4.-发动机怠速控制系统

汽车工程学院电喷发动机技术上节回顾【要求掌握的知识点】1、微机控制点火系统的概念与基本作用【基本作用】根据发动机的不同工况，适时在气缸内提供足够能量的电火花，使混合气在气缸内能准时、迅速的燃烧做功。2、微机控制点火系统的分类与区别重点掌握同时点火方式（点火线圈分配式与二极管分配式）和独立点火方式。3、微机控制点火系统的控制1）掌握点火提前角和通电时间的概念；2）理解实际点火提前角、初始点火提前角、基本点火提前角以及修正点火提前角的区别；3）理解爆燃控制中得到最佳点火提前角的控制过程。第4章发动机怠速控制系统4.1概述4.1.1怠速控制系统的作用与功能4.1.2怠速控制系统的分类4.2发动机怠速控制系统的结构与原理4.2.1怠速控制系统的原理4.2.2旁通空气式怠速控制执行机构4.2.3节气门直动式怠速控制执行机构第4章发动机怠速控制系统【知识目标】：1）了解怠速控制系统的作用与功能；2）熟悉怠速控制系统的分类；3）掌握怠速控制系统的结构与原理。【技能目标】：会分析步进电动机式、开度电磁阀式和开关电磁阀式怠速控制阀的控制电路。4.1概述怠速、怠速工况和怠速转速怠速工况是指发动机在无负荷的情况下运转，只需克服自身内部机件的摩擦阻力，不对外输出功率，是发动机五大基本工况之一。发动机怠速时的转速被称为怠速转速，怠速转速可以通过控制怠速时的空气吸入量来调整其高低，一般车用汽油机怠速在600~800r/min，保证发动机稳定运转的最低怠速转速为最佳怠速转速。按照GB18285-2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限制及测量方法（双怠速法及简易工况法）》：怠速工况指发动机无负载运转状态，即离合器处于结合位置、变速器处于空挡位置（对于自动变速箱的车应处于“停车”或“P”档位）；加速踏板处于完全松开位置。【注意】高怠速工况指满足上述（最后一项除外）条件，加速踏板将发动机转速稳定控制在50%额定转速或制造厂技术文件中规定的高怠速转速时的工况。【思考】高怠速工况属于怠速工况吗？4.1概述高怠速工况属于怠速工况吗？先从发动机输出扭矩与负载来进行解释。发动机受力分析的参考点是曲轴，发动机输出扭矩与负载扭矩在曲轴上的合扭矩决定了曲轴转速，即发动机转速。当输出扭矩大于负载扭矩时，曲轴产生加速度，发动机转速升高；反之则降低；相等时则恒定。怠速运转时，发动机的输出扭矩等于内部负载扭矩，而当前者小于后者时，发动机将会出现抖动甚至熄火。4.1概述高怠速工况属于怠速工况吗？如果此时增加外界的负荷，如打开空调、打开前照灯等，都会导致发动机的负荷增大，怠速时进入汽缸的混合气所做的功（F驱动力）已不足以克服此f阻力。这将导致发动机的转速降低。因此，发动机ECU会根据此外界负荷增加的情况增加进气量，以提高作用在活塞上方的驱动力。怠速工况下，发动机没有对外输出扭矩。汽缸内混合气燃烧做功产生的扭矩只是用来维持活塞的吸气、压缩、做功、排气行程，以及水泵和发电机的运转。平常提到的怠速实际上是指发动机平稳运转的最低怠速。习惯上维修人员常将不踩加速踏板或节气门怠速触点接通的状态视为怠速，这偏离了怠速的外部负载扭矩为零的本质属性，如上面提到的空调开启、转向助力泵工作等。即使未踩下加速踏板，只要外部负载扭矩不为零，仍然不能将发动机转速视为怠速。相反，踩下加速踏板，无论发动机转速有多高，只要外部负载扭矩为零，仍可将发动机转速视为怠速。但此时的怠速应该称之为“高怠速”。4.1概述怠速工况怠速工况是指发动机在无负荷的情况下运转，只需克服自身内部机件的摩擦阻力，不对外输出功率，是发动机五大基本工况之一。怠速工况是指发动机在外部负载扭矩为零的情况下运转，只需克服自身内部负载扭矩（维持活塞的吸气、压缩、做功、排气行程，以及水泵和发电机的运转），不对外输出功率，包括高怠速工况。在实际维修作业中，维修人员常会采用空挡急加速的方式来观察发动机的扭矩输出能力。这实际上是利用曲轴加速所产生的额外负荷来模拟发动机的外部负载扭矩。在这种情况下发动机外部负载扭矩虽然为零，但急加速时由于气体运动的惯性和摩擦力会通过活塞传给曲轴，瞬间产生较大的内部负载扭矩。维修人员把这个较大的瞬间内部扭矩以外部负载扭矩来看待，这样在某种程度上不必通过路试便可以间接地观察到发动机扭矩增加的潜力。4.1概述为什么要进行怠速控制？在汽车运行中，发动机怠速运转的时间约占25%左右，怠速转速的高低直接影响燃油消耗和有害物排放。怠速转速过高，燃油消耗增加。怠速转速过低，又会增加污染物排放。此外，容易导致发动机怠速不稳甚至熄火。需要及时调整发动机怠速转速，使发动机在某一速度范围内连续、平稳地运转。目前，大多数电控汽油喷射发动机上都设有怠速转速控制装置。4.1概述4.1.1怠速控制系统的作用与功能【基本作用】一是实现发动机起动后的快速暖机过程；二是自动维持发动机怠速稳定运转，即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。怠速控制系统（IdleSpeedControl，ISC）怠速控制就是怠速转速的控制。根据发动机工作温度和负荷，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。怠速控制的实质就是控制怠速时的空气吸入量。4.1概述4.1.1怠速控制系统的作用与功能【功能】可实现全过程的怠速控制，主要包括：1）稳定怠速控制2）快速暖机控制3）高怠速控制4）其它控制：①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。②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。③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。4.1概述4.1.2怠速控制系统的分类1、按进气量的控制方式分1）旁通空气式：控制节气门旁通通路中空气流量。采用这种方式的系统在怠速时节气门完全关闭。2）节气门直动式：控制节气门最小开度。怠速时，油门踏板虽然完全松开，但节气门并不完全关闭，而是仍通过它提供怠速空气。节气门直动式旁通空气式4.1概述4.1.2怠速控制系统的分类2、按怠速控制阀的结构与工作方式分1）步进电动机式：怠速控制阀以步进电动机为动力，电子控制单元通过控制步进电动机的转动来驱动空气阀的开启和关闭及开启的程度。步进电动机步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。4.1概述4.1.2怠速控制系统的分类2、按怠速控制阀的结构与工作方式分2）开度电磁阀式：怠速控制阀以电磁线圈通电产生的电磁力为动力，电子控制单元通过控制电磁阀线圈的通断电及电流大小来控制空气阀的开启和关闭及开启的程度。开度电磁阀式怠速控制阀按其运动方式不同又分为直动式和转动时两种。3）开关电磁阀式：怠速控制阀也是以电磁线圈通电产生的电磁力为动力，但只有开和关两种状态。开关电磁阀式怠速控制阀有两种控制方式：一种是电子控制单元通过阶跃控制脉冲控制电磁阀的开和关，只有高怠速和低怠速两种状态控制；另一种是电子控制单元通过占空比脉冲控制电磁阀的开与关的比率来调节怠速辅助空气通道的空气流量，实现怠速控制。4.1概述4.1.2怠速控制系统的分类3、按怠速的方式分怠速控制的方式包括开环控制和闭环控制两种。一般来说，在起动、暖机、急减速等工况时多采用开环控制，而处于稳定怠速工况时，多采用闭环控制。闭环控制的反馈信号为发动机转速信号。在对怠速空气量进行闭环控制时，多采用比例积分微分PID控制方式。比例积分微分控制，简称PID控制，简单的说，根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。4.2发动机怠速控制系统的结构与原理4.2.1怠速控制系统的原理1、怠速控制系统的组成与工作原理【组成】怠速控制系统主要由各传感器、ECU和怠速执行器组成。怠速控制系统的组成框图1—目标转速；2—比较电路；3—控制量计算；4—驱动电路；5—怠速状态判断4.2发动机怠速控制系统的结构与原理4.2.1怠速控制系统的原理1、怠速控制系统的组成与工作原理【工作原理】第一步：判断发动机是否处于怠速工况；第二步：根据传感器信号查出该工况下的目标怠速转速；第三步：与发动机转速传感器的实际转速进行比较，计算出转速差；第四步：输出控制信号，改变怠速进气量，将发动机怠速控制在目标怠速范围内。4.2发动机怠速控制系统的结构与原理4.2.1怠速控制系统的原理2、怠速工况的判别在怠速控制系统中，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。怠速控制系统的组成框图1—目标转速；2—比较电路；3—控制量计算；4—驱动电路；5—怠速状态判断4.2发动机怠速控制系统的结构与原理4.2.1怠速控制系统的原理3、目标怠速（转速）的影响因素1）发动机冷却液温度。当发动机冷却液温度较低时，系统给出较高的目标怠速（1200r/min）以加速暖车。2）外加负载。当打开空调（A/C）开关时，系统将提高怠速150r/min；当近光灯开启时，为补偿其电力消耗，目标怠速将提升50r/min。3）系统电压补偿。当系统电压低于12V时，系统会自动提高目标怠速50r/min。4）车速补偿。车辆在行驶时，目标怠速较停车时提高50r/min。5）减速调节。减速及停车时，逐步递减至停车状态目标怠速。4.2发动机怠速控制系统的结构与原理4.2.2旁通空气式怠速控制执行机构1、步进电动机式怠速控制阀1）步进电动机式怠速控制阀的结构步进电机式怠速控制阀1-空气阀阀座；2-阀杆；3-定子绕组；4-轴承；5-丝杠；6-转子；7-空气阀阀体【组成】主要有步进电动机、丝杠机构、空气阀等。步进电动机由转子（永久磁铁）和定子（电磁线圈）构成，用于产生驱动力矩。步进电动机的转子与丝杠组成丝杠机构，丝杠机构将步进电动机转子的旋转运动转变为阀杆的直线运动，阀与阀杆制成一体。阀门4.2发动机怠速控制系统的结构与原理4.2.2旁通空气式怠速控制执行机构1、步进电动机式怠速控制阀1）步进电动机式怠速控制阀的结构步进电机式怠速控制阀1-空气阀阀座；2-阀杆；3-定子绕组；4-轴承；5-丝杠；6-转子；7-空气阀阀体【工作过程】ECU控制步进电动机的转子转动时，带动丝杆做直线移动，通过阀杆带动空气阀上下移动。ECU通过对定子线圈通电顺序和输入脉冲数量的控制，即可改变怠速空气阀的位置（即开度），这样可以增加或减小阀与阀座之间的间隙，从而控制怠速空气量。阀门4.2.2怠速控制执行机构怠速空气控制阀常用的有4线的和6线的。2）通用公司怠速控制用步进电动机（4线）【结构】步进电动机以一个永久磁铁作为转子，定子则由两组相互独立的线圈组成，每组有两个线圈。1和2线圈同组，3和4线圈同组。该电机被称为双极性步进电机，是因为每个绕组可以两个方向通电。因此每个绕组的其中一端既可以是N极也可以是S极。此外，它还被称为两相步进电机，因为它的定子有两组独立的线圈。该电机因为有四根接线A、A-、B、B-，所以是四线的。4.2.2怠速控制执行机构2）通用公司怠速控制用步进电动机（4线）【工作过程】分别向两个线圈输送电流：PCM（脉冲编码调制）利用内部电路改变两组线圈的电流方向，使之产生交替变化的磁场。假如1、2线圈通电产生N和S极，3、4线圈不通电，转子如图（a）所示；切断1、2线圈电流，3、4线圈通电产生S和N极，转子会顺时针旋转90°，如图（b）所示；以此类推，转子会在不断变化的磁极中旋转，每转一步为1/4圈，即90°。12344.2.2怠速控制执行机构2）通用公司怠速控制用步进电动机（4线）【工作过程】同时向两个线圈输送电流（电机定子的磁场是两个绕组各自产生的磁场的矢量和——增大了电机的扭矩）：PCM（脉冲编码调制）利用内部电路改变两组线圈的电流方向，使之产生交替变化的磁场。假如1、2线圈通电产生N和S极，3、4线圈通电产生S和N极，转子如图（a）所示；此时改