簡述發動機怠速控制系統（ISC）

陳天殷

（美國亞派克機電（杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

1 發動機的怠速工況

內燃發動機的穩定工況分為全負荷與大負荷、中等負荷、小負荷和怠速4種，也有人認為起動、起動后、過渡和拖動也應包含其中，但這些皆為短瞬的轉換過渡過程，并非穩定工況。怠速工況是指油門踏板完全松開，發動機不對外輸出動力，發動機對外做功行程所產生的動力僅用來克服發動機的內部阻力，以維持發動機以最低穩定轉速運轉，汽油機怠速轉速一般為700～1 000 r/min，而一般車用柴油機怠速轉速在500～800 r/min。在怠速工況下，進入氣缸內的混合氣很少，而缸內殘余廢氣對混合氣稀釋嚴重，此時由于轉速低，空氣流速小，汽油霧化和蒸發不良，混合氣的形成并不均勻。

城市市區內短途運行的車輛，由于路況、交通管理等因素影響，會出現臨時停車、開始起動以及制動減速，皆是怠速工況下工作。頻繁地減速停車，等候綠燈重新起動，發動機怠速運轉時間會達到總工作時間的25%～30%，其燃油消耗占到30%左右。在GB 18285的工況法排放測試中，怠速排放的CO、HC和NOX常占總排放量的70%。較高的怠速轉速雖能降低CO、HC和NOX的排放（HC是內燃機未經充分燃燒，排放碳氫化合物“烴”的總稱），但燃油量消耗上升；而過低的怠速轉速，會明顯增強廢氣對氣缸內混合氣的稀釋作用，一旦阻力或負荷稍有變化、擾動，會致使發動機運轉不穩，甚至熄火。足見實現精準管理怠速控制系統對于發動機的動力性、燃油經濟性和廢氣排放及其排氣污染物的成分有顯著影響。在保證發動機排放嚴格滿足現行相關法規及運轉穩定性的情況下，怠速控制系統（Idle Speed Control System，簡稱ISC）常盡可能使怠速轉速保持最低，以降低怠速時的燃油消耗量。

發動機怠速運轉，名為空轉，實際還需維持包括車載空調、動力轉向裝置、自動變速器等各種裝置的工作動力，而與發動機皮帶輪皮帶相連的發電機怠速時，轉速會在1600 r/min以上，高于建壓轉速，可為蓄電池充電。一輛汽車的技術性、經濟性、穩定性和污染排放性等諸項技術指標受發動機怠速工況時的控制性能影響十分顯著。確保發動機優良怠速性能是由汽車專用微機控制器（電子控制單元）ECU的電子控制方案來實施的。一是混合氣流量直接影響其在燃燒室內燃燒的速度、溫度與壓力，故必須精準控制進入氣缸的混合氣流量；其二，燃油在氣缸內燃燒爆發的做功過程決定發動機的動力性能，而它取決于可燃混合氣的精準點火時刻。英國貝爾法（Bellfarw）汽車實驗室有過如下權威的實驗結論：①標準排量1.6L轎車怠速時平均油耗為42 mL/min，而1L汽油能平均怠速空轉23.8 min，怠速3 min能讓汽車行駛1 km；②造成車輛發動機積炭的主因是由于在怠速時，燃油不能充分完全燃燒，發動機積炭不僅增加車輛能耗，降低發動機輸出，汽車怠速時所排放尾氣中所含有毒有害物質是該車時速80 km/h行駛時所排放尾氣的73倍！而汽車尾氣排放正是霧霾天氣形成的主影響因素之一。

圖1的速度特性曲線可用于全面判別發動機的動力性和經濟性。展示了有效功率P（kW）、扭矩T（Nm）和比燃料消耗量g（g/kWh）隨發動機轉速n而連續變化的函數關系。發動機的速度特性是由制動試驗臺架上測出的。保持發動機在一定節氣門開度情況下，穩定轉速，測取在這一工況下的功率、比耗油等，繼而調整被測機的載荷（扭矩變化），使發動機轉速改變，然后再測得另一轉速下的功率、比耗油。與怠速相應的轉速區域在圖1中并未繪出，但從圖1中的右側可推測出怠速工況下比耗油量是很高的，實際也正是如此。

圖1 汽油發動機運行時的速度特性曲線

當前GB 18285—2005《點燃式發動機汽車排氣污染物排放限制及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）》是工作的規范依據。

怠速工況時完全放松油門踏板。有時，因發動機點火系統長期缺火，氧傳感器會持續輸出低電壓信號，此時ECU可能誤判為混合氣過稀，而不斷對系統進行加濃，從而使CO和HC排放雙重超標。尾氣排放物有一氧化碳CO，碳氫化合物“烴”類HC和各種氮氧化合物NOX等。圖2、圖3中的3組曲線展示了怠速時尾氣排放的狀況。海量的汽車其尾氣排放被廣泛認為是霧霾天氣形成的主要因素之一。

圖2 發動機轉速對CO、HC的影響

提高怠速轉速，有利于降低怠速時的CO和HC排放。隨著怠速轉速的提高，進氣節流會減小，空氣量的進入會增加，減小了殘余氣體的稀釋程度，氣缸內燃燒得到改善。發動機轉速升高，HC排放會有顯著降低。原因是升高轉速增加了氣缸中的擾流混合與渦流擴散，也增加了排氣中擾流和混合，前者改善了氣缸內的燃燒過程，增加了激冷層的后氧化反應。但是，高速時為克服較高的發動機阻力，需加大排氣容積流量，使排氣系統停滯時間有所縮短。因此HC排放量降低將小于按濃度改變預計的結果。故適當提高怠速轉速，對降低HC成分的影響是十分明顯的。

轉速提高時，氣缸內燃燒較慢的稀混合氣，因著火落后期受轉速的影響不明顯，在點火時間不變的情況下，燃燒的大部分周期將在膨脹過程壓力和溫度不甚高的點位進行，減慢了NOX的生成速度。而對于燃燒速度慢的濃混合氣在提高轉速時，因加強了氣體在氣缸中的擾動，加大了火焰傳播速度，也減小了熱損失，會使NOX的生成速度有所增大。怠速轉速過低，尾氣排放污染物會增加，而怠速轉速過高，燃油消耗會明顯上升。

硝酸鹽在霧霾中占比甚大，主要由氣態氮氧化合物二次轉化而來。重型柴油車排放污染更甚。

發動機怠速控制性能不穩定，有時還會引起整車劇烈振動，讓乘坐者倍感不適。不踩加速踏板會直接熄火；而重起發動機怠速抖動依然故我。迫使踩下加速踏板以維持較高的轉速使發動機不熄火，等待怠速穩定后，車輛方可開動行駛。

現代汽車多采用由ECU精確控制怠速控制閥的開度，使發動機怠速狀態控制在理想的怠速轉速范圍內工作。

圖3 發動機轉速與NOX排放的關系曲線

2 ISC系統的原理與架構

2.1 怠速控制系統的原理與控制策略

怠速控制系統，其原理是通過在怠速工況下對發動機進氣量的控制，以控制怠速轉速，包含了發動機負荷變化與電器負載變化進行控制，而ECU根據預先設定的怠速空燃比與實際進氣量的計算來確定怠速時的噴油量。可綜述為如下5項原則：①在可能條件下，提供怠速空氣量，以便及時補償發動機負荷（電器負載）的變化；②采用維持最低怠速轉速與減低空氣量等控制方式，以獲得最佳燃油經濟性；③采用急減速、增加空氣量等方式降低廢氣排放；④改善車輛的可駕駛性；⑤對零部件老化或維修更換組件、部件所致的差異能自動進行補償，以減少周期性調整。ECU及時調控給予執行器調節指令，使發動機轉速維持在目標轉速附近，實現怠速穩速。

實際上電控汽油發動機一方面適當提高怠速轉速，以降低廢氣排放；另一方面還經由調整空氣量與燃油的匹配，將怠速轉速控制在某一較為穩定的水平上，使系統的控制有較大的裕度，以適應復雜的外部環境。

微機控制的ISC會對系統采取轉速反饋控制，如圖4所示。正常車輛行駛時，為了避免怠速轉速反饋控制與駕駛員通過油門踏板操作引起的空氣量調節發生沖突或干擾，ISC須確認節氣門全部閉合的信息和車速信息等，僅在怠速狀態確認無誤的條件得以滿足，方會實施怠速反饋控制。

圖4 ISC系統的閉環控制

發動機起動后，控制暖機過程、控制負荷變化及預控制電動負荷變化等諸項內容，這些以往另有專用裝置來實現的功能，現皆可納入ISC來完成，既減少了零部件，也使發動機結構更簡化、緊湊，提高可靠性。

2.2 ISC的功能與組成

汽車專用微機控制器ECU（Electronic Control Unit電子控制單元，亦稱車載電腦）是發動機怠速控制的核心。ISC的原理便是ECU依據發動機的工作溫度與負載情況，如圖4顯示的控制過程。發動機怠速控制可分穩速控制和提速控制兩類，其核心內容是發動機怠速時負載變化的控制與電器負荷的控制。維持發動機穩定地怠速運轉，其根本手段是調節控制怠速工況下的進氣量（空氣供給量）。在實現發動機穩定運轉之同時排放須符合要求，而發動機的怠速轉速要維持在低位的目標轉速；同時，讓起動后的發動機能快速暖機，將過渡過程收縮至最短。ISC系統及其控制電機在車內的相對位置如圖5所示。

圖5 ISC系統及控制電機在車內的相對位置

一個完備的電子控制發動機自有成熟的體系系統，而怠速控制系統僅是其架構中的一個子系統。表1列出了ISC系統中各組件、元器件的功能。ECU一般并不單獨裝置，而是與燃油噴射系統、點火系統共用，這不僅提高控制精度，也使系統簡化。

2.3 起動及ISC的怠速控制信號與控制過程

ISC可分6類過程和狀態，有不同的控制策略：①起動初始位置的設定。斷開點火開關，當發動機熄火后控制樞紐電路接收到點火開關在OFF的位置信號時，ECU利用備用電源輸入端提供的電壓控制，此時，主繼電器因系統程序的設定，受ECU的M-REL端子延續供電2～3s，系統會控制指令執行機構步進電機的怠速控制閥ISCV處于全部打開的狀態，以備下一次起動時有較大的進氣量。②起動過程中的控制。因發動機起動前，ECU已把怠速控制閥的初始位置設定在最大開度處，即ISCV呈全開狀態，起動順利。但起動后，這樣過大的進氣量會造成發動機轉速過高，ECU隨即跟進調控。在起動過程里，若發動機轉速已達到由冷卻液溫度確定其對應的轉速時，ECU會控制步進電機使怠速控制閥閥門關小，至冷卻液溫度相對應的ISCV的開啟度，確定進氣量多寡。③暖機過程的控制。該過程ECU控制ISCV，從起動后ISCV開度漸漸關小，到冷卻液溫度達到70℃左右時，暖機過程結束，此時怠速控制閥將恢復至正常怠速開度位置。ISC系統會不時根據冷卻液溫度變化來微調進氣量大小，使發動機在溫度變化的情況下實時保持穩定的轉速。④負載增大及轉速變化的預測怠速控制。當汽車上使用電器增多時，如打開空調、打轉向、掛擋開前照燈、啟動冷卻風扇或冷車實現快速加熱等，即引起電源系給定電壓降低，發動機負荷也增大，為保證ECU的B+端有正常供電電壓，需相應增加進氣量，提高發動機怠速轉速。必須提速來實現發動機怠速工況下的穩定性，ISC應相應增大進氣量提高怠速轉速，一般提速的增量為200～400 r/min。怠速工況下，空擋起動開關、空調開關等接通或斷開皆是發動機怠速負荷變化之動因，怠速轉速會有不同程度的較大波動。為了將怠速轉速受到負荷變化的影響降至最低，ECU須在收到上述開關量信號、發動機轉速變化出現前，就控制怠速控制閥ISCV預先把該閥門開大或關小一個恰當的開/關度的增量。⑤學習控制。發動機長期使用過程中機械零部件性能因磨損而會有所變化，此時怠速控制閥位置與原始設置時雖然并未變化，但實際對應的怠速轉速值也會偏離初始值。這時ECU除用反饋控制使怠速轉速控制在目標轉速值附近，還須將此時作為執行機構的步進電機轉過的步距角的信息Δα儲存于備用的存儲器，供以后怠速控制之用。 ⑥怠速反饋控制。當暖機過程結束或ECU檢測到節氣門全關的信息，且車速低于2 km/h時，ISC系統進入怠速反饋控制。發動機怠速工況下，若其實際轉速與ECU所存儲的目標轉速的差值超過規定值（如20 r/min），則ECU即控制指令怠速轉速閥增減旁通空氣量，力促發動機實際轉速與目標轉速的差值比允許的規定值更小。

表1 各組件、元器件在怠速控制系統中的功能

目標轉速與發動機怠速工況時的負荷密切相關，因對應的空調是否使用、空擋起動開關是否接通、用電器的多或寡等不同狀況，目標轉速各有不同。

怠速控制首先需做怠速狀態的判定。滿足如下輸入信號時才起動進入怠速控制工況——即實現怠速控制的時機。在怠速控制系統中，ECU需要依據節氣門位置與車速信號等信息來判斷并確認怠速工況。注意，僅在當節氣門全關，且車速指零時方可進入怠速控制。即發動機怠速需滿足下述兩個充要條件：節氣門關閉，節氣門位置傳感器的怠速觸點呈閉合狀態，而傳感器輸出端子IDL輸出呈低電平。此時如果車速為0，表明發動機處于怠速狀態；若車速非0，表明發動機處于加減速變化之過渡狀態。

圖6展示從擰轉發動機鑰匙起動發動機，由“快怠速→穩定怠速（反饋控制）→怠速提速”的3過程，繪出發動機轉速對應時間變化的函數曲線。怠速提速是因負荷的變化，如啟用空調、動力轉向和液力變速器，開前照燈、風窗、加熱器、尾燈等。圖6中未能繪出的學習控制是應對磨損后等原因對ISCV閥位置作自我修正。

系統的執行元件其核心任務是調節進氣量使發動機怠速轉速達到所確定的最佳目標轉速。

圖6 怠速控制ISC的3個過程

ECU從存儲器存儲的怠速轉速的信息數據中查詢相應的目標轉速n后，將目標轉速與曲軸位置傳感器檢測到的發動機實際轉速進行比對。當發動機負荷增大，需要發動機快怠速運轉，若目標轉速高于實際轉速，ECU將控制怠速控制閥增大旁通進氣量來實現快怠速，提高怠速轉速，以防發動機熄火；而當發動機負荷減小，目標轉速低于實際轉速時，ECU將控制怠速控制閥減小旁通進氣量，來調節怠速轉速，使之降低若干。

節氣門位置傳感器相連的怠速觸點閉合是節氣門完全關閉的信號，ECU得到該信號，即可判定已進入怠速工況。此時，ECU接收到的發動機轉速信號若低于怠速轉速的范圍，ECU會發出指令加大ISCV開度；反之，減小ISCV開度，調整閥的進氣量，提高發動機轉速。怠速轉速的反饋控制功能確保怠速工況下的發動機以正常怠速轉速運轉。圖7繪出了節氣門開度與傳感器電壓關系。

圖7 節氣門開度與位置傳感器電壓標定圖

圖8展示了ISC系統發動機新的目標轉速的重建流程。

當發動機溫度偏低或負荷增大時，由ECU控制的ISC將獲取的各類信號輸送至ECU的邏輯電路進行運算，比較電路將它們與基準信號對比，輸出補償修正信號，驅動ISCV，增加開度，提高怠速轉速，防止怠速不穩乃至熄火。通常，開啟空調、動力轉向或自動變速器工作時，怠速轉速會自動調整提高100 r/min。

圖8 ISC系統發動機新的目標轉速的重建

3 怠速控制閥的結構與控制原理

圖9是福特汽車的怠速空氣控制閥。ECU操控怠速控制閥如圖10所示。

圖9 福特汽車的怠速空氣控制閥

圖10 步進電機式怠速控制系統

3.1 怠速控制閥的類型與結構

發動機進入怠速運轉工況，ECU會根據各傳感器的信號來控制執行電機的轉向和轉動進給量Δα，以改變節氣門最小開度限制器的位置，從而操控節氣門的最小允許開度，實現對怠速進氣量進行控制的目的。故怠速控制的實際操作是對怠速工況下的進氣量的控制。怠速控制閥是怠速控制的執行器。其驅動源可分為4種：①三線的旋轉式電磁閥，由兩組線圈和一個閥芯組成。對兩組線圈脈沖電流的不同占空比進行控制，便有不同的磁場強度，使閥芯在90o轉角范圍內轉動至某一位置，實現閥門開度控制。豐田車系多用此型。② 兩線的伸縮式電磁閥，由一組線圈和閥芯組成。發動機控制單元向線圈通以不同的脈沖電流，控制線圈繞組的場強，使線圈內部的閥芯駐留于某一動態位置，達到怠速所要求的進氣量，控制怠速轉速。如圖10所示。③兩線直動電機式電磁閥，安裝在主氣道節氣門上，其轉動方向和停留位置由電機反饋信號決定，直接推動節氣門翻板來控制怠速工況進氣量。此電磁閥取消了旁通氣道。用于大眾的部分系列和韓國現代。④永磁步進電機式電磁閥，因其控制精度高，控制量程大，相對直動電機式可省略減速裝置，呈示先進性，成為當代怠速控制執行器主流。

圖11是步進電機式怠速控制閥。步進電機的轉子是直徑約Ф30的永磁體，圓周外表面均布充磁有8對N、S的磁極；定子有32個爪極。每轉一步為1/32圈。定子分為A、B兩段，兩組集中線圈包圍著由導磁材料沖壓成型的8對爪極。爪極的極性由微機控制裝置輸出的定子繞組的電脈沖來決定，進行爪極極性的變換。A、B兩定子繞組分別由1、3和2、4兩相繞組構成，由ECU內晶體三極管控制各相繞組搭鐵。定子磁場順時針轉動，定轉子磁場相互作用，轉子隨定子磁場同步步進轉動。若繞組控制脈沖依相反順序通電，即可改變轉子的轉向。

圖11 步進電機式怠速空氣控制閥

常見的轎車如別克、福特、凌志東風、凌志風度、奧迪A6和三菱都采用步進電機驅動控制的怠速控制閥（ISCV），由步進電機驅動控制的機械閥門使發動機的ISC得到高精度的控制。

3.2 步進電機控制的特點

怠速控制閥的永磁步進電機，每一電流脈沖使轉子轉動一個角度，稱為步距角。轉過1/32圈，如一步為11o，每周為32步；調節速率可達每秒160次（如日本豐田皇冠3.0轎車）；工作范圍為0～125步進級，約為4周。閥門由全開至全關閉，升程為10 mm，轉子需125步距，即怠速控制閥有125種不同的開啟位置，故能對進氣量進行充分精確的調節控制。

步進電機式怠速控制系統其控制項目內容有起動預控制、起動控制、暖機控制穩定怠速反饋控制、發動機負荷變化預控制、電器負荷增大時的怠速控制和學習控制等多種，判定自動變速器是否在空擋，動力轉向開關接通，保證各種怠速條件下穩定運行。

學習控制是指ECU的存儲器在工作過程中步進電機不同的正反轉步數相對應控制閥的開度的記錄。而發動機隨運行時間的積累使用性能和技術狀態會發生變化，ECU通過反饋控制使怠速轉速與設定的目標值保持一致，還能直接調用存儲器里往昔的經驗數據。起動初始位置的確定是應對改善發動機的再起動性能。點火開關進入關閉狀態后，ECU控制ISCV處于全開位置（步進電機處于125步級），供下一次起動作準備。故前一次運轉結束，點火開關斷開后不得即時停止對ECU與步進電機供電（至少延時2 s），通過ECU內的主繼電器進行控制，待步進電機回歸起動的初始狀態方可斷電。

如今為實現精準控制，對控制方案開創新思路。步進電機帶負載時，其起動頻率要低于最高空載起動頻率。步進電機的矩頻特性表明，起動頻率越高，起動轉矩越小，帶負載能力越差：當步進電機起動后，進入穩態的工作頻率又遠大于起動頻率。可見，一個靜止的步進電機不可能即時穩定到較高的工作頻率，須在起動的瞬間采用加速措施。一般說來升頻的時間為0.1～1 s；反之，從高速運行到靜止也應該有減速的措施，減速時的加速度絕對值比加速時的加速度更大。故需引進一種變速的控制程序。其基本思想是：在起動時，以低于響應頻率fs的速率運行，然后較慢加速，加速到一定速率fe后，就以此速率恒速運行，當快要到達終點時，又使其緩慢減速，在低于響應頻率fs的速率下運行，直到走完規定步數后停機。這樣步進電機便可以以最快的速率走完所有規定的步數而不失步，極大地提高了效率。其過程如圖12所示。

圖12 以步長為橫坐標的變速控制過程

3.3 兩種怠速控制裝置

怠速控制閥依其閥門進氣量調節方式不同有節氣門直動式和旁通空氣式兩種基本類型，也就有兩種不同的怠速空氣道的進氣量控制方式。前者是直接控制節氣門開度，后者則是以控制怠速旁通空氣道截面大小為基本特征。旁通氣道又有單旁通、雙旁通、三旁通與多旁通等數種。節氣門直動式由電動機、減速齒輪機構絲杠機構和傳動軸等組成。步進電機旁通空氣式因其各種優勢近年有廣泛的應用。

3.4 ISC系統運行的程序流程

怠速工況運行，系統編程是MCU驅動控制的核心。圖13繪出了ISC實現目標轉速的程序流程圖。圖14繪制了ISC系統運行的主程序流程。

ISC系統作為電子控制發動機的一個子系統。它在ECU里并不單獨設置，而是與燃油噴射系統、點火系統等共用一體，簡化了系統，亦提高控制精度。

目標轉速的確定，除冷卻液溫度傳感器信號、空調壓縮機接通信號、自動變速器擋位信號之外，還有蓄電池電壓等信號。怠速時，加速踏板雖然完全松開，油門近乎關閉，但節氣門并不完全關閉，而是通過它提供怠速空氣。

4 ISC歷史沿革、現狀與發展

4.1 ISC的現狀與歷史沿革

國際主流的汽車制造商對發動機怠速控制的電子控制裝置系統通常的做法是將預先測得的發動機性能數據MAP圖以數據方式存儲在ECU里。發動機進入怠速工況后，根據傳感器獲得的物理型號，包括發動機的轉速、空氣流量與進氣溫度等數據，從MAP圖中找到相應的噴油量、點火提前角與節氣門開度等參數，然后調用某一控制算法來進行補償，最后由執行器進行實時響應的操作。如設計模糊自適應PID算法的發動機電子控制裝置，節能效果大于15%；環境保護的效果大于25%，足見其對節油減排的影響多么突出。

傳統的化油器式汽油發動機怠速工作時，節氣門處于關閉狀態。怠速工作時的空氣量是通過節氣門的縫隙及空氣旁通通道進入發動機。怠速調整僅能在停車狀態下，由維修人員依據各自的經驗進行調整，帶有很大的局限性。而實際使用中運行條件變化將使怠速轉速會遠遠偏離原來的值。而最初，發動機電子控制僅以汽油噴射和電子點火兩者為研究的主要方向。

4.2 ISC的新動態

圖13 ISC實現目標轉速的程序流程圖

圖14 ISC系統運行的主程序流程圖

智能控制在怠速控制中最典型的應用是變參數PID控制方式、模糊控制、預測控制和神經網絡控制方式。學習控制是應對磨損后等原因對ISCV閥位置作自我修正，便是由人工智能的核心——機器學習（ML，Machine learning）來實現的，它是計算機具有智能的根本途徑。

德國的Bosch（博世）和美國的GM（通用汽車的TBI）在20世紀80年代初最早實現怠速電子控制裝置系統，為ISC建樹了里程碑的起點。

當下，一個重要方向是神經網絡和模糊控制技術兩者相結合構成基于神經網絡的模糊控制器（FNN，Fuzzy Controller Based On Neural Network）。它可以不依賴精確的模型，選擇深度學習架構，設計更簡化有效，在同樣的扭矩干擾下，怠速轉速波動可以從原來的12%，降至1.6%。對怠速系統進一步提高控制精度，使控制更直觀，動態性能有顯著的提高，對模型參數有良好的魯棒性。

神經網絡是對函數的一種網絡表示，藉以對對象建模，用于描述任何復雜的輸入輸出關系。設計成2個或以上的輸入神經元和一個輸出神經元，2～3個隱含層的神經網絡，隱含層及輸出層神經元的S型激活函數，并用若干數據作為訓練樣本，訓練算法采用變尺度法，得到權矩陣，得以訓練和部署。

ISC系統模型的復雜性體現在系統信息的非線性、高階次時變性及隨機干擾，多樣性、模糊性、不確定性和偶然性是其特征。與常規控制方法相比，智能控制無須依賴被控制對象的精確模型，還在于其自學習、自適應、自組織的功能，在運行過程中，自動獲得最佳模糊控制推理規則，對自身不斷修正和完善，它還有很好的容錯能力，故智能控制為大型非線性系統或時變參數甚多的“黑箱”、“灰箱”系統開辟一條很好的路徑，提升怠速控制系統的控制性能。

據報道，一汽馬自達Mazda6阿特茲每百公里6.3L的低油耗，源于其創馳藍天發動機實現15%油耗降低。除了13∶1的高壓縮比、燃油直噴/多孔噴油嘴（高壓6孔）、進氣側電控S-VT、凹孔活塞和i-Eloop制動能量回收系統等5項措施外，還創新采用一種稱為“i-stop”的智能技術。名稱中的i兼具“我”（ I ）、“怠速”（idea）、“智能”（intelligent）等多層含義。智能的電控技術讓發動機每次停轉瞬間控制活塞靜止于非上下死點的位置。這樣發動機重新點火起動，燃料噴射燃燒所需做的功便較小，有利于節能。初創人的初衷便如該名稱所表達的“我會智能怠速停機，為環保而關切”。顯得與傳統的“Stop & Start”發動機起停系統質的區別。 “i-stop”并不是僅依靠串勵電機起動機來重新起動發動機，而是世界首創采用預先控制活塞停止位置。

通常，僅需馬自達MAZDA6阿特茲發動機在怠速運轉狀態下熄火時間大于5s，即可有明顯節能效果。測試表明，對2.0L排量的車型，若變速器掛于D擋，此時打開空調怠速運行10 min，消耗的燃油約為0.26 L。以每天累計怠速運行10 min計算，“i-stop”技術系統每年可為車主節省燃油費700元人民幣，而每年減少的二氧化碳排放量相當于16棵杉樹的吸收量，足見經濟效益和社會效益極為顯著。

5 怠速控制系統的維護

怠速工況下的故障率及與怠速控制相關的故障率，遠大于非怠速控制的其他工況下的故障率。檢測怠速工況下各類故障需了解和掌握怠速控制系統原理、運行機制及與其他工況的關聯性，才能確定簡捷有序的檢測手段，深刻剖析和總結怠速控制系統故障，準確分析診斷方法以提出有效的解決方案。

怠速控制系統由于使用維護失當，就會出現無怠速、怠速過高或過低、怠速不穩和怠速熄火等故障。一般可分為兩類：①電氣類故障，如怠速開關、節氣門定位器故障，節氣門驅動電機故障，主回路及控制回路電氣線路的故障；②機械類故障，最常見為有節氣門的積炭或卡滯等。而節氣門卡滯以積炭或其他污垢造成的緣故為最多。此時只需細心將沉積物清除，然后作基本設定，系統便會正常工作。

必須注意：①節氣門控制組件（如一汽豐田威馳轎車8A-FE電噴發動機型號為J338）殼體嚴禁非專業人士打開；②怠速的基本參數已由廠家根據每臺發動機具體的性能參數設定在控制單元之中，不需再作人工調整；③清洗節氣門和進氣系統積炭的方法有免清洗法和拆解清洗法兩種。若更換節氣門控制組件或更換過發動機控制模塊后，需藉V.A.G1551或1552型一類的專用儀器由資深專業人士重新進行基本設定。

以下分類概述了ISC系統故障診斷與故障緣由和解決方案，也提供一些實踐的范例可供維護人員借鑒與參考。

1）故障類型：無怠速，怠速轉速甚低，如僅500 r/min。抖動嚴重，踩加速踏板，轉速平穩；松開加速踏板，即熄火。

故障緣由：屬怠速工況下進氣不足。

解決方案：①旁通氣道不暢；②步進電機控制功能不良，細心清除閥芯及近旁污穢贓物。注意：不得調節節氣門翻板的固定螺釘，使節氣門有一個初始態的開量，引起節氣門位置信號過大，造成怠速不穩。

2）故障類型：怠速工況發動機不穩，怠速轉速漂移，600～1000 r/min怠速下，一開空調即熄火。

以韓國現代轎車為例，針對此故障的解決方案：韓國現代轎車因其結構特殊，當實際轉速偏離目標轉速，使怠速開關為閉合狀態，節氣門信號為0.5 V，有時會不能進入怠速控制。此時若測得怠速開關信號是12 V（應為0），說明不能進入ISC的原因是控制單元始終收到的信號是加速信號，必需重做怠速基礎調節。

3）故障類型：起動后怠速抖動劇烈，需過一段時間才會緩慢起動，且怠速速度偏高，油耗嚴重超標。

故障緣由：節氣門信號過大，測量可達0.8 V。

解決方案：①檢查會發現一缸火花塞積炭嚴重，該缸高壓線阻值無限大，呈開路，屬“缺缸”，須更換高壓線，亦屬于ISC無法控制，無法提速。②節氣門信號也是發動機負荷的狀態值。一般進口轎車節氣門信號小于0.6 V。若怠速工況下達到0.8 V，可認為已達加速工況，故可判斷為無怠速控制狀態，檢測是否有節氣門拉線過緊而造成節氣門開度有變，以致怠速失控，需稍松拉線。

4）故障類型：無論熱車或冷車起動，怠速轉速低于標準值，而且有時會起動困難，甚至起動后熄火。

故障緣由：①點火系工作不良；②空氣供給裝置部分有漏氣部位；③供油壓力過低；④噴油器工作不良；⑤廢氣循環裝置工作不良；⑥怠速空氣道阻塞；⑦怠速控制閥或旁通空氣閥工作不良；⑧進氣壓力傳感器信號失誤；⑨氧傳感器信號錯誤；⑩水溫傳感器信號失誤。

5）故障類型：發動機冷車時能正常快怠速運轉，而熱車后，仍保持快怠速，導致怠速運轉過高。

故障緣由：①節氣門卡滯，關閉不嚴，或者是節氣門位置傳感器故障；②怠速控制閥故障；③水溫傳感器、進氣溫度傳感器或空氣流量計信號失誤；④空調開關、動力轉向開關故障；⑤發動機ECU故障。

6）故障類型：怠速轉速忽高忽低，俗稱“游車”。可分為大范圍轉速變化的游移和小范圍轉速游移變化兩種。

舉例說明，①以桑塔納2000（時代超人）為例，由故障診斷儀得下述數據：轉速在800～1000 r/min上下波動；節氣門開度在6～8°間波動（標準為2～5°）；空氣流量在3～5g/s間波動（標準為2～2.5g/s）；噴油時間在2～3 ms間變化（標準為2～2.5 ms）。說明怠速工況一直在頻繁不穩定的調節中。節氣門或空氣濾清器過度骯臟，有油污塵土使進氣受阻，怠速控制閥的驅動電機不得不反復調節。②以奧迪100（3.2E）為例，發動機轉速在1200～1400 r/min間波動，檢查真空度偏低，卻未發現有漏氣部位。怠速控制閥工作電流僅400 mA（正常為430 mA）。最終確認該游車故障為提高燃油經濟性和改善排放污染性的減速斷油控制閥故障，需更換此控制閥。

7）故障類型：有負荷增加，而不提速。

故障現象：①怠速信號不良；②怠速執行器工作不良；③怠速執行器調節不良；④負荷信號或水溫信號有故障。

6 結語

ISC常指怠速轉速控制，實質是對怠速工況時進氣量進行調節，也配合噴油量及點火提前角的控制。ISC除怠速轉速穩定性控制外，還實現了起動控制、暖機控制及負荷變化控制等功能，多種功能的集合，既簡化了機構，也提高了怠速控制的精準化。怠速工況控制性能的優劣反映了車輛的技術性、穩定性、動力性、經濟性與排放性等各項技術指標。

如今，嚴格執行相關的國家標準，引入人工智能技術，精準調控怠速轉速，不斷提高降低污染排放的水準，更是環境治理制服霧霾的需要。

［1］ Tom Denton.Automobile Electronic & Electronic Systems［M］.Elsevies Butterworth Heinemann Co.Ltd.， 2009.

［2］ Ronald K. Jargem.Automotive Electronic Handbook（Third Edition）［M］.McGrow - Hill Corpanics Inc.， 2008.

［3］ 陳志恒.汽車電控技術［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［4］ 陳天殷.汽車交流發電機的建壓過程與建壓轉速［J］.汽車電器，2008（5）：22-24.

［5］ 陳天殷.汽車電子技術的現狀與展望［J］.汽車電器，2012（12）：1-3.

［6］ 陳天殷.氣流循環系統的步進電機控制［J］.輕型汽車技術，2015（4）：30-36.

作者簡介：陳天殷，男，教授級高級工程師，研究方向為汽車電機電器及應用電子控制技術。

（編輯 凌 波）

Pierburg推出一種新型廢氣門執行器，以優化渦輪增壓壓力的控制

Pierburg公司正在推出一種新型的廢氣門執行器，該先進設計的優點之一是在運行條件下改進了增壓壓力控制。

廢氣門閥控制廢氣從發動機流向渦輪增壓器，從而控制渦輪增壓器提供給發動機的升壓。一個廢氣門執行器控制廢氣門閥。

Pierburg新設計的廢氣門執行器允許通過安裝在熱渦輪機外殼上的廢氣門閥直接啟動，外殼隔熱結合高效冷卻液的溫度控制可防止執行器在所有操作條件下過熱。

此外，12伏直流電動機(可選用EC電機)被冷卻到可以提高電機負荷的程度，其優點是電機與執行器之間的齒輪比較低和較高的啟動扭矩。該軸也可以完全密封在鋁制外殼上，以防止水濺，而不會造成熱損傷。該公司表示，這種系統既堅固又非常可行。

該執行器的設計和將其安裝在渦輪機殼上的想法都來源于Pierburg,該設計的一個重要方面是在Pierburg自己的電機生產設施建造的直流電機。

為了進行系統驗證，一臺生產樣機在公司試驗臺上的一臺不久將投入批量生產的新的汽油機上進行了500小時以上的測試，執行器甚至完全滿足在熱浸條件下的工作，并顯示其穩定性。目前，它已準備好進行批量生產，并且，目前正由一家廢氣渦輪增壓器制造商進行檢測。

除了廢氣門控制功能，該裝置還可以作為兩級增壓器高壓級的驅動器以及用于商用車輛。

在壓力控制方面，現代增壓系統使用機電一體化執行器，為了避免過熱，在大多數情況下，它們通過具有隔熱功能的線性運動連接到驅動元件上，后者的缺點是：一方面磨損率高，激活周期可聽見；另一方面，間接的部分執行元件不準確的位置確定。

與執行器和元件的直接耦合的布置避免了這些缺點，同時也使設置范圍遠遠超過90度。這一擴展范圍允許冷啟動過程中排氣系統的節流和廢氣后處理的改進。通過改進真實的排放測量來取代目前采用的ECE標準，這些都是具有重大意義的好處。