丰田汽车发动机怠速不稳的故障诊断和排除Word格式.docx

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1.绪论

发动机怠速是指油门踏板完全松开，转速保持在最低可能水平的状况。

在汽车使用中，发动机怠速运转的时间约占30%，怠速运转的高低直接影响燃油消耗和排放。

怠速转速过高，会增加燃油消耗，但怠速转速过低，又增加排放污染。

此外，怠速转速过低，发动机冷车运转、空调打开、电气负荷增大、自动变速器挂入档位、动转向时、运行条件较差或负荷增加，容易导致发动机不稳甚至熄火。

在传统的化油器式发动机上，一般由人工调整怠速。

发动机工作时，不能根据运行工况和负载的变化适时调整怠速转速。

虽然有些设置控制发动机怠速转速，但其结构比较复杂，且工作稳定性也比较差。

随着电控技术在汽车上的广泛应用，怠速控制已经成为发动机集中控制系统的基本控制之一。

怠速控制的目的是在保证发动机排放要求且运转稳定的前提下，尽量使发动机的怠速运转保持最低，以降低怠速时的燃油消耗量。

在除了怠速以外的其他工况，驾驶员可以通过油门的控制节气门的开度，改变发动机的进气量，从而调节发动机的转速和输出功率。

而油门踏板完全松开的怠速工况下，驾驶员则无法控制发动机进气量。

电控汽油发动机控制系统在怠速工况时，空气通过怠速控制系统进入发动机，保证发动机不同怠速时刻的进气量的要求，保证发动机的怠速运转。

本文对丰田汽车发动机怠速不稳故障从实际出发进行研究，研究成果将指导生产工作。

2.丰田汽车怠速不稳的原因分析

2.1原因分析

怠速控制原理按照正常的理论来分析，由于有怠速控制阀的控制是不应该有多余的气体进去，即使有某种原因有多余气体进去，怠速控制阀根据目标转速要减小怠速通道的进气量来达到稳速目的。

怠速控制系统出现故障导致怠速不稳。

怠速控制中的一个功能是怠速提速功能。

为了维持发动机转速的稳定性需要怠速提高的情况主要有下列情况：

一是水温较低时，当有负荷信号输入ECU时，均会在提高一定的转速，以维持发动机的稳定性和快怠速的目的。

二没有得到空调开关、转向开关、挂挡开关、蓄电池电压和大电流用电器等信号输入ECU，会造成怠速不稳。

怠速控制阀的开量数据是随实际情况而改变的。

在长期的工作中节气门体和怠速控制阀本身有脏物堵塞使进气通道变小，导致怠速过低，进而引起怠速不稳。

由于传感器信号错误导致怠速控制出现偏差，引起发动机怠速不稳

ECU失控状态或根本不在怠速控制状态下，也会造成怠速不稳。

由于进气量不正常，导致怠速混合气过稀，最终引起怠速不稳以及排气管堵塞导致进气不良，引起怠速不稳。

由于火花塞、高压线、喷油器等原因导致部分缸工作不良，引起怠速不稳。

2.2本章小结

导致怠速不稳的原因总分析主要有怠速控制系统的传感器、开关等原因；

怠速控制系统的执行原件原因；

ECU原因。

以及混合气过稀原因；

发动机单缸工作不正常原因。

3.怠速控制系统的故障诊断与排除

3.1怠速转速控制的实质

怠速控制就是怠速转速的控制。

怠速控制内容主要是发动机负荷变化控制和电器负荷变化控制。

怠速控制的实质是控制怠速时的充气量（进气量）。

当发动机怠速负荷增大时，增大进气量，使怠速转速提高，防止发动机运转不稳或熄火；

当发动机怠速负荷减小时，减少进气量，使怠速转速降低，以免怠速转速过高。

对于怠速时的喷油量，则由电脑根据预先设定的怠速空燃比和实际充气量进行控制。

3.2怠速控制系统组成

怠速控制系统的组成由各种传感器、信号开关、怠速执行机构（执行器）、发动机控制单元组成。

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，这两个信号用来判断发动机是否处于怠速状况。

发动机怠速时，节气门关闭，节气门位置传感器的怠速触点闭合，传感器输出怠速端子输出低电平信号，如车速为零，说明发动机处于怠速状况；

如车速不为零，说明汽车处于减速滑行状况。

冷却液温度信号用于修正怠速转速。

在电脑内部，存储有不同水温对应的最佳怠速转速，在冷车启动后的暖机过程中，电脑可根据发动机温度信号，通过控制怠速执行机构的开度来控制相应的快怠速转速，并随着发动机冷却液温度提高逐渐降低怠速转速。

当冷却液温度达到正常工作温度时，怠速转速恢复正常转速。

空调开关、动力转向开关、空挡启动开关信号和发电机电压信号等，向电脑提供发动机负荷变化的状态信息。

在电脑内部，存储着不同负荷状况下对应的最佳怠速转速。

发动机电控单元根据各种传感器输入的信号，把发动机实际转速与各种传感器信号所确定的目标怠速进行比较，根据比较得出的差值，输出相当于目标怠速的控制量，驱动怠速执行机构，使实际怠速保持在目标怠速附近。

怠速执行机构控制怠速时的进气量，进而达到控制怠速转速。

3.3怠速控制过程

在发动机怠速状况下，但空调开关、动力转向开关灯接通或空挡启动开关断开时，发动机负荷就会增大，转速就会降低。

如果转速降低过多，发动机就可能熄火，会给车辆使用带来不便。

因此，在接通空调开关或动力转向开关之前，需要先将怠速转速提高，防止发动机熄火。

当空调开关、动力转向开关等断开或空挡启动开关接通时，发动机负荷又会减少，转速就会升高，不仅油耗会增大，而且也给汽车驾驶带来一定困难（起步前冲，容易导致汽车追尾）。

因此在断开空调开关或动力转向开关之后，需要将怠速转速降低，防止怠速过高。

另外，当电器负荷增大时，电气系统的供电电压就会降低，如果电源电压过低，就会影响电控系统正常工作和用电设备正常用电，因此在电源电压降低时，需要提高怠速转速，以便提高电源电压。

怠速转速控制过程如图1所示。

图1怠速控制过程

电脑首先根据怠速触点信号和车速信号，判断发动机是否处于怠速状况，当判定为怠速工况时，再根据发动机冷却液温度传感器信号、空调开关、动力转向开关等信号，确定发动机负荷状况。

然后根据存储器存储的怠速转速，确定相应的目标转速，并将目标转速与曲轴位置传感器检测的发动机实际转速进行比较。

当发动机负荷增大，需要发动机快怠速运转，目标怠速高于实际转速时，电脑将控制怠速装置增大进气量来实现快怠速；

反之，当发动机负荷减少，目标转速低于实际转速时，电脑将控制怠速装置减少进气量来调节怠速转速。

3.4传感器的检测与诊断

怠速控制的系统的组成中的传感器与开关主要有：

水温传感器、节气门位置传感器、氧传感器、空调开关、动力转向开关、发动机转速传感器等。

3.4.1冷却液传感器的检测与诊断

冷却液温度传感器安装在发动机冷却液出水管上，其功用是检测发动机冷却液的温度，并将温度信号转变为电信号。

当出现冷却液温度传感器故障时，发动机ECU按照80℃水温进行供油，在实际冷却液温度很低的情况下，而实际供油量按照80℃水温进行供油，将会造成怠速过低而怠速不稳；

如果发动机的冷却液实际温度为100℃，但传感器提供的温度信号在10℃，那发动机控制单元将按照10摄氏度供油，本来应该为少而稀的混合气将变成多而浓的混合气，将导致发动机怠速过高，并且有可能冒黑烟。

冷却液温度传感器采用负热敏电阻元件制成，对于其的检测可拆下冷却液温度传感器，在容器中放入冷却液并放入温度计，再将传感器下部放入冷却液中，用万用表测量低温下传感器的电阻值，再将冷却液逐渐加热，测量不同温度下的传感器的电阻值，电阻值应符合要求，如不符合，应予更换。

3.4.2节气门位置传感器的检测与诊断

节气门位置传感器主要给ECU输入怠速信号，如果此时根据车速传感器提供的车速为零，确认发动机处于怠速工况。

丰田汽车主要采用线性输出型节气门位置传感器，传感器电路如图2所示。

图2

传感器有两个与节气门联动的滑动，利用变化的电阻值，测得与节气门开度对应的线性输出，根据输出的电压值，可知节气门开度。

另一个滑动触点在节气门全关闭时与怠速触点IDL接触。

IDL信号主要用于怠速控制。

ECU通过VC端子给传感器提供5V标准电压，节气门位置信号通过VTA端子输送给ECU,E2端子接地。

当节气门位置传感器器出现故障时，ECU无法确认发动机工况，不能精确控制喷油量，导致发动机怠速不稳。

节气门位置传感器的检测检测：

节气门位置传感器限位杆与调整螺钉之间的间隙，当间隙为0.60mm时，IDL与E2端子导通；

当间隙为0.80mm时，IDL与E2端子不导通。

否则不能够正常提供怠速信号。

导致发动机不能按照怠速工况供油而造成怠速不稳，特别的是在驾驶员松开油门的时刻，但发动机ECU没法接受到怠速信号，控制控制装置不能自行对发动机怠速转速进行控制，很容易造成发动机怠速不稳，甚至熄火。

3.4.3车速传感器的检测与诊断

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IDL端子低电平信号，如车速为零，说明发动机处于怠速状态；

如车速不为零，说明汽车处于减速滑行状态。

车速传感器信号通常安装在组合仪表内或变速器输出轴上。

丰田轿车主要采用舌簧开关式车速传感器，ECU给车速传感器提供12标准电压并进行监控，舌簧开关控制搭铁，当舌簧开关闭合使电路接通时，传感器便产生一个脉冲信号输送给ECU。

在维修时，检测传感器电源电源电压是否正常，测量车速传感器输出的信号电压（信号输出端子与搭铁间），车速表软轴每转一圈应产生4个脉冲信号，信号电压约12V蓄电池电压，如果不符合，应予更换。

3.4.4氧传感器的检测与诊断

现代丰田轿车基本都装有两个加热型氧传感器，在汽车排气管上的三元催化器前面和后面的排气歧管或排管内各设有一个氧传感器，三元催化器前面的氧传感器检测排气中的氧气含量，向发动机ECU反馈相应的电压信号，ECU根据氧传感器反馈的信号确定实际空燃比与理论空燃比的偏差，根据偏差确定喷油量应增加或减少，使实际空燃比被精确地控制在设定值；

三元催化器后面的氧传感器主要是监控三元催化器的工作情况。

在发动机的闭环控制过程中，正常的氧传感器电压应该为0.1-0.9V，当实际空燃比比理论空燃比小时，氧传感器向ECU输入的高电压信号（0.75-0.9V），此时ECU减小喷油量，空燃比增大，混合气偏稀。

当空燃比增大到理论空燃比时，氧传感器输出电压信号降下到0.1左右，ECU立即控制增加喷油量，空燃比减小。

如果氧传感器的电压信号出现总是偏高的错误，导致发动机的混合气过稀，在怠速工况下，将会导致发动机怠速不稳。

氧传感器的检测与诊断：

氧传感器的失效原因主要有两种：

一是已经使用过期；

二是铅中毒、二氧化硅中毒或积碳等。

首先可以对氧传感器的加热电阻进行检查，对加热型氧传感器，拔下线束插头，用万用表电阻挡测量加热接线柱与搭铁接线柱之间的电阻值，应符合规定值，若不符合，则应该更换氧传感器，加热电阻值应为5.1-6.3Ω（20℃）。

也可以对氧传感器输出信号检查。

连接好传感器线束连接器，使发动机以较高转速运行，将氧传感器工作温度加热到400℃以上时再维持怠速运转。

然后反复踩动加速踏板，并测量氧传感器输出信号电压，在加速工况时，应输出高电压信号（0.75-0.9V）；

而减速工况时，则应输出电压信号（0.1-0.4V）。

若不符合应该更换氧传感器。

3.4.5空调开关的检测与诊断

空调开关提供空调是否工作的信号，如果在空调工作时不能准确将空调工作情况信息发送给ECU，发动机无法实行怠速提高，将会造成在空调工作时，发动机怠速不稳。

空调选择、请求信号电路如图3所示。

图3

在发动机工作时，将空调开关闭合，ECU的空调选择端电位应该为12伏高电平型号，否则说明空调开关信号有问题，将导致发动机没有提高发动机转速。

3.4.6动力转向开关的检测与诊断

动力转向开关信号表示动力转向开关接通使发动机负荷增大的信号。

发动机ECU得到动力转向开关信号后，将控制怠速控制执行器动作，使发动机转速升高，保证发动机怠速平稳，否则在转向时将会引起发动机怠速不稳。

动力转向开关电路如图4所示。

图4

在发动机工作状况，进行转向动作，动力转向开关闭合，ECU的10端子将为零伏的低电位；

不进行转向动作，动力转向开关打开，ECU的10端子将为12V的高电位，由此判断是否在进行转向，以便提高发动机怠速，防止发动机怠速过低，导致发动机怠速不稳。

也可用万用表检测，在转向时动力转向开关的应导通，否则说明该开关有故障。

3.5丰田汽车怠速执行机构检测与诊断

丰田汽车怠速控制方式有节气门旁通空气道控制和节气门直接控制式两种，前者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；

后者直接操纵节气门来调节进气量，节气门采用的是电子节气门，现阶段新的丰田多为电子节气门直接控制。

3.5.1节气门旁通空气道式怠速执行机构检测与诊断

现阶段在用的车里，丰田轿车旁通空气道式的怠速控制执行机构主要步进电机型怠速控制阀和旋转电磁阀型两种怠速控制阀。

3.5.1.1步进电机型怠速控制阀及其控制电路

步进电机式怠速控制阀如图5所示。

步进电机和怠速控制阀做成一体，装在旁通空气道上，电机可顺时针或逆时针旋转，使阀沿轴向移动，改变阀与阀座之间的间隙，以调节流过节气门旁通气道的空气量。

典型的步进电机型怠速控制阀结构由永久磁铁构成的转子、激磁线圈构成的定子和把旋转运动变成直线运动的进给杆及阀门等组成。

利用步进转换控制，使转子可以正转，也可以反转，从而使阀芯上下运动达到调节旁通空气道截面大小的目的。

图5

（a）、控制阀的结构与工作原理。

如图6所示为步进电机式怠速执行器的结构和安装示意图。

图6

如果负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值，就能够在一刹那间使步进电机启动或停转。

一般步进电机的步进频率为每秒200-1000步，如果步进电机是以逐渐加速到最高转速，然后再逐渐减速到零的方式工作，其步进速率增加2-4倍，仍然不会失掉一步。

步进电机的转子是用永磁铁制成的8对磁极。

定子由A、B两个定子组成，每个定子由两个带有16个（8对）爪极的铁芯如图4所示上下交错的1、3相绕组构成。

相线脉冲由微机控制。

转子的转动是通过改变4组线圈的通电顺序来实现。

当相线控制脉冲1-2-3-4相顺序依次迟后90°

相位角，定子上N极向右移动，转子随之正转；

反之，相线控制脉冲1-2-3-4相顺序依次超前90°

相位角，定子上N极向左移动，转子反转。

线圈通电，定子被激磁，定子和转子磁极间同极性相斥，异性相吸引，在磁场作用下，转子转动一步级的工作过程。

转子转动一圈分32个步级进行，每个步级转动一个爪，即步进电机每转一步为1/32圈，工作范围为0-125个步进级。

（b）、控制阀的控制内容

a）、启动初始位置的设定

为了改善发动机的启动性能，关闭点火开关使发动机熄火后，ECU的M-REL端子向主继电器的线圈供电延续2-3S。

在这段时间内，蓄电池继续给ECU和步进电机供电，ECU使怠速控制阀回到启动初始位置。

待步进电动机回到启动初始位置后，主继电器线圈断电，蓄电池停止给ECU和步进电机供电，控制阀保持全开状态，为下次启动有足够的进气量做好准备。

b）、启动控制

发动机启动时，由于控制阀预先设定在全开位置，有利于发动机启动。

但控制阀如果始终保持在全开位置，发动机启动后的怠速转速就会过高，所以在启动期间，ECU根据冷却液温度的高低控制步进电机，调节控制阀的开度，使之到启动后暖机控制的最佳位置。

怠速控制阀的位置随着水温的关系而变化，水温高，控制阀的开度小。

c）、暖机控制

暖机控制又称快怠速控制，是指在启动后水温的温度到80℃的过程。

ECU根据冷却液温度信号按内存的控制特性控制怠速控制阀的开度，随温度的上升，怠速控制阀开度逐渐减小。

当冷却液温度达到80℃时，暖机控制过程结束，发动机的怠速转速应该达到一个正常的转速。

d）、怠速稳定控制

在怠速运转时，ECU将接收到的实际转速信号与确定的目标转速进行比较，其差值超过一定值（一般为20r/min）时，ECU将通过步进电机控制怠速控制阀，调节怠速工况下的进气量，使发动机的实际转速与目标转速相同。

怠速稳定控制又称反馈控制。

e）、怠速预测控制

发动机处于怠速工况时，如变速器档位、动力转向、空调工作状态发生变化都将使发动机的转速发生可以预见的变化，ECU就会根据各负载设备开关信号（A/C开关等），通过步进电机提前调节怠速控制阀的开度。

f）、电器负荷增多时的怠速控制

发动机处于怠速工况时，如使用的电器负载增大到一定程度，发电机的供电不足，将会使用到蓄电池的电，导致蓄电池电压就会降低。

为了保证电控系统正常的供电电压，ECU根据蓄电池电压调节怠速控制阀的开度，提高发动机的怠速转速，以提高发动机的输出功率，保证发电机的供电。

g）、学习控制

在发动机使用过程中，由于磨损或赃等原因会导致怠速控制阀的性能发生改变，怠速控制阀的位置相同时，如果在相同的水温和负荷下，还是按照原来的控制阀的位置，但实际的怠速转速会与设定的目标转速略有不同。

在此情况下，ECU在利用反馈控制使怠速转速回归到目标值的同时，还可将此时步进电机转动步数存储在存储器中，以便以后的怠速控制过程中使用。

比如进气门进行清洗后，如果不进行自学习或匹配，发动机怠速将会出现不正常。

（c）、怠速执行机构的结构及其电路的检测与诊断

丰田轿车怠速控制电路如图7所示

图7

a）、就车检查。

当发动机熄火时，怠速控制阀在ECU的控制下，会回到初始位置，发出“咔嗒”的响声。

如听不到响声，说明怠速控制阀不能进行工作，应对其及其电路进行检测。

b）、步进电机式的怠速控制有2组或4组线圈，各组线圈的阻值约30-60Ω。

如电阻值不符合规定，应给予更换新品。

c）、检查步进电动机式怠速控制阀工作的情况。

将蓄电池电源以一定顺序输送给步进电动机各线圈，便可使步进电动机转动。

不同步进电动机的线圈形式和接线端的布置形式有所不同。

以丰田CROWN3.0轿车2JZ-GE发动机怠速控制步进电动机为例，其检查方法是：

将蓄电池正极接至B1和B2端，负极按S1→S2→S3→S4的顺序依次接触各线圈接线端。

此时随步进电动机的转动，阀心将向外伸出，若按S4→S3→S2→S1的顺序使蓄电池负极和各绕组接线端接触，步进电动机将朝相反的方向转动，阀心将随之向内缩入，如图8所示。

如阀芯不能移动，说明控制阀失效，应予更换新品。

图8

d）、检查步进电机控制阀的工作电压。

将怠速控制安装到节气门体上，插好连接器插头。

启动发动机后，检测ECU的端子ISC1、ISC2、ISC3、ISC4与E2之间（或检测怠速控制阀连接器端子S1、S2、S3、S4与搭铁之间）应该有9-14V脉冲电压。

如无电压再检查电源电压和主继电器电是否正常工作。

3.5.1.2旋转电磁阀型怠速控制阀检测与诊断

（a）、旋转电磁阀的结构与工作原理

旋转电磁阀式怠速控制阀又称永磁磁极步进电机式怠速控制阀。

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界限插座上，三线插座通过线束与电脑连接。

控制阀与电脑的连接情况如图9所示。

线圈L1与电脑内部的三极管T1连接，脉冲控制信号经过反向器加到T1的基极；

线圈L2与电脑内部的三极管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，阀体将顺时针转动；

反之，当脉冲信号的低电平来到时，三极管T1接通、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称为顺顺时针线圈，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。

图9

因为这种怠速控制阀的转角范围限定在90°

以内，所以步进电机的步进角必须很小才能满足旁通进气量控制进度的要求，因此采用了占空比的方法来控制步进电机顺转或逆转。

占空比Rc是指一个信号周期T内，高电平时ton所占的比率，如图10所示

图10

（a）占空比等于50%；

（b）占空比小于50%；

（c）占空比大于50%

当占空比等于50%时，线圈L1、L2的平均通电时间相等，产生的电磁力矩相互抵消，电枢轴与滑阀将保持在某一位置不同，当发动机怠速稳定后，将采取该种占空比进行控制。

当占空比小雨50%时，线圈L1的平均通电时间增长，L2的平均通电时间缩短，线圈L1产生的电磁力矩克服L2产生的电磁力矩而带动电枢轴与滑阀沿逆时针方向转动，使旁通空气道开启面积减小，旁通进气量减小，发动机的怠速转速将降低。

当控制信号的占空比小到18%左右时，旋转滑阀完全关闭。

当发动机在启动后的暖机过程，怠速转速逐渐减小，将采用该种占空比进行控制。

当占空比大于50%时，线圈L1平均通电时间缩短，L2的平均通电时间增长，线圈L2产生的电磁力矩将克服L1产生电磁力矩而带动电枢轴与滑阀沿顺时针方向转动，使旁通空气道开启面积增大，旁通进气量增多，发动机怠速转速将升高。

当在发动机怠速稳定后，发动机负荷增加，应采用该种占空比进行控制，提高发动机怠速转速。

当占空比增大到82%左右时，旋转滑阀完全开启。

（b）、旋转电磁阀的控制内容

旋转电磁阀型怠速控制系统的控制内容主要包括启动控制、暖机控制、怠速稳定控制、怠速预测控制和学习控制，具体内容与步进电机式空气怠速控制系统基本相同。

（c）、旋转电磁阀的检测与诊断

拆下怠速控制阀线束连接器，将点火开关转到“ON”位置但不启动发动机，在线束侧测量﹢B电源端子与搭铁之间的电压，应为蓄电池电压（9-14V）,否则说明怠速控制阀电源电路有故障。

检测电枢绕组电阻。

断开点火开关，拔下怠速控制阀连接器插头，用万用表检测插座上电枢绕组电阻值应当符合规定。

正常值应该为18.8-22.8Ω，否则应更换该怠速控制阀。

检查步进电机工作情况。

从节气门体上拆下怠速控制阀，将导线将端子2连接蓄电池正极，然后依次将端子1、3与蓄电池负极连接，