2.6 怠速控制系统的组成与工作原理
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1.电控发动机的怠转速是如何控制的?
2.目前,电控发动机的怠速控制系统有哪些类型?
2.6.1 怠速控制系统的功能与组成
1.怠速控制系统的功能
怠速是指节气门关闭,加速踏板完全松开,且保持最低转速稳定运转的工况。目前,汽油机一般都有节气门,怠速时节气门的复位弹簧促使节气门有全闭的倾向。
在汽车使用中,发动机怠速运转的时间约占30%,怠速转速的高低直接影响燃油消耗和排放污染。怠速转速过高,燃油消耗增加,但怠速转速过低,又会增加排放污染。此外,怠速转速过低,发动机冷车运转、空调打开、电气负荷增大、自动变速器挂入档位、动力转向时,由于运行条件较差或负载增加,容易导致发动机怠速运转不稳甚至熄火。在以上有一个或几个情况出现时,需要及时调整发动机怠转速。
怠速控制的功用: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。
怠速控制的实质就是控制怠速时的空气吸入量,所以也将怠速控制系统称为怠速空气控制系统(Idle Air Control system,IAC)。ECU根据发动机工作温度和负载,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。
2.怠速空气提供方式
(1)旁通空气式
采用这种方式的系统在怠速时节气门完全关闭。怠速空气通过一条跨接在节气门两端的怠速通道流入气缸。怠速通道中装有一个不同类型的怠速空气控制阀,如图2-49a所示。
(2)节气门直动式
采用这种方式的系统没有跨接在节气门两端的怠速通道。怠速时,加速踏板虽然完全松开,但节气门并不完全关闭,而是仍通过它提供怠速空气,如图2-49b所示。
图2-49 怠速空气提供方式
a)旁通空气式 b)节气门直动式
3.怠速控制系统的组成
以旁通空气式怠速控制系统为例,它主要由传感器、ECU和执行元件三部分组成,如图2-50所示。
传感器的功用是检测发动机的运行工况和负载设备的工作状况,ECU则根据各种传感器的输入信号确定一个怠速运转的目标转速,并与实际转速进行比较,根据比较结果控制执行元件工作,以调节进气量,使发动机的怠速转速达到所确定的目标转速。
目标怠速是根据诸多因素决定的:
1)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;而对于采用机械风扇的发动机,当发动机冷却液温度过高时,系统也会施以较高的怠速1300r/min,目的是增加散热器的冷却进风量。
2)外加负载。空调发生变化时,系统将提高怠速150r/min。
3)近光灯开启。为补偿其电力消耗,目标怠速将提升50r/min。
图2-50 发动机怠速控制系统的组成
4)系统电压补偿。当系统电压低于12V时,系统会自动提升目标怠速50r/min。
5)车速补偿。车辆在行驶时,目标怠速较停车时提高50r/min。
6)减速调节。减速及停车时,逐步递减至停车状态目标怠速。
4.怠速工况的识别
在怠速以外的其他工况下,若系统对发动机实施怠速控制,会与驾驶员通过加速踏板对进气量的调节发生干涉。因此,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。
2.6.2 怠速控制执行元件的类型和工作原理、检测方法
下面也是以旁通空气式怠速控制系统为例,该种怠速控制系统目前主要有两种基本类型:
1)步进电动机型。
2)旋转电磁阀型。
2.6.2.1 步进电动机怠速控制阀(4线或6线,不需要快怠速辅助空气阀)
这种怠速控制阀有一内置步进电动机,这个电动机顺时针或逆时针方向转动转子,使阀轴及阀移进或移出。这一动作增加或减小阀与阀座之间的间隙,以调节允许通过的空气量,见图2-51。由于步进电动机气流量很大,因此也用于快怠速。这个阀不需要与空气阀一起使用。
步进电动机由转子(磁铁)和定子(电磁线圈)构成,丝杆机构将步进电动机转子的旋转运动转变为阀轴的直线运动,阀与阀轴制成一体。步进电动机型怠速控制阀安装在节气门体上,阀伸入到设在怠速空气道内的阀座处。ECU通过对定子绕组通电顺序和输入脉冲数量的控制,即可改变步进电动机型怠速控制阀的位置(即节气门开度),从而控制怠速空气量。由于给步进电动机每输入一定量的脉冲只转过一定的角度,其转动是不连续的,所以称为步进电动机。
图2-51 步进电动机型怠速控制系统
怠速空气控制用的步进电动机常用的有4线和6线的,通用公司使用的步进电动机为4线的,丰田公司使用的步进电动机为6线的。
1.通用公司怠速控制用步进电动机
(1)通用公司步进电动机的结构和工作原理
通用公司的步进电动机结构及电路图,见图2-52。此种控制阀的步进电动机转子是一个具有N极和S极的永久磁铁,定子则有两组相互独立的线圈,每组由两个绕组组成。在控制方式上,该种步进电动机电控单元内部控制电路最复杂。
图2-52 通用公司步进电动机型怠速控制阀
a)步进电动机内部结构 b)步进电动机连线情况 c)步进电动机控制电路简图
由图2-52c所示的电路简图可知,步进电动机内每一组的绕组都被视为一个单独的元件,绕组的所有4个接线都连接到电控单元PCM。PCM利用内部电路,改变两组绕组的电流方向,使之产生交替变化的磁场。当转子开始转动前,电控单元PCM会将脉冲电压信号(12V)从A端送入绕组1和2,然后从A-端回到PCM内部搭铁,使定子绕组1和2分别产生S极和N极,吸引转子顺时针旋转。与此同时,PCM也将脉冲电压从B端送入定子绕组3和4,使定子绕组3和4分别产N极和S极,推动转子顺时针转动90°,成为图2-52a所示的情形。
(2)通用公司步进电动机的检测方法
正常情况下,A—A-端之间以及B—B-端之间的电阻值为40~80Ω。
该步进电动机4个端子的电压在0V和12V两者之间交替变化。
如图2-53所示步进电动机阀轴伸出最大长度A不能超过28mm。
图2-53 通用步进电动机阀轴伸出长度示意图
2.丰田公司怠速控制用步进电动机
(1)丰田公司步进电动机的结构与工作原理
丰田公司的步进电动机结构如下:与通用公司不同的是,丰田步进电动机内的定子由4组相互独立的绕组构成,见图2-54。
图2-54 丰田公司步进电动机型怠速控制阀
a)步进电动机内部结构 b)步进电动机定子与转子相互作用原理 c)步进电动机控制电路简图
由图2-54c可知,EFI主继电器触点闭合后,蓄电池电源经主继电器到达怠速步进电动机的B1和B2端子、ECU的+B和+B1端子,B1端子向步进电动机的C1-C3相两个绕组供电,B2端子向C2-C4相两个绕组供电。4个绕组分别通过端子S1、S2、S3和S4与ECU端子ISC1、ISC2、ISC3和ISC4相连,ECU控制各绕组的搭铁回路,以控制怠速控制阀的工作。当ECU控制使步进电动机的电磁线圈C1、C2、C3、C4按1—2—3—4顺序通过晶体管依次搭铁时,定子磁场顺时针转动,由于与转子磁场间的相互作用(同性相斥,异性相吸),吸拉转子转动。同理,如果按C4、C3、C2、C1的顺序依次搭铁,步进电动机的线圈按相反的顺序通电,转子则随定子磁场同步反转。一台丰田的步进电动机将利用4组电磁线圈,使转子永久磁铁每旋转一圈产生32个步进动作,见图2-54b。
(2)丰田公司步进电动机的检测方法
检修步进电动机型怠速控制阀的方法有电阻检测和动作检测。
1)步进电动机型怠速控制阀线圈电阻的检测。拆下怠速控制阀,用万用表Ω档测量怠速控制阀绕组的电阻值(图2-55)。脉冲线性电磁阀式怠速控制阀只有一组绕组,其电阻值为10~15Ω。步进电动机式怠速控制阀通常有2~4组绕组,各组绕组的电阻值为10~30Ω。若绕组电阻值不在上述范围内,应更换怠速控制阀。
图2-55 皇冠3.0轿车2JZ-GE发动机步进电动机型怠速控制阀的电阻检测
2)步进电动机型怠速控制阀动作的检测
①拆开怠速控制阀线束插接器,将点火开关转至“ON”,但不起动发动机,在线束侧分别测量B1和B2端子与搭铁之间的电压,均应为蓄电池电压(9~14V),否则说明怠速控制阀电源电路有故障。
②发动机起动后再熄火时,2~3s内怠速控制阀附近应能听到内部发出的“嗡嗡”声,否则应进一步检查怠速控制阀、控制电路及ECU。
③拆开怠速控制阀线束插接器,在控制阀侧分别测量端子B1与S1和S3,B2与S2和S4之间的电阻,电阻值均应为10~30Ω,否则应更换怠速控制阀。
④拆下怠速控制阀后,如图2-56a所示,将蓄电池正极接至B1和B2端子,负极按顺序依次接通S1、S2、S3、S4端子时,随步进电动机的旋转,控制阀应向外伸出,关闭怠速旁通道;如图2-56b所示,蓄电池负极按相反顺序依次接通S4、S3、S2、S1时,则控制阀应向内缩回,开启怠速旁通道。若工作情况不符合上述要求,应更换怠速控制阀。
图2-56 皇冠3.0轿车2JZ-GE发动机步进电动机型怠速控制阀的动作检测
a)检查步进电动机的关闭情况 b)检查步进电动机开启情况
3.步进电动机型怠速控制阀的控制策略
步进电动机控制旁通空气式怠速控制系统的控制内容如下。
(1)起动初始位置的设定
为了改善发动机的起动性能,关闭点火开关使发动机熄火后,ECU的M-REL端子向主继电器线圈供电约2~3s。在这段时间内,蓄电池继续给ECU和步进电动机供电,ECU使怠速控制阀回到起动初始(全开)位置。待步进电动机回到起动初始位置后,主继电器线圈断电。蓄电池停止给ECU和步进电动机供电,怠速控制阀保持全开不变,为下次起动作好准备。
(2)起动后控制
发动机起动时,由于怠速控制阀预先设定在全开位置,在起动期间经怠速空气道可供给最大的空气量,有利于发动机起动。但怠速控制阀如果始终保持在全开位置,发动机起动后的怠速转速就会过高,所以在起动期间ECU会根据冷却液温度的高低控制步进电动机,调节控制阀的开度,使之达到起动后暖机控制的最佳位置,此位置随冷却液温度的升高而减小,控制特性(步进电动机的步数与冷却液温度的关系曲线)存储在ECU内。
步进电动机起动初始位置的设定和起动后控制原理见图2-57。
图2-57 步进电动机起动初始位置的设定和起动后控制
(3)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内存的控制特性控制怠速控制阀开度,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,暖机控制过程结束。步进电动机暖机控制原理见图2-58。
图2-58 步进电动机暖机控制
(4)怠速稳定控制
在怠速运转时,ECU将接收到的转速信号与确定的目标转速进行比较,其差值超过一定值(一般为20r/min)时,ECU将通过步进电动机控制怠速控制阀,调节怠速空气供给量,使发动机的实际转速与目标转速相同。怠速稳定控制又称反馈控制,见图2-59。
(5)怠速预测控制
发动机在怠速运转时,如变速器档位、动力转向、空调工作状态的变化都将使发动机的转速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,不等发动机转速变化,ECU就会根据各负载设备开关信号(A/C开关等),通过步进电动机提前调节怠速控制阀的开度。
(6)电器负载增多时的怠速控制
在怠速运转时,若使用的电器负载增大到一定程度,蓄电池电压就会降低。为了保证电控系统正常的供电电压,ECU根据蓄电池电压调节怠速控制阀的开度,提高发动机的怠速转速,以提高发动机的输出功率。
图2-59 步进电动机怠速稳定控制
(7)学习控制
在ECU的存储单元中,存储着怠速控制阀的步数与发动机怠转速的对应表。但发动机在使用过程中,由于磨损等原因会导致怠速控制阀的步数与发动机怠转速的对应关系发生改变。在此情况下,ECU利用反馈控制功能使怠速转速回归到目标值的同时,还可将对应的实际步数存储在ROM存储器中,以便在此后的怠速控制过程中使用。ECU会定期更新怠速控制阀步数与发动机转速对应的数据表,以便能让怠速控制系统更快地达到目标转速。
当节气门体变脏后,发动机在怠速时,IAC阀的开度会增大。这是因为节气门体变脏后,在相同的开度下,进气量会减少,将不足以维持发动机的目标转速,IAC阀应开大,这说明电控单元具有反馈和学习功能。清洗节气门体后,一定要让ECU重新进行学习,即进行基本设置,这样为达到同样的目标怠转速,怠速时IAC阀的开度会减少。记住:如果蓄电池断开了,ECU也将重新进行怠速控制的学习。
2.6.2.2 旋转电磁阀型怠速控制阀(三线,有的需要快怠速辅助空气阀)
1.双驱动型旋转电磁阀型怠速控制阀的结构与工作原理
双驱动旋转电磁阀型怠速控制阀的结构如图2-60所示。控制阀安装在阀轴的中部,阀轴的一端装有圆柱形永久磁铁,阀轴的另一端装有双金属片。永久磁铁对应的圆周位置上装有位置相对的两个线圈,由ECU控制两个线圈的通电或断电,改变两个线圈产生的磁场强度,两线圈产生的磁场与永久磁铁形成的磁场相互作用,使永久磁铁带动阀轴一起旋转,转过的角度由使永久磁铁转动的扭矩与双金属片复位扭矩相平衡的情况决定。
图2-60 双驱动旋转电磁阀型怠速控制阀的剖视图
双金属片制成卷簧形,外端用固定销固定在阀体上,内端与阀轴端部的挡块相连接,阀轴只能在挡块凹槽限定的范围内摆动。流过阀体冷却液的温度变化时,双金属片变形,带动挡块转动,从而改变阀轴转动的两个极限位置,以控制怠速控制阀的最大开度和最小开度,见图2-61。此装置主要起保护作用,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,只要怠速控制系统工作正常,阀轴上的限位杆不与挡块的凹槽两侧接触。
图2-61 双驱动旋转电磁阀型怠速控制阀的工作原理(一)
ECU控制旋转电磁阀型怠速控制阀工作时,控制阀的开度是通过控制两个线圈的平均通电时间(占空比)来实现的。占空比是指脉冲信号的通电时间与通电周期之比,如图2-62所示。
通电周期一般是固定的,所以占空比增大,就是延长通电时间。当占空比为50%时,两线圈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。当占空比大于50%,因有反相器的作用,两个线圈的平均通电时间,一个增加,而另一个减小,两者产生的磁场强度也不同,所以使阀轴偏转一定角度,控制阀开启怠速空气口,见图2-63。占空比越大,两个线圈产生的磁场强度相差越多,控制阀开度越大。因此,ECU通过控制脉冲信号的占空比即可改变控制阀开度,从而控制怠速时的空气量。控制阀从全闭位置到全开位置之间,旋转角度限定在90°以内,ECU控制的占空比调整范围约为18%~82%。
图2-62 占空比概念
图2-63 双驱动旋转电磁阀型怠速控制阀的工作原理(二)
2.单驱动旋转电磁阀型怠速控制阀的结构和工作原理
单驱动旋转电磁阀型怠速控制阀只包括一组电磁线圈,另有永久磁铁、阀门以及自带IC(集成电路),见图2-64。单驱动旋转电磁阀怠速控制阀附接在节气门体上。
自带IC(集成电路)利用发动机ECU信号传出的占空比信号,控制流入电磁线圈电流的方向及大小,并使阀门转动,从而控制从节气门的旁通道流入的空气量,见图2-65。占空比高时,IC将阀门向打开方向转动;占空比低时,IC将阀门向关闭的方向转动,该阀就这样打开和关闭。
图2-64 单驱动旋转电磁阀型怠速控制阀的剖视图
图2-65 单驱动旋转电磁阀型怠速控制阀的工作原理
当怠速控制阀控制电路出现故障时,会在永久磁铁的作用下,将阀门固定在一定开度的位置,这时发动机的怠速转速还可以达到1000~2000r/min。
3.旋转电磁阀型怠速控制阀的控制内容
(1)起动控制
当发动机ECU接收到起动信号(STA),发动机ECU确定发动机将起动,打开怠速控制阀以改善起动性。依据冷却液温度和发动机转速信号来控制怠速控制阀的开启位置。
(2)暖机(快怠速)控制
发动机起动后,发动机ECU按照冷却液温度打开怠速控制阀以增加怠速转速。当冷却液温度升高时,发动机ECU控制怠速控制阀使其趋向关闭方向,以降低怠速转速。
(3)反馈控制
该怠速控制阀的怠速反馈控制策略与步进电动机型怠速控制阀的控制策略相似,即当发动机实际怠速转速低于目标转速时,ECU控制怠速控制阀开度加大;反之,当发动机实际怠速转速高于目标转速时,ECU控制怠速控制阀开度减小。
(4)发动机负荷/转速变换估计控制
为了防止由于发动机负荷的变化而导致转速明显改变,ECU监控来自空档起动开关(NSW)、空调开关(A/C)、前照灯、后窗除雾(ELS)的信号,若装有动力转向和机油压力开关(PS),还要监视相关信号。通过监控信号,ECU确定出目标转速,从而调节怠速控制阀的位置。
在ECU进行怠速转速调整之前,先改变怠速控制阀旋转位置,以弥补发动机负荷的变化。这种控制方式有助于在发动机负荷变化过程中稳定怠速转速。
(5)学习控制
旋转电磁阀型怠速空气控制系统利用怠速旁通道学习控制策略,ECU记忆发动机转速和占空比之间的关系,定期更新存储数据。过段时间由于磨损和其他原因导致发动机转速和占空比之间的关系发生变化,由于怠速反馈控制作用,调整后的发动机转速和占空比之间的对应关系被记忆在ECU内,ECU定期更新记忆内容,以让旋转电磁阀更快地响应发动机转速的变化。
对这些怠速转速控制内容的理解,对于帮助分析怠速控制的相关故障很有帮助。同样,如果蓄电池断开了,ECU将重新进行怠速控制的学习。
4.旋转电磁阀型怠速控制阀的检修
(1)双驱动旋转电磁阀型怠速控制阀的检修
旋转电磁阀型怠速控制阀的电路(日本丰田PREVIA轿车)如图2-66所示,在维修时,一般进行如下检查:
图2-66 日本丰田PREVIA轿车旋转电磁阀型怠速控制阀电路图
1)拆开怠速控制阀线束插接器,将点火开关转至“ON”,但不起动发动机,在线束侧测量电源端子(+B)与搭铁之间的电压,应为蓄电池电压(9~14V);否则说明怠速控制阀电源电路有故障。
2)发动机达到正常工作温度、变速器处于空档位置时,使发动机维持怠速运转,用专用短接线短接故障诊断座上的TE1与E1端子,发动机转速应保持在1000~1200r/min,5s后转速下降约200r/min。若不符合上述要求,应进一步检查怠速控制阀电路、ECU和怠速控制阀。
3)拆开怠速控制阀上的三端子线束插接器,在控制阀侧分别测量中间端子(+B)与两侧端子(1SC1和ISC2)之间的电阻,正常应为18.8~22.8Ω;否则应更换怠速控制阀。
(2)单驱动旋转电磁阀型怠速控制阀的检修
1)单驱动旋转电磁阀型怠速控制阀内部是自带IC(集成电路),无法检测电阻,判断怠速控制阀内部的好坏,要用丰田手持式测试仪。根据手持式测试仪上的信息选择动态测试模式,当发动机负荷改变时(开空调、打转向或开前照灯等),观察发动机怠速转速是否根据负荷的变化而增加,依此判断怠速控制阀的好坏。
2)断开怠速控制阀线束插接器,将点火开关转至“ON”,但不起动发动机,在线束侧测量电源端子(+B)与搭铁之间的电压,应为蓄电池电压(9~14V);否则说明怠速控制阀电源电路有故障。
3)断开发动机ECU线束插接器,检查发动机ECU插接器的端子与怠速控制阀插接器端子RSO之间的导通性,电阻应小于1Ω。
4)断开发动机ECU线束插接器,检查发动机ECU插接器的端子与怠速控制阀插接器端子EO1之间的导通性,电阻应小于1Ω。