2.5.1　怠速控制系统

1.怠速的含义

怠速通常是指发动机在无负荷（对外无功率输出）情况下的稳定运转状态。此时发动机发出的功率只用于其自身及所带附件所消耗的功率。

在不同情况下，怠速有不同的分类：按怠速转速可分为低怠速和高怠速，低怠速时发动机发出的功率只能维持自身的运转即可，而高怠速还要供给如车载空调、风扇及动力转向泵等负载的功率；按汽车运行工况的不同可分为驻车（空挡）怠速和行车（驱动挡）怠速；另外还有冷机怠速和热机怠速等。

2.怠速控制

汽油发动机电控系统对怠速工况的控制包括无负荷怠速控制和有负荷怠速控制两种控制模式。

无负荷怠速控制的主要内容包括暖机过程与冷却液温度相关的高怠速转速控制，达到正常水温阀值后的空载怠速转速稳定性控制。

有负荷怠速控制的主要内容包括怠速工况时由于空调、动力转向等附属装置接入后，怠速目标转速的重新设置盒转速控制。

怠速控制的实质是对怠速时进气量的控制。通常发动机输出负荷时，其转速是由驾驶员通过加速踏板改变节气门的位置，调节进气量来实现的。但在怠速时，驾驶员的脚已离开加速踏板，不再调节进气量，为此在电控发动机上都设有不同形式的怠速控制装置。怠速控制方法是电控单元根据发动机不同运行条件控制怠速控制机构，调节怠速时的进气量，同时配合喷油量及点火提前角的控制，改变怠速工况燃料消耗所发出的功率，从而稳定或改变怠速转速。此外还必须保证各种工况改变时平顺地过度。

怠速转速控制过程：电控单元根据冷却液温度、空调开关和空挡信号等参数确定将要控制的目标转速，并由怠速信号（或怠速开关信号）及车速信号判断发动机是否处于怠速状态，如果是，则怠速转速控制开始。电控单元不断地将测得的发动机转速与设定的目标转速相比较，根据比较结果，控制怠速执行器工作，增大或减小进气量，同时控制供油及点火参数，保证怠速转速稳定在目标转速上。而目标转速的确定则随发动机机型的不同、温度状态的变化以及电器负载的大小而异。

3.怠速控制执行器

怠速执行器的功能就是改变怠速时的进气量。按照改变进气量的方式不同，怠速控制系统有两种类型，分别是节气门直动式和旁通空气控制式。节气门直动式直接操纵节气门，调节节气门最小开度。旁通空气控制式是控制旁通空气道的流通截面积，按照执行器驱动方式的不同，旁通空气控制式的怠速执行器又分为步进电机型、旋转电磁阀型、占空比控制型真空开关阀及开关控制型真空开关阀。

（1）节气门直动式。节气门直动式怠速控制系统通过控制节气门开启程度，调节空气通道的截面积，从而控制进气量，实现怠速转速的控制。现多用于采用电子节气门的车辆上，节气门直动式怠速执行机构由直流电动机、减速齿轮等部件组成（如2.1.3节气门位置传感器中的图2-7和图2-10所示）。

（2）旁通空气控制式。旁通空气控制式怠速控制，就是在节气门旁的旁通空气道中设立一个阀门，成为怠速控制阀（Idle Speed Control Valve，ISCV）。阀门开大，旁通空气道流通界面增大，空气流量增大，则怠速转速提高；反之，则怠速转速降低。

①步进电机型怠速控制阀。步进电机型怠速控制阀由步进电机和控制阀两大部分组成，其结构如图2-83所示。从空气滤清器后引入的空气经怠速控制阀到达进气总管，电控单元控制步进电机，以增减流过该旁通气道的空气量。

图2-83　步进电机怠速控制阀

步进电机与怠速控制阀做成一体，上部为步进电机，它可以顺时针或逆时针旋转；控制阀阀轴另一端的丝杠旋入步进电机的转子，丝杠将步进电机的旋转运动转换成阀轴的直线运动；随着步进电机的正传或反转，阀轴上、下运动，改变阀与阀座之间的间隙大小，从而调整进气量。

步进电机的转子是用永久磁铁制成的16个磁极。定子是由两个带有16个爪齿状的铁芯交错地装配在一起，每个铁芯上有两组线圈，两组线圈的绕线方向相反。转子的旋转方向可以通过改变4个线圈的通电状态来实现，线圈每通电一次，转子约转过11°（1/32圈）。电控单元根据节气门开度和车速判断发动机处于怠速运转时，根据实际转速与目标转速的差值，给怠速控制阀供电，驱动步进电机，调节旁通空气量，使发动机转速达到所要求的目标值。步进电机型怠速控制阀的气量调整范围大，无需附加空气阀即可完成起动控制、暖机控制等全部功能。只控制步进电机的步进数和正、反旋转方向，就能确保控制正确进行。但由于是按照进给步数顺序控制的，阀的位置改变需要一定时间，因此响应速度有限。

②旋转电磁阀型怠速控制阀。旋转电磁阀型怠速控制阀是通过控制阀片的旋转，改变控制阀处空气流通截面积的大小来调整旁通进气量的，其结构如图2-84所示。

图2-84　旋转电磁阀型怠速控制阀

怠速控制阀的驱动，是通过永久磁铁和通电线圈磁场的相互作用来完成。对旋转电磁阀中的线圈加以高低互为相反的占空比信号，它们与永久磁铁相互作用的结果将使电枢上同时受到两个方向相反的作用力，形成的力矩使电枢旋转，从而带动阀片旋转。阀片的转角限定在90°以内，转角的大小由控制信号的占空比决定，变化范围为18%～82%，当占空比为50%时，阀片不动，怠速阀处于全关位置。

旋转电磁阀型怠速控制阀可完成的控制功能有：起动控制、怠速反馈控制、暖机控制及电器负载增大的高怠速控制。

2.5.2　排气净化与排放控制

为了减少汽车使用过程中对大气环境的污染，现代汽车对汽油发动机的污染源采取了多项控制有害物排放及净化的措施。汽油发动机电控系统的排气净化控制功能包括基于氧传感器的空燃比反馈控制、废气再循环（EGR）控制、二次空气喷射控制、活性炭吸附及活性炭罐的清洗控制等；以及利用三元催化转换装置将有害物进一步氧化，使排放达到标准。

基于氧传感器的空燃比控制：当汽油发动机在空燃比闭环控制工况区域运行时，ECU根据氧传感器的反馈信号，对喷油持续时间进行修正，把空燃比精确控制在14.7∶1附近。

废气再循环（EGR）控制：在采用废气再循环系统的汽油发动机中，电控系统根据汽油发动机的运行工况，通过真空电磁阀或比例电磁阀，控制废气再循环阀的开闭及开度，控制废气再循环过程，调整再循环的废气量。

活性炭罐清洗控制：在装有活性炭罐清洗控制装置的汽油发动机中，电控系统通过活性炭罐清洗控制电磁阀，定时把新鲜空气引入活性炭罐，对活性炭层进行清洗。

二次空气喷射控制：在采用二次空气喷射装置的汽油发动机中，电控系统根据汽油发动机的运行工况及工作温度，控制二次空气喷射装置，把新鲜的空气喷入排气歧管或三元催化转化器。

1.三元催化转换器

三元催化转换器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，是目前汽油机中使用最广泛，最成熟有效的有害排放物控制措施。它可将汽车尾气排出的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和（NOx）等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳（CO2）、水（H2O）和氮气（N2）。由于这种催化转化器可同时将废气中的3种主要有害物质转化为无害物质，故称三元催化转换器。

（1）结构。三元催化转化器的结构如图2-85所示，主要由壳体、衬垫和涂敷催化剂的载体构成。大多数三元催化转换器的芯子（涂敷催化剂的载体）以蜂窝状陶瓷芯作为承载催化剂的载体，在陶瓷载体上浸渍铂（或钯）和铑的混合物作为催化剂。为了提高芯子的抗颠簸性能，芯子的外面通常用钢丝（衬垫）包裹。

图2-85　三元催化转换器的结构

（2）工作原理：废气通过净化器的通道时，三种有害气体的活性增加，活化能降低。一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）就会在催化剂铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rn）的作用下，与空气中的氧发生氧化反应产生无害的水（H2 O）和二氧化碳（CO2），而氮氧化合物（NOx）则在催化剂铑（Rn）的作用下被还原为无害的氧气（O2）和氮气（N2）。

（3）化学反应方程式：

氧化反应：

2CO＋O2→2CO2

CO＋H2O→CO2＋H2

2Cx Hy＋(2x＋0.5y)O2→yH2O＋2xCO2

还原反应：

2NO＋2CO→2CO2＋N2

2NO＋2H2→2H2O＋N2

Cx Hy＋(2x＋0.5y)NO→0.5yH2O＋xCO2＋(x＋0.25y)N2(www.daowen.com)

其他（有关水蒸气的反应）：

Cx Hy＋xH2O→xCO＋(x＋0.5y)H2

CO＋H2O→CO2＋H2

H2＋0.5O2→H2O

总体上是个放热反应，因此催化转化器出口的温度应至少高于进口温度20%左右。

（4）转换效率。三元催化转换器对CO、HC和NOx三种有害物的转换效率与汽油发动机的空燃比有关，只有当汽油发动机的实际空燃比在理论空燃比14.7∶1附近时，三元催化转换器对这三种有害物质同时具有最高的转换效率，如图2-86所示。

图2-86　转化率与空燃比关系曲线

使用三元催化转换器的发动机应用无铅汽油，否则会使其中毒——失去催化效能。三元催化转换器的最低工作温度350℃，理想的工作温度为400℃～800℃，如超过1000℃，会使其迅速变质变得毫无用处。

（5）三元催化转换器失效原因。

①由于汽油中含有硫、铅等有害物质，润滑油中含有磷、锌元素。这些物质及燃烧后的氧化物颗粒会在三元催化转化器内部的催化剂表面形成化学配合物，使催化剂无法与废气接触，失去催化作用。

②由于驾驶员的不良驾驶习惯，或者长期行驶在拥堵路面，发动机经常处于不完全燃烧状态，会在氧传感器和三元催化器内形成积炭，堵塞孔隙，造成失效。

③点火时间过迟或点火次序错乱、断火等，都会使未燃烧的混合气进入催化反应器，造成排气温度过高，影响催化转化器的效能。

2.氧传感器

在使用三元催化转换器装置的汽油喷射发动机中，一般都在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的含量，从而间接地判断进入气缸内混合气的浓度，以便对实际空燃比进行闭环控制。当排气中氧的含量过高时，说明混合气过稀，氧传感器即输出一个电信号给电控单元，电控单元控制喷油器增加喷油量；当排气中氧的含量过低时，说明混合气过浓，氧传感器立刻将此信息传递给电控单元，让其控制喷油器减少喷油量。目前在汽车上使用的氧传感器主要有二氧化钛氧传感器和二氧化锆氧传感器两种类型的传感器。

（1）二氧化锆氧传感器。氧化锆（ZrO2）是具有氧离子传导性的固体电解质，能在氧分子浓度差的作用下，产生电动势。氧化锆具有如下特性：在高温下，如果氧化锆的两侧的气体氧含量有较大差异时，氧离子会从氧含量高的一侧向氧含量低的一侧扩散，使两侧电极间产生电动势。

氧化锆氧传感器的结构如图2-87所示，主要包括锆管和电极等。锆管是氧化锆陶瓷体制成的一端封闭的管状体，如图2-88所示。电极为透气的多孔性薄铂层，覆盖在锆管的内、外表面。锆管内表面与大气相通，外表面与废气接触。氧化锆陶瓷体是多孔的，允许氧渗入该固体电解质内。发动机运转时，废气从锆管外表面流过，当温度高于350℃时，氧分子在高温状态下电离。由于锆管内、外表面的氧分子的浓度不同，使氧离子从浓度大的内表面向浓度小的外表面移动，从而在锆管内外表面的两个电极之间产生一个微小的电压。

图2-87　氧化锆氧传感器的结构

图2-88　氧传感器在排气管中的布置

氧化锆传感器采用的是铂电极。铂的作用是催化排气中的O2与CO反应，使混合气偏浓时的氧含量几乎为零，以提高氧传感器的灵敏度。混合气较浓时，排气中缺氧，锆管内、外两侧的氧浓度差较大，氧离子移动较快，并产生0.8～1V的电压；混合气较稀时，废气中有一定的氧分子，锆管中氧离子移动能力减弱，只产生0.1V的电压。因此，电压信号随混合气浓度不同而变化，并以理论空燃比为界产生突变。电控单元根据氧传感器的信号控制喷油量的增加或减少，保持混合气的空燃比在理论空燃比附近。氧传感器传给电控单元的电压信号，在输入回路的比较器中与基准电压对比，当电动势大于0.45V时，比较器输出为1（浓信号）；当电动势低于0.45V时，比较器输出为0（稀薄信号）。

氧传感器的正常工作温度是350℃左右，现在大多数采用加热式氧传感器，即在氧传感器内增加了一个加热元件（陶瓷加热组件），可在发动机起动后的20～30s内迅速将氧传感器加热至工作温度，并使氧传感器的安装位置不受温度的影响，也扩大了混合气闭环控制的工作范围。

（2）二氧化钛氧传感器。二氧化钛氧传感器外形与氧化锆氧传感器相似，但体积较小。其工作原理与氧化锆氧传感器有很大不同，主要区别为：氧化锆氧传感器，是将排气中氧分子含量的变化转换成电压的变化（电池型）；二氧化钛氧传感器，则将排气中的氧分子含量的变化转换成电阻的变化（可变电阻型）。

二氧化钛的特性是：在常温下是一种高电阻的半导体，但当其周围气体氧含量少时，二氧化钛（TiO2）中的氧分子将逃逸而使其晶格出现缺陷，电阻随之下降。利用二氧化钛电阻的变化，可测得排气管中氧浓度的变化，进而确定空燃比的偏差值。

二氧化钛氧传感器的结构如图2-89所示，前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件。由于二氧化钛的电阻值也随温度不同而变化，因此在二氧化钛氧传感器内部还设有一个温度系数与二氧化钛相似的温度补偿电阻。

图2-89　二氧化钛氧传感器的结构

二氧化钛氧传感器的输出特性：混合气农时，排气中氧含量低，传感器电阻较小；混合气稀时，排气中氧含量高，传感器电阻较大。在理论空燃比附近电阻有一个突变。

氧化钛氧传感器在空燃比反馈控制系统中的作用与氧化锆氧传感器相同。它们工作原理上的差异主要在于：氧化锆氧传感器将废气中氧的浓度变化直接转换成输出电压的变化，氧化钛氧传感器则将废气中氧的浓度变化转换成传感器电阻的变化，然后送入检测电路。

（3）宽频氧传感器。现代汽车为了省油，都趋向于稀薄燃烧，也就是空燃比为10～20，相当于过量空气系数为0.686～1.405的宽范围。这样，原有的氧传感器就无法适应，于是一种测量范围更广的宽带型氧传感器诞生了。根据氧传感器的制造材料不同，宽带型氧传感器可分为以ZrO2为基体的固化电解质型和利用氧化物半导体电阻变化型两大类；根据传感器的结构不同，宽频氧传感又可分为电池型、临界电流型及泵电池型。

①结构：宽频氧传感器为6线制，属于线性、电流型氧传感，在全空燃比范围内（λ＝0.7～4.0）起作用。它由一个普通窄范围浓度差压型氧传感器ZrO2（能斯特元件）、氧气泵单元（ZrO）、加热线圈、传感器控制器及扩散室（放氧通道）等构成，如图2-90和图2-91所示。

图2-90　宽频氧传感器的结构

图2-91　宽频氧传感器的原理结构

②工作原理：宽频型氧传感器的基本控制原理就是以普通氧化锆型氧传感器为基础扩展而来。氧化锆型氧传感器有一特性，即当氧离子移动时会产生电动势；反之，若将电动势加在氧化锆组件上，即会造成氧离子的移动。根据此原理即可由发动机控制单元控制想要的比例值。工作原理如图2-92所示。

构成宽带型氧传感器的组件有两个部分：一部分为能斯托单元，另一部分是单元泵（泵氧元）。

能斯托单元的一面与大气接触，而另一面是测量室，通过扩散孔与排气接触，与普通氧化锆传感器一样，由于能斯托单元两侧的氧含量不同而产生一个电动势。一般的氧化锆传感器将此电压作为控制单元的输入信号来控制混合比，而宽频型氧传感器与此不同，发动机控制单元要把能斯托单元两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V，这个电压只是电脑的参考标准值，它就需要传感器的另一部分来完成。

宽带型氧传感器的另一部分是传感器的关键部件——单元泵（泵氧元），泵氧元一边是排气，另一边与测量室相连。泵氧元就是利用氧化锆传感器的反作用原理，将电压施加于氧化锆组件（泵氧元）上，这样会造成氧离子的移动。把排气中的氧泵入测量室当中，使能斯托单元两侧的电压值维持在0.45V。这个施加在泵氧元上变化的电压，才是我们要的氧含量信号。如果混合气太浓，那么排气中含氧量下降，此时从扩散孔溢出的氧较多，能斯托单元的电压升高。为达到平衡发动机控制单元，增加控制电流使泵氧元增加泵氧效率，使测量室的氧含量增加，这样可以调节能斯托单元两侧的电压恢复到0.45V；相反混合气太稀，则排气中的含氧量增加，这时氧要从扩散孔进入测量室，能斯托单元两侧电压降低，此时泵氧元向外排出氧来平衡测量室中的含氧量，使能斯托单元两侧的电压维持在0.45V。总而言之，加在泵氧元上的电压可以保证当测量室内的氧多时，排出腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔内的氧少时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。以上过程供给泵氧元的电流就反映了排气中的剩余空气含量系数。

图2-92　宽频氧传感器工作原理

3.空燃比反馈控制

为了满足越来越严格的排放法规要求，最有效地利用三元催化转化器对废气的催化净化效能，现代电控汽油发动机在绝大部分运行工况对空燃比都实行闭环控制。空燃比反馈控制系统的构成原理如图2-93所示。在空燃比反馈控制过程中，空燃比、氧传感器输出的电压信号和空燃比反馈控制信号三者之间的变化关系如图2-94所示。假定开始时混合气的实际空燃比略小于14.7，此时氧传感器的输出高电平信号，ECU根据氧传感器的高电平信号，对基本喷油持续时间进行减量修正，实际喷油持续时间缩短，喷油量减少，修正过程按先快后缓方式进行，如图2-93所示。由于喷油量持续减少，混合气逐渐变稀，当混合气的实际空燃比略大于14.7时，氧传感器输出信号从高电平阶跃到低电平，ECU根据氧传感器的低电平信号，对基本喷油持续时间进行增量修正，修正过程仍按先快后缓方式进行。由于喷油量持续增加，混合气又逐渐由稀变浓，一旦空燃比大于14.7，氧传感器的输出信号将从低电平阶跃到高电平，然后ECU将根据氧传感器输入的高电平信号，重复前面的由浓到稀的修正过程……如此反复循环，最终使混合气的实际空燃比始终稳定在理论空燃比附近。从整个修正过程上看，当实际混合气偏浓时，由于空燃比偏浓的时间比空燃比偏稀的时间长，故氧传感器输出高电位时间也相对较长，从而使实际空燃比向变稀方向变化，反之则向变浓方向变化。

图2-93　氧传感器反馈控制系统工作原理

A-氧传感器反馈；B-转速；C-空气流量；D-冷却液温度；E-喷油量控制1-空气流量计；2-汽油发动机；3-三元催化转化器；4-氧传感器；5-喷油器

图2-94　空燃比反馈控制过程

当电控系统对混合气空燃比实行反馈控制时，实际混合气的浓度基本上在理论空燃比附近变动，但理论空燃比对汽油发动机有些工况并不适宜。如汽油发动机的起动工况、暖机工况等。为了满足汽油发动机起动或暖机等工况对混合气浓度的要求，此时电控系统对空燃比实行开环控制，向汽油发动机提供偏浓的混合气。又如汽油发动机在动力加浓工况或高转速工况时，需要较浓的混合气，此时电控系统也将实行开环控制。电控系统对空燃比实行开环控制的工况有：汽油发动机起动工况、冷起动后及暖机工况的前期，动力加浓工况、加速工况等。另外，如果由于汽油发动机原因或氧传感器的原因，造成氧传感器的输出电压持续处于低电平（如持续时间超过10s以上），或者氧传感器的输出电压持续处于高电平（如持续时间超过4s以上），ECU将自动停止空燃比反馈控制，汽油发动机将在空燃比开环控制状态运行。当氧传感器的温度小于300℃时，氧传感器不能正常工作，此时电控系统也将实行开环控制。