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【原创】闭环控制在电控发动机中的应用( 上)

楼主:汽车维修与保养 时间:2020-04-24 08:17:50


( 作者张宪辉单位:大连职业技术学院)


        为了实现对发动机动力系统更精确地控制和管理,不断提升动力性、燃油经济性和排放等各项水平,目前,各大汽车厂家针对电控发动机动力系统已经越来越多地采用了闭环控制策略。


        如图1所示,与开环控制相比,闭环控制在控制系统中增加了反馈环节( 反馈传感器)的控制,这样系统便能够适时地监测执行器的执行结果,并将监测到的信息反馈到输入端,调整输入量,达到修正控制误差、提高控制精度的目的。



图1 开环控制与闭环控制的对比


        谈到汽车上的闭环控制,大家马上就会想到再熟悉不过的基于氧传感器的混合汽( 空燃比)闭环控制。时至今日,汽车的发动机电控系统中已经在多个方面采用了闭环控制,本文对其中主要的闭环控制策略和流程进行论述。


一、进气系统的闭环控制

        现在汽车发动机的进气系统普遍采用电子节气门(ETCS)进行进气量的控制,而电子节气门的开度控制就是一个典型的闭环控制。如图2 所示,动力控制模块(PCM)根据油门踏板位置等各相关传感器提供的信号,对电子节气门发出相应的控制指令,使电子节气门开启一定的角度。为了确定电子节气门的开度是否正确,节气门位置传感器(TPS)会监测电子节气门的开度,并把该信息反馈给PCM,PCM将该信息与模块内部的目标值进行比较,对电子节气门进行适时控制和修正,并会在电子节气门的动作出现严重偏差时记录故障信息,从而完成对电子节气门的闭环控制。



图2 电子节气门的闭环控制


二、燃油供给系统的闭环控制

        现在的发动机电控系统对燃油供给方面的控制也更加精细,不仅对喷油器的喷油量( 喷油时间) 实施闭环控制,也对燃油泵的供油量( 供油压力)进行闭环控制。以长安福特锐界为例,其搭载的一款2.0T 缸内直喷Ecoboost发动机,该车的发动机控制系统对其低压油路和高压油路供油量的控制都采取了闭环控制策略。 

        

1.低压油路供油量的闭环控制

        如图3 所示,动力控制模块(PCM)接收发动机转速、进气压力传感器(或空气流量计)、节气门位置传感器等相关传感器的信号,发出控制指令给燃油泵模块,燃油泵模块依据此指令调整施加在电动燃油泵上的电压(5.5~13V),以调节电动燃油泵的燃油输出压力(即低压油路供油量)。在低压燃油管路上设有低压燃油压力传感器(FLP),该传感器监测电动燃油泵的燃油输出压力,把低压油路的压力信号反馈给PCM, PCM将该信号与模块内部的目标值进行比较,并发出指令对燃油泵模块( 间接控制电动燃油泵)不断进行控制和修正,使低压燃油压力始终接近目标压力。这样的闭环控制,不仅可以提高发动机的燃油经济性,而且可以省掉低压油路中的回油管路,使系统结构更加简洁。



图3 低压油路供油量的闭环控制


2.高压油路供油量的闭环控制

        高压油路供油量的闭环控制策略与低压油路供油量的闭环控制基本相似,只是执行元件和反馈传感器不同。作为该闭环控制中的执行元件,燃油计量阀被安装在高压油泵上,用来控制高压油泵低压燃油供给管路(即进油道) 的通断。在 PCM 设定的时间点,燃油计量阀会被供电,由此关闭了低压燃油供给管路,此时,高压油腔里的燃油在柱塞的作用下增压,当高压腔里的油压超过高压油轨的压力时,排油阀打开,高压燃油就被泵到油轨中;而当燃油计量阀断电时,高压油泵中的高压油腔与低压燃油供给管路相通,此时无法建立高压。因此,PCM 只要正确控制燃油计量阀的通断电(PCM 以脉宽调制信号PWM 控制计量阀的接地),就可以实现对燃油高压压力的调节和控制。


        如图4所示,动力控制模块(PCM) 接收发动机转速、进气压力传感器(或空气流量计)、节气门位置传感器等相关传感器的信号,发出控制指令给燃油计量阀(IMV)。高压油轨上设有高压燃油压力传感器——即轨压传感器(FRP),该传感器监测油轨中的燃油压力(高压),并把油轨燃油压力信号反馈给PCM,PCM 将该信号与模块内部的目标值进行比较,向燃油计量阀发出指令不断对其进行控制,以使油轨燃油压力始终接近目标压力。



图4 高压油路供油量的闭环控制


3. 混合汽( 空燃比) 的闭环控制

        如图5 所示,动力控制模块(PCM) 接收发动机转速、进气压力传感器(或空气流量计)、节气门位置传感器、冷却液温度传感器等各种相关传感器的信号,发出控制指令给喷油器,通过控制喷油器喷油时间的长短( 通常以ms 计)实现对喷油量的控制。


        在该闭环控制中,位于三元催化器上游的前氧传感器作为反馈传感器,适时监测排气中氧的含量,并以电压或电流等信号形式传输给PCM,PCM据此可知燃油混合汽的浓稀程度,并发出指令对喷油器的喷油量实施修正,以使燃油混合汽的浓度始终接近理想空燃比14.7:1,从而实现发动机的闭环控制,改善发动机的燃烧效率,减少有害气体的排放。



图5 混合汽( 空燃比) 的闭环控制


三、点火系统的闭环控制

        点火系统的闭环控制就是点火提前角的闭环控制。点火时间适当提前对发动机的动力性、燃油经济性和尾气排放都会有极大改善,不过这是有限度的,如果点火提前角过早,不但没有好处,反而会造成发动机工作粗暴,产生爆震,因此,现如今的电控发动机上都采取了点火提前角闭环控制策略。


        如图6所示,在这一闭环控制中,执行元件是点火模块,反馈传感器是爆震传感器。



图6 点火提前角的闭环控制


       发动机排放系统闭环控制流程为:动力控制模块(PCM) 接收发动机转速、进气压力传感器(或空气流量计)、节气门位置传感器、冷却液温度传感器等各种相关传感器的信号,根据计算结果在特定的时刻控制点火模块产生高压电,爆震传感器时刻监测发动机是否产生爆震。如果没有爆震发生,PCM将在上一次点火时刻的基础上控制点火模块提前点火,直到爆震传感器监测到发动机产生爆震后,PCM才控制点火模块基于发生爆震的点火时刻滞后点火,直至爆震不再出现,如此循环,PCM 不断调整发动机的点火提前角始终处于爆震发生的临界边缘而不发生爆震。



(未完.....明日待续)

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