汽车发动机控制系统的控制类型及维修方案

怠速控制系统类型有旁通空气式、节气门直动式和电子节气门式三种类型。

3.2.1 旁通空气式

旁通空气式怠速控制机构又称为怠速控制阀（ISC valve），是由ECU来控制空气旁通阀来实现对怠速进气量的控制，达到控制怠速转速的目的，如图1-18所示。

旁通空气式怠速执行器的种类较多，一般按结构可分为平动电磁阀式、旋转电磁阀式和步进电动机式。

图1-18 旁通空气式怠速控制系统

1.平动电磁式

（1）结构 平动电磁阀式怠速控制执行机构如图1-19所示，主要由电磁线圈、复位弹簧、阀芯阀座、固定铁心、活动铁心、进气口和出气口等组成。阀芯固定在阀杆上，阀杆一端与固定铁心连接，另一端设置有复位弹簧。进气口与节气门前端的进气管相通，出气口与节气门后端的进气管相通。

图1-19 平动电磁阀式怠速控制执行机构结构

（2）占空比 占空比是指一个脉冲循环里，电磁线圈通电时间（即阀口打开时间）所占的比值。如图1-20和图1-21所示，图中脉冲“ON”的时间占一个周期的60%，即为占空比等于60%。占空比越大，即阀口打开的时间相对增加，空气量增多，结果通往空气旁通阀膜片室的真空度越小，从而使旁通空气阀开启程度增大，致使怠速时旁通空气道中的空气流量增加。因此，微机只要控制电磁阀线圈的脉冲占空比，就能控制旁通空气道中的空气流量，也就能控制怠速转速。由上可知，占空比越大，怠速转速越高；反之，怠速转速越低。

图1-20 占空比定义

图1-21 占空比示意图

a）占空比定义 b）占空比小 c）占空比大

（3）工作原理 电磁线圈接通电流时就会产生电磁吸力，当线圈产生的电磁吸力超过复位弹簧的弹力时，活动铁心在电磁吸力的作用下就会向固定铁心方向移动，同时通过阀杆带动阀芯向右移动，使阀芯离开阀座将旁通空气道开启；当电磁线圈断电时，活动铁心与阀芯在复位弹簧弹力的作用下左移复位，将旁通空气道关闭。

旁通空气道开启与关闭的时间由ECU发出的占空比信号控制。发动机工作时，ECU根据怠速转速的高低，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时间来调节旁通进气量。

占空比在0～100%之间的范围内变化，当怠速转速过低时，ECU将自动增大占空比，使电磁线圈通电时间延长，断电时间缩短，阀门开启时间延长，旁通进气量增多，怠速转速升高，防止因怠速转速过低而导致发动机熄火；反之，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，断电时间延长，阀门开启时间缩短，旁通进气量减少，怠速转速降低。

2.旋转滑阀式

（1）结构 旋转滑阀式怠速控制阀结构如图1-22所示，主要由旋转滑阀和电动机组成。旋转滑阀固定在电动机的电枢轴上，在电动机的驱动下，可以在限定的90°转角范围内转动，通过改变空气旁通道开启面积的大小来增减进气量。

图1-22 旋转滑阀式怠速空气控制阀结构图

（2）工作原理 如图1-23所示，当给线圈通电时，就会产生磁场，从而使电枢轴带动旋转滑阀转动，以控制通过旁通空气道的空气流量。

图1-23 旋转滑阀式怠速控制原理图

旋转滑阀根据控制脉冲信号的占空比进行偏转，占空比的范围约为18%（旋转滑阀关闭）～82%（旋转滑阀打开）之间。滑阀的偏转角度限定在90°内。

3.步进电动机式

（1）结构 图1-24和图1-25为步进电动机式怠速控制阀。步进电动机的结构与其他电动机一样，由永磁转子和定子绕组等组成，其功能是产生驱动力矩。螺旋机构的作用是将步进电动机的旋转运动变换为往复运动，由螺杆（又称为丝杠）和螺母组成。螺母与步进电动机的转子制成一体，螺杆的一端制有螺纹，另一端固定有阀芯，螺杆与阀体之间用滑动花键连接，只能沿轴向作直线移动，不能作旋转运动。

图1-24 步进电动机式怠速控制阀

图1-25 步进电动机式怠速控制阀结构图

如图1-26所示，转子由永久磁铁制成，共有8对磁极，N与S极相间排列。定子由上、下两部分（A和B）组成，有两相独立的绕组。定子的每一部分也有8对磁极，成爪形，上下两部分相间地组合到一起。定子的磁极布置为NNSSNNSS……定子绕组通电时产生磁场，与转子的永久磁铁形成的磁场在同性相斥、异性相吸的原理作用下，使转子转动。转子一周分为32个步级进行，每个步级转动一个爪的角度，即11.25°（一般步进电动机为2到125个步级）。

图1-26 步进电机式怠速控制阀转子与定子结构

当步进电动机的转子转动时，螺母带动螺杆作轴向移动。转子转动一圈，螺杆移动一个螺距。因为阀芯与螺杆固定连接，所以螺杆将带动阀芯开大或关小阀门开度。ECU通过控制步进电动机的转动方向和转动角度来控制螺杆的移动方向和移动距离，从而达到控制怠速开度，调整怠速转速的效果。

（2）控制原理 如图1-27所示，EFI主继电器向步进电动机的B1和B2端子提供电压。微机通过其ISC1、ISC2、ISC3和ISC4端子控制步进电动机内4个线圈的搭铁电路。微机按一定顺序控制ISC1、ISC2、ISC3和ISC4端子轮流搭铁，使步进电动机顺时针或逆时针旋转，从而带动阀门向前或向后移动，开大或关小节气门旁通气道，控制发动机怠速转速。(www.zuozong.com)

图1-27 步进电动机式怠速控制阀电路连接图

（3）步进电动机式怠速控制阀的控制过程

1）初始值设定：为了改变发动机再起动时的起动性能，在发动机点火开关关闭后，ECU将控制怠速控制阀全部打开，为下次起动做好准备。

2）暖机控制：发动机起动后，ECU将怠速控制阀关小到与当时冷却液温度相应的最佳怠速转速值。当冷却液温度达70℃时，暖机控制结束。

3）反馈控制：在怠速运转过程中，如果此时由于某种原因使发动机转速与目标转速相差超过20r/min，ECU会对怠速控制阀相应增减旁通空气量，使发动机转速与目标转速相同。

4）怠速转速变化预控制：负荷变化时，为了防止发动机转速变化，ECU控制怠速空气阀提前开大或关小。

5）其他控制：由于负荷等引起电源电压降低时，ECU会自动控制提高发动机转速，保证系统正常供电。

6）学习控制：随着机件的磨损等，ECU原来控制步进电动机的步进数已达不到原来的控制效果，此时发动机会通过发动机转速的反馈控制，使其达到原来的目标值，这种控制方式又称为怠速控制的学习控制功能。

4.威驰轿车怠速控制系统

如图1-28所示为威驰轿车怠速控制系统的电路简图，其中怠速控制阀为占空比控制型怠速控制阀，怠速控制阀位于节气门体下部，进气绕过节气门经过通道流至ISC阀。这样，调整绕过节气门的旁通进气量，控制发动机转速。EMC操纵ISC阀，进行提升怠速和向目标怠速提供反馈。

图1-29为怠速控制阀的电路图：

其中2号接脚VISC接脚接收到来自继电器EFI的12V电压，用来给电磁线圈通电；1号接脚为DUTY脚与ECM相连接，接收微机发送的占空比信号；3号接脚GND脚为搭铁脚。

图1-28 威驰轿车怠速控制系统电路简图

图1-29 威驰轿车怠速控制阀电路图

3.2.2 节气门直动式

没有怠速空气旁通道，直接控制节气门的开启角度，调节空气通路的截面积来控制充气量，称为节气门直动式（图1-30）。

图1-30 节气门直动式怠速控制系统结构图

1—节气门 2—节气门怠速传感器 3—应急运行弹簧 4—怠速电动机 5—节气门位置传感器 6—怠速触点 7—节气门体加热水管 8—节气门拉锁滑轮 9—直流电动机 10、11、13—齿轮 12—传动轴 14—螺杆

从图1-30和图1-31中可以看出，该怠速执行器主要由直流电动机、减速齿轮和螺杆等部件组成。执行器在输出时，传动轴前后运动，它与节气门操纵臂的全闭限位器相接触，由此决定了节气门的最小开度。当微机控制直流电动机通电时，电动机产生旋转力矩，通过减速齿轮减速时，增大了旋转力矩，然后又通过螺杆改变转动轴的前后直线运动。通过传动，使节气门最小开度随之变化，达到调节节气门空气通道面积，进而实现怠速的控制。

图1-31 节气门直动式

3.2.3 电子节气门式

节气门是汽车发动机的重要控制部件。为了提高汽车行驶的动力性、平稳性及经济性，并减少排放污染，世界各大汽车制造商推出了各种控制特性良好的电子节气门及其相应的电子控制系统，组成电子节气门控制系统（ETCS）。采用电子节气门控制系统，使节气门开度得到精确的控制，不但可以提高燃油经济性，减少排放，而且可以使控制系统响应迅速，获得满意的操控性能；另一方面，可实现怠速控制、巡航控制和车辆稳定控制等的集成，简化了控制系统的结构。

电子节气门主要由加速踏板位置传感器、电子控制单元ECU和节气门等组成，如图1-32所示。

图1-32 电子节气门电路控制简图

驾驶人操纵加速踏板，加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶人意图，计算出对发动机转矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号，如发动机转速、挡位、节气门位置和空调能耗等，由此计算出整车所需求的全部转矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动模块控制电动机使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制，如图1-33所示。

图1-33 电子节气门控制示意图

节气门驱动电动机一般为步进电动机或直流电动机，两者的控制方式也有所不同。驱动步进电动机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电动机进行控制。电平的高低控制步进电动机转动的方向，脉冲个数控制电动机转动的角度，即发出一个脉冲信号，步进电动机就转动一个步进角，脉冲频率控制电动机转速，转速与脉冲频率成正比。因此，通过对上述三个参数的调节可以实现电动机的精确定位与调速。

控制直流电动机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高和可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电动机转角的大小，电动机方向则是由与节气门相连的复位弹簧控制的。电动机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定，电动机输出转矩与复位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电动机驱动力矩克服复位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电动机输出转矩和节气门开度也随之减小。

ECU对系统的功能进行监控，如果发现故障，将点亮系统故障指示灯，提示驾驶人系统有故障。同时电磁离合器被分离，节气门不再受电动机控制。节气门在复位弹簧的作用下返回到一个小开度的位置，使车辆慢速开到维修地点。