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一、绪论：

发动机怠速工况是指发动机在对外无功率输出的情况下以最低转速稳定运转的工况。城市内运行的车辆，怠速运转时间约占三分之一，约有30％ 的燃油消耗，所以怠速工况是发动机的主要工况之一。同时怠速也是发动机排放污染最严重的工况之一。在汽车工况法排放测试中，怠速排放的CO和HC量通常占总排放量的70％左右。怠速转速过高，CO和HC排放下降，燃料消耗增加，造成不必要的浪费。而怠速转速过低则使废气对缸内混合气的稀释作用明显增强，若负荷或阻力稍有变化将导致发动机运转不稳甚至熄火。

影响发动机怠速性能的因素主要有两个方面。一个是控制进入汽缸的混和气流量。因为混合气流量直接影响混合气在燃烧室内燃烧的速度，压力和温度，从而对发动机的动力性，燃料经济性和排气污染物的成分有着很大的影响。另一方面是对汽缸可燃混合气进行点火的时刻，不同的点火时刻同样能够对汽缸内燃烧的过程产生很大的影响，从而影响发动机的动力性能。因此，我们需要的发动机怠速控制系统既要满足日益严格的排放法规的要求，又要尽可能的降低怠速转速并保持怠速转速的稳定性。

二、国内外研究现状及发展趋势：

2.1实际应用：

　　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，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。1979 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。

2.2理论研究：

怠速控制问题由于其目标明确，在不确定性干扰的情况下，保证发动机转速对参考转速的好的稳态性能和动态性能，可以说是一个很典型的闭环反馈控制问题。可以将发动机怠速控制问题作为一个基准的控制问题来进行研究，并且还用来评估各种先进控制算法。怠速控制的算法方面，比较典型的是已经一个比较核心的研究点。对发动机怠速控制进行理论研究是在 Bosch 公司研制出第一个发动机电子控制喷油系统之后大规模开始的。最早对怠速控制系统的建模进行研究是 1979 年的 Powell, 1980 年的Dobner, 1981 年的Powell和Powers, 1983 年的Coats和Fruechte。比较典型的做法是首先对发动机燃烧(平均) 扭矩动力学进行非线性描叙。这个模型的建立是综合了发动机空气流量质量，发动机转速，节气阀和空气旁通阀开度，进气歧管压力，空燃比和点火提前角等物理量之间的基本原理，物理学定律，传感技术，基于经验的辨识技术等基础上建立的。比较典型的是 1995 年Butts提出的非线性发动机扭矩产生模型。比较全面的分析了各种可能的非线性因素，包括扭矩产生对空气流量和燃油量变化产生的延迟等。但是这个模型没有考虑EGR(废气再循环)的动力学效应，因为当时EGR还没有用在怠速控制上。同时他忽略了燃粘油效应，同时还假定了节气阀在声速流范围内运转(通常是在低负载情况下)，流速与阀门处的压降没有考虑。控制算法方面，在电控汽车发动机工作在怠速工况下，存在两个控制变量：点火提前角和怠速阀占空比(控制进气量)。就控制算法而言，经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理论在汽车发动机怠速控制领域中都有应用，最典型的是变参数 PID 控制方式、模糊控制、预测控制和神经网络控制方式。

2.3存在问题：

随着汽车电子控制技术的不断普及，目前国内外主要汽车厂商越来越多的将发动机管理系统引入汽车中。对于控制算法，普遍利用已经测试好的 MAP 图，存储在 ECU 内，供每次数据的调用，以及在实车实验中反复调试，得出经验 PID 参数进行复合控制。但是，就国内而言，关于发动机电子控制的技术还没有能够完全掌握，主要是通过生产合作的方式与国外汽车厂商进行合作。但是发动机电子控制的核心技术外商厂家完全保密。我们的汽车产业只有加大自身的研发及与科研院所的合作力度，积极开发具有自主知识产权的技术，才是根本的出路。很少有对发动机怠速系统进行系统建模的文章发表。表明发动机怠速控制方面的研究还相对薄弱一些。

三、系统结构及原理：

3.1结构：

怠速控制系统由各种传感器、信号控制开关、电子控制单元(ECU)、怠速控制阀和节气门旁通空气道等组成。如图1所示

图1 怠速控制系统结构

车速传感器提供车速信号，节气门位置传感器提供怠速触点开闭信号，这两个信号用来判定发动机是否处于怠速状态。发动机怠速时，节气门关闭，节气门位置传感器的怠速触点(IDL)闭合，传感器输出端子 IDL 输出低电平信号。因此，当 IDL 端子输出低电平信号时，如果车速为零，就说明发动机处于怠速状态；如车速不为零，则说明发动机处于减速状态。

冷却液温度信号用于修正怠速转速。在 ECU 内部，存储有不同水温对应的最佳怠速转速，在冷车起动后的暖机过程中，ECU 根据发动机温度信号，通过控制怠速控制阀的开度来控制相应的快怠速转速，并随发动机温度升高逐渐降低怠速转速。当冷却液温度达到正常工作温度时，怠速转速恢复正常怠速转速。

空调开关、动力转向开关、空档起动开关信号和电源电压信号等，向 ECU 提供发动机负荷变化的状态信息。在 ECU 内部，存储有不同负荷状况下对应的最佳怠速转速。

怠速时的旁通空气道有两条，一条由怠速调整螺钉调节，另一条由怠速控制阀调节。各型汽车采用的怠速控制阀各有不同。下面是几种怠速控制阀：

3.1.1节气门直动式怠速控制执行器

一种安装于单点喷射式发动机节气门体上的节气门直动式怠速控制执行器如图2所示。

由两部分组成：

（1）直流电动机。怠速控制执行器的动力部分，由ECU通过驱动电路控制其转动。

（2）传动机构。起增矩减速的作用，并将电动的旋转运动变为节气门操纵臂限位片的直线运动。

当ECU输出怠速调整控制信号时，通过驱动电路使电动机通电，并转动与控制信号脉冲相应的转角，经传动机构的传动后，使节气门操纵臂限位片移动，从而改变了怠速时节气门的开度。

图2 节气门直动式怠速控制执行器

1——节气门操纵臂  2——节气门体  3——怠速控制执行器  

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——电动机  10、11、13——减速齿轮  12——传动轴 

 14——丝杆

3.1.2步进电动机式怠速控制阀

(1) 结构：步进电动机式怠速控制阀主要由步进电动机、丝杆机构和空气阀等组成(图3)。步进电动机的转子与丝杆组成丝杆机构，当步进电动机转子在怠速控制信号的控制下转动时，丝杆作直线移动，通过阀杆带动空气阀上、下移动，使空气阀开启或关闭。

(2) 电路原理

步进电动机式怠速控制阀的典型控制电路如图4所示。当需要调整怠速时，怠速控制系统通过ECU内部的步进电动机驱动电路使步进电动机的4个绕组依次通电，使步进电动机转动，将空气阀调移动至适当的位置。主继电器控制电路的作用是当点火开关关断时，使ECU继续通电2s，以便使ECU完成起动初始位置的设定。在点火开关断开后的这2s时间里，步进电动机在ECU的控制下转动，使空气阀开启至最大，为下次起动作好准备。

图3 步进电动机式怠速控制阀

1——空气阀阀座  2——阀杆  3——定子绕组  4——轴承

5——丝杆  6——转子  7——空气阀阀体

图4  步进电动机式怠速控制阀的控制电路

3.1.3电磁阀式怠速控制阀，此类怠速控制阀分为三种：

（1）直动电磁阀式怠速控制阀

直动电磁阀式怠速控制阀的电磁线圈通电后产生的电磁力吸引阀杆克服弹簧力作轴向移动，直至电磁力与弹簧力相平衡。这种怠速控制阀的开度通常是由ECU通过控制电磁阀线圈的电流实现。电磁阀电流消失，阀在弹簧力的作用下回位(关闭)。

（2）转动电磁阀式怠速控制阀

转动电磁阀式怠速控制阀有两种形式，一种是转子为永久磁铁，电磁线圈在定子上；另一种是定子为永久磁铁，电磁线圈绕在转子中。转动电磁阀式怠速控制阀的控制电路里，ECU中微机输出的怠速控制占空比信号经驱动电路后，输出同频反相的电磁阀控制脉冲ISC1、ISC2。转子的两个绕组中，其中一个通电使阀打开，另一个通电使阀关闭。当需要调整怠速时，微机通过改变控制信号的占空比，使两个绕组的通电时间发生变化，从而使阀的开启程度发生改变。

（3）开关电磁阀式怠速控制阀

开关电磁阀式怠速控制阀只有开和关两种状态，即电磁线圈通电时，阀被打开，电磁线圈断电时，阀就关闭。

3.2控制原理：

3.2.1在怠速稳定控制状态下：

发动机怠速稳定控制实际上是一种转速反馈控制。在微机存储器中，存储有发动机在不同状态下的最佳稳定怠速参数。当发动机处于怠速工况时，怠速控制系统不断地监测发动机的转速，并与当前发动机状态下的目标转速进行比较，当发动机怠速出现波动，偏离了设定的目标转速时，ECU输出控制脉冲使怠速控制执行器动作，将发动机的怠速调节在设定的目标转速范围之内。

怠速稳定控制所需的传感器信号有以下几种：

1、发动机转速传感器，提供发动机在怠速工况下的发动机转速信号。

2、节气门位置传感器，提供节气门关闭信号，是ECU判断发动机是否处于怠速工况的基本信号。

3、发动机冷却液温传感器，提供发动机温度信号，ECU根据此信号选定目标转速。

4、车速传感器，提供汽车行驶速度信号，当车速低于2km／h，且节气门关闭时，ECU作出“发动机处于怠速工况”的判断，进入怠速控制程序。

5、空调开关，提供空调关断信号，只有在空调不使用时，ECU才进入发动机转速反馈式怠速稳定控制。

3.2.2在高怠速运行控制状态下：

1、发动机负荷高怠速控制

在节气门处于关闭位置(发动机在怠速工况)，但需要发动机带动一定的负荷以较高的转速下运转时，ECU输出控制信号，使怠速控制执行器动作，将发动机的怠速调高至某一值。比如，在使用汽车空调、蓄电池亏电等情况下，怠速控制系统通过高怠速运行控制，使发动机在一个较高的怠速下运行，以保证在发动机怠速工况下的空调系统正常工作和及时向蓄电池补充电能。

2、转速变化预见性高怠速控制

在发动机怠速工况时，为避免发动机驱动的附加装置的阻力矩突然增大而导致发动机怠速下降甚至熄火，ECU在接收到附加装置阻力矩增大的有关电信号时，就输出控制信号，通过怠速控制执行器预先调大怠速进气量。 

怠速控制系统高怠速运转控制除了利用发动机转速传感器、节气门位置传感器、车速传感器、发动机冷却液温度传感器等得到发动机转速、怠速工况及发动机温度信息外，还用到如下的开关信号。

(1)空调开关，提供汽车空调是否使用信息。若开关接通，ECU将作出高怠速运转控制，以使发动机有适当的功率输出，带动空调压缩机正常运转。

(2)蓄电池电压，提供蓄电池是否亏电或蓄电池负荷是否很高的信息。若亏电或负荷很高，ECU将作出高怠速运转控制，以便在怠速工况下使发电机能向蓄电池充电。

(3)自动变速器档位开关，提供自动变速器是否从N档或P档挂上运行档位(D档或R档、3位、2位)信息。若挂入相应档位，ECU将作出高怠速运转控制，以避免自动变速器油泵因挂上运行档后阻力增大而引起发动机转速下降。

(4)尾灯继电器或后窗降雾继电器等，向怠速控制系统提供电器负荷增大信号，ECU根据这些用电设备继电器接通信号作出电器负荷增大判断，并进行高怠速控制，以避免发电机负荷增大而引起发动机转速下降。

3.2.3、在其它怠速控制状态下:

1、起动时怠速控制阀的控制在发动机起动时，ECU控制怠速控制阀至开度最大位置，以使发动机起动容易。起动后，ECU根据发动机转速及温度信号，逐渐减少怠速控制阀的开度。起动时怠速控制阀控制所用到的传感器及开关信号有以下两个。

(1)发动机转速传感器，提供发动机怠速工况下的转速信号。

(2)点火开关，提供发动机起动信号和起动后信号。

2、活性炭罐电磁阀工作时怠速控制阀的控制：

在一些汽车上，怠速控制系统还根据活性炭罐控制阀的开启情况来调整怠速通道的通气量，以避免发动机怠速产生波动。除用于怠速工况判别的节气门位置传感器外，该稳定怠速控制所用到的传感器信号有以下两个。

(1)发动机转速传感器，提供发动机怠速工况下的发动机转速信号。

(2)活性炭罐电磁阀，提供活性炭罐电磁阀开启信号，当活性炭罐电磁阀通电时，ECU控制怠速控制阀的开度以稳定怠速。

3、怠速偏离修正控制：怠速偏离修正控制即怠速控制系统的学习修正控制。当因发动机部件老化等外部原因使发动机的怠速偏离原设定值时，ECU控制怠速控制阀预置一个开度，将发动机的怠速修正到设定的值。

3.3怠速控制策略：

发动机控制策略即是针对发动机各个运行工况以及发动机自身的工作特点和性能制定的一套控制思想，并通过各个执行机构实现对发动机有效和优化的控制，使发动机的各项性能指标达到最佳的效果。随着发动机电子化的不断提高，发动机控制策略的好坏自接影响着发动机的工作性能，和使用寿命。好的控制策略能够更好的优化发动机的工作过程，从而使发动机在更好的状态下运行，使发动机的排放、经济性、动力性达到最佳的优化匹配，所以对发动机进行控制策略的研究是十分有必要的。

控制策略(Control Strategy)：指 ECU 用来使电控系统根据不同工况按预定的方式控制发动机运行的计划，由一整套程序构成，存与 ROM 中。程序主要包括：接收并处理输入信号，选择运行模式，选择执行路径、输出控制量。

控制策略含以下功能：

1. 接收输入信号并处理信号；

2. 根据输入信号决定发动机当前的运行模式；

3. 调用运算程序或转向相应的脉谱，得到待控制量(如喷油脉宽、点火时刻等)的基本量；

4. 根据其他输入信号给出各种校正量；

5. 输出喷油脉宽和点火控制信号；

6. 对应不同工况，采用不同控制手段，监测氧传感器信号并调节喷油脉宽即点火提前角等，执行自学习策略；

7. 根据需要，转向失效策略，执行各种中断、执行故障诊断等其他策略。

四、系统分类及特点分析

4.1按进气量的调节方式分类：

1、节气门直动式：电子控制器通过控制执行机构直接操纵节气门，以节气门开度的改变来实现怠速的控制（如图5所示）。工作可靠性好，控制位置的稳定性也良好。但动态响应性较差，执行机构较为复杂且体积较大。

图5  气门直动式

1-节气门  2-节气门操纵臂  3-怠速控制执行器  4-加速踏板拉杆

2、旁通空气式：电子控制器通过怠速控制阀改变怠速辅助空气通道的空气流量来实现怠速的控制(如图6所示)。这种控制方式动态响应好，结构简单且尺寸较小，目前较为常见。 

图6  旁通空气式

1-节气门  3-怠速控制执行器

4.2按怠速控制阀的结构原理分类：

1、步进电机式。以步进电动机为动力，电子控制器通过控制步进电动机的转动来驱动空气阀的开启和关闭。

2、开度电磁阀式。以电磁阀通电产生的电磁力来驱动空气阀的开度。根据空气阀的运动方式不同，开关电磁阀又可分为直动式和转动式两种。

3、开关电磁阀式。电磁阀部分与开度电磁阀并无大的差别，主要的不同点是其工作方式。开关式电磁阀只有打开和关闭两种状态，工作时阀以一定的频率开闭，通过阀的开闭比来控制怠速空气流量。

4.3按空气阀的控制方式分类：

1、直接控制式。由电磁阀或步进电动机直接驱动空气阀。实现怠速空气量的控制。

2、间接控制式。通常是由电磁阀控制膜片式辅助空气阀的气压，再由空气阀的动作来改变怠速空气通道的截面积。间接控制的怠速控制阀结构比较复杂，目前使用相对较少。

五、系统应用实例：

三菱4G6系列发动机怠速控制系统

该系统的结构见图7在怠速工况下， 来自空气滤清器的空气主要通过图4中标注的4个通道进入进气歧管。

图7  三菱4G6 系列发动机怠速控制系统结构图

5．1 通道①——节气门与节气门体之间的进气通道

三菱4G6系列发动机的节气门在怠速时略微开启，部分空气通过节气门与节气门体之间缝隙即通道① 进入稳压箱。通道① 的大小由位于节气门体侧面的一个怠速调整螺钉SAS1 (Speed AdjustmentScrew NO．1)决定。SASI通过螺纹安装在节气门体的侧面的一个凸台上， 其前端顶在节气门杆侧面的凸轮上。SAS1的旋出量不仅决定着通道① 的大小． 而且决定着节气门位置传感器和怠速开关的工作原点。因此在节气门体出厂前，生产厂已将其调整到合适的位置，并在锁止螺母上用色漆标记，提示该螺钉不允许调整。若因各种原因改变了SAS1在节气门体上的初始安装状态，应按规定的程序对其进行调整。

5．2 通道②——发动机基本怠速调整用进气通道

通道② 就是调整发动机怠速时所调整的通道。它位于节气门体内部，其进气口在节气门之前与空气滤清器相通， 出口则在节气门之后与稳压箱相连。怠速调整螺钉SAS2 (Speed Adjustment ScrewNo．2) 的头部为锥体， 其前端是通道② 的节流孔。拧入或旋出SAS2能够改变节流孔的有效流通面积，进而可以改变怠速时发动机的进气量及怠速转速。SAS2在出厂前已经由发动机生产厂家按规定的程序进行了调整， 在整车装配调试或修理过程中一般不需要再调整。若运行中出现怠速不稳现象， 需要进行调整时， 应按检修手册规定的程序进行。

5．3 通道③——快怠速用进气补偿通道

通道③ 的作用是在发动机温度较低时提供额外的空气，使发动机以较高的转速运行。当发动机水温升高后， 通道③ 自动关闭， 使发动机回到正常的怠速状态。如图1所示通道③ 与通道② 一样， 也是通过调整锥形块与节流孔之间的相对位置来调整通过该通道的进气量， 但这一过程由快怠速调整阀FIAV (Fast Idle Adiustment Valve) 自动实现。

FIAV为一温度感应式流量控制阀， 该阀的阀体与活塞之间充满着石蜡。发动机冷车运行时，石蜡处于收缩状态， 活塞顶杆随之收缩，通道③ 的截面积最大。此时旁通的进气最大，发动机处于快怠速状态(1 500 r／min～2 000 r／min)。随冷却水温度逐渐升高， 石蜡膨胀将活塞顶杆推出，通道③ 截面积减小导致进气量减少，怠速转速慢慢下降； 当水温超过55 c(=时活塞将通道③ 完全关闭， 此时发动机回到正常的热怠速状态(750 r／min)。

5．4 通道④ — — 怠速伺服控制通道

通道④ 的作用是调整怠速时发动机进气量使发动机以稳定的转速运行。这是一个带反馈的全自动控制过程，ECU 根据采集到的各种信号进行综合运算，然后通过控制步进电动机决定螺纹顶杆的位置， 从而实现对进气量和怠速转速的控制。通道④在4个通道中的有效流通面积最大， 控制范围可以从截止到全开， 控制的精度和速度极高。因此可以说怠速伺服控制系统ISC (Idle Serve Contro1)是整个怠速控制的灵魂。

图8表示了怠速时发动机冷却水温度变化时．各进气通道的进气量的变化趋势。通道① 进气量由SAS1决定，与温度无关； 通道② 进气量由SAS2决定，与温度无关； 通道③ 进气量由FIAV 决定． 随水温升高而减少； 通道④ 进气量由ECU 决定， 随水温升高而减少。同时与发动机转速有关。需要注意的是：调整基本怠速转速时， 必须消除温度及转速对通道① 、③ 、④ 的影响。

图8  怠速时各进气通道进气量与发动机冷却水温度的关系

从图8得知， 当对发动机的基本怠速转速进行调整时(即调怠速)， 必须先使进气通道① 、③ 、④ 的进气量保持为定值， 这样才能保证调整后基本怠速的正确性。

这3个通道可分别通过下述方法使其保持恒定的进气量。通道① ： 节气门自由关闭， 保持在由SAS1螺钉设定的位置(要求充分放松节气门拉线)；通道③ ：FIAV 阀全关(要求冷却水温度高于80 c(=)；通道④ ：螺纹顶杆位于指定位置(要求点火正时调整端及故障诊断端1脚搭铁)。

六、结论

汽车是当今社会生活中一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。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。

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，而不是对外作功。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。

参考文献

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