第五節 怠速控制
一、怠速控制系統的功能與組成
1.怠速控制系統的功能
電控汽油噴射式發動機在怠速工況時，空氣通過節氣門縫隙或旁通節氣門的怠速空氣道進入發動機，并由空氣流量計（或進氣管絕對壓力傳感器）對進氣量進行檢測。電控燃油噴射系統（EFI）則根據各傳感器信號控制噴油量，保證發動機的怠速運轉。怠速控制系統的功能是根據發動機工作溫度和負載，由ECU自動控制怠速工況下的空氣供給量，維持發動機以穩定怠速運轉。
2.怠速控制系統的組成
怠速控制系統主要由傳感器、ECU和執行元件三部分組成。傳感器的功用是檢測發動機的運行工況和負載設備的工作狀況，ECU則根據各種傳感器的輸入信號確定一個怠速運轉的目標轉速，并與實際轉速進行比較，根據比較結果控制執行元件工作，以調節進氣量，使發動機的怠速轉速達到所確定的目標轉速。
3.怠速控制的方法
怠速控制的實質就是對怠速工況下的進氣量進行控制。在發動機集中控制系統中，控制怠速進氣量的方法可分為兩種基本類型：節氣門直動式和旁通空氣式。目前應用比較廣泛的是旁通空氣式怠速控制系統。按執行元件的類型不同，旁通空氣式怠速控制系統又分為步進電機型、旋轉電磁閥型、占空比控制電磁閥型、開關型等。
二、節氣門直動式怠速控制器
節氣門直動式怠速控制器的結構主要由直流電機、減速齒輪機構、絲杠機構和傳動軸等組成。直流電動機可正轉也可反轉，當直流電動機通電轉動時，經減速齒輪機構減速增扭后，再由絲杠機構將其旋轉運動轉換為傳動軸的直線運動。傳動軸須靠在節氣門最小開度限制器上，發動機怠速運轉時，ECU根據各傳感器的信號，控制直流電動機的正反轉和轉動量，以改變節氣門最小開度限制器的位置，從而控制節氣門的最小開度，實現對怠速空氣量進行控制的目的。
節氣門直動式怠速控制器的結構比較簡單，但采用齒輪減速機構后，會導致執行速度變慢，動態響應性差，控制器的外形尺寸也比較大，所以目前除部分單點噴射系統外，一般不采用此種怠速控制系統。
三、步進電動機型怠速控制閥
1.控制閥的結構與工作原理
步進電動機由轉子和定子構成，絲杠機構將步進電動機的旋轉運動轉變為絲桿的直線運動，控制閥與閥桿制成一體。步進電動機型怠速控制閥安裝在節氣門體上，控制閥伸入設在怠速空氣道內的閥座處，發動機怠速運轉時，ECU根據各傳感器的信號，控制步進電動機的正反轉和轉動量，以調節控制閥與閥座之間的間隙，從而改變怠速空氣道的流通截面，控制發動機怠速工況下的空氣供給量。
步進電動機的結構主要由用永久磁鐵制成有16個（8對）磁極的轉子和兩個定子鐵芯組成。每個定子都由兩個帶16個爪極的鐵芯交錯裝配在一起，兩個定子上分別繞有1、3相和2、4相兩組線圈，每個定子上兩線圈的繞制方向相反。ECU控制步進電動機工作時，給線圈輸送的是脈沖電壓，4個線圈的通電順序（相位）不同，步進電動機的轉動方向就不同，當按一定順序輸入一定數量的脈沖時，步進電動機就向某一方向轉過一定的角度，步進電動機的轉動量取決于輸入脈沖的數量。因此，ECU通過對定子線圈通電順序和輸入脈沖數量的控制，即可改變步進電動機型怠速控制閥的位置（即開度），從而控制怠速空氣量。
由于給步進電動機每輸入一定量的脈沖只轉過一定的角度，其轉動是不連續的，所以稱為步進電動機。當ECU控制使步進電動機的線圈按l—2—3—4順序依次搭鐵時，定子磁場順時針轉動，由于與轉子磁場間的相互作用（同性相斥，異性相吸），使轉子隨定子磁場同步轉動。同理，步進電動機的線圈按相反的順序通電時，轉子則隨定子磁場同步反轉。轉子每轉一步與定子錯開一個爪極的位置，由于定子有32個爪極（上、下兩個鐵芯各16個），所以步進電動機每轉一步為1/32圈（約11°轉角），步進電動機的工作范圍為0～125個步進級。
2.控制閥的檢修
（1）檢修步進電動機型怠速控制閥的注意事項
①不要用手推或拉控制閥，以免損壞絲杠機構的螺紋。
②不要將控制閥浸泡在任何清洗液中，以免步進電動機損壞。
③安裝時，檢查密封圈不應有任何損傷，并在密封圈上涂少量潤滑油。
（2）檢修步進電動機型怠速控制閥的方法
①拆開怠速控制閥線束連接器，將點火開關轉至“ON”位但不啟動發動機，在線束側分別測量B1和B2端子與搭鐵之間的電壓，均應為蓄電池電壓（9～14V），否則說明急速控制閥電源電路有故障。
②發動機啟動后再熄火時，2～3s內在怠速控制閥附近應能聽到內部發出的“嗡嗡”響聲，否則應進一步檢查怠速控制閥、控制電路及ECU。
③拆開怠速控制閥線束連接器，在控制閥側分別測量端子B1與S1和S3、B2與S2和S4之間的電阻，阻值均應為10～30Ω，否則應更換怠速控制閥。
④如圖1-37所示，拆下怠速控制閥后，將蓄電池正極接至B1和B2端子，負極按順序依次接通S1—S2—S3—S4端子時，隨步進電動機的旋轉，控制閥應向外伸出；蓄電池負極按相反順序依次接通S4—S3—S2—S1時，則控制閥應向內縮回。若工作情況不符合上述要求，應更換怠速控制閥。
圖1-37 步進電動機型怠速控制閥工作情況檢查
3.控制閥的控制內容
（1）啟動初始位置的設定 關閉點火開關使發動機熄火后，ECU的M-REL端子向主繼電器線圈供電延續2～3s。在這段時間內，蓄電池繼續給ECU和步進電動機供電，ECU使怠速控制閥回到啟動初始位置。
（2）啟動控制 在啟動期間，ECU根據冷卻液溫度的高低控制步進電動機，調節控制閥的開度，使之到啟動后暖機控制的最佳位置，此位置隨冷卻液溫度的升高而減小。
（3）暖機控制 在暖機過程中，ECU根據冷卻液溫度信號按內存的控制特性控制怠速控制閥的開度，隨溫度上升，怠速控制閥開度漸漸減小。當冷卻液溫度達到70℃時，暖機控制過程結束。
（4）怠速穩定控制 當轉速信號與確定的目標轉速進行比較有一定差值時（一般為20r/min），ECU將通過步進電動機控制怠速控制閥，調節怠速空氣供給量，使發動機的實際轉速與目標轉速相同。
（5）怠速預測控制 在發動機負荷發生變化時，為了避免怠速轉速波動或熄火，ECU會根據各負荷設備開關信號，通過步進電動機提前調節怠速控制閥的開度。
（6）電器負荷增多時的怠速控制 如電器負荷增大到一定程度時，蓄電池電壓會降低，為了保證電控系統正常的供電電壓，ECU根據蓄電池電壓調節怠速控制閥的開度，提高發動機怠速轉速，以提高發動機的輸出功率。
（7）學習控制 由于磨損原因導致怠速控制閥性能發生變化，怠速控制閥的位置相同時，實際的怠速轉速與設定的目標轉速略有不同，ECU利用反饋控制使怠速轉速回歸到目標轉速的同時，還可將步進電動機轉過的步數存儲在ROM中，以便在此后的怠速控制過程中使用。
四、旋轉電磁閥型怠速控制閥
1.控制閥的結構與工作原理
控制閥安裝在閥軸的中部，閥軸的一端裝有圓柱形永久磁鐵，永久磁鐵對應的圓周位置上裝有位置相對的兩個線圈。由ECU控制兩個線圈的通電或斷電，改變兩個線圈產生的磁場強度，兩線圈產生的磁場與永久磁鐵形成的磁場相互作用，即可改變控制閥的位置，從而調節怠速空氣口的開度，以實現怠速空氣量的控制。
ECU控制旋轉電磁閥型怠速控制閥工作時，控制閥的開度是通過控制兩個線圈的平均通電時間（占空比）來實現的。占空比是指脈沖信號的通電時間與通電周期之比。通電周期一般是固定的，所以占空比增大，即延長通電時間。當占空比為50%時，兩線圈的平均通電時間相等，兩者產生的磁場強度相同，電磁力相互抵消，閥軸不發生偏轉。當占空比大于50%，兩個線圈的平均通電時間一個增加，而另一個減小，兩者產生的磁場強度也不同，所以使閥軸偏轉一定角度，控制閥開啟怠速空氣口。占空比越大，兩個線圈產生的磁場強度相差越多，控制閥開度越大。因此，ECU通過控制脈沖信號的占空比即可改變控制閥開度，從而控制怠速時的空氣量。控制閥從全閉位置到全開位置之間，旋轉角度限定在90°以內，ECU控制的占空比調整范圍為18%～82%。
2.控制閥的控制內容
旋轉電磁閥控制旁通空氣式怠速控制系統的控制內容主要包括啟動控制、暖機控制、怠速穩定控制、怠速預測控制和學習控制，具體內容與步進電動機控制旁通空氣式怠速控制系統基本相同。
3.控制閥的檢修
旋轉電磁閥型怠速控制閥電路（日本豐田 PREVIA轎車），在維修時，一般進行如下檢查。
①拆開怠速控制閥線束連接器，將點火開關轉至“ON”位但不啟動發動機，在線來側測量電源端子（+B）與搭鐵之間的電壓，應為蓄電池電壓（9～14V），否則說明怠速控制閥電源電路有故障。
②拆開怠速控制閥上的兩端子線束連接器，在控制閥側分別測量兩端子之間的電阻，正常應為10～15Ω，否則應更換怠速控制閥。
五、占空比控制電磁閥型怠速控制閥
1.控制閥的結構與工作原理
控制閥主要由閥桿、線圈和彈簧等組成。
控制閥的開度取決于線圈產生的電磁力大小，與旋轉閥型怠速控制閥相同，ECU是通過控制輸入線圈脈沖信號的占空比來控制電場強度，以調節控制閥的開度，從而實現怠速空氣量的控制。
2.控制閥的控制內容
包括啟動控制、暖機控制、怠速穩定控制、怠速預測控制和學習控制。由于旁通氣量少，需要怠速控制閥輔助控制發動機暖機過程的空氣供給量。
3.控制閥的檢修
①拆下控制閥線束連接器，點火開關置“ON”位，不啟動發動機，分別檢測電源端子與搭鐵間的電壓，為蓄電池電壓。
②拆下怠速控制閥上的兩端子線束連接器，在控制閥側分別測量兩端子之間電阻，應為10～15Ω。
六、開關型怠速控制閥
1.控制閥的結構與工作原理
開關型怠速控制閥的結構主要由線圈和控制閥組成。其工作原理與占空比控制電磁閥型類似。不同的是，開關型怠速控制閥工作時，ECU只對閥內線圈通電或斷電兩種狀態進行控制，電磁線圈通電時，控制閥開啟，線圈斷電則控制閥關閉。開關型怠速控制閥也只有開或關兩個位置。
2.控制閥的控制內容
由于開關型怠速控制閥只有開或關兩個位置，所以發動機工作時，ECU根據發動機的工作狀況對控制閥線圈只進行通、斷電控制，在滿足怠速控制閥控制內容所設定的條件之一時，控制閥即執行開或關。
此外，與占空比控制電磁閥型怠遙控制閥相比，開關型怠速控制閥控制的旁通空氣量更少，所以在采用此種控制閥的怠速控制系統中，也需要怠速控制閥輔助控制發動機暖機過程的空氣供給量。
3.控制閥的檢修
開關型怠速控制閥的檢修與占空比控制電磁閥型怠速控制閥基本相同。