陈天殷
（美国亚派克机电（杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）
摘要：从怠速工况的特点和怠速控制系统的原理出发，介绍怠速控制系统的原理、功能、结构、组成与控制内容；重点简述步进电机式怠速控制阀的相关特性，以及该方向的应用现状和研究进展；并介绍其设计模式的状况与人工智能方面的发展。简明叙述ISC应用维护的要点。
关键词：怠速控制系统；工作原理；控制方式；执行器；现状与发展；可靠性
中图分类号：U464.339 文献标志码：A 文章编号：1003-8639（2018）05-0020-08
Description of Engine Idle Speed Control System（ISC）
CHEN Tian-yin
（Apeks Motors （Hangzhou） Co.， Ltd.， Hangzhou 310013， China）Abstract： This article introduces the working principle， functions， structures and control for the
Idle Speed Control System（ICS） based on idle conditions；mainly demonstrates characteristics of stepper motor idle control switch， as well as its current application and researches， including the design mode and researches related to artificial intelligence. ISC application maintenance key points are also introduced.
Key words： ISC；working principle；control mode；actuator；current situation and prospect；reliability
1 发动机的怠速工况
内燃发动机的稳定工况分为全负荷与大负荷、中等负
荷、小负荷和怠速4种，也有人认为起动、起动后、过渡和拖动也应包含其中，但这些皆为短瞬的转换过渡过程，并非稳定工况。怠速工况是指油门踏板完全松开，发动机不对外输出动力，发动机对外做功行程所产生的动力仅用来克服发动机的内部阻力，以维持发动机以最低稳定转速运转，汽油机怠速转速一般为700～1 000 r/min，而一般车用柴油机怠速转速在500~800 r/min。在怠速工况下，进入气缸内的混合气很少，而缸内残余废气对混合气稀释严重，此时由于转速低，空气流速小，汽油雾化和蒸发不良，混合气的形成并不均匀。
城市市区内短途运行的车辆，由于路况、交通管理等因素影响，会出现临时停车、开始起动以及制动减速，皆是怠速工况下工作。频繁地减速停车，等候绿灯重新起动，发动机怠速运转时间会达到总工作时间的25%~30%，其燃油消耗占到30%左右。在GB 18285的工况法排放测试中，怠速排放的CO、HC和NO
X
常占总排放量的70%。较高
的怠速转速虽能降低CO、HC和NO
X
的排放（HC是内燃机未经充分燃烧，排放碳氢化合物“烃”的总称），但燃油量消耗上升；而过低的怠速转速，会明显增强废气对气缸内混合气的稀释作用，一旦阻力或负荷稍有变化、扰动，会致使发动机运转不稳，甚至熄火。足见实现精准管理怠速控制系统对于发动机的动力性、燃油经济性和废气排放及其排气污染物的成分有显著影响。在保证发动机排放严格满足现行相关法规及运转稳定性的情况下，怠速控制系统（Idle Speed Control System，简称ISC）常尽可能使怠速转速保持最低，以降低怠速时的燃油消耗量。
发动机怠速运转，名为空转，实际还需维持包括车载空调、动力转向装置、自动变速器等各种装置的工作动力，而与发动机皮带轮皮带相连的发电机怠速时，转速会在1600 r/min以上，高于建压转速，可为蓄电池充电。一辆汽车的技术性、经济性、稳定性和污染排放性等诸项技术指标受发动机怠速工况时的控制性能影响十分显著。确保发动机优良怠速性能是由汽车专用微机控制器（电子控制单元）ECU的电子控制方案来实施的。一是混合气流量直接影响其在燃烧室内燃烧的速度、温度与压力，故必须精准控制进入气缸的混合气流量；其二，燃油在气缸内燃烧爆发的做功过程决定发动机的动力性能，而它取决于可燃混合气的精准点火时刻。英国贝尔法（Bellfarw）汽车实验室有过如下权威的实验结论：①标准排量1.6L轿车怠速时平均油耗为42 mL/min，而1L汽油能平均怠速空转
23.8 min，怠速3 min能让汽车行驶1 km；②造成车辆发动机积炭的主因是由于在怠速时，燃油不能充分完全燃烧，发动机积炭不仅增加车辆能耗，降低发动机输出，汽车怠速时所排放尾气中所含有毒有害物质是该车时速80 km/h行驶时所排放尾气的73倍！而汽车尾气排放正是雾霾天气形成的主影响因素之一。
图1的速度特性曲线可用于全面判别发动机的动力性和经济性。展示了有效功率P（kW）、扭矩T（Nm）和比燃料消耗量g（g/kWh）随发动机转速n而连续变化的函数关系。发动机的速度特性是由制动试验台架上测出的。保持发动机在一定节气门开度情况下，稳定转速，测取在这一工况下的功率、比耗油等，继而调整被测机的载荷（扭矩
收稿日期：2017-10-18
变化），使发动机转速改变，然后再测得另一转速下的功率、比耗油。与怠速相应的转速区域在图1中并未绘出，但从图1中的右侧可推测出怠速工况下比耗油量是很高的，实际也正是如此
。
图1 汽油发动机运行时的速度特性曲线
当前GB 18285—2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限制及测量方法（双怠速法及简易工况法）》是工作的规范依据。
怠速工况时完全放松油门踏板。有时，因发动机点火系统长期缺火，氧传感器会持续输出低电压信号，此时ECU 可能误判为混合气过稀，而不断对系统进行加浓，从而使CO 和HC 排放双重超标。尾气排放物有一氧化碳CO， 碳氢化合物“烃”类HC 和各种氮氧化合物NO X 等。图2、图3中的3组曲线展示了怠速时尾气排放的状况。海量的汽车其尾气排放被广泛认为是雾霾天气形成的主要因素之一
。
图2 发动机转速对CO 、HC 的影响
提高怠速转速，有利于降低怠速时的CO 和HC 排放。随着怠速转速的提高，进气节流会减小，空气量的进入会增加，减小了残余气体的稀释程度，气缸内燃烧得到改善。发动机转速升高，HC 排放会有显著降低。原因是升高转速增加了气缸中的扰流混合与涡流扩散，也增加了排气中扰流和混合，前者改善了气缸内的燃烧过程，增加了激冷层的后氧化反应。但是，高速时为克服较高的发动机阻力，需加大排
气容积流量，使排气系统停滞时间有所缩
短。因此H C 排放量降低将小于按浓度改变预计的结果。故适当提高怠速转速，对降低H C 成分的影响是十分明显的。
转速提高时，气缸内燃烧较慢的稀混合气，因着火落后期受转速的影响不明显，在
点火时间不变的情况下，燃烧的大部
分周期将在膨胀过程压力和温度不甚高的点位进行，减慢了NO X 的生成速度。而对于燃烧速度慢的浓混合气在提高转速时，因加强了气体在气缸中的扰动，加大了火焰传播速度，也减小了热损失，会使NO X 的生成速度有所增大。怠速转速过低，尾气排放污染物会增加，而怠速转速过高，燃油消耗会明显上升。
硝酸盐在雾霾中占比甚大，主要由气态氮氧化合物二次转化而来。重型柴油车排放污染更甚。
发动机怠速控制性能不稳定，有时还会引起整车剧烈振动，让乘坐者倍感不适。不踩加速踏板会直接熄火；而重起发动机怠速抖动依然故我。迫使踩下加速踏板以维持较高的转速使发动机不熄火，等待怠速稳定后，车辆方可开动行驶。
现代汽车多采用由ECU 精确控制怠速控制阀的开度，使发动机怠速状态控制在理想的怠速转速范围内工作。
2 ISC系统的原理与架构
2.1 怠速控制系统的原理与控制策略
怠速控制系统，其原理是通过在怠速工况下对发动机进气量的控制，以控制怠速转速，包含了发动机负荷变化与电器负载变化进行控制，而ECU 根据预先设定的怠速空燃比与实际进气量的计算来确定怠速时的喷油量。可综述为如下5项原则：①在可能条件下，提供怠速空气量，以便及时补偿发动机负荷（电器负载）的变化；②采用维持最低怠速转速与减低空气量等控制方式，以获得最佳燃油经济性；③采用急减速、增加空气量等方式降低废气排放；④改善车辆的可驾驶性；⑤对零部件老化或维修更换组件、部件所致的差异能自动进行补偿，以减少周期性调整。ECU 及时调控给予执行器调节指令，使发动机转速维持在目标转速附近，实现怠速稳速。
实际上电控汽油发动机一方面适当提高怠速转速，以降低废气排放；另一方面还经由调整空气量与燃油的匹配，将怠速转速控制在某一较为稳定的水平上，使系统的控制有较大的裕度，以适应复杂的外部环境。
微机控制的ISC 会对系统采取转速反馈控制，如图4所示。正常车辆行驶时，
为了避免怠速转速反馈控制与驾驶
图3 发动机转速与NOX 排放的关系曲线
员通过油门踏板操作引起的空气量调节发生冲突或干扰，ISC 须确认节气门全部闭合的信息和车速信息等，仅在怠速状态确认无误的条件得以满足，方会实施怠速反馈控制
。
图4 ISC 系统的闭环控制
发动机起动后，控制暖机过程、控制负荷变化及预控制电动负荷变化等诸项内容，这些以往另有专用装置来实现的功能，现皆可纳入ISC 来完成，既减少了零部件，也使发动机结构更简化、紧凑，提高可靠性。2.2 ISC 的功能与组成
汽车专用微机控制器ECU（Electronic Control Unit 电子控制单元，亦称车载电脑）是发动机怠速控制的核心。ISC 的原理便是ECU 依据发动机的工作温度与负载情况，如图4显示的控制过程。发动机怠速控制可分稳速控制和提速控制两类，其核心内容是发动机怠速时负载变化的控制与电器负荷的控制。维持发动机稳定地怠速运转，其根本手段是调节控制怠速工况下的进气量（空气供给量）。在实现发动机稳定运转之同时排放须符合要求，而发动机的怠速转速要维持在低位的目标转速；同时，让起动后的发动机能快速暖机，将过渡过程收缩至最短。ISC 系统及其控制电机在车内的相对位置如图5所示
。
图5 ISC 系统及控制电机在车内的相对位置
一个完备的电子控制发动机自有成熟的体系系统，而怠速控制系统仅是其架构中的一个子系统。表1列出了ISC 系统中各组件、元器件的功能。ECU 一般并不单独装置，而是与燃油喷射系统、点火系统共用，这不仅提高控制精度，也使系统简化。
2.3 起动及ISC 的怠速控制信号与控制过程
ISC 可分6类过程和状态，有不同的控制策略：①起动初始位置的设定。断开点火开关，当发动机熄火后控制枢纽电路接收到点火开关在OFF 的位置信号时，ECU 利用备用电源输入端提供的电压控制，此时，主继电器因系统程序的设
定，受ECU 的M-REL 端子延续供电2～3s，系统会控制指令
执行机构步进电机的怠速控制阀ISCV 处于全部打开的状态，以备下一次起动时有较大的进气量。②起动过程中的控制。因发动机起动前，ECU 已把怠速控制阀的初始位置设定在最大开度处，即ISCV 呈全开状态，起动顺利。但起动后，这样过大的进气量会造成发动机转速过高，ECU 随即跟进调控。在起动过程里，若发动机转速已达到由冷却液温度确定其对应的转速时，ECU 会控制步进电机使怠速控制阀阀门关小，至冷却液温度相对应的ISCV 的开启度，确定进气量多寡。③暖机过程的控制。该过程ECU 控制ISCV，从起动后ISCV 开度渐渐关小，到冷却液温度达到70℃左右时，暖机过程结束，此时怠速控制阀将恢复至正常怠速开度位置。ISC 系统会不时根据冷却液温度变化来微调进气量大小，使发动机在温
度变化的情况下实时保持稳定的转速。④负载增大及转速变化的预测怠速控制。当汽车上使用电器增多时，如打开空调、打转向、挂挡开前照灯、启动冷却风扇或冷车实现快速加热等，即引起电源系给定电压降低，发动机负荷也增大，为保证ECU 的B+端有正常供电电压，需相应增加进气量，提高发动机怠速转速。必须提速来实现发动机怠速工况下的稳定性，ISC 应相应增大进气量提高怠速转速，一般提速的增量
表1 各组件、元器件在怠速控制系统中的功能
组件与元器件名称功能
发动机控制模块ECU
将发动机实际转速与各传感器输入信号所决定的目标转速进行比较，根据其得出的差值确定相
当于目标转速的控制量，去驱动控制空气量的执行机构，使怠速转速保持在目标转速之上
传感器 曲轴位置传
感器CKP
检测发动机转速（Nc信号）
节气门位置
传感器TPS
检测发动机处于怠速状态
冷却液温度
传感器ECT
检测发动机冷却液温度
起动开关信
号STA 检测发动机正在起动中
空调开关（A/C）
检测车载空调的工作状态（ON/OFF）
车速传感器
VSS
检测车速汽车尾气处理装置图
空挡起动
开关信号（P/N）
检测换挡手柄位置 动力转向开
关信号PS
检测动力转向工作状态
液力变矩器
负荷信号HTCL
检测液力变矩器负荷变化
发电机负荷
信号GL
检测发电机负荷变化
执行器 怠速空气控
制阀ISCV
控制节气门旁通空气通道
步进电机执行元件的动力源
为200～400 r/min。怠速工况下，空挡起动开关、空调开关等接通或断开皆是发动机怠速负荷变化之动因，怠速转速会有不同程度的较大波动。为了将怠速转速受到负荷变化的影响降至最低，ECU须在收到上述开关量信号、发动机转速变化出现前，就控制怠速控制阀ISCV预先把该阀门开大或关小一个恰当的开/关度的增量。⑤学习控制。发动机长期使用过程中机械零部件性能因磨损而会有所变化，此时怠速控制阀位置与原始设置时虽然并未变化，但实际对应的怠速转速值也会偏离初始值。这时ECU除用反馈控制使怠速转速控制在
目标转速值附近，还须将此时作为执行机构的步进电机转过的步距角的信息Δα储存于备用的存储器，供
以后怠速控制之用。 ⑥怠速反馈控制。当暖机过程结束或ECU检测到节气门全关的信息，且车速低于2 km/h时，ISC系统进入怠速反馈控制。发动机怠速工况下，若其实际转速与ECU所存储的目标转速的差值超过规定值（如20 r/min），则ECU即控制指令怠速转速阀增减旁通空气量，力促发动机实际转速与目标转速的差值比允许的规定值更小。
目标转速与发动机怠速工况时的负荷密切相关，因对应的空调是否使用、空挡起动开关是否接通、用电器的多或寡等不同状况，目标转速各有不同。
怠速控制首先需做怠速状态的判定。满足如下输入信号时才起动进入怠速控制工况——即实现怠速控制的时机。在怠速控制系统中，ECU需要依据节气门位置与车速信号等信息来判断并确认怠速工况。注意，仅在当节气门全关，且车速指零时方可进入怠速控制。即发动机怠速需满足下述两个充要条件：节气门关闭，节气门位置传感器的怠速触点呈闭合状态，而传感器输出端子IDL输出呈低电平。此时如果车速为0，表明发动机处于怠速状态；若车速非0，表明发动机处于加减速变化之过渡状态。
图6展示从拧转发动机钥匙起动发动机，由“快怠速→稳定怠速（反馈控制）→怠速提速”的3过程，绘出发动机转速对应时间变化的函数曲线。怠速提速是因负荷的变化，如启用空调、动力转向和液力变速器，开前照灯、风窗、加热器、尾灯等。图6中未能绘出的学习控制是应对磨损后等原因对ISCV阀位置作自我修正。
系统的执行元件其核心任务是调节进气量使发动机怠速转速达到所确定的最佳目标转速。
ECU从存储器存储的怠速转速的信息数据中查询相应的目标转速n后，将目标转速与曲轴位置传感器检测到的发动机实际转速进行比对。当发动机负荷增大，需要发动机快怠速运转，若目标转速高于实际转速，ECU将控制怠速控制阀增大旁通进气量来实现快怠速，提高怠速转速，以防发动机熄火；而当发动机负荷减小，目标转速低于实际转速时，ECU将控制怠速控制阀减小旁通进气量，来调节怠速转速，使之降低若干。
节气门位置传感器相连的怠速触点闭合是节气门完全关闭的信号，ECU得到该信号，即可判定已进入怠速工况。此时，ECU接收到的发动机转速信号若低于怠速转速的范围，ECU会发出指令加大ISCV开度；反之，减小ISCV 开度，调整阀的进气量，提高发动机转速。怠速转速的反馈控制功能确保怠速工况下的发动机以正常怠速转速运转。图7绘出了节气门开度与传感器电压关系
。
图7 节气门开度与位置传感器电压标定图
图8展示了ISC系统发动机新的目标转速的重建流程。 当发动机温度偏低或负荷增大时，由ECU控制的ISC 将获取的各类信号输送至ECU的逻辑电路进行运算，比较电路将它们与基准信号对比，输出补偿修正信号，驱动ISCV，增加开度，提高怠速转速，防止怠速不稳乃至熄火。通常，开启空调、动力转向或自动变速器工作时，
怠图8 ISC
系统发动机新的目标转速的重建
图6 怠速控制ISC的3个过程
速转速会自动调整提高100 r/min。
3 怠速控制阀的结构与控制原理
图9是福特汽车的怠速空气控制阀。ECU 操控怠速控制阀如图10所示。
3.1 怠速控制阀的类型与结构
发动机进入怠速运转工况，ECU 会根据各传感器的信号来控制执行电机的转向和转动进给量Δα，以改变节气门最小开度限制器的位置，从而操控节气门的最小允许开度，实现对怠速进气量进行控制的目的。故怠速控制的实际操作是对怠速工况下的进气量的控制。怠速控制阀是怠速控制的执行器。其驱动源可分为4种：①三线的旋转式电磁阀，由两组线圈和一个阀芯组成。对两组线圈脉冲电流的不同占空比进行控制，便有不同的磁场强度，使阀芯在90º转角范围内转动至某一位置，实现阀门开度控制。丰田车系多用此型。② 两线的伸缩式电磁阀，由一组线圈和阀芯组成。发动机控制单元向线圈通以不同的脉冲电流，控制线圈绕组的场强，使线圈内部的阀芯驻留于某一动态位置，达到怠速所要求的进气量，控制怠速转速。如图10所示。③两线直动电机式电磁阀，安装在主气道节气门上，其转动方向和停
留位置由电机反馈信号决定，直接推动节气门翻板来控制怠速工况进气量。此电磁阀取消了旁通气道。用于大众的部分系列和韩国现代。④永磁步进电机式电磁阀，因其控制精度高，控制量程大，相对直动电机式可省略减速装置，呈示先进性，成为当代怠速控制执行器
主流。
图11是步进电机式怠速控制阀。步进电机的转子是直径约Ф30的永磁体，圆周外表面均布充磁有8对N、S 的磁极；定子有32个爪极。每转一步为1/32圈。定子分为A、B 两段，两组集中线圈包围着由导磁材料冲压成型的8对爪极。爪极的极性由微机控制装置输出的定子绕组的电脉冲来决定，进行爪极极性的变换。A、B 两定子绕组分别由1、3和2、4两相绕组构成，由ECU 内晶体三极管控制各相绕组搭铁。定子磁场顺时针转动，定转子磁场相互作用，转子随定子磁场同步步进转动。若绕组控制脉冲依相反顺序通电，即可改变转子的转向。
常见的轿车如别克、福特、凌志东风、凌志风度、奥迪A 6和三菱都采用步进电机驱动控制的怠速控制阀（ISCV），由步进电机驱动控制的机械阀门使发动机的ISC 得到高精度的控制。
3.2 步进电机控制的特点
怠速控制阀的永磁步进电机，每一电流脉冲使转子转动一个角度，称为步距角。转过1/32圈，如一步为
11º，每周为32步；调节速率可达每秒160次（如日本丰田皇冠3.0轿车）；工作范围为0～125步进级，约为4周。阀门由全开至全关闭，升程为10 mm，转子需125步距，即怠速控制阀有125种不同的开启位置，故能对进气量进行充分精确的调节控制。
步进电机式怠速控制系统其控制项目内容有起动预控制、起动控制、暖机控制稳定怠速反馈控制、发动机负荷变化预控制、电器负荷增大时的怠速控制和学习控制等多种，判定自动变速器是否在空挡，动力转向开关接通，保证各种怠速条件下稳定运行。
学习控制是指ECU 的存储器在工作过程中步进电机不同的正反转步数相对应控制阀的开度的记录。而发动机随运行时间的积累使用性能和技术状态会发生变化，ECU 通过反馈控制使怠速转速与设定的目标值保持一致，还能直接调用存储器里往昔的经验数据。起动初始位置的确定是应对改善发动机的再起动性能。点火开关进入关闭状态后，ECU 控制ISCV 处于全开位置（步进电机处于125步级），供下一次起动作准备。故前一次运转结束，点火开关断开后不得即时停止对ECU 与步进电机供电（
至少延时
图9
福特汽车的怠速空气控制阀
图10
步进电机式怠速控制系统
图11 步进电机式怠速空气控制阀
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