汽车发动机怠速控制系统的结构与检修

（1）怠速控制系统的功能与组成

怠速是指对外无功率输出时的稳定运转工况。此时，发动机的节气门开度最小，汽车处于空挡，发动机只能带动附件维持最低稳定转速。

怠速控制系统的功用：进气量随发动机负载变化而变化，随发动机内部摩擦力变化而变化，随水温变化而变化。当发动机负载增加时，输出动力要随之增加；当发动机负载减小时，输出动力随之减少。其主要有两点：一是用高怠速实现发动机启动后的快速暖机；二是自动维持发动机怠速在目标转速下稳定运转。

若怠速转速过高，会增加发动机的燃油消耗；若怠速转速过低，又会增加有害物的排放。另外，怠速还应根据冷却与电器负荷、空调装置、自动变速器、动力转向的介入情况而变化。目前大多数电控发动机都设有怠速转速控制装置，控制发动机以最佳的怠速转速运转，以降低怠速时的燃油消耗。

怠速控制系统主要由传感器、ECU 和执行元件3 个部分组成，如图4.22 所示。

怠速控制系统的具体内容主要包括启动后控制、暖机过程控制、负荷变化时控制及减速时控制等。这些内容主要由发动机电控单元控制怠速控制阀来实现。

怠速控制的实质就是对怠速工况下的进气量进行控制。控制怠速进气量的方法可分节气门直动式和旁通道式两种基本类型，如图4.23 所示。节气门直动式通过执行元件改变节气门的最小开度来控制怠速进气量，而在旁通道式怠速控制系统中设有旁通节气门的怠速空气道，由执行元件控制流经怠速空气道的空气量。

（2）节气门直动式怠速控制系统

节气门直动式怠速控制系统可直接控制节气门关闭位置，通过控制节气门的开启角度，调节空气通路的截面来控制充气量，实现对怠速的控制。现在桑塔纳、红旗、帕萨特、宝来及奥迪（A6 1.8L）都采用该类型的怠速控制系统。大众轿车也多采用节气门直动式怠速控制系统。

图4.22　怠速控制系统的组成

图4.23　怠速进气量的控制类型

1）结构原理

节气门直动式怠速控制系统主要由节气门位置传感器、怠速节气门位置传感器、怠速开关和执行器（怠速直流电动机）及一套齿轮驱动机构组成，如图4.24 所示。节气门位置传感器和怠速节气门位置传感器都是由一个双轨形碳膜电阻和在其上滑动的触点组成。另外，在节气门体上有一个双齿轮，它是同轴的一个大齿轮和一个小齿轮组成的。与怠速直流电动机同轴的小齿轮与双齿轮的大齿轮啮合，扇形齿轮与节气门同轴并与双齿轮中大齿轮啮合。当驾驶员踩下加速踏板时，怠速开关断开，发动机控制模块根据节气门位置传感器的输入信号判断发动机的运行工况，并进行喷油和点火控制。当驾驶员不踩加速踏板时，节气门在回位弹簧的作用下关闭，怠速开关闭合。发动机控制模块收到怠速开关闭合的信号，得知发动机处于怠速运行状态，并根据怠速节气门位置传感器的信号和曲轴位置传感器的信号来控制低速直流电动机的动作，经过小齿轮、双齿轮和扇形齿轮将电动机的转动传递到节气门，使其打开相应的角度，使怠速转速达到最佳值。

2）检修

①机械检查。节气门在长时间使用后，在进气通道和节气门之间有可能形成积炭，进而造成节气门卡滞，出现怠速不稳等现象。此外节气门体在经受长期剧烈的振动后，有可能出现直流电动机轴承磨损、塑料齿轮断齿、阀门驱动机构卡滞、驱动机构盖板破裂等，出现这类故障时都无法修复，只能更换新的节气门体总成。在对节气门体检查时可先采用目测法检查。

图4.24　节气门直动式怠速控制系统结构

②部件测试。a.节气体供电检测。如图4.25（a）所示，拔下节气门体接头，有8 个端子，其中端子6 是空的（没有接线），端子1、2、3、4、5、7、8 分别与ECU 的端子T80/66、T80/59、T80/69、T80/62、T80/75、T80/67、T80/75 相连。1、2 端子直接连接直流电动机，5、8 端子分别接节气门位置传感器和怠速节气门位置传感器的滑动触点，它们的输出信号都不超过5 V，且信号电压与节气门开度成反比。端子3 输出怠速开关信号，端子4/7 向节气门体提供5 V 电压，其中端子7 通过发动机控制模块接地，节气门体各端子功能详见表4.1。

表4.1　节气门体各端子功能

将点火开关置于“ON”（接通而不启动）位置，按如图4.25（b）所示方法用万用表进行测量，端子4 与端子7 之间的电压为（5.0±0.5）V。若测量值与上述要求不符，将点火开关置于“OFF”挡，拔下ECU 接头，用万用表进行线路检测，节气门体电路如图4.26 所示。端子4 与ECU 接头端子T80/62、端子7 与ECU 接头端子T80/67 之间的电阻值小于1.5 Ω，端子4 与端子7 之间的电阻值应为无穷大。若测量结果与上述要求不符，按电路图查找故障并排除。

b.怠速开关检测。将点火开关置于“OFF”挡，拆下节气门体接头。用万用表检测节气门全闭时端子3 与端子7 之间的电阻应小于1 Ω；缓慢踩下加速踏板，端子3 与端子7 之间的阻值应无穷大，否则更换节气门体。

图4.25　节气门体接头端子的分布和供电检测

图4.26　节气门体电路图

c.怠速节气门位置传感器性能检测。将探针插入节气门体端子8 引线内，启动发动机，进行怠速运行。当冷却液温度达到80 ℃以上时，按如图4.27 所示的方法用万用表测量探针检测点与蓄电池负极之间的电压应为2.8～3.6 Ω。

d.直流电动机检测。将点火开关置于“OFF”挡，拔下节气门体接头，用万用表测量节气门体接头端子1 与端子2 之间的阻值应为30～200 Ω，若不符合要求，则更换节气门体总成。

图4.27　怠速节气门位置传感器性能检测

图4.28　节气门位置传感器检测

e.节气门位置传感器检测。打开点火开关，如图4.28 所示。将万用表插入节气门体插座第5 端子引线内，缓慢踩下加速踏板从关闭到全开，万用电压读数应随节气门开度的增大而缓慢下降。反之，随着节气门的逐渐关闭，万用表电压读数应逐渐上升，否则应进行供电和线路检查。关闭点火开关，拔下节气门体插座，再打开点火开关，检查节气门体接头端子4 和端子7 间的电压应为（5.0±0.5）V。其线路检查情况见表4.2。

表4.2　节气门体接头端子与ECU 端子之间的电阻

（3）旁通道式怠速控制系统

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工作原理。目前，奥迪200、通用、赛欧、奇瑞、切诺基及雷克萨斯LS400 等汽车都采用步进电动机来控制发动机的怠速。步进电动机式怠速控制阀结构如图4.29 所示。步进电动机式怠速控制阀安装在节气门体上，发动机控制模块ECU 根据各传感器的信号在怠速控制阀接头各端子上加电压，从而使电动机转子顺转或反转，使阀芯作轴向移动，改变阀芯与阀座之间的间隙，就可调节流过旁通空气道的空气量。阀芯与阀座之间的间隙小，进气量少，怠速低；阀芯与阀座之间的间隙大，进气量多，怠速高。

图4.29　步进电动机式怠速控制阀的结构

发动机控制模块ECU 对发动机怠速进行控制时，其控制程序如图4.30 所示。首先，发动机控制模块根据节气门位置传感器TPS 的信号和车速信号来判断发动机是否处于怠速状态，然后根据发动机冷却液温度传感器、空调开关、动力转向开关以及空挡启动开关等信号，按照存储器内存储的参考数据，确定相应的目标转速。一般情况下，怠速控制常采用发动机转速信号，作为反馈信号，实现怠速转速的闭环控制，即发动机的实际转速与目标转速进行比较，根据比较得出的差值，确定相应目标转速控制量，去驱动步进电机，使实际转速趋于目标转速。

图4.30　步进电动机式怠速控制系统的组成

步进电动机的控制电路如图4.31 所示。发动机控制模块根据一定顺序，使功率管V1—V2—V3—V4适时导通，分别给步进电动机定子线圈供电，驱动步进电动机转子旋转，使前端的阀门移动，改变阀门与阀座之间的距离，调节旁通空气道的空气流量，使发动机怠速转速达到所要求的目标转速。

图4.31　步进电动机的控制电路

②步进电动机式怠速控制阀的控制内容。

a.启动初始位置的设定。为了改善发动机的启动性能，在点火开关关闭，使发动机熄火后，ECU 的M.REL 端子向EFI 主继电器电磁线圈延续供电2～3 s。ECU 将依次控制步进电动机工作125 步级，进入启动初始位置，为下次启动做准备。

b.启动控制。发动机启动时，由于怠速控制阀被预先设定在全开位置，因此，在启动期间流经怠速空气道的旁通空气量最大，这有利于发动机顺利启动。

c.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控制特性控制怠速控制阀的开度，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，暖机控制结束。

d.反馈控制。ECU 内有一个预编程的目标怠速值，它根据空调开关、空挡启动开关等信号变化。怠速控制过程是将目标转速和实际转速进行比较并使怠速转速逼近于目标转速的过程。若发动机的实际转速与ECU 存储器中所存放的目标转速的差值超过一定值（一般为20 r/min）时，ECU 将通过步进电动机控制怠速控制阀，调节怠速控制供给量，使发动机实际转速与目标转速尽可能相同。

e.发动机负荷变化预测控制。在发动机怠速运转过程中，接入或断开空调开关，空挡启动开关等都将使发动机的负荷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，ECU 增加怠速空气控制阀的开度，增大进气量，提高发动机的怠速转速，保证发动机怠速时稳定运转；当这些载荷去除后，ECU 将减小怠速空气控制阀的开度，使发动机恢复加载前的转速。

f.汽车电器负载增大时的怠速控制。在怠速运转时，若电器负载增大（如打开前照灯），蓄电池电压就会降低。为了保证ECU 的+B 端子和点火开关端子IGS/W 端子具有正常的供电电压，需控制步进电动机，相应地增加旁通空气量，提高发动机怠速转速，提高发电机输出功率，维持蓄电池电压的稳定性。

g.发动机的怠速学习控制。由于发动机在使用期间，其性能会发生变化，虽然步进电动机怠速空气控制阀门的位置不变，但怠速转速和初设值有可能不同。此时，ECU 可在反馈控制的基础上进行学习控制，使发动机转速达到目标值。与此同时，发动机控制模块将步进电动机转过的步数即怠速自适应值存储在存储器中，以便在下次怠速控制中使用。

③步进电动机式怠速控制系统的检修。

a.怠速控制工作情况检查。启动发动机，在关闭发动机的同时，倾听怠速空气控制阀是否有“咔哒”声，若听到“咔哒”声，说明怠速空气控制系统工作，否则应对怠速空气控制系统进行检修。

b.怠速空气控制阀电阻检查。各端子位置如图4.31 所示。测量怠速空气控制阀接头B1和S1端子、B1和S3端子、B2和S2端子、B2和S4端子之间的电阻应为10～30 Ω，若电阻不符合规定，则应检修怠速空气控制阀。

图4.32　怠速空气控制阀端子分布图

c.检测怠速空气控制阀的运行。从节气门体上拆下怠速空气控制阀，把蓄电池正极接线柱连接到怠速空气控制阀B1和B2端子上，如图4.32 所示。按顺序把负极依次接到端子S1、S2、S3和S4，怠速空气控制阀应向关闭的方向运动，如图4.33（a）所示。按顺序把负极依次接到端子S4、S3、S2和S1，怠速空气控制阀应向打开的方向运动，如图4.33（b）所示。若不符合上述规范打开和关闭怠速空气控制阀，应更换怠速空气控制阀。

2）旋转电磁阀式怠速控制阀

目前，广州本田奥德赛、桑塔纳2000、富康1.6 L 及丰田佳美等轿车都采用旋转滑阀式怠速控制阀。图4.34 为广州本田奥德赛旋转滑阀式怠速控制阀实物图。

图4.33　测试怠速空气控制阀

图4.34　广州本田奥德赛旋转滑阀式怠速控制阀

①旋转电磁阀式怠速控制阀结构与工作原理。旋转电磁阀式怠速控制阀如图4.35 所示。控制阀芯安装在阀轴的中部，可以随阀轴一同转动，从而改变怠速空气道的流通载面，控制流过怠速空气道的空气量。

图4.35　广州本田奥德赛旋转电磁阀式怠速控制阀

1—控制阀芯；2—双金属片；3—冷却液腔；4—阀体；5—线圈L1；6—永磁铁；7—线圈L2；8—阀轴；9—怠速空气口；10—固定销；11—挡块；12—阀轴限位杆

阀轴的一端装有圆柱形永磁铁，永磁铁上装有位置相对的两个线圈L1和L2。永磁铁的磁场与线圈L1和L2产生的电磁场相互作用会使永磁铁带动阀轴和阀芯一起旋转，如图4.36（a）所示。

图4.36　旋转电磁阀式怠速控制阀控制原理图

由ECU 控制线圈L1和L2的通电或断电来改变两个线圈产生的磁场强度，并改变控制阀芯的位置，以实现对怠速空气量的控制。

双金属片主要起保护作用，一般制成卷簧形，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。怠速控制系统正常工作时，阀轴限位杆不与挡块的凹槽两侧接触。

在发动机怠速运转过程中，ECU通过占空比控制信号（图4.37），控制线圈L1和L2的平均通电时间，从而改变怠速控制阀开度。

图4.37　占空比控制信号

当占空比为50%时，线圈L1和L2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，如图4.36（c）所示。

当占空比大于50%时，线圈L1的平均通电时间减小，线圈L2的平均通电时间增加，两者合成的电磁转矩将使阀轴带动阀芯逆时针转动，使控制阀开度增大。

当占空比小于50%时，线圈L1的平均通电时间增加，线圈L2的平均通电时间减小，两者合成的电磁转矩将使阀轴带动阀芯顺时针转动，使控制阀开度减小。

②旋转电磁阀式怠速控制阀的控制内容。旋转电磁阀式怠速控制阀的控制内容也包括启动控制、暖机控制、反馈控制、发动机负荷增大时的控制和学习控制等内容。控制原理与步进电机式怠速控制阀类似，这里不再赘述。

（4）怠速控制阀的检修要点

①怠速控制阀容易脏污，需要定期进行清洗，一般在定期进行的进气系统的清洗中完成。如有需要也可单独对怠速控制阀进行清洗。

②怠速控制阀的性能检测。主要利用故障诊断仪执行元件测试功能，在怠速时通过诊断仪将怠速控制阀打开至不同开度，同时观察发动机怠速是否有相应变化，若没有变化，则说明怠速控制阀或其他线路存在故障。

③怠速控制阀的线路检查。主要检测电源，搭铁是否正常以及控制信号线路是否正常。如线路正常，怠速控制阀不能正常执行动作指令，则应更换怠速控制阀。