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1、发动机怠速控制研究的意义现状及应用1 发动机怠速概述12 研究怠速控制的意义23 发动机怠速控制的现状33.1 怠速控制执行机构31）节气门直动式32）旁通空气式43.2 怠速控制模式41）启动控制42）暖机控制43）正常怠速控制44）其他怠速控制方式54 怠速控制实际生产应用情况51 发动机怠速概述发动机怠速工况是指发动机运行中，节气门开度最小，汽车处于空挡，发动机只带附件而维持最低转速的稳定工况。怠速性能的好坏是评价发动机性能优越与否的重要指标，怠速性能差将导致耗油量增加，排污严重。现在轿车中一般都设有怠速控制系统，由接收控制单元(ECU)控制并维持发动机怠速在某一稳定转速范围内。因此，怠
2、速控制通常是指怠速转速控制，其实质就是对怠速工况时的进气量进行调节(同时配合喷油量级点火提前角的控制)。目前，除了怠速转速的稳定性控制之外，怠速控制还可以实现启动控制、暖机控制以及负荷变化控制等功能，这样多种功能的集中，不仅简化了机构，而且也提高了怠速控制的精确性。怠速工况是发动机在对外不做功的情况下，以最低稳定的转速运行的状态。此时发动机与传动系完全脱离，其目的就是维持发动机的在较低的转速下连续，平稳运转和提供其他各辅助装置的工作动力，比如空调、动力转向装置等突然开启或关闭时，使发动机转速稳定运行在某一速度范围。怠速工况是发动机工作的重要工况之一。2 研究怠速控制的意义汽车是当今社会生活中一
3、种不可缺少的交通运输工具，人们对它的依赖性越来越强，汽车产业间的竞争也越来越激烈。为了满足日益增高的消费需求，汽车研究、设计和制造者们付出了无数的心血和智慧，使汽车商们纷纷推出了各式各样的新车型。汽车尾气排放中的未燃烧充分产生的HC、氮氧化合物NO及在大气中通过光化学烟雾反应所生成的臭氧、过氧酞基硝酸盐等对人体会造成极大危害，已成为威胁人类健康的“无形杀手”，控制汽车排放己成为世界各国环境保护的一个重要任务。我国汽车排放有两大特征：单车排放量大，排放物中的有害物质比例高。中国轿车与美国1992年产的轿车相比CO和CH的排放量分别高出14.6倍和11.8倍，污染密度高出约3-10倍。近年来我国道
4、路机动车辆平均年增长率达15%，而且有持续增长的态势，这必将造成越来越严重的尾气污染。落后的发动机控制设备是罪魁祸首。怠速控制的低效性更是造成如此严重污染的主要原因。由于怠速工况具有的特殊的性质，即只是维持发动机自身的运转和辅助装置的能量提供，因此，为了尽量的的降低燃油消耗，要求尽量降低发动机转速。在一个基于燃油经济性的常量容积实验中测得，在怠速工况下，发动机转速每降低100rpm，相当于每加仑油多走一英里。但是，如果发动机转速在最低状态下运行，即燃油消耗较低，发动机有最佳的工作效率(燃料利用率)。此时会有另外一个问题：一个很小的扭矩干扰就可能导致发动机转速的很大的偏离甚至熄火，并且会造成车辆
5、振动噪声影响乘坐舒适性。因为发动机转速在最低状态下运行时的储能太少导致的。所以通常为了使控制器有较好的抗干扰能力，发动机怠速时常常工作在偏高于最低转速的状态下运行。因此，如何标定发动机的最优怠速转速(控制器参考怠速转速)是一个非常关键的技术。但是目前为止几乎看不到相关标定技术的出版物。如何对发动机怠速进行控制，以达到这样一个平衡，也就是一方面尽量使发动机有较强的抗干扰能力，运行比较稳定；另一方面，尽可能有较低的燃油消耗。发动机怠速时还需要解决的一个问题是发动机从其它工况过渡到怠速或者从怠速过渡到其它工况时的平稳性和噪声，振动和抖动。因为汽车的运行工况十分复杂，且变化频繁，若在交通拥挤、车辆众多
6、的城市中行驶时，汽车经常处于怠速工况，约有相当部分的燃油消耗于此。因此对发动机的怠速加以有效控制，对提高发动机经济性能指标有很大的影响。在发动机的动力完全不用于驱动汽车的场合，怠速的任务只是使发动机不熄火，而不是对外做功。怠速消耗的燃油完全用于克服摩擦力，为了减少摩擦功以节省燃油，怠速转速越低越好。但若怠速转速越低，废气的稀释作用越明显，必须供给较浓的混合气，其结果则是燃烧不完全，HC和CO有害排放物增加。这也是怠速控制的一个重要意义，即排放平衡。综上所述，对怠速进行有效的控制对于提高汽车的燃油经济性，提高汽车的乘坐舒适性和降低排放，有很大的意义。3 发动机怠速控制的现状汽车发动机控制的发展与
7、电子技术的发展是分不开的。在安全，环保和节约能源问题的不断催促下，汽车电子控制技术在发动机控制中的应用是必然的趋势。电子控制技术克服了传统机械装置的先天不足，在燃油喷射控制，点火控制，节气阀控制，(空燃比)控制，爆燃控制和怠速控制等控制中得到了很好的应用，有效地提高了燃料的燃烧效率，改善了发动机的性能。正是微计算机控制技术的应用，才摆脱了经典控制理论的约束，使得现代控制理论中的最优控制，鲁棒控制，模糊控制和其他控制算法以及智能控制理论得以在发动机控制中应用。采用电子控制燃油喷射系统后，由于微型计算机的使用，使得对发动机的运行过程中不同条件下的怠速控制成为现实。由ECU控制的各种怠速控制机构被广
8、泛的应用在电喷系统中。3.1 怠速控制执行机构就目前使用的怠速控制机构来说一般分为两大类：一类是直接通过对节气门最小开度的调整来控制怠速转速的，称为节气门直动控制式。另一类是通过控制空气旁通道截流面积的大小来实现的，称为旁通空气控制式。1）节气门直动式节气门直动式怠速控制装置是通过控制节气门开启程度，调节空气流通的面积，达到控制进气量、实现怠速控制的(见图1)，目前常用在单点喷射系统中。由图可见，怠速执行机构由直节气门直动式怠速控制装置是通过控制节气门开启程度，调节空气流通面积，达到控制进流电机、减速齿轮、丝杆等组成。怠速执行机构的传动轴与节气门操纵臂是全闭限制器相接触。当发动机ECU控制直流
9、电动机通电时，直流电动机产生旋转转矩，通过减速齿轮，旋转转矩被增大。然后又通过丝杆变角位移为传动轴的直线运动，通过传动轴的旋入与旋出，调节节气门全闭限制位置，达到调节节气门处空气通道面积，进而实现怠速转速的控制。图1 节气门直动式执行机构1-节气门操纵臂；2-执行机构；3-节气门体；4-喷油器；5-压力调节器；6-节气门；7-防转动六角孔；8-弹簧；9-直流电动机；10-减速齿轮1；11-减速齿轮2；12-传动轴；13-减速齿轮3；14-进给9丝杆这种节气门直动式怠速控制机构，具有较强的工作能力，控制位置稳定性好。但由于节气门直动式工作时，为了克服节气门关闭方向回位弹簧的作用力，使用了减速机构
10、，使移位速度下降，造成响应性不太好，同时怠速执行机构的外形尺寸较大，目前使用较少。2）旁通空气式在多点汽油喷射系统中多采用控制旁通空气通道的执行机构，旁通空气式主要有步进电动机式、占空比控制型、旋转电磁阀式和开关控制型。3.2 怠速控制模式1）启动控制发动机在启动时，由于节气门关闭，空气进入量小，为了容易启动，通常把旁通空气阀开到最大。但发动机启动后，如果阀的开度仍保持最大，转速会升的很高。所以采用ECU控制时，检测冷却液温度与转速信号，一旦冷却液温度超过一定值或者转速过高，ECU则以一定的转速减小阀的开度。2）暖机控制发动机启动后，首先检测冷却液的温度。当冷却液温度过低时，执行暖机控制。使怠
11、速空气阀开启量增加，是怠速转速提高，使暖机迅速，并随着冷却液温度的上升，怠速孔启发开度逐渐变小。3）正常怠速控制在发动机暖机后，多采用闭环控制，以发动机转速作为反馈量，根据转速的增减来相应地改变怠速控制阀的开度。4）其他怠速控制方式在电控发动机的汽车上，空档开关及空调开关多与ECU相连，由于他们的开关能使发动机负荷变化，所以，应根据它们的开关，相应地增减怠速阀的空气控制量。4 怠速控制实际生产应用情况发动机怠速控制是汽车发动机电子控制的一个重要的内容，怠速性能的好坏不仅直接关系到发动机的性能，而且对汽车的驾驶性能有着极为重要的影响。怠速控制技术的发展与发动机控制方式是密不可分的。传统化油器式汽
12、油发动机怠速工作时，节气门位置处于关闭状态，怠速工作的空气量是通过节气门缝隙及空气旁通道进入发动机的。怠速的调整只能是在停车状态下，由维修人员根据经验进行调整。而在实际使用中，运行条件的变化将使怠速转速远远偏离原来的值。20世纪60年代后由于环保和节能需求，限制排放标准越来越严格。国外许多汽车厂商把主要的注意力放在发动机电子控制上，以汽油喷射和电子点火为主要研究方向的研究成果不断出现。1967年德国Bosch公司研制的D-型电子控制的汽油喷射系统是最先得以应用在发动机电子控制中，该系统通过电子系统可以实现对空燃比的精确控制，同时，燃油喷射带来的优良雾化品质，也是以前化油器式发动机无法比拟的。1
13、979年Bosch 公司研制出Motronic系统，实现了对点火控制和汽油喷射控制的一体化。从Bosch公司的汽油喷射系统中受到启发，美国和日本的汽车制造商们也开始加紧研制各自的发动机电子控制系统，1980年，美国GM汽车公司研制出TBI系统。目前国外主要汽车厂商进行发动机怠速控制的通常做法是将事先测得的发动机性能数据MAP图以数据的方式存储在ECU里。发动机进入怠速工况后，根据传感器测得的物理信号，包括发动机转速，空气流量，进气温度等数值，从MAP图中找到相应的喷油量和点火提前角等数据，然后调用一定的控制算法来进行补偿，最后由执行器进行响应的操作。国内也有一些院校企业开始了发动机控制的研究，取得了一定的进展，但由于发动机电子控制的复杂性，目前为止，还没有相关的实际成果公布。