第五节 怠速控制
一、怠速控制系统的功能与组成
1.怠速控制系统的功能
电控汽油喷射式发动机在怠速工况时，空气通过节气门缝隙或旁通节气门的怠速空气道进入发动机，并由空气流量计（或进气管绝对压力传感器）对进气量进行检测。电控燃油喷射系统（EFI）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载，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。传感器的功用是检测发动机的运行工况和负载设备的工作状况，ECU则根据各种传感器的输入信号确定一个怠速运转的目标转速，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。
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。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机型、旋转电磁阀型、占空比控制电磁阀型、开关型等。
二、节气门直动式怠速控制器
节气门直动式怠速控制器的结构主要由直流电机、减速齿轮机构、丝杠机构和传动轴等组成。直流电动机可正转也可反转，当直流电动机通电转动时，经减速齿轮机构减速增扭后，再由丝杠机构将其旋转运动转换为传动轴的直线运动。传动轴须靠在节气门最小开度限制器上，发动机怠速运转时，ECU根据各传感器的信号，控制直流电动机的正反转和转动量，以改变节气门最小开度限制器的位置，从而控制节气门的最小开度，实现对怠速空气量进行控制的目的。
节气门直动式怠速控制器的结构比较简单，但采用齿轮减速机构后，会导致执行速度变慢，动态响应性差，控制器的外形尺寸也比较大，所以目前除部分单点喷射系统外，一般不采用此种怠速控制系统。
三、步进电动机型怠速控制阀
1.控制阀的结构与工作原理
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转变为丝杆的直线运动，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，控制发动机怠速工况下的空气供给量。
步进电动机的结构主要由用永久磁铁制成有16个（8对）磁极的转子和两个定子铁芯组成。每个定子都由两个带16个爪极的铁芯交错装配在一起，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型怠速控制阀的位置（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。当ECU控制使步进电动机的线圈按l—2—3—4顺序依次搭铁时，定子磁场顺时针转动，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、下两个铁芯各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。
2.控制阀的检修
（1）检修步进电动机型怠速控制阀的注意事项
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）检修步进电动机型怠速控制阀的方法
①拆开怠速控制阀线束连接器，将点火开关转至“ON”位但不启动发动机，在线束侧分别测量B1和B2端子与搭铁之间的电压，均应为蓄电池电压（9～14V），否则说明急速控制阀电源电路有故障。
②发动机启动后再熄火时，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连接器，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，阻值均应为10～30Ω，否则应更换怠速控制阀。
④如图1-37所示，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1-37 步进电动机型怠速控制阀工作情况检查
3.控制阀的控制内容
（1）启动初始位置的设定 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使怠速控制阀回到启动初始位置。
（2）启动控制 在启动期间，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，使之到启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 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的开度，随温度上升，怠速控制阀开度渐渐减小。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 当转速信号与确定的目标转速进行比较有一定差值时（一般为20r/min），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。
（5）怠速预测控制 在发动机负荷发生变化时，为了避免怠速转速波动或熄火，ECU会根据各负荷设备开关信号，通过步进电动机提前调节怠速控制阀的开度。
（6）电器负荷增多时的怠速控制 如电器负荷增大到一定程度时，蓄电池电压会降低，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，提高发动机怠速转速，以提高发动机的输出功率。
（7）学习控制 由于磨损原因导致怠速控制阀性能发生变化，怠速控制阀的位置相同时，实际的怠速转速与设定的目标转速略有不同，ECU利用反馈控制使怠速转速回归到目标转速的同时，还可将步进电动机转过的步数存储在ROM中，以便在此后的怠速控制过程中使用。
四、旋转电磁阀型怠速控制阀
1.控制阀的结构与工作原理
控制阀安装在阀轴的中部，阀轴的一端装有圆柱形永久磁铁，永久磁铁对应的圆周位置上装有位置相对的两个线圈。由ECU控制两个线圈的通电或断电，改变两个线圈产生的磁场强度，两线圈产生的磁场与永久磁铁形成的磁场相互作用，即可改变控制阀的位置，从而调节怠速空气口的开度，以实现怠速空气量的控制。
ECU控制旋转电磁阀型怠速控制阀工作时，控制阀的开度是通过控制两个线圈的平均通电时间（占空比）来实现的。占空比是指脉冲信号的通电时间与通电周期之比。通电周期一般是固定的，所以占空比增大，即延长通电时间。当占空比为50%时，两线圈的平均通电时间相等，两者产生的磁场强度相同，电磁力相互抵消，阀轴不发生偏转。当占空比大于50%，两个线圈的平均通电时间一个增加，而另一个减小，两者产生的磁场强度也不同，所以使阀轴偏转一定角度，控制阀开启怠速空气口。占空比越大，两个线圈产生的磁场强度相差越多，控制阀开度越大。因此，ECU通过控制脉冲信号的占空比即可改变控制阀开度，从而控制怠速时的空气量。控制阀从全闭位置到全开位置之间，旋转角度限定在90°以内，ECU控制的占空比调整范围为18%～82%。
2.控制阀的控制内容
旋转电磁阀控制旁通空气式怠速控制系统的控制内容主要包括启动控制、暖机控制、怠速稳定控制、怠速预测控制和学习控制，具体内容与步进电动机控制旁通空气式怠速控制系统基本相同。
3.控制阀的检修
旋转电磁阀型怠速控制阀电路（日本丰田 PREVIA轿车），在维修时，一般进行如下检查。
①拆开怠速控制阀线束连接器，将点火开关转至“ON”位但不启动发动机，在线来侧测量电源端子（+B）与搭铁之间的电压，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拆开怠速控制阀上的两端子线束连接器，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。
五、占空比控制电磁阀型怠速控制阀
1.控制阀的结构与工作原理
控制阀主要由阀杆、线圈和弹簧等组成。
控制阀的开度取决于线圈产生的电磁力大小，与旋转阀型怠速控制阀相同，ECU是通过控制输入线圈脉冲信号的占空比来控制电场强度，以调节控制阀的开度，从而实现怠速空气量的控制。
2.控制阀的控制内容
包括启动控制、暖机控制、怠速稳定控制、怠速预测控制和学习控制。由于旁通气量少，需要怠速控制阀辅助控制发动机暖机过程的空气供给量。
3.控制阀的检修
①拆下控制阀线束连接器，点火开关置“ON”位，不启动发动机，分别检测电源端子与搭铁间的电压，为蓄电池电压。
②拆下怠速控制阀上的两端子线束连接器，在控制阀侧分别测量两端子之间电阻，应为10～15Ω。
六、开关型怠速控制阀
1.控制阀的结构与工作原理
开关型怠速控制阀的结构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类似。不同的是，开关型怠速控制阀工作时，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。
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，在满足怠速控制阀控制内容所设定的条件之一时，控制阀即执行开或关。
此外，与占空比控制电磁阀型怠遥控制阀相比，开关型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，也需要怠速控制阀辅助控制发动机暖机过程的空气供给量。
3.控制阀的检修
开关型怠速控制阀的检修与占空比控制电磁阀型怠速控制阀基本相同。