的水平上，这样控制的弹性很大，可以适应复杂的外界环境。

2.1怠速控制系统的工作原理

在电控怠速控制系统中，ECU首先根据传感器的输入信号确定目标转速；然后把目标转速与发动机的实际转速进行比较，得到目标转速与实际转速的差值；最后根据此差值确定达到目标转速所需的控制量，驱动怠速控制装置增加或减少空气量。

微机控制怠速控制系统一般采用转速反馈控制方式，车辆正常行驶时，为了避免怠速反馈控制与驾驶员通过油门踏板动作引起的空气量调节发生干涉，电控怠速控制系统需要用节气门全部闭信号、车速信号等对怠速状态进行确认，只有怠速状态得到确认的情况下才进行怠速反馈控制。

除了上述怠速稳定控制外，现代电控汽油机的怠速控制系统，还把过去由其他装置实现的功能集中到怠速控制系统中，如：

起运后控制暖机过程控制负荷变化，预控制电动负荷变化控制等几方面内容。

在现代电控汽油机中，这些控制功能都已由电控怠速控制装置来完成，这样不仅减少了零部件，发动机的结构更加简化和紧凑，而且也有利于提高发动机可靠性。

总之，怠速控制的实质是对怠速工况的进气量进行控制，以控制怠速转速。

2.2怠速控制系统的控制信号

两个重要控制信号

怠速控制有无或怠速控制好坏，取决于怠速工况的输入信号和控制怠速执行器的输出信号。

如果在怠速运转时，发动机控制单元未收到怠速信号，发动机控制单元不做怠速控制，也就是说发动机即使工作在怠速工况，由于发动机控制单元不对怠速阀进行控制，那么发动机转速有可能偏离目标转速，使发动机不稳，更谈不上有负荷时提速控制。

往往在负荷的作用下，发动机转速下降、不稳以致熄火。

如若有输入信号，而无输出信号或输出信号不良，同样使执行器工作不正常而导致怠速转速不稳，当然若执行器本身坏、或卡、脏、滞同样会出现怠速不稳。

倘若机械等方面原因（气阻、真空漏气、节气门调节不良、排气受阻、EGR阀门不良、缺缸等），也同样使控制失灵而导致怠速不稳，单从两个控制信号来讲，它是怠速工况最重要部分。

一、输入信号

当前电喷车有两种信号形式，一是怠速触点信号；二是节气门位置传感器信号。

无论哪种信号形式，都将信号输入发动机控制单元表明怠速工况。

①怠速触点信号：

它在节气门位置传感器中（4线插头），其中有一线为IDL。

当怠速时，节气门全关，IDL信号为OV（触点打开）。

②节气门位置初点信号：

此节气门位置传感器取消怠速触点（3线插头），怠速工况信号代之，进口车一般为小于0.6V，国产车一般小于0.8V。

在规定的节气门信号范围内，发动机控制单元便认为是怠速工况，并控制怠速阀工作，大于规定信号范围，便认为加速工况，不做怠速控制。

二、输出信号

当发动机控制单元收到怠速输入信号后，便向执行器输出一个控制信号，让执行器按发动机目标转速进行工作。

此信号一般为脉冲信号，根据不同怠速执行器的种类，信号控制方式也略有不同。

2.3怠速控制系统的怠速执行器的分类

四种怠速执行器

电喷发动机的怠速控制，主要是由怠速执行器来完成。

由于不同车型的不同配置，其执行器类别也有着较大区别，控制方法也不尽相同，但它们所完成的任务是一致的。

当前电喷发动机所配置的怠速执行器可分为4类。

一、伸缩阀式（二线制）

它是由一组线圈和阀芯组成，发动机控制单元向线圈发出一个占空比不同的脉冲电流，控制线圈的磁场强度（吸力），使线圈内部的阀芯停留在任一个动态位置上，从而达到怠速所要求的进气量，即而完成控制怠速转速的目的。

二、旋转阀式（三线制）

它是由两组线圈和一个阀芯组成（一根电源线两根控制线），通过对两组线圈不同占空比脉冲电流的控制，使它伞兵磁场强度不同，从而使阀芯在90°转角内左右转动任一位置，来达到阀门的开度控制，即可完成控制怠速转速的目的（多用于丰田车系）。

三、步进电机式

它是由两组或四组线圈和阀芯组成。

通过对各组线圈的电流控制（脉冲电流），即正向顺序或反向顺序控制，使电机内部形成一个正向或反向的旋转磁场，阀芯为一个永磁式转子，在旋转磁场的作用下，阀芯可以按步进行转动，带动阀杆伸缩直线运动，从而达到调节进气量完成怠速控制的目的。

步进电机均为可逆式电机，按步数进行控制，一般为125步和255步两种。

步数越多，控制精度越高。

每一个脉冲电流转动一个角度称之为一步，每步11°，每周为32步，量程为0—125步，大约4周，调节速率可达每秒160次。

①四线制步进电机：

它是由两组线圈组成。

分每组线圈极性变换控制和两组线圈控制，来达到顺向或逆向旋转磁场的控制。

②六线制步进电机：

它是由四组线圈组成。

通过各线圈的顺序控制，来完成旋转磁场的控制，从面达到阀芯开度的控制。

步进式怠速控制执行器，由于控制精度高，控制量程大。

它将是当代发动机怠速控制的主流。

四、直动电机式（二线制）

它是一个直流可逆电机，它的转动方向及停留位置由电机反馈信号决定，它安装在主气道节气门体上，直接推动节气门翻板来控制怠速工况进气量。

此方式取消了旁通气道，多用于韩国现代和大众系列车型。

3怠速控制系统的控制方式

怠速控制的本质是怠速进气量的控制，但从怠速进气量控制方式的基本特征分类，可分为：

一类是以控制怠速旁通空气道截面大小和基本特征，对怠速空气流量进行调节下旁通气道控制方式；另一类是以直接控制节气门的开度和基本特征，对怠速空气流量进行调节的气门直动控制方式。

由于控制方式不同，因此控制装置在结构上有效大的差异。

3.1旁通空气式怠速控制装置

在旁通空气式控制方式中，应用比较广泛的控制装置，主要有步进电机式怠速控制装置和旋转滑阀式怠速控制装置，其他还有旋转电磁阀式怠速控制装置、直线电磁阀式怠速控制装置等。

3.1.1旁通气道的分类

旁通气道的形式有多种，目的各异。

当前电喷发动机设立旁通气道有如下三种：

单通道、双通道、三通道和多旁通气道

一、单旁通气道

除节气门主通道外，另设一条通道与主通道并联，主要为怠速控制而设。

在单通道上，安装步进电机式执行器，由于步进电机执行器的调节精度高，调节范围大，故只设一条旁通气道，无须再设基本调节气道。

单通道形式是专为配置步进电机执行器而设立的。

二、双旁通气道

双气道也是为怠速控制设立的，它与主气道并联，怠速工况的调节是由双气道协调控制来完成。

一条气道由怠速螺钉的调节来控制，称之为手动基础调节，主要为自动调节怠速阀做一个基本开量控制；另一条气道由怠速阀自动调节控制，它是在怠速螺钉气道基本开量的基础上进行怠速工况控制调节，这是因为怠速阀的开量调节有限。

另一原因是短量程调节精度较高，因而另设一条怠速螺钉控制气道。

两条旁通气道的调节应是配合工作的，为了使自动怠速调节阀工作在最佳区域（上限与下限之间），应首先确定好怠速螺钉开度位置。

三、三旁通气道

此方式多为机械喷射车型，三条通道为：

螺钉调节气道，怠速阀调节气道和减速断油气道。

在后一种气道上装有一个电磁阀，此电磁阀受控制单元控制，当减速时（松加速踏板时）节气门全关，怠速触点闭合，表明进入怠速工况。

此时发动机转速很高（大于1500r/min），控制单元便将电磁阀打开，大气从此气道涌进。

由于主气道进气较小，空气流量板趋向关闭，同时分配泵的柱塞随流量板关闭而下移导致供油停止（不喷油），这就达到了减速断油的目的。

四、多旁通气道

有些车型，除设置怠速螺钉通道和怠速阀通道外，另设有水温控制气道和空调控制气道，它们均为怠速提速而设置，如水温高于80℃时，石蜡在温度的作用下使气道阀关闭；小于80℃时，石蜡阀打开使发动机冷机快怠速。

如空调工作时，怠速下负荷较大，此时应提高怠速转速。

开空调的同时，将空调控制气道电磁阀打开，增加进气量，提高怠速转速。

3.1.2步进电机式怠速控制系统

步进电机式怠速控制系统由传感器、ECU、步进电机式怠速控制阀组成。

（1）步进电机式怠速控制阀

步进电机式怠速控制阀，如图3所示，它由永久磁铁构成的转子、线圈构成的定子和将旋转运动变成直线运动的进给丝杠及阀等部分组成。

它利用步进转换控制，使转子可顺时针也可逆时针旋转，从而使阀心轴向移动，改变阀与阀座之间的间隙以达到调节旁通空气道的空气量。

其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、B两个定子组成，其内绕有A、B两组线圈，线圈由导磁材料制成的爪极包围。

每个定子各有8对爪级，每对爪极N极与S极相差1个爪的差位，构成一体安装在外壳上。

爪极的极性变换的，由微机控制装置输出的控制定子相线绕组的电压脉冲决定：

A、B两定子绕组分别由1、3相绕组和2、4相绕组构成，由ECU内晶体三极管控制各相绕组的搭铁，欲使步进电机正转时，相线控制脉冲按1—2—3—4相顺序依次迟后90°相位角，定子上N极向右方向动，如图4所示，转子随之正转。

反之，欲使步进电机反转时，相线控制脉冲按1—2—3—4相顺序依次超前90°相位角，定子上N极向左方向移动，转子随之反转。

（2）怠速控制原理

步进电机式怠速控制系统的控制电路如图5所示。

ECU依一定顺序使T1-T4三极管适时导通，分别向步进电机的四俱线圈供电，驱动步进电机转子旋转，调节旁通空气道的开度，从而调节旁通空气量。

步进电机式怠速控制系统的控制项目如下

1）起动预控制

为了改善发动机再起支时的起动性能，在发动机点火开关关闭（OFF）后，ECU控制怠速控制阀处于全开（125步）状态，以便为下次起动作好准备。

为了保证怠速控制阀在发动机下次起动时处于全开位置，在点火开关切断电源后，必须继续给ECU和步进电机供电一段时间。

在这段时间内，通过ECU的主继电器控制电路对主继电器进行控制，如图4所示。

当点火开关断开时，主继电器产ECU的M-REL端继续供电2s，使主继电器保持接通状态，直到怠速控制阀起动初始位置（全开）设定后，继电器断电。

2）起动控制

发支机起动时，由于怠速控制阀预先设定在全开位置，在起动期间流经怠速控制阀的旁通空气量最大，发动机容易起动。

在发动机起动后，若怠速控制阀仍保持在全开位置，怠速转速将会升得过高，所以在起动期间或起动后，发动机转速达到规定值（此值由冷却液温度确定）时，ECU开始控制步进电机式怠速控制阀，将阀门关小到由冷却液温度所确定的阀门开度位置。

3）暖机控制

在暖机过程中，怠速控制阀从起动后根据冷却液温度所确定的开度位置开始逐渐关闭阀门，当冷却液温度达到70℃时，暖机控制结束。

4）稳定怠速反馈控制

在怠速运转过程中，如果发动机实际转速与ECU存储器中所存放的目标转速相差超过一定值（如20r/min）时，ECU将通过步进电机控制怠速控制阀相应增减旁通空气量，使发动机实际转速与目标转速相同。

5）发动机负荷变化的预控制

发动机在怠速运转时，当空调开关、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）电器负荷增大时的怠速控制

在怠速运转时，当汽车上使用的电器增大到一定程度时，将引起电源拱电电压降低，同时发动机的负荷也要增大。

为了保证ECU的+B端和点火开关IGS/W端具有正常的供电电压，需要控制步进电机，相应地增加旁通气道空气量，提高发动机怠速转速，提高发动机的输出功率。

7）学习控制

ECU通过步进电机的正、反转步数，确定怠速控制阀的位置，达到调整发动机的怠速转速的目的。

但由于发动机在整使用过程中，其性能会发生变化，虽然步进电机控制阀门的位置未变，而怠速转速也会和初设的数值不同。

此时ECU用反馈控制方法输出信号，使发动机转速仍达到目标值。

与此同时，ECU将此时步进电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。

3.1.3旋转电磁阀式怠速控制系统

旋转电磁阀式怠速控制机构装在节气门体上，按ECU的控制信号，控制节气门旁通气道的进气量。

旋转电磁阀式体积小，重量轻，其结构如图6所示。

（1）旋转电磁阀式怠速控制机构结构组成

1）圆柱形永久磁铁

圆柱形永久磁铁装在阀轴的末端，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。

2）阀

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

3）线圈L1、L2

线圈L1、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L2、L1通电，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。

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。

4）双金属片

双金属片制成盘形，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水温度的变化，是一套保护装置，其功用是为了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。

只要怠速系统正常工作，轴上的杆将不与挡块的凹槽两侧接触。

（2）控制电路的工作原理

控制电路工作原理如图7所示。

ECU根据有关信号计算出发动机所处工况的占空比，输出相应的控制信号，驱动功率管Tr1和Tr2，使L1和L2线圈通电。

L1和L2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。

占空比是ECU输出的控制领带在一个周期内，通电时间与通电周期的比值。

ECU以一固定周期（4ms）使线圈接通或断开。

由于占空比控制信号和三极管Tr1基极之间接有反向器故三极管Tr1和Tr2集电极输出相位相反。

当占空比为50%时，L1和L2线圈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，使旁通口打开。

（3）怠速控制原理

旋转电磁阀式怠速控制原理电路如图8所示。

在整个怠速范围内，ECU根据水温等传感器输入的信号，确定发动机所处怠速工况的占空比（0-100%），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各项。

1）起动控制

在发动机起动时，ECU根据发动机运行条件，在存储器中取出预存的数据，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（例如：

①节气门位置传感器怠速触点IDL闭合；②车速低于2km/h；空调开关A/C断开）满足时，ECU将根据发动机实际转速与ECU在座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时，则将阀门关小。

目标怠速转速随发动机工况而定，如空档起动开关是按通或关断、电器负载信号、动力转向开关是接通还是断开等等。

4）发动机负荷变化时的预控制

在发动机怠速运转时，如空档起动开关、尾灯继电器或除霜继电器或某种负载较大电器接通或关断时，将会使发动机的负荷改变，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与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，将性能发生变化的发动机怠速转速高速到目标怠速值。

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。

3.1.4其它旁通空气式怠速控制系统

（1）开关控制式怠速控制系统

开关控制式怠速控制阀如图9所示，其系统控制电路如图10所示。

ECU根据各传感器的输入信号控制阀打开和关闭，控制旁通空气量，使发动机保持稳定怠速运转。

当发动机在下列工作条件下，真空控制阀（VSV—VacumSwitchingValve）阀由断开变为接通：

①发动机起动时和刚起动后。

②节气门位置传感感怠速触点IDL闭合，发动机转速降到预定的转速以下时。

③IDL触点闭合，从P档或N档奂入其他挡位后的几秒钟内。

④尾灯继电器接通后。

⑤后窗除雾器开关接通。

此时怠速控制阀打开，流过旁通气道空气量增大，使发动机怠速保持稳定。

当发动机在下列工作条件下，怠速控制阀由接通变为断开：

①发动机起动后，怠速转速已超过预定转速。

②IDL触点闭合，空调压缩机离合器分离，发动机转速超过预定值时。

③IDL触点闭合，从P档或N档换到其他位一定时间后，发动机转速已超过预定怠速值。

④尾灯继电器断开。

⑤后窗除雾器开关断开。

此时，怠速控制阀关闭，流过旁通气道空气量减少，使发动机保持稳定怠速运转。

（2）真空控制式怠速控制系统

在日本早期生产的汽车上，怠速转速控制常采用真空控制方式，主要由旁通空气控制阀和真空控制阀组成，如图11所示。

旁通空气阀的作用是增大或减小旁通气道的截面，以改变怠速时旁通气道的空气流量。

旁通空气阀中间由膜片分开，膜片下侧与大气相通，膜片上侧称为膜片室，它通过管路与真空控制阀相通。

控制膜片室的真空度（负压），可以吸动膜片上下运动，而膜片则带动阀门的开闭程度。

真空控制阀的作用是控制通往旁通空气阀膜片室内的真空度。

真空控制阀由ECU根据冷却液温度等传感器的信息进行控制。

真空控制阀主要由定压阀和电磁阀两部分组成。

定压阀在图中的左半部，它是一个靠压力差进行开关的膜片阀。

膜片左边与大气相通，作用着大气压；膜片右边与进气歧管相通，作用着进气管的真空度，因此膜片右侧也称为负压室。

当膜片右侧负压室的真空度在—16kPa以下时，在右侧膜片弹簧的作用下，片阀呈开启状态；当负压室的真空度达到—16kPa以上时，膜片阀口关闭。

即使发动机的进气真空度大于——16kPa，负压室的压力也保持在—16kPa，因此定压阀的作用是使负压室的真空度保持在—16kPa。