空燃比闭环控制课件

2.8 空燃比闭环控制n开环控制时ECU并不知晓执行器执行指令后的实际效果；n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。n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。n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，n控制目标是=1附近的一个小范围。nMotronic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闭环控制的调节范围和激活的必要条件必要条件n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。n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。n只是在为0.991.00 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。n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n氧传感器用于测定废气中的过量空气系数。n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。n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。n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。n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）管式氧传感器原理n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）。n其核心元件是用二氧化锆制成的传感陶瓷管1。n传感陶瓷管不透气，用氧化铱作过稳定化处理。n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。n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。n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。n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。n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。n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。n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。n所以：内表面带正电，成为正极；外表面带负电，成为负极。n两极之间的电位差使是氧传感器的信号电压。n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。n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450500mV。n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。n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；n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。n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。n氧传感器的内阻也与温度有关。2）不加热的管式氧传感器）不加热的管式氧传感器n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。n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。n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。n护套除了支承碟形弹簧以外，还保护传感器内部不被污染。n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。n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。n传感器壳体上有螺纹供安装用。3）加热的管式氧传感器）加热的管式氧传感器n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。n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。n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。n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。n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。n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。n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。n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）片式氧传感器n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。n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。n但它同时提供了下一代陶瓷传感器的基本工艺。n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。n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。n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）片式宽带氧传感器（线性氧传感器）器）n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。n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。n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。n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。n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n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。n在三效催化转化器4的前后各装一个氧传感器，n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。n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。n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)n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。n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。n其中主要是混合气和燃烧气体的流动时间。n死时间的长短取决于发动机的负荷与转速。n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n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。n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n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，n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。n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。n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。n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n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；n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；n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。n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；n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。n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n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0.991.00，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。n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n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。n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)n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n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。n比如以下实例：n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n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n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n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。n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。n但这样做存在一个问题：n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。n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nECU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。n其数值与负荷和转速有关。n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。n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。n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n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n自适应变量A实际上是对基本喷油MAP的一种修正。n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n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。n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。n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。n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。