汽车电控发动机构造与维修7

汽车电控发动机构造与维修第七章怠速控制系统的测试、诊断与维修一任务引入二任务分析三相关知识四任务实施学习目标：1.了解发动机怠速转速的控制要求及控制方法；2.掌握怠速控制系统的结构与工作原理；3.掌握转阀式怠速控制阀、步进电机式怠速控制阀的检查方法；4.掌握大众车系怠速控制系统的检查方法。一任务引入怠速是发动机重要的运行工况之一，常见的故障现象有怠速不稳、怠速过低、怠速过高、怠速时开空调熄火等，因此，诊断和排除怠速控制系统的故障是发动机故障诊断与排除的一项重要内容。二任务分析发动机的怠速控制系统主要有旁通空气控制式和节气门直动式两大类，如图7-1所示，其中，旁通空气控制式又分线性电磁阀式、转阀式、步进电动机式等类型。怠速控制系统的种类不同，故障检测的方法也有所不同，在实际操作中，往往需要根据其结构特点，利用万用表等工具，对相关的部件及电路进行检测，再由检测的结果来判断故障的位置。三相关知识1.对发动机怠速转速的控制要求2.怠速控制系统的结构与工作原理1.对发动机怠速转速的控制要求1)正常怠速或低怠速2)起动、暖机怠速3)高怠速怠速是指发动机不向外输出功率，燃料燃烧所作的功仅仅用于发动机的内部摩擦和带动相关的附属设备，此时，节气门往往处于关闭状态，发动机只需要吸入极少量的空气，喷油器也只需要喷入极少量的燃油，相应的转速也维持较低。1)正常怠速或低怠速水温正常，且空调、大灯等附属设备关闭时，怠速一般应为750～850r/min，称为正常怠速或低怠速。2)起动、暖机怠速起动、暖机时，由于水温较低、发动机内部摩擦力较大，低怠速下容易造成运转不稳，且长时间低温运行会增大发动机的磨损，因此，要求怠速适当提（提高的幅度与当时的水温有关，水温越低，提高的幅度越大），这样，既利于运转平稳，又利于快速暖机。随着水温的升高，要求转速逐步向正常怠速或低怠速过渡，如图7-2所示。3)高怠速打开空调、前照灯等附属设备、动力转向投入工作或自动变速器换上行驶挡位时，发动机的负载增大，转速有下降的趋势，此时要求怠速转速自动提高，一般要求达到1000～1200r/min，称为高怠速（或快怠速）。2.怠速控制系统的结构与工作原理1)旁通空气式怠速控制系统2)节气门直动式怠速控制系统1)旁通空气式怠速控制系统(1)转阀式怠速控制阀(2)线性电磁阀式与开关电磁阀式怠速控制阀(3)步进电动机式怠速控制阀旁通空气式怠速控制系统主要由怠速控制阀（ISCV）、发动机ECU以及各种传感器等组成，如图7-3所示，其中，怠速控制阀装于绕过节气门的旁通气道，怠速时，节气门完全关闭，所有空气经由该旁通气道进入发动机，ECU只要控制怠速控制阀的开度，即可控制旁通空气量，从而达到控制怠速转速的目的。起动、暖机时的怠速控制：起动时，怠速控制阀完全打开，旁通气道的开度最大，流过旁通气道的空气量较大，从而确保发动机能够顺利起动，如图7-4所示；起动后，随着发动机水温的逐步升高，怠速控制阀的开度逐步减小，水温正常后达到正常怠速所需的开度位置。怠速反馈控制：如果怠速转速偏离了设定值，ECU会通过调整怠速控制阀开度的方法来进行修正。负荷调节控制：当打开空调，或打开前大灯，或将变速杆从N挡换至D挡或R挡时，发动机负载突然增大，转速有下降的趋势，此时，ECU会使怠速控制阀的开度适当增大，以确保转速不致下降。此外，当节气门由大开度突然完全关闭时，ECU也会瞬时打开怠速控制阀，以防发动机转速突然过低。(1)转阀式怠速控制阀转阀式怠速控制阀有单线圈式和双线圈式两种，其中，单线圈式为新型，双线圈式为旧型。单线圈转阀式怠速控制阀由电磁线圈，IC（集成电路）﹑永久磁铁和转阀组成，如图7-5所示，其中转阀的一端通空气滤清器，另一端通节气门后方。改变转阀的转角，即可以改变空气通道的大小。发动机ECU向IC（集成电路）发送一定频率的方波信号，再由IC控制电磁线圈的工作电流，ECU只要改变方波信号的占空比，即可改变转阀的开度。占空比：方波信号的一个周期中，高电平所占的百分比。提示：如果发生电流中断故障（例如电路断路），转阀会在永久磁铁的作用下打开至某一固定开度，怠速转速可达到1000～2000r/min。双线圈转阀式怠速控制阀由两个电磁线圈、永久磁铁、双金属片和转阀等组成，如图7-6所示，其工作原理如图7-7所示。两个电磁线圈通电后所产生的磁场同极相对，共同对转轴上的永久磁铁产生作用力，线圈A的磁场使转阀开度增大，线圈B的磁场使转阀开度减小。当两个磁场强度相同时，转阀处于中间位置；当两个磁场强度不同时，转阀发生偏转：如果线圈A的磁场大于线圈B的磁场，则转阀开度增大；如果线圈A的磁场小于线圈B的磁场，则转阀开度减小。转阀的最终位置取决于两个磁场强度与双金属片弹力的平衡状态。发动机ECU通过控制两个线圈通电的占空比来控制其工作电流，但两个占空比信号的频率相同、方向相反，因而占空比互补。例如：线圈A的占空比为60％时，线圈B的占空比则为40％，这样，线圈A的工作电流就大于线圈B的工作电流，因而转阀的开度增大，发动机的怠速随之升高。提示：线圈A发生断路时，怠速会过低或不稳；线圈B发生断路，怠速会过高。双线圈转阀式怠速控制阀的控制电路如图7-8所示，两个线圈由电源电路同时供电，并分别由ECU的两个三极管控制，其中一个三极管的基极电路设有反向器。(2)线性电磁阀式与开关电磁阀式怠速控制阀线性电磁阀式怠速控制阀：发动机ECU通过占空比来控制电磁线圈的工作电流，从而直接控制阀门的开度，如图所示。开关电磁阀式怠速控制阀：电磁线圈只有通电和断电两种状态，怠速控制阀也只有开、关两种状态，如图7-10所示。怠速控制阀打开时发动机的怠速只能提高100r/min左右。由于这两种怠速控制阀对怠速的调节范围有限，目前已经很少使用。(3)步进电动机式怠速控制阀步进电动机式怠速控制阀装在节气门体或进气室上，当步进电动机的转子转动时，其阀杆伸出或缩入，阀杆一端的阀门即可控制旁通气道的开度，如图7-11所示。阀门从全关到全开，步进电动机可转125步，阀门的开度也相应有125级（丰田汽车）。步进电动机的转子由永久磁铁制成，定子则由两个16极铁芯构成，每个铁芯上绕有两组线圈，两个铁芯共4组线圈（分别为C1、C2、C3、C4），每组线圈都由8个线圈组成，每个线圈都各自绕在一个铁芯极上，这样就形成了16对磁极（共32个磁极），如图7-11（下）所示。线圈C1通电时，其磁场使转子转到C1磁极对应的位置；线圈C2通电时，其磁场则使转子转到C2磁极对应的位置，以此类推。如果发动机ECU按照C1-C2-C3-C4的顺序给4组线圈通电，则转子向顺时针方向步步转动，怠速阀步步打开；如果发动机ECU按照C4-C3-C2-C1的顺序给4组线圈通电，则转子向逆时针方向步步转动，怠速阀则步步关闭。丰田汽车步进电动机式怠速控制阀的控制电路如图7-12所示。该怠速控制阀具有如下的特定功能。起动位置设定：当发动机停止运转时，ECU将怠速控制阀置于完全打开位置，以确保发动机下一次能够顺利起动。主继电器控制：点火开关断开时，ECU会继续维持主继电器接通一段时间，以便步进电动机完成起动位置设定。自学习记忆功能：发动机熄火后，ECU内部会记忆达到规定怠速所需要的步数，以便下次起动后能够迅速稳定怠速。2)节气门直动式怠速控制系统(1)“半电子节气门”(2)“全电子节气门”节气门体上不再设置旁通气道，也不再设置怠速控制阀，发动机ECU通过直接控制节气门开度的方式来控制怠速转速，如图7-1b）所示。(1)“半电子节气门”节气门的开度只有在怠速工况下才受发动机ECU的控制，非怠速工况则由驾驶员通过加速踏板人工控制。大众车系广泛采用的此种类型的节气门体如图7-13所示，其节气门轴的一端为节气门拉索盘，另一端为怠速稳定控制器。怠速稳定控制器由怠速电动机、齿轮组、应急弹簧以及相关传感器等组成，其中传感器包括节气门位置传感器、怠速节气门位置传感器、怠速开关等。怠速时，怠速开关闭合，发动机ECU据此判定进入怠速状态，于是开始通过怠速电动机及齿轮组等元件在一定范围内控制节气门的开度，节气门实际开度则由怠速节气门位置传感器信号反馈给ECU，从而既可以实现对故障的监测功能，也可以实现ECU的自学习记忆功能。应急弹簧则用于应急运转功能。故障监测功能：当节气门的开度不能按照ECU的控制指令变化，或开度已经达到控制极限，而怠速转速却仍然达不到目标值，ECU内会储存相应的故障代码——“怠速调整超出极限”。此时实际的故障原因可能为：节气门因污物而被卡、空气滤清器阻塞、进气系统漏气、其他机械故障等，应根据实际情况进行排除，一般情况下，节气门因污物而被卡较为多见，此时清洗节气门体即可。ECU的自学习记忆功能：发动机熄火后，ECU内部会记忆维持规定怠速所需要的节气门开度，以便下次起动后能够迅速稳定怠速。此功能可以确保发动机逐渐磨损后，其怠速仍然维持不变。应急运转功能：当ECU对怠速的控制失效时，应急弹簧可将节气门拉开至某一开度，从而使发动机维持在某一高怠速下继续运行。提示：在对节气门体进行清洗等维修作业或更换节气门体，或更换ECU后，ECU内部的记忆值与节气门的实际开度可能不一致，因此会造成怠速波动现象。解决方法有以下两种。方法一：起动发动机，反复踩几次加速踏板，并使发动机怠速运转30min左右即可（利用ECU的自学习记忆功能使怠速逐渐恢复稳定）。方法二：用故障诊断仪的“自适应匹配”功能清除ECU内部的记忆值，并利用怠速节气门位置传感器信号重新记忆新的数据。(2)“全电子节气门”近年来，许多车型上又出现了一种所谓的“全电子节气门”，或称为“智能节气门”。其全部开度范围都受发动机ECU的控制，如图7-14所示，主要工作特点是：用节气门控制电动机完全取代了节气门拉索，在加速踏板处另设一个加速踏板位置传感器，发动机ECU则根据该传感器信号控制节气门控制电动机电流的大小和方向，从而控制节气门的开度，节气门的实际开度则由节气门位置传感器反馈给发动机ECU。丰田公司“全电子节气门体”的结构如图7-15所示，主要由节气门、节气门控制电动机、齿轮机构、节气门位置传感器、复位弹簧和其他部件构成。当没有电流流向电动机时，复位弹簧使节气门开启到一个固定位置（大约7°，丰田卡罗拉为6°），但是，在正常怠速期间，节气门的开度反而要小于这个固定位置。“全电子节气门”的控制模式如图7-16所示，在正常模式下，节气门开度随加速踏板转角变化，但略小于加速踏板转角，以确保汽车能够平稳行驶。当按下雪地模式开关时，节气门开度会减小，以防止车辆在较滑路面上打滑；当按下动力模式开关时，节气门开度增大，对加速踏板转角的直接反应性增强，从而使发动机输出较强的动力。采用“全电子节气门”时，还可以实现如下控制功能。扭矩激活控制功能：节气门开度小于或大于加速踏板转角，以确保汽车平稳加速。如图7-17所示，当驾驶员突然踩下加速踏板时，如果没有转矩激活控制功能，节气门开度与加速踏板转角同步，汽车加速度（纵向力G）会迅速升高，然后又逐渐下降，而有转矩激活控制功能时，节气门则逐渐开启，使汽车加速度逐渐上升而得到平稳加速的效果。怠速控制功能：ECU通过控制节气门开度，使发动机保持理想的怠速状态。换挡减振控制：自动变速器换挡时，减小节气门开度，从而降低发动机转矩。驱动防滑控制：驱动轮出现滑转现象时，减小节气门开度，从而降低发动机转矩。车身动态控制功能：车辆高速转弯时，如果出现侧滑现象，则减小节气门开度，从而降低发动机功率。巡航控制功能：发动机ECU直接控制节气门开度，实现巡航控制功能。四任务实施1.实训目的2.设备准备3.实训步骤4.实训要求1.实训目的①可以进行各种怠速控制阀及其控制电路的检查。②可以进行大众车系怠速控制系统的检查。2.设备准备丰田5A-FE发动机台架一台（或配该发动机的整车一辆）；大众捷达汽车（或其他采用“半电子节气门”的汽车）一辆；大众汽车专用故障诊断仪V.A.G1551/1552一台；万用表一只；发动机舱护罩一套；“三件套”一套；通用工具一套。3.实训步骤1)转阀式怠