閉環控制在電控發動機中的應用(上)

◆文/遼寧 張憲輝

閉環控制在電控發動機中的應用(上)

◆文/遼寧 張憲輝

張憲輝

(本刊編委會委員)

1996年哈爾濱工業大學汽車設計與制造專業碩士畢業。畢業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)車系的電控系統故障診斷領域經驗豐富。現任大連職業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質量仲裁鑒定委員會鑒定員、大連市勞動職業技術培訓中心汽車修理專業專家委員會委員。

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

如圖1所示，與開環控制相比，閉環控制在控制系統中增加了反饋環節(反饋傳感器)的控制，這樣系統便能夠適時地監測執行器的執行結果，并將監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 開環控制與閉環控制的對比

談到汽車上的閉環控制，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)閉環控制。時至今日，汽車的發動機電控系統中已經在多個方面采用了閉環控制，本文對其中主要的閉環控制策略和流程進行論述。

一、進氣系統的閉環控制

現在汽車發動機的進氣系統普遍采用電子節氣門(ETCS)進行進氣量的控制，而電子節氣門的開度控制就是一個典型的閉環控制。如圖2所示，動力控制模塊(PCM)根據油門踏板位置等各相關傳感器提供的信號，對電子節氣門發出相應的控制指令，使電子節氣門開啟一定的角度。為了確定電子節氣門的開度是否正確，節氣門位置傳感器(TPS)會監測電子節氣門的開度，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，對電子節氣門進行適時控制和修正，并會在電子節氣門的動作出現嚴重偏差時記錄故障信息，從而完成對電子節氣門的閉環控制。

圖2 電子節氣門的閉環控制

二、燃油供給系統的閉環控制

現在的發動機電控系統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)實施閉環控制，也對燃油泵的供油量(供油壓力)進行閉環控制。以長安福特銳界為例，其搭載的一款2.0T缸內直噴Ecoboost發動機，該車的發動機控制系統對其低壓油路和高壓油路供油量的控制都采取了閉環控制策略。

1.低壓油路供油量的閉環控制

如圖3所示，動力控制模塊(PCM)接收發動機轉速、進氣壓力傳感器(或空氣流量計)、節氣門位置傳感器等相關傳感器的信號，發出控制指令給燃油泵模塊，燃油泵模塊依據此指令調整施加在電動燃油泵上的電壓(5.5～13V)，以調節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。這樣的閉環控制，不僅可以提高發動機的燃油經濟性，而且可以省掉低壓油路中的回油管路，使系統結構更加簡潔。

圖3 低壓油路供油量的閉環控制

2.高壓油路供油量的閉環控制

高壓油路供油量的閉環控制策略與低壓油路供油量的閉環控制基本相似，只是執行元件和反饋傳感器不同。作為該閉環控制中的執行元件，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)，就可以實現對燃油高壓壓力的調節和控制。

如圖4所示，動力控制模塊(PCM)接收發動機轉速、進氣壓力傳感器(或空氣流量計)、節氣門位置傳感器等相關傳感器的信號，發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控制

3.混合汽(空燃比)的閉環控制

如圖5所示，動力控制模塊(PCM)接收發動機轉速、進氣壓力傳感器(或空氣流量計)、節氣門位置傳感器、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)實現對噴油量的控制。

在該閉環控制中，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據此可知燃油混合汽的濃稀程度，并發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,從而實現發動機的閉環控制，改善發動機的燃燒效率，減少有害氣體的排放。

圖5 混合汽(空燃比)的閉環控制

三、點火系統的閉環控制

點火系統的閉環控制就是點火提前角的閉環控制。點火時間適當提前對發動機的動力性、燃油經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，反而會造成發動機工作粗暴，產生爆震，因此，現如今的電控發動機上都采取了點火提前角閉環控制策略。

如圖6所示，在這一閉環控制中，執行元件是點火模塊，反饋傳感器是爆震傳感器。

圖6 點火提前角的閉環控制

(未完待續)

(作者張憲輝單位：大連職業技術學院)