◆文/遼寧 張憲輝

閉環(huán)控制在電控發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用(上)

◆文/遼寧 張憲輝

張憲輝

(本刊編委會(huì)委員)

1996年哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車設(shè)計(jì)與制造專業(yè)碩士畢業(yè)。畢業(yè)后在大連交通運(yùn)輸集團(tuán)汽車修配廠從事汽車維修工作12年，先后擔(dān)任工程師、技術(shù)副廠長(zhǎng)、總工程師等職務(wù)，在亞洲(日、韓等)車系的電控系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富?，F(xiàn)任大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院副院長(zhǎng)、副教授、高級(jí)技師，兼任遼寧省汽車維修行業(yè)質(zhì)量仲裁鑒定委員會(huì)鑒定員、大連市勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中心汽車修理專業(yè)專家委員會(huì)委員。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)更精確地控制和管理，不斷提升動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放等各項(xiàng)水平，目前，各大汽車廠家針對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越多地采用了閉環(huán)控制策略。

如圖1所示，與開(kāi)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(shí)地監(jiān)測(cè)執(zhí)行器的執(zhí)行結(jié)果，并將監(jiān)測(cè)到的信息反饋到輸入端，調(diào)整輸入量，達(dá)到修正控制誤差、提高控制精度的目的。

圖1 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的對(duì)比

談到汽車上的閉環(huán)控制，大家馬上就會(huì)想到再熟悉不過(guò)的基于氧傳感器的混合汽(空燃比)閉環(huán)控制。時(shí)至今日，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中已經(jīng)在多個(gè)方面采用了閉環(huán)控制，本文對(duì)其中主要的閉環(huán)控制策略和流程進(jìn)行論述。

一、進(jìn)氣系統(tǒng)的閉環(huán)控制

現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)普遍采用電子節(jié)氣門(mén)(ETCS)進(jìn)行進(jìn)氣量的控制，而電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度控制就是一個(gè)典型的閉環(huán)控制。如圖2所示，動(dòng)力控制模塊(PCM)根據(jù)油門(mén)踏板位置等各相關(guān)傳感器提供的信號(hào)，對(duì)電子節(jié)氣門(mén)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，使電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟一定的角度。為了確定電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度是否正確，節(jié)氣門(mén)位置傳感器(TPS)會(huì)監(jiān)測(cè)電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度，并把該信息反饋給PCM，PCM將該信息與模塊內(nèi)部的目標(biāo)值進(jìn)行比較，對(duì)電子節(jié)氣門(mén)進(jìn)行適時(shí)控制和修正，并會(huì)在電子節(jié)氣門(mén)的動(dòng)作出現(xiàn)嚴(yán)重偏差時(shí)記錄故障信息，從而完成對(duì)電子節(jié)氣門(mén)的閉環(huán)控制。

圖2 電子節(jié)氣門(mén)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(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)對(duì)燃油供給方面的控制也更加精細(xì)，不僅對(duì)噴油器的噴油量(噴油時(shí)間)實(shí)施閉環(huán)控制，也對(duì)燃油泵的供油量(供油壓力)進(jìn)行閉環(huán)控制。以長(zhǎng)安福特銳界為例，其搭載的一款2.0T缸內(nèi)直噴Ecoboost發(fā)動(dòng)機(jī)，該車的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)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(dòng)力控制模塊(PCM)接收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力傳感器(或空氣流量計(jì))、節(jié)氣門(mén)位置傳感器等相關(guān)傳感器的信號(hào)，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(diào)整施加在電動(dòng)燃油泵上的電壓(5.5～13V)，以調(diào)節(jié)電動(dòng)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(shè)有低壓燃油壓力傳感器(FLP)，該傳感器監(jiān)測(cè)電動(dòng)燃油泵的燃油輸出壓力，把低壓油路的壓力信號(hào)反饋給PCM，PCM將該信號(hào)與模塊內(nèi)部的目標(biāo)值進(jìn)行比較，并發(fā)出指令對(duì)燃油泵模塊(間接控制電動(dòng)燃油泵)不斷進(jìn)行控制和修正，使低壓燃油壓力始終接近目標(biāo)壓力。這樣的閉環(huán)控制，不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，而且可以省掉低壓油路中的回油管路，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)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(jì)量閥被安裝在高壓油泵上，用來(lái)控制高壓油泵低壓燃油供給管路(即進(jìn)油道)的通斷。在PCM設(shè)定的時(shí)間點(diǎn),燃油計(jì)量閥會(huì)被供電，由此關(guān)閉了低壓燃油供給管路，此時(shí)，高壓油腔里的燃油在柱塞的作用下增壓，當(dāng)高壓腔里的油壓超過(guò)高壓油軌的壓力時(shí)，排油閥打開(kāi)，高壓燃油就被泵到油軌中；而當(dāng)燃油計(jì)量閥斷電時(shí)，高壓油泵中的高壓油腔與低壓燃油供給管路相通，此時(shí)無(wú)法建立高壓。因此，PCM只要正確控制燃油計(jì)量閥的通斷電(PCM以脈寬調(diào)制信號(hào)PWM控制計(jì)量閥的接地)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油高壓壓力的調(diào)節(jié)和控制。

如圖4所示，動(dòng)力控制模塊(PCM)接收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力傳感器(或空氣流量計(jì))、節(jié)氣門(mén)位置傳感器等相關(guān)傳感器的信號(hào)，發(fā)出控制指令給燃油計(jì)量閥(IMV)。高壓油軌上設(shè)有高壓燃油壓力傳感器——即軌壓傳感器(FRP)，該傳感器監(jiān)測(cè)油軌中的燃油壓力(高壓)，并把油軌燃油壓力信號(hào)反饋給PCM，PCM將該信號(hào)與模塊內(nèi)部的目標(biāo)值進(jìn)行比較，向燃油計(jì)量閥發(fā)出指令不斷對(duì)其進(jìn)行控制，以使油軌燃油壓力始終接近目標(biāo)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(dòng)力控制模塊(PCM)接收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力傳感器(或空氣流量計(jì))、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、冷卻液溫度傳感器等各種相關(guān)傳感器的信號(hào)，發(fā)出控制指令給噴油器，通過(guò)控制噴油器噴油時(shí)間的長(zhǎng)短(通常以ms計(jì))實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)排氣中氧的含量，并以電壓或電流等信號(hào)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(duì)噴油器的噴油量實(shí)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(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制，改善發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)火系統(tǒng)的閉環(huán)控制

點(diǎn)火系統(tǒng)的閉環(huán)控制就是點(diǎn)火提前角的閉環(huán)控制。點(diǎn)火時(shí)間適當(dāng)提前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放都會(huì)有極大改善，不過(guò)這是有限度的，如果點(diǎn)火提前角過(guò)早，不但沒(méi)有好處，反而會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，產(chǎn)生爆震，因此，現(xiàn)如今的電控發(fā)動(dòng)機(jī)上都采取了點(diǎn)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(diǎn)火模塊，反饋傳感器是爆震傳感器。

圖6 點(diǎn)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(shù)學(xué)院)