淺析Lexus車系λ傳感器工作原理及空燃比控制策略(三)

◆文/江蘇 田銳

（接2021年第9期）

六、Lexus車系平面型空燃比傳感器閉環(huán)反饋PID控制及自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正控制

鑒于杯型階躍式氧傳感器的物理特性，信號輸出電壓在0.45V處會發(fā)生階躍，近似于開關(guān)，因此其只可作為區(qū)分空燃混合汽是濃還是稀的兩種狀態(tài)，卻不能確切地反映空燃混合汽濃/稀的具體程度，例如，當(dāng)空燃混合汽稍濃時，信號反饋電壓突變?yōu)?.6～0.9V；當(dāng)空燃混合汽稍稀時，信號反饋電壓突變?yōu)?.1～0.3V；倘若空燃混合汽進一步變濃或變稀，其信號反饋的輸出電壓依然處在上述兩個區(qū)間范圍，故對于過濃或過稀的空燃混合汽，借助杯型階躍式氧傳感器僅可作定性分析，不可作定量測量。這樣一來，基于此類型氧傳感器的空燃比閉環(huán)反饋修正及空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正在針對與目標空燃比的偏差控制上，速度、精度勢必有所降低。

平面型空燃比傳感器輸出電流的大小與廢氣中的氧含量的多寡呈線性對應(yīng)關(guān)系，不但能夠區(qū)分實時空燃比的濃/稀狀態(tài)，還可完美詮釋相較于目標空燃比的具體偏差程度，由此確定應(yīng)該添加或減少多少燃料來彌補差額。基于平面型空燃比傳感器和杯型階躍式氧傳感器的空燃比閉環(huán)反饋PID控制，二者在控制基理上大致一樣，ECM通過接收來自平面型空燃比傳感器的電流信號的大小，實時在線的反饋實際空燃比相較于目標空燃比的偏差程度，按照比例（P）、積分（I）、微分（D）的控制算法，調(diào)取ECM中預(yù)先存儲的大量臺架試驗中所對應(yīng)該工況下的最佳P、I、D的增益系數(shù)，最終通過調(diào)節(jié)基本噴油持續(xù)時間，做到快速、精準的消除實際空燃比相對于目標空燃比的偏差量，其檢測范圍之廣，測量精度之高，噴射修正之準，從各個角度上遠超杯型階躍式氧傳感器。

如圖15所示，平面型空燃比傳感器的輸出信號通過ECM內(nèi)部轉(zhuǎn)換，由電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，一旦檢測到代表實際空燃比的電壓信號略高或略低于目標空燃比電壓信號3.29V時，其空燃比閉環(huán)反饋PID控制即刻介入，通過其精準、快速的補償修正，實際空燃比幾乎穩(wěn)定在目標空燃比附近，無論正的較小補償或負的較小補償，其空燃混合汽都近乎于理想混合汽狀態(tài)，只有當(dāng)正向或負向的反饋補償大到偏離理論值中心很多時，才能反映出實際可燃混合汽的濃/稀狀態(tài)，若偏離持續(xù)增大，超過其空燃比閉環(huán)反饋修正的補償范圍且同時滿足空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正的使能條件時，ECM導(dǎo)入空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正，以實時在線提調(diào)的空燃比閉環(huán)反饋修正的信息參數(shù)作為自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正的更新依據(jù)。其控制方法與上文所述杯型階躍式氧傳感器的空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正基理一致，故這里不再贅述。

圖15 平面型空燃比氧傳感器信號電壓與之對應(yīng)空燃比閉環(huán)反饋控制

七、Lexus車系后杯型階躍式氧傳感器（S2）的閉環(huán)反饋PID控制

如圖16所示，位于三元催化轉(zhuǎn)換器前方的平面型空燃比傳感器或杯型階躍式氧傳感器被用作感知發(fā)動機排氣側(cè)廢氣中的氧含量，以便ECM實施空燃比閉環(huán)反饋修正，從而將產(chǎn)生偏差的實際空燃比調(diào)整回目標空燃比。當(dāng)前多采用“前杯型階躍式氧傳感器+后杯型階躍式氧傳感器”或“前平面型空燃比傳感器+后杯型階躍式氧傳感器”的主流配置。ECM接收位于三元催化轉(zhuǎn)換器后部的杯型階躍式氧傳感器的電壓信號，其被用于修正空燃比閉環(huán)反饋控制及評估三元催化轉(zhuǎn)換器儲氧能力的高低。

圖16 前線性空燃比傳感器/前階躍式氧傳感器+后階躍式氧傳感器

在λ=1時，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，廢氣中的殘余氧量和NOx中的氧使得HC和CO完全氧化的同時，NOx亦得到還原，這樣HC和CO可作為NOx的還原劑。當(dāng)空燃混合汽稍濃時，三元催化轉(zhuǎn)換器釋放氧與廢氣中多余的HC和CO產(chǎn)生氧化反應(yīng)；當(dāng)空燃混合汽稍稀時，廢氣中多余的NOx在催化劑銠的作用下被還原為O2和N2，鈀具有吸附氧的能力，在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，被還原的O2被鈀所吸附并進行存儲。三元催化轉(zhuǎn)換器通過儲存和釋放氧，以補償空燃混合汽的輕微波動?；诖罅堪l(fā)動機臺架試驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，當(dāng)所處理論空燃比附近的空燃混合汽進入汽缸燃燒，排出的廢氣經(jīng)過一個較好且具有較高儲氧能力的三元催化轉(zhuǎn)換器時，因其擁有較高的緩沖混合汽體波動的能力，故后杯型階躍式氧傳感器的輸出電壓基本穩(wěn)定在0.75V（如圖17、18），以該值作為控制目標，當(dāng)檢測到的實際電壓與目標電壓存在偏差時，ECM導(dǎo)入后杯型階躍式氧傳感器的閉環(huán)反饋PID控制。如圖19所示，通過改變空燃比閉環(huán)反饋控制中比例修正（P）的跳變量，以補償因前平面型空燃比傳感器或前杯型階躍式氧傳感器的信號偏差所造成的空燃比的變化。通過減少空燃比的變化，使進入三元催化轉(zhuǎn)換器的廢氣處于最佳狀態(tài)。

圖17 前階躍式氧傳感器+后階躍式氧傳感器（信號電壓穩(wěn)定在0.76V）

八、Lexus車系線性空燃比傳感器、階躍式氧傳感器及三元催化轉(zhuǎn)換器的判斷控制

首先為了實現(xiàn)準確的空燃比控制，必須保證線性空燃比傳感器或階躍式氧傳感器的正常工作，因此，當(dāng)空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)完成后發(fā)動機在運行時，進行正常判斷控制，驗證“線性空燃比傳感器是否正?！薄ⅰ半A躍式氧傳感器是否正常”、“三元催化轉(zhuǎn)換器是否正?！?，在以下的步驟中，將對每個控件執(zhí)行特定的控制。

1.線性空燃比傳感器輸出判斷方法

為了實施精準的空燃比控制，須先判斷線性空燃比傳感器是否正常工作。在空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)結(jié)束后，主動空燃比控制開始前，進行線性空燃比傳感器的輸出判斷，在發(fā)動機運行過程中，通過強行移位空燃比，然后觀察線性空燃比傳感器的輸出是否跟隨空燃比的變化而變化。根據(jù)表3中的目標空燃比來確定控制目標值，以便確定是否正在進行控制。如圖20所示。

圖18 前線性空燃比傳感器+后階躍式氧傳感器（信號電壓穩(wěn)定在0.755V）

圖19 后杯型階躍式氧傳感器的閉環(huán)反饋PID控制

需要注意的是，在車輛行駛的過程中，ECM自動強制執(zhí)行線性空燃比傳感器的輸出判斷，因此，在檢查故障中的數(shù)據(jù)列表時，為了避免與“目標空燃比偏差”混淆，應(yīng)檢查目標空燃比的值，以確定數(shù)據(jù)是控制結(jié)果還是車輛的故障結(jié)果。

表3 目標空燃比

圖20 線性空燃比傳感器輸出判斷

2.主動空燃比控制

當(dāng)線性空燃比傳感器的輸出判斷為正常，三元催化轉(zhuǎn)換器和階躍式氧傳感器的判斷控制被執(zhí)行。三元催化轉(zhuǎn)換器和階躍式氧傳感器（S2）系統(tǒng)在預(yù)設(shè)的每個固定時段都要檢查并判斷是否正常。在給定的時間內(nèi)，通過強制重復(fù)“稀”和“濃”之間的切換，檢查階躍式氧傳感器（S2）的輸出電壓從0到1V以開關(guān)的形式來回切換，這樣重復(fù)3～5次。如果判定為正常，則該時段的檢查結(jié)束。如圖21所示。

需要注意的是，在車輛行駛的過程中，一旦不滿足控制的使能條件，則控制被暫停，如果重新建立使能條件，則控制被恢復(fù)。即行駛中根據(jù)駕駛條件可能無法完成主動空燃比控制診斷過程。

圖21 主動空燃比控制

3.階躍式氧傳感器（S2）從“稀”到“濃”狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程解讀

如果三元催化轉(zhuǎn)換器后方的階躍式氧傳感器（S2）給出了“稀”的判斷，則表示三元催化轉(zhuǎn)換器中充滿了氧氣。即使空燃比從“稀”切換到“濃”，階躍式氧傳感器（S2）的輸出也比線性空燃比傳感器的輸出延遲，這恰恰反映了三元催化轉(zhuǎn)換器中儲存的氧氣量。如圖22所示：

（1）在從“稀”到“濃”的轉(zhuǎn)變發(fā)生后，氧氣仍然保留在三元催化轉(zhuǎn)換器中。因此，線性空燃比傳感器給出當(dāng)階躍式氧傳感器（S2）仍然處于“稀”狀態(tài)時的濃的判斷；

（2）儲存在三元催化轉(zhuǎn)換器中的氧氣在無氧廢氣的壓力下被逐漸排出；

（3）同時，無氧的廢氣從三元催化轉(zhuǎn)換器中出來，向階躍式氧傳感器（S2）側(cè)移動，導(dǎo)致階躍式氧傳感器（S2）也給出了“濃”的判斷。因此，階躍式氧傳感器（S2）讀數(shù)由“稀”到“濃”轉(zhuǎn)換的時間即氧氣被推出的時間（等于三元催化轉(zhuǎn)換器儲存的氧氣量）。

如圖23所示，為了確定三元催化轉(zhuǎn)換器的老化程度，在強行移動空燃比的條件下，可以通過檢測氧傳感器（S2）輸出的變稀或變濃所需要的時間來檢查三元催化轉(zhuǎn)換器中存儲的氧氣量，如果儲存在三元催化轉(zhuǎn)換器中的氧氣量減少，則判定變質(zhì)。一旦變質(zhì)，催化劑不能再存儲氧氣，導(dǎo)致氧傳感器（S2）輸出的反向周期變短（即圖23中a的長度），根據(jù)大量實例，從“濃”到“稀”的轉(zhuǎn)換所需要的時間大約是10s。

圖22 階躍式氧傳感器（S2）濃稀信號切換過程解讀

圖23 三元催化轉(zhuǎn)換器儲氧時間的檢測

4.三元催化轉(zhuǎn)換器效率判斷

ECM用安裝在三元催化轉(zhuǎn)換器前方和后方的氧傳感器來監(jiān)視其效率，第一個氧傳感器，即線性空燃比傳感器，向ECM發(fā)送催化處理之前的信息。第二個氧傳感器，即階躍式氧傳感器，向ECM發(fā)送催化處理之后的信息。ECM比較這兩個信號來判斷催化劑的效率和儲氧能力。在正常工作期間，三元催化轉(zhuǎn)換器根據(jù)需要存儲和釋放氧氣，儲氧能力會導(dǎo)致三元催化轉(zhuǎn)換器后廢氣氣流發(fā)生輕微變化。如果催化劑功能正常，則階躍式氧傳感器的電壓信號在0.75V上下緩慢輕微變換（如圖17、18）。如果催化劑老化并伴隨儲氧能力的下降，則波形會在“濃”與“稀”之間頻繁交替，與前方的線性空燃比傳感器的電壓信號將趨于一致，如圖24所示。

圖24 三元催化轉(zhuǎn)換器功能失效（前后氧傳感器信號波形幾乎一致）

綜上所述，從Lexus車系的階躍式氧傳感器和線性空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及信號特性進行了論述，然后基于空燃比控制基理，分別對Lexus車系的空燃比閉環(huán)反饋PID控制和空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制進行了詳細闡述，最后從診斷角度對線性空燃比傳感器、階躍式氧傳感器及三元催化轉(zhuǎn)換器的自診斷基理進行了分析說明。在充分理解了上述控制基理后，針對Lexus車系電控噴油系統(tǒng)故障的診斷排查就愈發(fā)豁然開朗，讓理論和實踐相結(jié)合，用理論指導(dǎo)實踐，以實踐檢驗所學(xué)，不斷提升汽車維修準確判斷免拆解的“臨床”診斷技術(shù)。（全文完）