《空燃比闭环控制》PPT课件.ppt

2.8 空燃比闭环控制 开环控制时 ECU并不知晓执行器执行指令 后的实际效果； 而闭环控制时 ECU通过传感器监测指令执 行后某一个特定参数的变化，并将该参数 的实测值与设定值对比，在两者不一致时 调整指令使之达到一致。 故凡闭环控制，必有一个控制对象，即控 制参数；还有一个控制目标，即控制参数 的设定值。 闭环控制的控制参数就是燃油与空气温合 气的过量空气系数 ， 控制目标是 =1附近的一个小范围。 Motronic在怠速和部分负荷时可实行 环控 制，其他工况皆为开环控制。 1、 闭环控制的调节范围和激活的 必要条件 汽油机排放的有害污染物主要 是 HC、 CO和 NOx。目前汽油 机排放污染物治理手段中最重 要的是利用三效催化转化器净 化。 净化后的废气有害物质的浓度 与过量空气系数 密切相关。随 着 的增大，净化后残余的 HC 和 CO浓度降低，但 NOx浓度上 升。 只是在 为 0.99 1.00 的一个小 区域内才能使三种有害物质同 时得到最大限度的净化。这就 是 环控制的调节范围。 只有在怠速和部分负 荷工况范围，而且结 束暖机以后，才能激 活 闭环控制。 2、氧传感器 氧传感器用于测定废气中的过量空气系数 。 定义为燃油和空气的混合气中实际空气里和由所 含燃油量决定的理论当量空气量之比。 =1意味着充分燃烧后燃油与空气均无过剩； 1则氧过剩，混合气过稀； 1则氧不足，混合气过浓。 由混合气中各种原子数量的比例决定。燃烧过程 不改变这个比例，故从废气中测定的 ，不论燃烧 是否完全，都与未燃时在混合气中测定的 一样。 目前普遍使用的氧传感器只能判断是 1， 还是 1，却无法测定 的具体数值。 不过已开始生产能测定 具体数值的氧传感 器，用于稀薄燃烧发动机。 1）管式氧传感器原理 氧传感器按带固态电解质 的氧浓度原电池的原理工 作（ Nernst原理）。 其核心元件是用二氧化锆 制成的传感陶瓷管 1。 传感陶瓷管不透气，用氧 化铱作过稳定化处理。 传感陶瓷管的内外表 内部涂有一薄层透气 的多孔铂， 它一方面因其催化作用 而影响着传感给输出特 性， 另一方面由于电接触， 构成两个电极 2。 传感陶瓷管突入排气气流 中，所以在它外表面的铂 涂层上再涂一层高孔隙度 的陶瓷保护层 6。 这层加固层防止了铂催化 层遭受废气中沉积物的腐 蚀和侵蚀，确保了传感器 的长期稳定性。 传感陶瓷管的内表面与新鲜空 气相通，外表面被废所包围， 两边的氧浓度度相差悬殊。 但汽油机废气中总是存在残余 氧的，即使在燃油过剩的情况 下也不例外。例如 =0.95时 残余氧达到约 0.1 0.3的 体积百分比。 多孔铂电极的催化作用使得废 气中的 CO、 HC和 H2在电极表 面上同残余氧发生化学反应， 使之趋向理论当量的平衡，以 致残余氧的最终浓度跟燃烧完 全与否无关。而仅仅取决于 。 传感陶瓷管内外表面上的氧浓 度差别促使内表面上的氧原子 放下 2个正电荷变成带 2个负电 荷的氧离子，通过扩散穿越多 孔的、由二氧化锆制成的传感 陶瓷管（故称固态电解质）到 达外表面，将 2个负电荷留在外 表面，成为氧原子进入废气中。 所以：内表面带正电，成为正 极；外表面带负电，成为负极。 两极之间的电位差使是氧传感 器的信号电压。 信号电压的高低取决于传感陶 瓷管内外表面之间氧浓度之差， 即取决于外表面上废气经完全 催化处理之后残余氧的浓度， 而残余氧浓度又是废气 值的函 数。 从 1的稀混合气（高残余氧） 过渡到 1的浓混合气（极低 残余氧），则残余氧浓度突变 达 10的几次方幂倍。所以在 =1 附近信号电压突变， 1时为 8001000mV, 1时小于 100mV =1时为 450 500mV。 氧传感器应装在任何工况下都能达到其工作温度的地方，因为氧传感 器的工作特性与温度密切相关。温度强烈地影响着传感陶瓷管对氧离 子的导通能力。 一方面当温度低于 600 时，输出电压低于上述数据和曲线，而低于 350 时几乎没有信号； 另一方面，输出电压对于过量空气系数变化的响应时间也与温度有关。 例如： 当传感陶瓷管温度为 350 时，响应时间为几秒钟； 而当传感陶瓷管温度为 600 时，响应时间小于 50ms。 所以在发动机起动后直到大约 350 的最低运行温度的一段时间内， 闭环控制是截止的。 氧传感器的内阻也与温度有关。 2）不加热的管式氧传感器 如图所示，传感陶瓷管 7借助于“指状”的陶瓷支承管 3和碟形弹簧 2固定在传 感器壳体 6上并密封。 在支承管和传感陶瓷管之间的接触元件 5用于提供内电极和连接电缆 1之间的 接触。 外电极通过金属密封环与传感器壳体连接。传感器内的各种零件都由金属护 套 4 固定和对中。 护套除了支承碟形弹簧以外，还保护传感器内部不被污染。 连接电缆夹紧在伸出传感器的连接元件的末端，并用耐高温的 PTFE 帽盖密封以防潮气和机械损伤。 为了防止废气中的燃烧沉积物落在传感陶瓷管上 ,在凸入股气气流中的 传感器壳体的末端装有护管 8，护管上开有孔隙，可让废气通过，同 时却有效地防止了废气中固态物质的机械撞击和变工况时的热冲击。 传感器壳体上有螺纹供安装用。 3）加热的管式氧传感器 如图所示，加热的管式氧传感器的构造和原理与 不加热的管式氧传感器基本相同。 主要差别在于，加热的管式氧传感器的传感陶瓷管，内部出一根陶瓷 加热元件 6加热，通电后 30s便达工作温度。 因此传感陶瓷管即使在负荷低、废气温度较低时也有超过 350 的温 度，可以照常发挥功能。负荷高时由废气温度决定陶瓷管温度。陶瓷 加热元件系正温度系数（ PTC）电阻，温度较低时电阻很小，功率很 大，加热很快。加热后电阻升高，功率不大。 加热的管式氧传感器的护管 10上的废气流 通孔比较细小，因此减少了传感陶瓷管在 废气温度较低时所遭受的冷却作用。 管式氧传感器的加热，将发动机从起动直到闭环 控制投入运行所经历的时间缩短到 2030s，确保 了废气温度较低（如怠速）时的闭环控制运行。 加热的管式氧传感器对 变动的响应时间较短，因 此有利于提高闭环控制速度。 加热的管式氧传感器可以安装在离发动机相对较 远的地点，因而长期全负荷运行时氧传感器也不 会因过热而出问题。 加热的管式氧传感器始终具有最佳的工作温度， 可实现较低的和稳定的废气排放。 4）片式氧传感器 前述的两种氧传感器的传感元件都是管状的（传感陶瓷管）。在此基 础上开发出了加热元件集成于片状传感元件的氧传感器。 从功能上说，这种传感器的电压特性也在 =1发生阶跃，与加热的管 式氧传感器没有区别。 但它同时提供了下一代陶瓷传感器的基本工艺。 这种传感器的特点在于： 采用片状传感元件 3代替管状传感元件； 传感元件借助于陶瓷密封填料 6固定在传感器 壳体 5上； 双壁式护管 7高度有效地保护传感元件免受过 度的热应力和机械应力。 片状传感元件采用陶瓷传感薄 膜 3作为固态电解质（图 2-70 a)。 采用筛网 -印刷技术形成各个功 能层（内、外电极 4和 2，多孔 保护层 1）印刷薄膜一层接一层 叠在一起，利用这种办法使加 热元件集成于传感元件内。 片式氧传感器尺寸小、重量轻、 耗热功率小、加热速度快，建 立 闭环控制所需时间短，控制 特性稳定。片式氧传感器采用 单独的接地。 5）片式宽带氧传感器（线性氧传感 器） 片式宽带氧传感器是一种 片式双电池限电流传感器。 如图所示，它的模块式结 构与成片技术相结合，使 得有可能集多种功能于一 体。 该传感器的输出电流在 =1处改变方向，且与 几 乎成线性关系，故又称线 性氧传感器，但其斜率以 =1为界取不同数值。 片式宽带氧传感器是 Nerst浓度电池（传感电池）和用于 氧离子输送的泵电池的一种结合 ,所以它不仅能判定 大于 1还是小于 1，而且能在稀的和浓的区域测定 的具体数值。 每个传感器要单独进行标定。 这种传感器要求专门的电子控制装置，不仅要求用于产生 传感器信号的泵电池和传感电池的电子控制装置，还要求 控制传感器温度的电子控制装置。 这种传感器有一些十分可贵的用途，除了上述的可实现从 1到 1连续控制以外，还能用于稀薄燃烧汽油机、燃 气发动机和柴油机。 3、 闭环控制原理 1） 闭环控制回路 闭环控制的目的是提高三 效催化转化器对废气的净 化效率。 在三效催化转化器 4的前 后各装一个氧传感器， 其中装在前面的 3a是必不 可少的，装在后面的 3b 只 在在某些系统中出现。 电子控制单元 6从空气流 量传感器 1接受负荷信息， 从其他传感器接收转运等 信息，算出基本喷油量， 并根据氧传感器关于 的信 息确定 修正系数，去乘基 本喷油量，使 保持在 = 0. 991.00一个很窄的范围 内波动。 程序中设有一个电压门槛 值，通常在 450mV左右。 氧传感器电压高于此值， 则混合气过浓，应减小 修 正系数以减少喷油量；低 于此值，则混合气过稀， 应增大 修正系数以增加喷 油量。 2） 信号的时间滞后 (死时间 ) 而从喷油器喷油生成混合气开始，到氧传感器测 得这部分混合气的 为止，存在一定的反应时间， 这个时间影响着闭环控制的振荡周期。 这段时间称为 死时间 ，由以下四部分组成： 1. 混合气从喷油器到气缸的流动时间； 2. 发动机一个工作循环从进气到排气所经历的时间； 3. 燃烧过的气体从气缸到氧传感器的流动时间； 4. 氧传感器的响应时间。 其中主要是混合气和燃烧气体的流动时间。 死时间的长短取决于发动机的负荷与转速。 例如怠速时根据氧传感器与发动机的距离长短， 死时间可达 1s以上不等的数值。而大负荷高转速 时死时间减为几百毫秒。 3）闭环控制时 的变化过程 当氧传感器输出电压越过 450mV左右的门槛值跃升或跃 降时， ECU确认混合气成分发生了越过 =1的改变。此时 应通过 修正系数调整喷油量，使混合气成分回头往 =1 方向发展。当然，最好是一步调整到混合气 =1并保持下 去。 但是由于以下四个原因而无法做到这一点： 1. 无法知道当时与 =1有多大偏差； 2. 如果 变动太快，汽车会突然加速或减速，使乘员感到 不舒适； 3. 发动机不可避免地有制造公差，使用过程中有磨损、 漏气，燃油成分会有波动，以及诸如此类会影响混合 气成分的未知因素； 4. 由于死时间的存在，即使喷油量调整到了使混合气 =1， ECU也无法立即知道。 实际采取的控制策略 当氧传感器输出电压出现阶跃时， 修正系数 先是立即突然改变一个确定的数值，以便尽可能快地发挥修正混合气 成分的作用， 接着按照程序内编制的匹配函数以一定的斜率继续往同一方向慢慢地 改变，直到混合气成分回复到 =1并超越之，氧传感器输出电压再次 发生阶跃， 修正系数跟着朝相反方向再次突然改变一个确定的值。 氧传感器输出电压的跃升或跃降都是由于混合气成分发生越过 =1的 改变而引起的。这种改变发生在氧传感器输出电压出现阶跃之前一段 时间，即死时间。 当 ECU发现氧传感器输出电压出现阶跃时已经为时过晚，混合气成分 已经越过了 =1并继续发展。此时 ECU只能令 修正系数立即朝相反方 向改变，使混合气成分回头往 =1方向发展。 所以，由于死时间的缘故， 修正系数总是波动着向前发 展的。这导致即使在稳定工况下，喷油脉冲的宽度也是波 动着的，混合气成分也只是在 =1附近的一个小范围内波 动，永远不可能停留在 =1的状况。 氧传感器输出电压和 修正系数曲线 的特点和联系 氧传感器输出电压曲线由一系列阶跃组成，而且相邻两 次阶跃的方向相反； 在氧传感器输出电压阶跃的时刻发生 修正系数的突变。 但是氧传感器输出电压阶跃的方向和 修正系数突变的方 向正好相反； 氧传感器输出电压曲线相邻两次阶跃之间所经历的时间： 只有一部分用于将混合气成分改变到 =1，这部分时间大体上固定； 另一部分时间用于让混合气从生成地点 (喷油地点 )流动到氧传感器安装地 点和氧传感器作出响应等，等于死时间，由发动机负荷和转速决定。 如前所述，在死时间内混合气成分将越过 =1继续发展。所以， 修正 系数的波动周期取决于死时间的长短，即取决于发动机负荷和转速； 如果 修正系数曲线相邻两次突变之间的匹配函数始终保持相同的 斜率，则： 当因发动机负荷和转速改变而使 修正系数曲线的波动周期发生变化时， 便会使这种波动的幅度也跟着变化。 这将导致混合气成分在某些工况下越出 =1附近的一个小范围，使三效催 化转化器的转化效率下降，排放恶化；同时行驶性能也会恶化。 所以，当发动机负荷和转速变化而使 修正系数的波动周期增大时， 匹配函数的斜率必须调小，使 修正系数波动的幅度从总体上保持恒 定，以便得到最佳的排放和行驶性能。 4） 的不对称调节 闭环控制的最佳调节范围其实并非 对称分布于氧传感器电压阶跃点的两 侧。因为 的最佳调节范围在 0.99 1.00，而氧传感器电压阶跃点在 =1。 如果调节 使其对称分布于 =1的两侧， 那么废气就不能在三效催化转化器内 得到最佳的转化。 所以 要将实际达到的 调节范围的中 心从氧传感器电压阶跃点朝低 的方 向推移一点 。这称之为 的 不对称调 节 有两种方法可实现 的不对称调节： 1. 当从稀混合气转入浓混合气即从 1转入 1、氧传感器电压跃升时， 修正系数推 迟一些时间调低，这就是说，喷油量推迟 一些时间减少； 2. 修正系数不对称阶跃，即从稀到浓和从 浓到稀时阶跃高度不同。 5）双氧传感器闭环控制 闭环控制系统中可在三效催化 转化器前面和后面各设一个氧传 感器。 设在后面的氧传感器 3b受废气污垢 的影响较小。 来自 3b的信号叠加于设在前面的氧 传感器 3a的信号，从而改变闭环控 制回路中 修正系数波动曲线的不对 称性，对 调节范围的漂移进行补偿。 这样可保证混合气成分长时间稳定。 但是，单用设在三效催化转化器 后面的氧传感器 3b来实行 闭环 控制则惰性太大，因为气体从喷 油器到氧传感器的流动时间太长。 所以，两者兼用最佳。 4、特性场数据的自适应 (自学习 ) 在某些情况下， ECU内保留的 MAP标定数据可能 会产生一些偏差，以下方面会使应有的基本喷油 时间发生漂移： 发动机和喷油器制造过程中的尺寸公差、 使用过程中零件状态的改变、 燃油成分的波动、 在使用体积空气流量传感器的场合还有空气密度的改 变等 就是说，贮存在 ROM中的基本喷油时间特性场数 据会与当时涉及的发动机不尽适配，从而给燃油 定量带来系统误差。 比如以下实例： 在节气门开度 10%，转速为 2000RPM时的 利用标定的 MAP计算的开环喷油时间为 10ms，而实际需要的喷油时间为 12ms，那 么 1.MAP的这个工况点的数据可否通过闭环控制 进行修正？ 2.控制系统能否迅速得到正确的喷油时间？ 1）闭环的喷油时间自适应功能 闭环控制电路根据氧传感器测 到的数据修正后续喷油的持续时 间，使混合气成分趋于 =1。这 一过程中， ECU首先从贮存在 ROM中的特性 场调出数据匹配过程中确定的基本 喷油时间，并根据进气温度、发动 机温度等参数加以修正， 然后通过不断调整 修正系数，并 用 修正系数乘喷油时间，实现 闭 环控制。即： 喷油时间 =计算的开环喷油时间 修 正系数 对前述问题 1，由于 喷油时间 =计算的开环喷油时间 修正系数 而计算的开环喷油时间 =10ms， 实际需要的喷油时间 =12ms， 故 修正系数应在 1.2左右波动。 故在基本喷油时间即 MAP数据 与实际需求出现偏差时闭环控 制可使修正这个偏差。 但这样做存在一个问题： 在这个特性场的基础上同样能通过常规的 闭环控制将混 合气成分最终调整到 =1，但如果完全依靠匹配函数修正 系统误差并将混合气成分调整到 =1，则势必 花费相对较 长的时间 ，影响三效催化转化器对废气中成分的转化效率。 那么，应如何加快这个过程呢？ 2）基本喷油特性场的自适应功能 为了解决这个问题 ECU通过 闭环控制过程确定若干个能描述 这些系统误差的变量，或用于与喷油时间 相乘，或用于与喷油时间相加，使混合气 成分迅速地趋近 =1。这些变量称为自适应 变量。 其数值与负荷和转速有关。 在某一负荷和转速区域内形成的自适应变量数据 被贮存在 RAM中，以后进入同一负荷和转速区域 时就被从 RAM中调出用于修正喷油时间。这就是 特性场数据的自适应功能 。 汽车发动机关闭时， ECU并不掉电，所以自适应 变量的数据不会从 RAM中丢失。但是，如果切断 ECU的电源，则 RAM中自适应变量的数据丢失， 重新接通电源时必须从头开始自适应过程。 自适应功能使得燃油定量控制能够迅速地、 独立地、各个地对涉及的发动机自动进行 精细的匹配和补偿。 （ 1）自适应变量 主要是下列四种参数在自适应过程中得到补偿： 1. 由于海拔高度改变引起的空气密度变化。其后果 是将空气质量流量乘一个系数。 2. 由于负荷传感器下游产生漏缝及随后又被沉积物 堵封引起的空气泄漏量变动。其后果是使空气流 量增加或减少一定数量。 3. 由于电磁喷油器开启和关闭时响应滞后时间的随 机制造偏差引起的实际喷油时间的系统误差。其 后果是使每循环喷油时间增加或减少一定数量。 4. 由于燃油成分不同引起的理论当量空燃比偏离 14.7。其后果相当于在按 ROM中的特性场数据计 算喷油时间时使过量空气系数 乘上一个系数。 上述这些因素分别在特性场的不同区域发挥很强的作用， 所以特性场被分成三个自适应区域，相应地形成三个自适 应变量： 1. 空气密度和燃油成分的改变均匀地作用于整个特性场，由 此形成一个自适应变量，与空气质量流量相乘，其自适应 区域覆盖整个特性场。但当采用进气歧管绝对压力传感器 或空气质量流量传感器传感负荷信息时，空气密度的改变 不带来喷油时间的系统误差； 2. 在空气流量较小时，例如怠速工况附近，空气泄漏量的变 化带来较大的影响。所以，在第二个区域内形成一个与空 气流量相加的自适应变量； 3. 在喷油时间很短时，喷油器每循环喷油量的差异的影响特 别强烈。所以，在第三个区域内形成另一个与喷油时间相 加的自适应变量。 （ 2）自适应变量的计算 以空气密度和燃油成分的改变形成一个自适应变量为例来 说明自适应变量（为表述方便暂且定义变量名为 A）的计 算： 喷油时间 =计算的开环喷油时间 A 修正系数 自适应变量 A实际上是对基本喷油 MAP的一种修正。 假定自适应变量 A首先等于 1。那么 喷油时间 =计算的开环喷油时间 1 修正系数 下图左侧说明 修正系数大于 1，那么此时计算的开环喷油时间实际上 是偏小的。此时通过调整自适应变量 A使其加大，如图向右，则会使 修正系数向等于 1的方向变化。 而 修正系数接近 1则说明计算的开环喷油时间 自适应变量 A越来越 接近实际需求的喷油时间。 反之在计算的开环喷油时间偏大时的修正也可以 通过对自适应变量的减小实现。如下图的右侧。 修正系数与中性值 1.0的差值就是混合气成分有效修正值。每次氧传 感器输出电压发生阶跃后就将有效修正值用一个加权因子加权后加到 该工况的自适应变量上去将其刷新。自适应变量每次刷新的增量都与 当时的混合气成分有效修正值成正比。每次刷新都使 修正系数朝着 取值 1.0的方向跨进一小步。当 修正值达到 1.0(有效修正值为 0)时， 自适应变量的增量为 0。刷新的步长在 1和 100毫秒之间。