怠速控制阀的结构原理与检修

学习目标

1. 正确描述怠速控制阀的作用、 结构及工作原理。

2. 正确使用检测仪器， 对怠速控制阀进行检修。

3. 注意培养环保、 安全意识及团队协合能力。

任务引入

一辆丰田轿车， 打开仪表盘点火开关至启动挡， 启动后起动机持续声响， 发动机怠速运转不稳， 忽高忽低， 起步有游车感， 故障灯亮。

此故障现象说明汽车发动机怠速故障现象明显， 一般都是由进气供给系统部件异常造成， 考虑到怠速控制系统部件对怠速的影响， 故先考虑怠速控制系统部件。 因故障灯亮，这类故障大多为怠速控制阀故障， 所以我们先学习怠速控制阀的相关知识。

相关知识

一、 怠速控制阀的作用

当发动机怠速运转时， 由于空调压缩机、 动力转向助力泵、 发电机等负载的变化会引起怠速转速发生波动， 因此需要对发动机怠速转速进行调整。 怠速控制阀ISCV的功用就是通过调节发动机怠速时的进气量来调节怠速转速。

二、 怠速控制阀的分类和结构原理

发动机怠速时进气量的控制方式有节气门直接控制式和节气门旁通空气道控制式两种，前者是直接操纵节气门来调节进气量， 简称节气门直动式； 后者是通过控制节气门旁通空气道的开度来调节进气量， 简称旁通空气式， 控制原理如图1-47所示。 桑塔纳2000GLi、别克世纪型轿车和切诺基吉普车采用旁通空气式， 桑塔纳2000GSi、 桑塔纳3000型、 捷达AT、 捷达GTX型轿车采用节气门直动式。

怠速控制阀安装在发动机节气门体上或节气门体附近。 燃油喷射系统采用的怠速控制阀分为步进电机式、 脉冲电磁阀式和真空阀式三种。 目前燃油喷射系统大多采用步进电机式或脉冲电磁阀式， 真空阀式仅20世纪80年代生产的丰田、 日产轿车使用。 国产桑塔纳GLi和桑塔纳2000GLi、 奥迪100和奥迪200轿车以及美国别克世纪型轿车采用了脉冲电磁阀式怠速控制阀， 桑塔纳2000GSi、 桑塔纳3000型、 捷达AT、 捷达GTX型轿车、 切诺基吉普车等采用了步进电机式怠速控制阀。

图1-47 怠速空气量的控制方式

(a) 节气门直动式； (b) 旁通空气式1—节气门；2—节气门操纵臂；3—怠速控制阀

1. 永磁转子步进电机式怠速控制阀

步进电机是一种由脉冲信号控制其转动方向和转动角度的电动机。 利用同性相斥、 异性相吸的原理即可使转子步进旋转。

(1) 永磁转子步进电机式怠速控制阀的结构

永磁转子步进电机式怠速控制阀由步进电机、 螺旋机构、 阀芯、 阀座等组成， 如图1-48所示。

图1-48 永磁转子步进电机式怠速控制阀的结构

1—空气流量传感器；2—节气门；3—怠速控制阀；4—旁通空气道；5—阀芯；6—阀座；7—螺杆；8—定子绕组；9—永磁转子；10—线束插座；11—电子控制器；12—传感器信号

永磁转子步进电机的结构与其他电动机一样， 由永磁转子、 定子绕组等组成。 其功用是产生驱动力矩。 螺旋机构的作用是将步进电机的旋转运动变换为往复运动， 由螺杆 (又称为丝杠) 和螺母组成。 螺母与步进电机的转子制成一体， 螺杆的一端制有螺纹， 另一端固定有阀芯， 螺杆与阀体之间由滑动花键连接， 只能沿轴做直线移动， 不能做旋转运动。

当步进电机的转子转动时， 螺母将带动螺杆做轴向移动。 转子转动一圈， 螺杆移动一个螺距。 因为阀芯与螺杆固定连接， 所以螺杆将带动阀芯开大或关小阀门开度。 ECU通过控制步进电机的转动方向和转动角度来控制螺杆的移动方向与移动距离， 从而达到控制怠速阀开度、 调整怠速转速的目的。

(2) 永磁转子式步进电机的基本结构与步进原理

永磁转子式步进电机的转子是一个具有N极和S极的永久磁铁， 定子有两相独立的绕组，如图1-49(a) 所示。当从B1到B向绕组输入一个电脉冲信号时，绕组产生一个磁场，磁力同性相斥、 异性相吸的原理作用使转子S极在右、 N极在左。

当从B1到B输入的脉冲信号消失后，再从A到A1向绕组输入另一个脉冲信号，绕组产生一个磁场， N极在上、 S极在下， 如图1-49①所示。 在同性相斥、 异性相吸的原理作用下， 转子就会沿逆时针方向转动90°， 如图1-49②所示。

当从A到A1输入的脉冲信号消失后，再从B到B1向绕组输入另一个脉冲信号，绕组产生磁场， N极在左、 S极在右， 如图1-49②所示。 在同性相斥、 异性相吸的原理作用下，转子就会沿逆时针方向转动90°， 如图1-49③所示。

当从B到B1输入的脉冲信号消失后，再从A1到A向绕组输入另一个脉冲信号，绕组产生磁场， N极在下、 S极在上， 如图1-49③所示。 在同性相斥、 异性相吸的原理作用下，转子就会沿逆时针方向转动90°， 如图1-49④所示。

图1-49 永磁转子式步进电机的基本结构与步进原理

(a) 结构； (b) 逆时方向步进转动

如果依次按B1-B、A-A1、B-B1、A1-A的顺序向绕组输入4个脉冲信号，如图1-50 (a) 所示， 电机就会沿逆时针方向转动一圈， 如图1-49 (b) 所示。 同理， 如果依次按B1-B、A1-A、B-B1、A-A1的顺序向绕组输入4个脉冲信号，如图1-50所示，电机就会沿顺时针方向转动一圈。

(3) 步进角

输入脉冲信号使电机转动的角度， 称为步进电机的步进角。 步进电机定子爪极越多，步进角越小， 转角的控制精度就越高， 所需定子绕组的数量和控制脉冲的组数就越多。 步进电机的转速取决于控制脉冲的频率， 频率越高， 转速越快。

图1-50 步进电机控制脉冲

(a) 逆时针步进转动控制脉冲； (b) 顺时针步进转动控制脉冲

常用步进电机的步进角有30°、15°、11.25°、7.5°、3.75°、2.5°、1.8°等。 如丰田皇冠3.0型轿车2JZ-GE发动机采用的永磁式步进电机， 其转子设有8对磁极， 定子设有32个爪极， 转子转动一圈前进32步， 步进角为11.25°， 该步进电机的工作范围为0～125步(大约转动4圈)， 工作电路如图1-51所示。

奥迪200轿车用永磁转子式步进电机设有两个线圈，转子每转一圈需要步进24步， 每步进一步约需4ms，步进角为15°，该步进电机的工作范围为0～128步(大约转动5.3圈)。

2. 永磁磁极步进电机式怠速控制阀

(1) 永磁磁极步进电机式怠速控制阀的结构特点

永磁磁极步进电机式怠速控制阀又称为旋转滑阀式怠速控制阀。 奥迪100型轿车采用过这种怠速控制阀， 结构如图1-52所示， 主要由旁通空气阀和永磁式步进电机组成。 旁通空气阀固定在步进电机的电枢轴上， 在步进电机驱动下， 可在限定的90°转角范围内转动，以改变旁通空气道开启面积的大小来增减旁通进气量。

图1-51 丰田皇冠3.0型轿车步进电机的工作电路

图1-52 永磁磁极步进电机式怠速控制阀的结构

1—插座；2—壳体；3—永磁磁极；4—电枢；5—旁通空气道；6—旋转滑阀

步进电机的磁极用永久磁铁制成， 两块磁极用U形钢丝弹性固定在电机壳体内壁上。电枢由电枢铁芯、 两个线圈、 换向器和电枢轴组成。 换向器由三块铜片围合而成， 分别与三只电刷接触， 电刷引线连接到控制阀的接线插座上， 三线插座通过线束与ECU连接。

(2) 永磁磁极步进电机式怠速控制阀步进原理

步进电机与ECU的连接情况如图1-53所示。线圈L1与ECU内部的三极管T1连接，脉冲控制信号经过反向器加到T1的基极；线圈L2与ECU内部的三极管T2连接，脉冲控制信号直接加到T2的基极，因此，当脉冲信号的高电平到来时，三极管T1截止、T2导通，线圈L1断电、L2通电，步进电机将顺时针转动；反之，当脉冲信号的低电平到来时，三极管T1导通、T2截止，线圈L1通电、L2断电，步进电机将逆时针转动。线圈L1称为逆转线圈，当其接通电流时，电枢带动滑阀沿逆时针方向旋转，旁通空气道开启面积减小；线圈L2称为顺转线圈，当其接通电流时， 电枢带动滑阀沿顺时针方向旋转， 旁通空气道开启面积增大。 由于这种怠速控制阀的转角范围限定在90°以内， 步进电机的步进角必须很小才能满足旁通进气量控制精度的要求， 因此采用了控制占空比的方法来控制步进电机顺转或逆转。

图1-53 永磁磁极式步进电机的工作电路

3. 脉冲电磁阀式怠速控制阀

(1) 脉冲电磁阀式怠速控制阀的结构特点

脉冲电磁阀式怠速控制阀的结构与普通电磁阀基本相同， 具有结构简单、 成本低廉、工作可靠等优点。 因此采用的车型越来越多， 国产奥迪轿车就采用了这种怠速控制阀。

脉冲电磁阀式怠速控制阀的结构如图1-54所示， 主要由电磁线圈、 复位弹簧、 阀芯、阀座、 固定铁芯、 活动铁芯、 进气口和出气口等组成。 阀芯固定在阀杆上， 阀杆一端与固定铁芯连接， 另一端设置有复位弹簧。 进气口与节气门前端的进气管相通， 出气口与节气门后端的进气管相通。

图1-54 脉冲电磁阀式怠速控制阀的结构

1—线圈；2—复位弹簧；3—阀座；4—阀芯；5—阀杆；6—固定铁芯；7—活动铁芯；8—插座

(2) 脉冲电磁阀式怠速控制阀的控制原理

电磁线圈接通电流时就会产生电磁吸力。 当线圈产生的电磁吸力超过复位弹簧的弹力时， 动铁心在电磁吸力的作用下就会向固定铁芯方向移动， 同时通过阀杆带动阀芯向右移动， 使阀芯离开阀座将旁通空气道开启。 当电磁线圈断电时， 活动铁芯与阀芯在复位弹簧弹力的作用下左移复位， 将旁通空气道关闭。

旁通空气道开启与关闭的时间由ECU发出的占空比信号控制。 发动机工作时， ECU根据怠速转速高低， 向脉冲电磁阀发出频率相同而占空比不同的控制脉冲信号， 通过改变阀芯开启与关闭时间来调节旁通进气量。

占空比在0～100％之间的范围内变化。 当怠速转速过低时， ECU将自动增大占空比，使电磁线圈通电时间增长， 断电时间缩短， 阀门开启时间增长， 旁通进气量增多， 怠速转速将升高， 防止怠速转速过低而导致发动机熄火。 反之， 当怠速转速过高时， ECU将减小占空比， 使电磁线圈通电时间缩短， 断电时间增长， 阀门开启时间缩短， 旁通进气量减少，怠速转速将降低。任务实施与考核

一、 技能学习

1. 查找相关技术资料

(1) 节气门体的拆卸

1) 排静发动机冷却液。

2) 拆下2号汽缸盖罩。

3) 拆下空气滤清器盖分总成， 如图1-55所示。

①断开质量空气流量计连接器。

②断开两个卡夹。

③断开箍带和通风软管， 并拆下空气滤清器盖分总成， 如图1-56所示。

图1-55 节气门体的拆卸1

图1-56 节气门体的拆卸2

4) 拆卸节气门体总成:

①断开连接器和两根水软管， 如图1-57所示。

图1-57 节气门体的拆卸3

②拆下两个螺栓、 两个螺母和节气门体， 如图1-58所示。

③拆下衬垫。

图1-58 节气门体的拆卸4

(2) 检查节气门体

根据表1-17， 参考图1-59， 使用数字万用表测量电阻。

表1-17 标准电阻

图1-59 测量节气门体电阻

(3) 节气门体总成的安装

1) 将新衬垫安装至进气歧管。

2) 用两个螺栓和两个螺母安装节气门体， 如图1-60所示， 扭矩为10N·m。

3) 连接连接器和两根水管， 如图1-61所示。

图1-60 节气门体总成的安装1

图1-61 节气门体总成的安装2

4) 安装空气滤清器盖分总成:

①安装空气滤清器盖分总成。

②用箍带连接通风软管， 如图1-62所示。

③连接两个卡夹， 如图1-63所示。

图1-62 节气门体总成的安装3

图1-63 节气门体总成的安装4

④连接质量空气流量计连接器。

5) 安装2号汽缸盖罩。

6) 添加发动机冷却液。

7) 检查冷却液是否泄漏。

2. 操作步骤

节气门体位置执行器的检修步骤如表1-18所示。

表1-18 节气门体位置执行器的检修步骤

续表

续表

二、 任务实施与考核

节气门体位置执行器检修的任务实施与考核如表1-19所示。

表1-19 节气门体位置执行器检修的任务实施与考核