汽油機閉環(huán)反饋輔助控制系統(tǒng)解析

祁先來

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000）

1 閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)概述

閉環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出量（被控參數(shù)）通過測量元件和變換發(fā)送單元反饋回來作用于控制器，形成閉合回路，這種控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，也叫反饋控制系統(tǒng)，如圖1 所示。其優(yōu)點是能夠自動糾正外部干擾和系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)變化引起的偏差，這樣就可以采用精度不太高而成本較低的元件，組成一個較為精確的控制系統(tǒng)。而開環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)，即無反饋測量元件和反饋變換發(fā)送單元。

圖1 閉環(huán)控制原理

發(fā)動機電控系統(tǒng)是由多個閉環(huán)系統(tǒng)組成的復(fù)雜管理系統(tǒng)。其組成與工作原理如圖2 所示。

2 怠速控制系統(tǒng)

發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速的控制，通常采用發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器進行反饋控制。ECU根據(jù)各種傳感器的輸入信號確定一個怠速運轉(zhuǎn)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并與發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速進行比較，根據(jù)比較差值，確定與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的控制量，去驅(qū)動控制進氣量的執(zhí)行機構(gòu)（怠速控制閥）。

圖2 發(fā)動機電控系統(tǒng)工作原理

在怠速控制系統(tǒng)中，ECU需要根據(jù)節(jié)氣門位置信號和車速信號確認(rèn)怠速工況，當(dāng)節(jié)氣門完全關(guān)閉和車速為零時，才進行怠速控制。節(jié)氣門全關(guān)時，節(jié)氣門位置傳感器內(nèi)怠速觸點閉合，怠速觸電開關(guān)將信號輸送給ECU，ECU據(jù)此判定發(fā)動機進入怠速工況。此時，如果ECU通過轉(zhuǎn)速傳感器實測的發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于怠速范圍時，ECU向怠速控制閥發(fā)出調(diào)整信號，減小控制閥的開度，減少怠速時的進氣量，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低；反之，則增大控制閥的開度來提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速。由此，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器信號對怠速實施反饋控制，使發(fā)動機保持在正常的怠速范圍內(nèi)，如圖3 所示為怠速控制程序框圖。

當(dāng)發(fā)動機負(fù)荷突然增加時，如空調(diào)壓縮機開啟，將會導(dǎo)致發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下降甚至熄火。此時，ECU控制的怠速系統(tǒng)會將工況變化的信號輸送到電腦的邏輯電路中進行運算，由比較電路與基準(zhǔn)信號進行對比，然后輸出修正補償信號，驅(qū)動怠速控制器，使控制閥開度適度加大。

當(dāng)發(fā)動機冷卻液溫度很低時，為了縮短暖機時間，怠速控制系統(tǒng)會將怠速提高到1200r/min，實現(xiàn)快怠速。

此外，諸如近光燈開啟、系統(tǒng)電壓補償、車速補償和減速調(diào)節(jié)因素也都受到怠速控制系統(tǒng)的控制。

圖3 怠速反饋控制原理

3 可變配氣系統(tǒng)

豐田汽車發(fā)動機可變配氣系統(tǒng)的閉環(huán)控制如圖3 所示。發(fā)動機ECU根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣量、節(jié)氣門位置和水溫計算出一個最優(yōu)氣門正時，凸輪軸正時機油控制閥根據(jù)發(fā)動機ECU的控制指令選擇至VVT-i控制器的不同油路以處于提前、滯后或保持這三個不同的工作狀態(tài)。發(fā)動機ECU根據(jù)來自凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器的信號檢測實際的氣門正時，從而盡可能地進行反饋控制，以獲得預(yù)定的氣門正時。

圖4 可變氣門正時閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)

當(dāng)發(fā)動機控制單元送給凸輪軸正時機油控制閥的占空比大于50%時，油壓作用于氣門正時提前側(cè)的葉片室，使進氣凸輪軸向氣門正時的提前方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)發(fā)動機控制單元送給凸輪軸正時機油控制閥的占空比小于50%時，油壓作用于氣門正時延遲側(cè)的葉片室，使進氣凸輪軸向氣門正時的延遲方向旋轉(zhuǎn)；發(fā)動機控制單元對各傳感器輸入的數(shù)據(jù)進行處理，并計算出氣門正時的角度，根據(jù)凸輪軸位置傳感器輸入的反饋信號進行對比，達到目標(biāo)氣門正時后，凸輪軸正時機油控制閥關(guān)閉油道并保持油壓，即氣門正時保持不變。

發(fā)動機電控系統(tǒng)中閉環(huán)反饋輔助控制系統(tǒng)有很多，如節(jié)氣門電控系統(tǒng)、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)、二次空氣噴射系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、巡航系統(tǒng)等等。這些反饋控制系統(tǒng)一般都具有學(xué)習(xí)控制功能。例如在發(fā)動機使用過程中，由于磨損等原因會導(dǎo)致發(fā)動機怠速控制閥的性能發(fā)生變化，雖然怠速控制開啟的位置未變，但實際的怠速轉(zhuǎn)速會與電控單元內(nèi)存中設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速略有差異，此時電控單元利用反饋控制使怠速回到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，怠速控制閥將會有一個新的位置，同時電控單元將會把這個新位置的值存儲在存儲器中，以便在以后的怠速控制中使用。

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