发动机怠速控制系统

发动机怠速控制系统本章主要内容怠速控制系统的作用、类型发动机怠速控制系统的结构与工作原理11.1概述11.1.1怠速控制系统的作用1．怠速控制应用概况发动机在怠速工况下，节气门关闭，从节气门缝隙和怠速旁空气通道进入的空气，与相应的汽油配制而成的混合气燃烧所产生的转矩仅用于克服发动机本身的磨擦和压缩阻力矩，及由发动机驱动的附加装置阻力矩，以使发动机维持在低转速下稳定运转。早期的汽油喷射式采用了温控辅助空气阀来控制怠速时辅助怠速空气通道的空气流量，用以实现冷起动后的低温怠速稳定和快速暖机控制(图11-1)。11.1.1怠速控制系统的作用11.1.1怠速控制系统的作用常见的辅助空气阀有：双金属型、石蜡型。在低温下，辅助空气阀打开，一部分空气经辅助怠速空气通道进入气缸，使发动机在低温怠速工况下有较大的供气量，发动机可在较高的怠速下稳定运转，实现快速暖机过程。随着发动机温度的上升，辅助空气阀慢慢关闭，使发动机在正常的怠速下运转。这种温控辅助空气阀其控制功能有限，不能满足现代汽车发动机使用全过程的怠速控制要求。随后出现的由微机控制怠速控制阀的怠速控制系统具有多项控制功能，可使发动机的怠速控制能适应电控发动机性能进一步提高的要求。现代汽车电子怠速控制系统一般都覆盖了温控辅助空气阀的功能，因此温控式的辅助空气阀在现代电控发动机上已很少使用。11.1.1怠速控制系统的作用汽车怠速控制系统主要有如下功能：稳定怠速控制快速暖机控制高怠速控制其它控制11.1.1怠速控制系统的作用2．怠速控制系统的作用①稳定怠速控制：怠速控制系统以设定的发动机转速为怠速控制目标，当发动机的转速偏离目标转速时，电子控制器便输出怠速调整信号，通过怠速控制执行器将发动机怠速调整到设定的目标范围之内。设定的目标转速是发动机各种状态下的能保持稳定运转的最理想怠速，因此电子怠速稳定控制可使发动机在各种状态下都可在最佳的稳定怠速下运转。②快速暖机控制：在冷机起动后，怠速控制系统可以使发动机在较高的怠速下稳定运行，并可加速发动机的暖机过程。11.1.1怠速控制系统的作用③高怠速控制：在怠速工况下，当发动机负荷增加时，为保持发动机的稳定运转或使发动机向外能输出一定的功率，电子控制器输出控制信号，通过执行器将发动机调整至设定的高怠速下稳定运转。④其它控制：当发动机起动时，电子怠速控制系统使怠速辅助空气通道自动开启至最大，以使发动机起动容易。在活性炭罐控制阀、废气再循环控制阀等工作时，调整怠速控制阀以稳定怠速。因发动机部件磨损、老化等原因而使发动机的怠速偏离正常范围时，电子怠速控制系统能自动将怠速修正到正常值。11.1.2怠速控制系统的分类按进气量的调节方式分节气门直动式旁通空气式按怠速控制阀的结构原理分步进电机式开度电磁阀式开关电磁阀式按空气阀的控制方式分直接控制式间接控制式11.1.2怠速控制系统的分类①节气门直动式：电子控制器通过控制执行机构直接操纵节气门，以节气门开度的改变来实现怠速的控制(图1l-2a)。特点：工作可靠性好，控制位置的稳定性也良好。但动态响应性较差，执行机构较为复杂且体积较大。②旁通空气式。电子控制器通过怠速控制阀改变怠速辅助空气通道的空气流量来实现怠速的控制(图11-2b)。这种控制方式动态响应好，结构简单且尺寸较小，目前较为常见。11.1.2怠速控制系统的分类11.1.2怠速控制系统的分类2．按怠速控制阀的结构原理分①步进电机式。以步进电动机为动力，电子控制器通过控制步进电动机的转动来驱动空气阀的开启和关闭。②开度电磁阀式。以电磁阀通电产生的电磁力来驱动空气阀的开度。根据空气阀的运动方式不同，开关电磁阀又可分为直动式和转动式两种。③开关电磁阀式。电磁阀部分与开度电磁阀并无大的差别，主要的不同点是其工作方式。开关式电磁阀只有打开和关闭两种状态，工作时阀以一定的频率开闭，通过阀的开闭比来控制怠速空气流量。3．按空气阀的控制方式分①直接控制式。由电磁阀或步进电动机直接驱动空气阀。实现怠速空气量的控制。②间接控制式。通常是由电磁阀控制膜片式辅助空气阀的气压，再由空气阀的动作来改变怠速空气通道的截面积。间接控制的怠速控制阀结构比较复杂，目前使用相对较少。11.2发动机怠速控制系统的结构与原理11.2.1怠速控制系统原理不同的车系，怠速控制系统的构成与具体控制内容会有一些差别。典型怠速控制系统的组成及控制原理如图11-3所示。11.2.1怠速控制系统原理1．怠速稳定控制发动机怠速稳定控制实际上是一种转速反馈控制。在微机存储器中，存储有发动机在不同状态下的最佳稳定怠速参数(目标转速)。当发动机处于怠速工况时，怠速控制系统不断地监测发动机的转速，并与当前发动机状态下的目标转速进行比较，当发动机怠速出现波动，偏离了设定的目标转速时，ECU输出控制脉冲使怠速控制执行器动作，将发动机的怠速调节在设定的目标转速范围之内。11.2.1怠速控制系统原理怠速稳定控制所需的传感器信号有以下几种。①发动机转速传感器，提供发动机在怠速工况下的发动机转速信号。②节气门位置传感器，提供节气门关闭信号，是ECU判断发动机是否处于怠速工况的基本信号。③发动机冷却液温传感器，提供发动机温度信号，ECU根据此信号选定目标转速。④车速传感器，提供汽车行驶速度信号，当车速低于2km／h，且节气门关闭时，ECU作出“发动机处于怠速工况”的判断，进入怠速控制程序。⑤空调开关，提供空调关断信号，只有在空调不使用时，ECU才进入发动机转速反馈式怠速稳定控制。11.2.1怠速控制系统原理2．高怠速运行控制(1)发动机负荷高怠速控制在节气门处于关闭位置(发动机在怠速工况)，但需要发动机带动一定的负荷以较高的转速下运转时，ECU输出控制信号，使怠速控制执行器动作，将发动机的怠速调高至某一值。比如，在使用汽车空调、蓄电池亏电等情况下，怠速控制系统通过高怠速运行控制，使发动机在一个较高的怠速下运行，以保证在发动机怠速工况下的空调系统正常工作和及时向蓄电池补充电能。(2)转速变化预见性高怠速控制在发动机怠速工况时，为避免发动机驱动的附加装置的阻力矩突然增大而导致发动机怠速下降甚至熄火，ECU在接收到附加装置阻力矩增大的有关电信号时，就输出控制信号，通过怠速控制执行器预先调大怠速进气量。11.2.1怠速控制系统原理怠速控制系统高怠速运转控制除了利用发动机转速传感器、节气门位置传感器、车速传感器、发动机冷却液温度传感器等得到发动机转速、怠速工况及发动机温度信息外，还用到如下的开关信号。①空调开关，提供汽车空调是否使用信息。若开关接通，ECU将作出高怠速运转控制，以使发动机有适当的功率输出，带动空调压缩机正常运转。②蓄电池电压，提供蓄电池是否亏电或蓄电池负荷是否很高的信息。若亏电或负荷很高，ECU将作出高怠速运转控制，以便在怠速工况下使发电机能向蓄电池充电。③自动变速器档位开关，提供自动变速器是否从N档或P档挂上运行档位(D档或R档、3位、2位)信息。若挂入相应档位，ECU将作出高怠速运转控制，以避免自动变速器油泵因挂上运行档后阻力增大而引起发动机转速下降。④尾灯继电器或后窗降雾继电器等，向怠速控制系统提供电器负荷增大信号，ECU根据这些用电设备继电器接通信号作出电器负荷增大判断，并进行高怠速控制，以避免发电机负荷增大而引起发动机转速下降。11.2.1怠速控制系统原理3．其它怠速控制起动时怠速控制阀的控制活性炭罐电磁阀工作时怠速控制阀的控制怠速偏离修正控制11.2.1怠速控制系统原理(1)起动时怠速控制阀的控制在发动机起动时，ECU控制怠速控制阀至开度最大位置，以使发动机起动容易。起动后，ECU根据发动机转速及温度信号，逐渐减少怠速控制阀的开度。起动时怠速控制阀控制所用到的传感器及开关信号有以下两个。①发动机转速传感器，提供发动机怠速工况下的转速信号。②点火开关，提供发动机起动信号和起动后信号。11.2.1怠速控制系统原理(2)活性炭罐电磁阀工作时怠速控制阀的控制在一些汽车上，怠速控制系统还根据活性炭罐控制阀的开启情况来调整怠速通道的通气量，以避免发动机怠速产生波动。除用于怠速工况判别的节气门位置传感器外，该稳定怠速控制所用到的传感器信号有以下两个。①发动机转速传感器提供发动机怠速工况下发动机转速信号。②活性炭罐电磁阀，提供活性炭罐电磁阀开启信号，当活性炭罐电磁阀通电时，ECU控制怠速控制阀的开度以稳定怠速。(3)怠速偏离修正控制怠速偏离修正控制即怠速控制系统的学习修正控制。当因发动机部件老化等外部原因使发动机的怠速偏离原设定值时，ECU控制怠速控制阀预置一个开度，将发动机的怠速修正到设定的值。11.2.2怠速控制系统部件的结构节气门直动式怠速控制执行器步进电动机式怠速控制阀直动电磁阀式怠速控制阀转动电磁阀式怠速控制阀开关电磁阀式怠速控制阀11.2.2怠速控制系统部件的结构1．节气门直动式怠速控制执行器一种安装于单点喷射式发动机节气门体上的节气门直动式怠速控制执行器如图11-4所示。由两部分组成：①直流电动机。怠速控制执行器的动力部分，由ECU通过驱动电路控制其转动。②传动机构。起增矩减速的作用，并将电动的旋转运动变为节气门操纵臂限位片的直线运动。当ECU输出怠速调整控制信号时，通过驱动电路使电动机通电，并转动与控制信号脉冲相应的转角，经传动机构的传动后，使节气门操纵臂限位片移动，从而改变了怠速时节气门的开度。11.2.2怠速控制系统部件的结构11.2.2怠速控制系统部件的结构2．步进电动机式怠速控制阀(1)结构步进电动机式怠速控制阀主要由步进电动机、丝杆机构和空气阀等组成(图11-5)。步进电动机的转子与丝杆组成丝杆机构，当步进电动机转子在怠速控制信号的控制下转动时，丝杆作直线移动，通过阀杆带动空气阀上、下移动，使空气阀开启或关闭。11.2.2怠速控制系统部件的结构(2)电路原理步进电动机式怠速控制阀的典型控制电路如图11-6所示。当需要调整怠速时，怠速控制系统通过ECU内部的步进电动机驱动电路使步进电动机的4个绕组依次通电，使步进电动机转动，将空气阀调移动至适当的位置。主继电器控制电路的作用是当点火开关关断时，使ECU继续通电2s，以便使ECU完成起动初始位置的设定。在点火开关断开后的这2s时间里，步进电动机在ECU的控制下转动，使空气阀开启至最大，为下次起动作好准备。11.2.2怠速控制系统部件的结构11.2.2怠速控制系统部件的结构3．直动电磁阀式怠速控制阀直动电磁阀式怠速控制阀如图11-7所示。直动电磁阀式怠速控制阀的电磁线圈通电后产生的电磁力吸引阀杆克服弹簧力作轴向移动，直至电磁力与弹簧力相平衡。这种怠速控制阀的开度通常是由ECU通过控制电磁阀线圈的电流实现。电磁阀电流消失，阀在弹簧力的作用下回位(关闭)。11.2.2怠速控制系统部件的结构4．转动电磁阀式怠速控制阀(1)结构转动电磁阀式怠速控制阀有两种形式，一种是转子为永久磁铁，电磁线圈在定子上；另一种是定子为永久磁铁，电磁线圈绕在转子中。图11-8所示的是定子为永久磁铁，转子中绕有两组绕组的转动电磁阀式怠速控制阀。11.2.2怠速控制系统部件的结构(2)电路原理转动电磁阀式怠速控制阀的控制电路如图11-10所示。ECU中微机输出的怠速控制占空比信号经驱动电路(反相器及V1、V2)后，输出同频反相的电磁阀控制脉冲ISC1、ISC2。转子的两个绕组中，其中一个通电使阀打开，另一个通电使阀关闭。当需要调整怠速时，微机通过改变控制信号的占空比，使两个绕组的通电时间发生变化，从而使阀的开启程度发生改变。11.2.2怠速控制系统部件的结构11.2.2怠速控制系统部件的结构5．开关电磁阀式怠速控制阀开关电磁阀式怠速控制阀只有开和关两种状态，即电磁线圈通电时，阀被打开，电磁线圈断电时，阀就关闭。开关电磁阀式怠速控制阀的结构如图11-11所示。11.2.2怠速控制系统部件的结构①占空比控制方式。ECU输出的是频率固定，但占空比变化的怠速控制信号，通过调整电磁阀的开闭比率实现怠速的控制。开关电磁阀式怠速控制阀占空比控制方式的控制电路如图11-12所示。1