閉環(huán)控制在電控發(fā)動機中的應用(上)

◆文/遼寧 張憲輝

閉環(huán)控制在電控發(fā)動機中的應用(上)

◆文/遼寧 張憲輝

張憲輝

(本刊編委會委員)

1996年哈爾濱工業(yè)大學汽車設計與制造專業(yè)碩士畢業(yè)。畢業(yè)后在大連交通運輸集團汽車修配廠從事汽車維修工作12年，先后擔任工程師、技術副廠長、總工程師等職務，在亞洲(日、韓等)車系的電控系統(tǒng)故障診斷領域經(jīng)驗豐富?，F(xiàn)任大連職業(yè)技術學院汽車工程學院副院長、副教授、高級技師，兼任遼寧省汽車維修行業(yè)質量仲裁鑒定委員會鑒定員、大連市勞動職業(yè)技術培訓中心汽車修理專業(yè)專家委員會委員。

為了實現(xiàn)對發(fā)動機動力系統(tǒng)更精確地控制和管理，不斷提升動力性、燃油經(jīng)濟性和排放等各項水平，目前，各大汽車廠家針對電控發(fā)動機動力系統(tǒng)已經(jīng)越來越多地采用了閉環(huán)控制策略。

如圖1所示，與開環(huán)控制相比，閉環(huán)控制在控制系統(tǒng)中增加了反饋環(huán)節(jié)(反饋傳感器)的控制，這樣系統(tǒng)便能夠適時地監(jiān)測執(zhí)行器的執(zhí)行結果，并將監(jiān)測到的信息反饋到輸入端，調整輸入量，達到修正控制誤差、提高控制精度的目的。

圖1 開環(huán)控制與閉環(huán)控制的對比

談到汽車上的閉環(huán)控制，大家馬上就會想到再熟悉不過的基于氧傳感器的混合汽(空燃比)閉環(huán)控制。時至今日，汽車的發(fā)動機電控系統(tǒng)中已經(jīng)在多個方面采用了閉環(huán)控制，本文對其中主要的閉環(huán)控制策略和流程進行論述。

一、進氣系統(tǒng)的閉環(huán)控制

現(xiàn)在汽車發(fā)動機的進氣系統(tǒng)普遍采用電子節(jié)氣門(ETCS)進行進氣量的控制，而電子節(jié)氣門的開度控制就是一個典型的閉環(huán)控制。如圖2所示，動力控制模塊(PCM)根據(jù)油門踏板位置等各相關傳感器提供的信號，對電子節(jié)氣門發(fā)出相應的控制指令，使電子節(jié)氣門開啟一定的角度。為了確定電子節(jié)氣門的開度是否正確，節(jié)氣門位置傳感器(TPS)會監(jiān)測電子節(jié)氣門的開度，并把該信息反饋給PCM，PCM將該信息與模塊內部的目標值進行比較，對電子節(jié)氣門進行適時控制和修正，并會在電子節(jié)氣門的動作出現(xiàn)嚴重偏差時記錄故障信息，從而完成對電子節(jié)氣門的閉環(huán)控制。

圖2 電子節(jié)氣門的閉環(huán)控制

二、燃油供給系統(tǒng)的閉環(huán)控制

現(xiàn)在的發(fā)動機電控系統(tǒng)對燃油供給方面的控制也更加精細，不僅對噴油器的噴油量(噴油時間)實施閉環(huán)控制，也對燃油泵的供油量(供油壓力)進行閉環(huán)控制。以長安福特銳界為例，其搭載的一款2.0T缸內直噴Ecoboost發(fā)動機，該車的發(fā)動機控制系統(tǒng)對其低壓油路和高壓油路供油量的控制都采取了閉環(huán)控制策略。

1.低壓油路供油量的閉環(huán)控制

如圖3所示，動力控制模塊(PCM)接收發(fā)動機轉速、進氣壓力傳感器(或空氣流量計)、節(jié)氣門位置傳感器等相關傳感器的信號，發(fā)出控制指令給燃油泵模塊，燃油泵模塊依據(jù)此指令調整施加在電動燃油泵上的電壓(5.5～13V)，以調節(jié)電動燃油泵的燃油輸出壓力(即低壓油路供油量)。在低壓燃油管路上設有低壓燃油壓力傳感器(FLP)，該傳感器監(jiān)測電動燃油泵的燃油輸出壓力，把低壓油路的壓力信號反饋給PCM，PCM將該信號與模塊內部的目標值進行比較，并發(fā)出指令對燃油泵模塊(間接控制電動燃油泵)不斷進行控制和修正，使低壓燃油壓力始終接近目標壓力。這樣的閉環(huán)控制，不僅可以提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，而且可以省掉低壓油路中的回油管路，使系統(tǒng)結構更加簡潔。

圖3 低壓油路供油量的閉環(huán)控制

2.高壓油路供油量的閉環(huán)控制

高壓油路供油量的閉環(huán)控制策略與低壓油路供油量的閉環(huán)控制基本相似，只是執(zhí)行元件和反饋傳感器不同。作為該閉環(huán)控制中的執(zhí)行元件，燃油計量閥被安裝在高壓油泵上，用來控制高壓油泵低壓燃油供給管路(即進油道)的通斷。在PCM設定的時間點,燃油計量閥會被供電，由此關閉了低壓燃油供給管路，此時，高壓油腔里的燃油在柱塞的作用下增壓，當高壓腔里的油壓超過高壓油軌的壓力時，排油閥打開，高壓燃油就被泵到油軌中；而當燃油計量閥斷電時，高壓油泵中的高壓油腔與低壓燃油供給管路相通，此時無法建立高壓。因此，PCM只要正確控制燃油計量閥的通斷電(PCM以脈寬調制信號PWM控制計量閥的接地)，就可以實現(xiàn)對燃油高壓壓力的調節(jié)和控制。

如圖4所示，動力控制模塊(PCM)接收發(fā)動機轉速、進氣壓力傳感器(或空氣流量計)、節(jié)氣門位置傳感器等相關傳感器的信號，發(fā)出控制指令給燃油計量閥(IMV)。高壓油軌上設有高壓燃油壓力傳感器——即軌壓傳感器(FRP)，該傳感器監(jiān)測油軌中的燃油壓力(高壓)，并把油軌燃油壓力信號反饋給PCM，PCM將該信號與模塊內部的目標值進行比較，向燃油計量閥發(fā)出指令不斷對其進行控制，以使油軌燃油壓力始終接近目標壓力。

圖4 高壓油路供油量的閉環(huán)控制

3.混合汽(空燃比)的閉環(huán)控制

如圖5所示，動力控制模塊(PCM)接收發(fā)動機轉速、進氣壓力傳感器(或空氣流量計)、節(jié)氣門位置傳感器、冷卻液溫度傳感器等各種相關傳感器的信號，發(fā)出控制指令給噴油器，通過控制噴油器噴油時間的長短(通常以ms計)實現(xiàn)對噴油量的控制。

在該閉環(huán)控制中，位于三元催化器上游的前氧傳感器作為反饋傳感器，適時監(jiān)測排氣中氧的含量，并以電壓或電流等信號形式傳輸給PCM，PCM據(jù)此可知燃油混合汽的濃稀程度，并發(fā)出指令對噴油器的噴油量實施修正，以使燃油混合汽的濃度始終接近理想空燃比14.7:1,從而實現(xiàn)發(fā)動機的閉環(huán)控制，改善發(fā)動機的燃燒效率，減少有害氣體的排放。

圖5 混合汽(空燃比)的閉環(huán)控制

三、點火系統(tǒng)的閉環(huán)控制

點火系統(tǒng)的閉環(huán)控制就是點火提前角的閉環(huán)控制。點火時間適當提前對發(fā)動機的動力性、燃油經(jīng)濟性和尾氣排放都會有極大改善，不過這是有限度的，如果點火提前角過早，不但沒有好處，反而會造成發(fā)動機工作粗暴，產(chǎn)生爆震，因此，現(xiàn)如今的電控發(fā)動機上都采取了點火提前角閉環(huán)控制策略。

如圖6所示，在這一閉環(huán)控制中，執(zhí)行元件是點火模塊，反饋傳感器是爆震傳感器。

圖6 點火提前角的閉環(huán)控制

(未完待續(xù))

(作者張憲輝單位：大連職業(yè)技術學院)