第四章 汽油及辅助控制系统

第四章汽油及辅助控制系统第一节怠速控制系统一、怠速控制系统的功能与组成1、怠速控制系统的功能怠速是指节气门关闭，油门踏板完全松开，且发动机对外无功率输出并保持最低转速稳定运转的工况。在汽车使用中，发动机怠速运转的时间约占30％，怠速转速的高低直接影响燃油消耗和排放污染。怠速转速过高，燃油消耗增加，但怠速转速过低，又会增加排放污染。此外，怠速转速过低，发动机冷车运转、空调打开、电器负荷增大、自动变速器挂入挡位、动力转向时，由于运行条件较差或负载增加，容易导致发动机运转不稳甚至熄火。在传统的化油器式发动机上，一般由人工调整怠速转速，发动机工作中，不能根据运行工况和负载的变化适时调整怠速转速。虽然有些设有机械装置控制发动机的怠速转速，但其结构比较复杂，且工作稳定性也较差。随着电控技术在汽车上的广泛应用，怠速控制(1SC)已成为发动机集中控制系统的基本控制内容之一。怠速控制的目的是在保证发动机排放要求且运转稳定的前提下，尽量使发动机的怠速转速保持最低，以降低怠速时的燃油消耗量，即实现对热机怠速工况进气量和空燃的闭环反馈控制。在除怠速以外的其他工况下，驾驶员可通过油门踏板控制节气门的开度，从而改变发动机的进气量，以调节发动机的转速和输出功率。而在油门踏板完全松开的怠速工况下，驾驶员则无法控制发动机进气量。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(EFl)则根据各传感器信号控制喷油器，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，如图所示。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人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。在怠速以外的其他工况下，若系统对发动机实施怠速控制，会与驾驶员通过油门踏板对进气量的调节发生干涉。因此，在怠速控制系统中，ECU需要根据节气门位置信号和车速信号确认怠速工况，只有在节气门全关、车速为零时，才进行怠速控制。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。所谓怠速进气量实际上是指发动机最小进气量。不仅在热机怠速工况对最小进气量有控制要求，在冷机启动、减速时也都各有一定要求。电控汽油喷射式发动机的最小进气量有两种限制方式，一是由节气门最小开度限制(图(a))，二是节气门全关而由绕过节气门的旁通空气道的通路面积来限制(图(b))。图怠速进气量控制方法a）节气门直动式b）旁通空气式1-节气门；2-操纵臂；3-怠速执行器；4-空气旁通道怠速执行器根据ECU的指令，控制节气门最小开度或控制旁通空气道的通路面积。采用节气门最小开度控制方式对于化油器式发动机改成电控喷油比较方便，可以直接在原化油器的下体(节气门体)上加装怠速执行器，但是由于进气量对节气门开度很敏感，用这种控制方式时热机怠速的稳定性不如旁通空气道控制方式，所以后者得到更多的应用。对怠速进气量的控制一般有以下三项内容。(1)冷机启动时要有一个较大的初始进气量，启动后暖机过程中再随着冷却水温的升高逐渐减小。(2)热机怠速工况实行怠速转速反馈闭环控制，根据怠速转速对目标值的偏差相应调整怠速进气量以维持怠速转速稳定。怠速转速目标值有高、低两挡或更多挡，可根据汽车附件载荷情况自动选择。(3)在急速关闭节气门时，怠速执行器将从原来的打开位置(例如约100步处)按预先匹配设计好的程序随着转速降低缓慢减少怠速空气量，直至正常怠速位置(如40步左右），同时减少喷油量或断油，以减缓缸内混合气一时变浓及动力突减的冲击，即所谓“电子阻尼器”的作用。二、怠速控制系统的类型及工作原理电控怠速系统(ISC)有四种基本类型：步进马达型（stepmotortype）旋转电磁阀型(rotarysolenoidtype)占空比控制电磁阀型（dutycontrolACVtype）开关控制怠速真空通道控制阀（on-offVSVtype）1、步进马达型怠速控制阀结构：这种ISC阀有一内置步进电机，这个马达顺时针或逆时针方向转动转子，使ISC阀移进或移出。这一运作增加或减小阀与阀座之间的间隙，以调节允许通过的空气量。ISC阀从全关至全开位置有125级。由于步进电机气流量很大，因此也用于快怠速。这个阀不需要与空气阀一起使用。步进电动机型怠速控制阀的结构如图所示。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砖运动转变为阀杆的直线运动，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，控制阀伸入到设在怠速空气道内的阀座处。转子由16极永久磁铁构成（极数视发动机而异）。定子由两组16极铁芯构成，两组交错排列，彼此错开半个节距。两个定子铁芯上分别绕有l、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。运作：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、下两个铁心各16个)，所以步进电动机每转一步为/132圈(约l1°转角)，步进电动机的工作范围为0～125个步进级。步进电动机型怠速控制阀电路(日本丰田CROWN3.0轿车)如图所示。主继电器触点闭合后，蓄电池电源经主继电器到达怠速控制阀的Bl和B2端子、ECU的+B和+B1端子，B1端子向步进电动机的l-3相两个线圈供电，B2端子向2-4相两个线圈供电。4个线圈的分别通过端子Sl、S2、S3和S4与ECU端子ISCl、ISC2、ISC3和ISC4相连，ECU控制各线圈的搭铁回路，以控制怠速控制阀的工作。控制阀的检修：(1)在检修步进电动机型怠速控制阀时应注意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)安装时厂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”但不起动发动机，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），否则说明怠速控制阀电源电路有故障。2）发动机起动后再熄火时，2～3s内怠速控制阀附近应能听到内部发出的“嗡嗡”的声音，否则应进一步检查怠速控制法、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10～30，否则应更换怠速控制阀。4）)如图所示，拆下怠速控制阀后，将蓄电池正极接至Bl和B2端子，负极按顺序依次接通S1一S2一S3一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S4一S3一S2一Sl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。控制阀的控制内容步进电动机控制旁通空气式怠速控制系统的控制内容如下：(1)起动初始位置的设定为了改善发动机的起动性能，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约2～3s。在这段时间内，蓄电池继续给ECU和步进电动机供电，ECU使怠速控制阀回到起动初始(全开)位置。待步进电动机回到起动初始位置后，主继电器线圈断电．蓄电池停止给ECU和步进电动机供电，怠速控制阀保持全开不变，为下次起动作好准备；(2)起动控制发动机起动时，由于怠速控制阀预先设定在全开位置，在起动期间经怠速空气道可供给最大的空气量，有利于发动机起动：但怠速控制阀如果始终保持在全开位置，发动机起动后的怠速转速就会过高，所以在起动期间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，使之达到起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，控制特性(步进电动机的步数与冷却液温度的关系曲线)存储在ECU内。(3)暖机控制暖机控制又称快怠速控制，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开度，随着温度上升，怠速控制阀开度逐渐减小。当冷却液温度达到70℃时，暖机控制过程结束。(4)怠速稳定控制在怠速运转时，ECU将接收到的转速信号与确定的目标转速进行比较，其差值超过一定值(一般为20r/min)时，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。怠速稳定控制又称反馈控制。(5)怠速预测控制发动机在怠速运转时，如变速器挡位、动力转向、空调工作状态的变化都将使发动机的转速发生可以预见的变化。为了避免发动机怠速转速波动或熄火，在发动机负荷出现变化时，不待发动机转速变化，ECU就会根据各负载设备开关信号(A/C开关等)，通过步进电动机提前调节怠速控制阀的开度。(6)电器负载增多时的怠速控制在怠速运转时，如使用的电器负载增大到一定程度，蓄电池电、压就会降低。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，提高发动机的怠速转速，以提高发电动机的输出功率。(7)学习控制在发动机使用过程中，由于磨损等原因会导致怠速控制阀的性能发生改变，怠速控制阀的位置相同时，但实际的怠速转速会与设定的目标转速略有不同。在此情况下，ECU在利用反馈控制使怠速转速回归到目标值的同时，还可将步进电动、机转过的步数存储在ROM存储器中，以便在此后的怠速控制过程中使用。2、旋转电磁阀型怠速控制阀控制阀的结构与工作原理旋转电磁阀型怠速控制阀的结构如图所示。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。双金属片制成卷簧形，外端用固定销固定在阀体上，内端与阀轴端部的挡块相连接。阀轴上的限位杆穿过挡块的凹槽，使阀轴只能在挡块凹槽限定的范围内摆动。流过阀体冷却浓控的冷却液温度变化时，双金属片变形，带动挡块转动，从而改变阀轴转动的两个极限位置，以控制怠速控制阀的最大开度和最小开度。此装置主要起保护作用，可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，只要怠速控制系统工作正常，阀轴上的限位杆不与挡块的凹槽两侧接触。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，如图所示。通电周期一般是固定的，所以占空比增大，即是延长通电时间。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