怠速检测与故障诊断方案设计.doc

怠速控制系统检测与故障诊断方案设计一 前言 汽车是新时代科技发展的产物，自从有了汽车就有了怠速，众所周知，怠速其实就是发动机“出工不出力”， 发动机怠速转速过高会增加燃油的消耗量，特别是在交通密度大的市区中行驶时大约30%的燃油消耗是在怠速阶段，因此，为了提高燃油的经济性，理论上来说怠速应尽可能的低，可过低的怠速转速会造成CH的增加导致环境的污染。所以通过实验测得发动机的怠速在750r/min左右时为最佳。在讲究节约能源的当今社会，怎样调节一个合理的怠速，就显的尤为重要。因此本文通过介绍怠速控制系统的构成元件及其工作原理，以及对常见怠速故障的分析，提出检测和修理方法。二 设计2.1制系统的功能与组成 2.1.1系统的功能 怠速控制的目的是，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。怠速控制系统的功能是根据发动机工作的温度和负载，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。1.2 怠速控制系统的组成怠速控制系统主要由传感器、ECU和执行元件三部分组成（如图一）。传感器的功用是检测发动机的运行工况和负载设备的工况，ECU则根据各种传感器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（图一）1.3 怠速的控制方法怠速的控制实质就是对怠速工况下的进气量进行控制。在发动机集中控制系统中，控制怠速工况下的进气量的方法可分为两种基本类型：节气门直动式和旁通空气式。常用旁通空气式。旁通空气式怠速控制系统执行元件可分为步进电动机型、旋转电磁阀型、占空比控制电磁阀型、开关阀型等。1.3.1 节气门直动式怠速控制器节气门直动式怠速控制器主要由直流电动机、减速齿轮机构、丝杠机构和传动轴组成。直流电动机可正转也可反转，当直流电动机通电转动时，经减速齿轮机构减速增扭后，再由丝杠机构将其旋转运动转换为传动轴的直线运动。传动轴顶靠在节气门最小开度限制器上，发动机怠速运转时，ECU根据各种传感器信号，控制直流电动机的正反转和转动量，以改变节气门最小开度限制器的位置，从而控制节气门的最小开度，实现对怠速工况下进气量进行控制的目的。1.3.2步进电动机型怠速控制阀步进电动机由转子和定子构成，丝杠机构将步进电动机的旋转运动转变为阀杆的直线运动，控制阀与阀杆制成一体。步进电动机型怠速控制阀安装在节气门体上，控制阀伸入到设在怠速怠速空气道内的阀座处，发动机怠速运转时，ECU根据各种传感器信号，控制步进电机的正反转和转动量，以调节控制阀与阀座之间的间隙，从而改变怠速空气道的流通截面，控制发动机怠速工况下的进气量。步进电机主要由用永久磁铁制成的16个(八对)磁极的转子和两个定子铁心组成。每个定子都由两个带16爪极的铁心交错装配在一起，每个定子上分别绕有1相和3相、2相和4相两组线圈，每个定子上2线圈的绕制方向相反。ECU控制步进电机工作时，给线圈输送的是脉冲电压，四个线圈的通电顺序（相位）不同，步进电机的转动方向就不同，当按一定顺序输入一定量的脉冲时，步进电机就向某一方向转过一定的角度，步进电机的转动量取决于输入脉冲的数量。因此，ECU通过对定子线圈通电顺序和输入脉冲数量的控制，即可改变步进电动机型怠速控制阀的位置（即开度）从而控制怠速工况下的进气量。步进电机的工作原理如（图二）所示。步进电机工作时，转子每转一步与定子错开一个爪极的位置，由于定子有32个爪极（上、下两个铁心各16个），所以步进电机每转一步为1/32圈（越11转角），步进电机的工作范围为0 125个步进级。步进电机式怠速执行器一个很大的优点是控制精度高，可以精确到每一步，且微机也容易记忆当前阀门的位置。还有一点也应了解，由于步进电机是按步进方式依次控制的，所以它的反应速度受到了限制。 (图二)步进电机式怠速控制的内容主要有以下几项（以蒙迪欧为例）。1、初始位置的设定：为发改善发动机再启动时的启动性能，在点火开关关闭后ECU将控制怠速控制阀全开，也就是工作125步，便于为下次启动做好准备。2、启动控制：发动机启动时，由于怠速控制阀预先设定在了全开的位置，所以在启动期间，流过怠速控制阀的旁通空气量最大，有利于发动机启动，发动机在启动后，当发动机转速达到规定值时（由冷却液温度确定）。ECU开始控制怠速控制阀，将阀门关小到适当的开度位置。如蒙迪欧2.0当启动时冷却液温度为20度，则发动机转速达到550r/min时，ECU将怠速控制阀从全开位置A点关小至B点位置，如图三所示： （图三）3、暖机控制在暖机过程中，怠速控制阀从启动后根据冷却液温度所确定的开度位置开始逐渐关闭阀门，当冷却液温度达到71度时，暖机控制也就是快怠速结束，参见图七。4、 反馈控制在怠速运转过程中，如果发动机的实际转速与ECU存储器中存放的目标转速相差超过20r/min时ECU将控制怠速阀相应增减旁通空气量，使发动机实际转速与目标转速相同，参见图七。 5、发动机转速变化的预控制： 当空调开关、空挡启动开关等接通或断开时，都会引起发动机负荷的迅速变化，为了避免此时发动机怠速的不稳，在发动机转速出现变化前，ECU将控制怠速控制阀开大或关小到一个固定值。6、电器负载增大时的怠速控制： 当汽车上使用的电器增多时，将会引起电源电压的降低，这时就需要相应增加旁通空气量提高发动机的怠速转速，使发动机提供足够的电压给用电设备，保证正常使用。7、学习控制： ECU是通过步进电机的正反转的步数决定怠速控制阀的位置来调整发动机的怠速的，发动机在整个使用过程中性能会发生变化，虽然步进电机控制的阀门位置不变，但是怠速转速会和初始值有一定的偏差，所以ECU用反馈控制的方法输出信号，使发动机转速仍要达到目标值。此时ECU将步进电机转过的步数存于存储器，以便在以后的怠速控制中使用。1.3.3旋转电磁阀型怠速控制阀旋转电磁阀型怠速控制阀安装在阀轴的中部，阀轴的一端装有圆形永久磁铁，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，即可改变怠速控制阀的位置，从而调节怠速空气口的开度，以实现怠速工况下进气量的控制。旋转电磁阀式怠速控制原理如图四所示： （图四）旋转电磁阀主要由电枢、线圈、回位弹簧、调节限位块等组成，电枢部分从结构上看像一只直流电机但是电枢端部设立了一些挡块，致使电枢只能在0度90度的转角范围内转动。定子用永久磁铁作成磁场，在电枢上有两组绕向相反的绕组组成，通电时，滑片类似于直流电机的换向器，由于只限于90度转角内，滑片实际上只与某一电刷一直接触。旁通空气量的大小控制是进电枢上两组绕向相反的线圈经过通电产生的转矩决定的。当L1与弹簧的转矩之和大于L2的转矩时电枢将逆时针转动，即加大旁通空气量，反之则减小旁通空气量。在整个怠速范围内，微机根据水温等传感器的输入信号，确定发动机所需的占空比，将输入的PWM信号直接接到两晶体管VT1上，由于采用了一只反相器，这样两晶体管的基极信号就总是成相位相反的两个PWM信号了，两者交替导通。就这样通过输入的PWM信号脉宽大小来控制电枢的正反转，也就实现了旁通气道进气量的大小控制。1.3.4占空比控制电磁阀型怠速控制阀占空比控制电磁阀型怠速控制阀主要由控制阀、阀杆、线圈和弹簧等组成。控制阀与阀杆制成一体，当线圈通电时，线圈产生的电磁力将阀杆吸起，是怠速控制阀打开。怠速控制阀的开度取决于线圈产生的电磁力的大小，与旋转阀型怠速控制阀相同，ECU也是通过控制输入线圈脉冲信号的占空比来控制磁场强度，以调节怠速控制阀的开度，从而实现对怠速工况下进气量的控制。占空比电磁阀式怠速控制系统原理如图五所示： （图五）工作时每隔100ms（0.1s）线圈接通、断开一次，所以流过怠速控制阀的空气量是由线圈的接通与断开时间的比值，也就是占空比决定的。在一个周期内线圈通电时间越大，阀门开度就越大，ECU通过空调开关，空档启动开关，动力转向等信号的输入，来改变控制脉冲信号的占空比控制电磁阀的开度，改变阀与阀体之间的间隙，调节流过旁通通道的空气量。由于该阀控制的空气调节量较少，因此在暖机的期间快怠速由辅助空气阀控制。1.3.5开关型怠速控制阀1 开关型怠速控制阀主要由线圈和怠速控制阀组成。其工作原理与占空比控制电磁阀型怠速控制阀的类似。不同的是开关型怠速控制阀工作时，ECU只对阀内线圈通电或断电两种状态进行控制，电磁线圈通电时，怠速控制阀开启，线圈断电则怠速控制阀关闭。开关控制型真空电磁阀式怠速控制原理如图六所示： （图六）发动机怠速运转时ECU控制电磁阀将阀门打开，使转速升高到100r/min左右，它也是ECU根据各种传感器的输入信号控制真空电磁阀的开与闭来控制旁通空气量，保证发动机怠速运转稳定。真空电磁阀由断开变为接通必须要在以下条件下： 1）、发动机启动和刚启动后。 2）、节气门位置传感器怠速触点闭合，发动机的转速达到预定转速以下时。 3）、怠速触点闭合，从P档或N档换到其他档位后几秒钟以内。 4）、尾灯继电器接通后。 5）、后窗去雾灯开关接通。此时真空电磁阀打开，流过旁通空气通道的空气量增大，使发动机怠速保持