2.6 怠速控制系統的組成與工作原理

2.6.1 怠速控制系統的功能與組成

1.怠速控制系統的功能

怠速是指節氣門關閉，加速踏板完全松開，且保持最低轉速穩定運轉的工況。目前，汽油機一般都有節氣門，怠速時節氣門的復位彈簧促使節氣門有全閉的傾向。

在汽車使用中，發動機怠速運轉的時間約占30%，怠速轉速的高低直接影響燃油消耗和排放污染。怠速轉速過高，燃油消耗增加，但怠速轉速過低，又會增加排放污染。此外，怠速轉速過低，發動機冷車運轉、空調打開、電氣負荷增大、自動變速器掛入檔位、動力轉向時，由于運行條件較差或負載增加，容易導致發動機怠速運轉不穩甚至熄火。在以上有一個或幾個情況出現時，需要及時調整發動機怠轉速。

怠速控制的功用：一是實現發動機起動后的快速暖機過程；二是自動維持發動機怠速穩定運轉，即在保證發動機排放要求且運轉穩定的前提下，盡量使發動機的怠速轉速保持最低，以降低怠速時的燃油消耗量。

怠速控制的實質就是控制怠速時的空氣吸入量，所以也將怠速控制系統稱為怠速空氣控制系統（Idle Air Control system，IAC）。ECU根據發動機工作溫度和負載，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.怠速空氣提供方式

（1）旁通空氣式

采用這種方式的系統在怠速時節氣門完全關閉。怠速空氣通過一條跨接在節氣門兩端的怠速通道流入氣缸。怠速通道中裝有一個不同類型的怠速空氣控制閥，如圖2-49a所示。

（2）節氣門直動式

采用這種方式的系統沒有跨接在節氣門兩端的怠速通道。怠速時，加速踏板雖然完全松開，但節氣門并不完全關閉，而是仍通過它提供怠速空氣，如圖2-49b所示。

3.怠速控制系統的組成

以旁通空氣式怠速控制系統為例，它主要由傳感器、ECU和執行元件三部分組成，如圖2-50所示。

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。

目標怠速是根據諸多因素決定的：

1）當發動機冷卻液溫度較低時，系統給出較高的目標怠速1200r/min以加速暖車；而對于采用機械風扇的發動機，當發動機冷卻液溫度過高時，系統也會施以較高的怠速1300r/min，目的是增加散熱器的冷卻進風量。

2）外加負載。空調發生變化時，系統將提高怠速150r/min。

3）近光燈開啟。為補償其電力消耗，目標怠速將提升50r/min。

4）系統電壓補償。當系統電壓低于12V時，系統會自動提升目標怠速50r/min。

5）車速補償。車輛在行駛時，目標怠速較停車時提高50r/min。

6）減速調節。減速及停車時，逐步遞減至停車狀態目標怠速。

4.怠速工況的識別

在怠速以外的其他工況下，若系統對發動機實施怠速控制，會與駕駛員通過加速踏板對進氣量的調節發生干涉。因此，在怠速控制系統中，ECU需要根據節氣門位置信號和車速信號確認怠速工況，只有在節氣門全關、車速為零時，才進行怠速控制。

2.6.2 怠速控制執行元件的類型和工作原理、檢測方法

下面也是以旁通空氣式怠速控制系統為例，該種怠速控制系統目前主要有兩種基本類型：

1）步進電動機型。

2）旋轉電磁閥型。

2.6.2.1 步進電動機怠速控制閥（4線或6線，不需要快怠速輔助空氣閥）

這種怠速控制閥有一內置步進電動機，這個電動機順時針或逆時針方向轉動轉子，使閥軸及閥移進或移出。這一動作增加或減小閥與閥座之間的間隙，以調節允許通過的空氣量，見圖2-51。由于步進電動機氣流量很大，因此也用于快怠速。這個閥不需要與空氣閥一起使用。

步進電動機由轉子（磁鐵）和定子（電磁線圈）構成，絲桿機構將步進電動機轉子的旋轉運動轉變為閥軸的直線運動，閥與閥軸制成一體。步進電動機型怠速控制閥安裝在節氣門體上，閥伸入到設在怠速空氣道內的閥座處。ECU通過對定子繞組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（即節氣門開度），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。

怠速空氣控制用的步進電動機常用的有4線和6線的，通用公司使用的步進電動機為4線的，豐田公司使用的步進電動機為6線的。

1.通用公司怠速控制用步進電動機

（1）通用公司步進電動機的結構和工作原理

通用公司的步進電動機結構及電路圖，見圖2-52。此種控制閥的步進電動機轉子是一個具有N極和S極的永久磁鐵，定子則有兩組相互獨立的線圈，每組由兩個繞組組成。在控制方式上，該種步進電動機電控單元內部控制電路最復雜。

由圖2-52c所示的電路簡圖可知，步進電動機內每一組的繞組都被視為一個單獨的元件，繞組的所有4個接線都連接到電控單元PCM。PCM利用內部電路，改變兩組繞組的電流方向，使之產生交替變化的磁場。當轉子開始轉動前，電控單元PCM會將脈沖電壓信號（12V）從A端送入繞組1和2，然后從A-端回到PCM內部搭鐵，使定子繞組1和2分別產生S極和N極，吸引轉子順時針旋轉。與此同時，PCM也將脈沖電壓從B端送入定子繞組3和4，使定子繞組3和4分別產N極和S極，推動轉子順時針轉動90°，成為圖2-52a所示的情形。

（2）通用公司步進電動機的檢測方法

正常情況下，A—A-端之間以及B—B-端之間的電阻值為40～80Ω。

該步進電動機4個端子的電壓在0V和12V兩者之間交替變化。

如圖2-53所示步進電動機閥軸伸出最大長度A不能超過28mm。

2.豐田公司怠速控制用步進電動機

（1）豐田公司步進電動機的結構與工作原理

豐田公司的步進電動機結構如下：與通用公司不同的是，豐田步進電動機內的定子由4組相互獨立的繞組構成，見圖2-54。

由圖2-54c可知，EFI主繼電器觸點閉合后，蓄電池電源經主繼電器到達怠速步進電動機的B1和B2端子、ECU的+B和+B1端子，B1端子向步進電動機的C1-C3相兩個繞組供電，B2端子向C2-C4相兩個繞組供電。4個繞組分別通過端子S1、S2、S3和S4與ECU端子ISC1、ISC2、ISC3和ISC4相連，ECU控制各繞組的搭鐵回路，以控制怠速控制閥的工作。當ECU控制使步進電動機的電磁線圈C1、C2、C3、C4按1—2—3—4順序通過晶體管依次搭鐵時，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），吸拉轉子轉動。同理，如果按C4、C3、C2、C1的順序依次搭鐵，步進電動機的線圈按相反的順序通電，轉子則隨定子磁場同步反轉。一臺豐田的步進電動機將利用4組電磁線圈，使轉子永久磁鐵每旋轉一圈產生32個步進動作，見圖2-54b。

（2）豐田公司步進電動機的檢測方法

檢修步進電動機型怠速控制閥的方法有電阻檢測和動作檢測。

1）步進電動機型怠速控制閥線圈電阻的檢測。拆下怠速控制閥，用萬用表Ω檔測量怠速控制閥繞組的電阻值（圖2-55）。脈沖線性電磁閥式怠速控制閥只有一組繞組，其電阻值為10～15Ω。步進電動機式怠速控制閥通常有2～4組繞組，各組繞組的電阻值為10～30Ω。若繞組電阻值不在上述范圍內，應更換怠速控制閥。

2）步進電動機型怠速控制閥動作的檢測

①拆開怠速控制閥線束插接器，將點火開關轉至“ON”，但不起動發動機，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），否則說明怠速控制閥電源電路有故障。

②發動機起動后再熄火時，2～3s內怠速控制閥附近應能聽到內部發出的“嗡嗡”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插接器，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，電阻值均應為10～30Ω，否則應更換怠速控制閥。

④拆下怠速控制閥后，如圖2-56a所示，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，關閉怠速旁通道；如圖2-56b所示，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，開啟怠速旁通道。若工作情況不符合上述要求，應更換怠速控制閥。

3.步進電動機型怠速控制閥的控制策略

步進電動機控制旁通空氣式怠速控制系統的控制內容如下。

（1）起動初始位置的設定

為了改善發動機的起動性能，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約2～3s。在這段時間內，蓄電池繼續給ECU和步進電動機供電，ECU使怠速控制閥回到起動初始（全開）位置。待步進電動機回到起動初始位置后，主繼電器線圈斷電。蓄電池停止給ECU和步進電動機供電，怠速控制閥保持全開不變，為下次起動作好準備。

（2）起動后控制

發動機起動時，由于怠速控制閥預先設定在全開位置，在起動期間經怠速空氣道可供給最大的空氣量，有利于發動機起動。但怠速控制閥如果始終保持在全開位置，發動機起動后的怠速轉速就會過高，所以在起動期間ECU會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，使之達到起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，控制特性（步進電動機的步數與冷卻液溫度的關系曲線）存儲在ECU內。

步進電動機起動初始位置的設定和起動后控制原理見圖2-57。

（3）暖機控制

暖機控制又稱快怠速控制，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開度，隨著溫度上升，怠速控制閥開度逐漸減小。當冷卻液溫度達到70℃時，暖機控制過程結束。步進電動機暖機控制原理見圖2-58。

（4）怠速穩定控制

在怠速運轉時，ECU將接收到的轉速信號與確定的目標轉速進行比較，其差值超過一定值（一般為20r/min）時，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。怠速穩定控制又稱反饋控制，見圖2-59。

（5）怠速預測控制

發動機在怠速運轉時，如變速器檔位、動力轉向、空調工作狀態的變化都將使發動機的轉速發生可以預見的變化。為了避免發動機怠速轉速波動或熄火，在發動機負荷出現變化時，不等發動機轉速變化，ECU就會根據各負載設備開關信號（A/C開關等），通過步進電動機提前調節怠速控制閥的開度。

（6）電器負載增多時的怠速控制

在怠速運轉時，若使用的電器負載增大到一定程度，蓄電池電壓就會降低。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，提高發動機的怠速轉速，以提高發動機的輸出功率。

（7）學習控制

在ECU的存儲單元中，存儲著怠速控制閥的步數與發動機怠轉速的對應表。但發動機在使用過程中，由于磨損等原因會導致怠速控制閥的步數與發動機怠轉速的對應關系發生改變。在此情況下，ECU利用反饋控制功能使怠速轉速回歸到目標值的同時，還可將對應的實際步數存儲在ROM存儲器中，以便在此后的怠速控制過程中使用。ECU會定期更新怠速控制閥步數與發動機轉速對應的數據表，以便能讓怠速控制系統更快地達到目標轉速。

當節氣門體變臟后，發動機在怠速時，IAC閥的開度會增大。這是因為節氣門體變臟后，在相同的開度下，進氣量會減少，將不足以維持發動機的目標轉速，IAC閥應開大，這說明電控單元具有反饋和學習功能。清洗節氣門體后，一定要讓ECU重新進行學習，即進行基本設置，這樣為達到同樣的目標怠轉速，怠速時IAC閥的開度會減少。記住：如果蓄電池斷開了，ECU也將重新進行怠速控制的學習。

2.6.2.2 旋轉電磁閥型怠速控制閥（三線，有的需要快怠速輔助空氣閥）

1.雙驅動型旋轉電磁閥型怠速控制閥的結構與工作原理

雙驅動旋轉電磁閥型怠速控制閥的結構如圖2-60所示。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，閥軸的另一端裝有雙金屬片。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，使永久磁鐵帶動閥軸一起旋轉，轉過的角度由使永久磁鐵轉動的扭矩與雙金屬片復位扭矩相平衡的情況決定。

雙金屬片制成卷簧形，外端用固定銷固定在閥體上，內端與閥軸端部的擋塊相連接，閥軸只能在擋塊凹槽限定的范圍內擺動。流過閥體冷卻液的溫度變化時，雙金屬片變形，帶動擋塊轉動，從而改變閥軸轉動的兩個極限位置，以控制怠速控制閥的最大開度和最小開度，見圖2-61。此裝置主要起保護作用，可防止怠速控制系統電路出現故障時，發動機轉速過高或過低，只要怠速控制系統工作正常，閥軸上的限位桿不與擋塊的凹槽兩側接觸。

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，如圖2-62所示。

通電周期一般是固定的，所以占空比增大，就是延長通電時間。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%，因有反相器的作用，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，見圖2-63。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約為18%～82%。

2.單驅動旋轉電磁閥型怠速控制閥的結構和工作原理

單驅動旋轉電磁閥型怠速控制閥只包括一組電磁線圈，另有永久磁鐵、閥門以及自帶IC（集成電路），見圖2-64。單驅動旋轉電磁閥怠速控制閥附接在節氣門體上。

自帶IC（集成電路）利用發動機ECU信號傳出的占空比信號，控制流入電磁線圈電流的方向及大小，并使閥門轉動，從而控制從節氣門的旁通道流入的空氣量，見圖2-65。占空比高時，IC將閥門向打開方向轉動；占空比低時，IC將閥門向關閉的方向轉動，該閥就這樣打開和關閉。

當怠速控制閥控制電路出現故障時，會在永久磁鐵的作用下，將閥門固定在一定開度的位置，這時發動機的怠速轉速還可以達到1000～2000r/min。

3.旋轉電磁閥型怠速控制閥的控制內容

（1）起動控制

當發動機ECU接收到起動信號（STA），發動機ECU確定發動機將起動，打開怠速控制閥以改善起動性。依據冷卻液溫度和發動機轉速信號來控制怠速控制閥的開啟位置。

（2）暖機（快怠速）控制

發動機起動后，發動機ECU按照冷卻液溫度打開怠速控制閥以增加怠速轉速。當冷卻液溫度升高時，發動機ECU控制怠速控制閥使其趨向關閉方向，以降低怠速轉速。

（3）反饋控制

該怠速控制閥的怠速反饋控制策略與步進電動機型怠速控制閥的控制策略相似，即當發動機實際怠速轉速低于目標轉速時，ECU控制怠速控制閥開度加大；反之，當發動機實際怠速轉速高于目標轉速時，ECU控制怠速控制閥開度減小。

（4）發動機負荷/轉速變換估計控制

為了防止由于發動機負荷的變化而導致轉速明顯改變，ECU監控來自空檔起動開關（NSW）、空調開關（A/C）、前照燈、后窗除霧（ELS）的信號，若裝有動力轉向和機油壓力開關（PS），還要監視相關信號。通過監控信號，ECU確定出目標轉速，從而調節怠速控制閥的位置。

在ECU進行怠速轉速調整之前，先改變怠速控制閥旋轉位置，以彌補發動機負荷的變化。這種控制方式有助于在發動機負荷變化過程中穩定怠速轉速。

（5）學習控制

旋轉電磁閥型怠速空氣控制系統利用怠速旁通道學習控制策略，ECU記憶發動機轉速和占空比之間的關系，定期更新存儲數據。過段時間由于磨損和其他原因導致發動機轉速和占空比之間的關系發生變化，由于怠速反饋控制作用，調整后的發動機轉速和占空比之間的對應關系被記憶在ECU內，ECU定期更新記憶內容，以讓旋轉電磁閥更快地響應發動機轉速的變化。

對這些怠速轉速控制內容的理解，對于幫助分析怠速控制的相關故障很有幫助。同樣，如果蓄電池斷開了，ECU將重新進行怠速控制的學習。

4.旋轉電磁閥型怠速控制閥的檢修

（1）雙驅動旋轉電磁閥型怠速控制閥的檢修

旋轉電磁閥型怠速控制閥的電路（日本豐田PREVIA轎車）如圖2-66所示，在維修時，一般進行如下檢查：

1）拆開怠速控制閥線束插接器，將點火開關轉至“ON”，但不起動發動機，在線束側測量電源端子（+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）發動機達到正常工作溫度、變速器處于空檔位置時，使發動機維持怠速運轉，用專用短接線短接故障診斷座上的TE1與E1端子，發動機轉速應保持在1000～1200r/min，5s后轉速下降約200r/min。若不符合上述要求，應進一步檢查怠速控制閥電路、ECU和怠速控制閥。

3）拆開怠速控制閥上的三端子線束插接器，在控制閥側分別測量中間端子（+B）與兩側端子（1SC1和ISC2）之間的電阻，正常應為18.8～22.8Ω；否則應更換怠速控制閥。

（2）單驅動旋轉電磁閥型怠速控制閥的檢修

1）單驅動旋轉電磁閥型怠速控制閥內部是自帶IC（集成電路），無法檢測電阻，判斷怠速控制閥內部的好壞，要用豐田手持式測試儀。根據手持式測試儀上的信息選擇動態測試模式，當發動機負荷改變時（開空調、打轉向或開前照燈等），觀察發動機怠速轉速是否根據負荷的變化而增加，依此判斷怠速控制閥的好壞。

2）斷開怠速控制閥線束插接器，將點火開關轉至“ON”，但不起動發動機，在線束側測量電源端子（+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。

3）斷開發動機ECU線束插接器，檢查發動機ECU插接器的端子與怠速控制閥插接器端子RSO之間的導通性，電阻應小于1Ω。

4）斷開發動機ECU線束插接器，檢查發動機ECU插接器的端子與怠速控制閥插接器端子EO1之間的導通性，電阻應小于1Ω。