电控汽油机大负荷工况基于排气温度空燃比反馈控制方法

摘要

一种电控汽油机大负荷工况基于排气温度空燃比反馈控制方法，主要是通过把本次循环工况点工况特征参数与上一循环的工况特征参数的比较，确定A/F；按最严酷的要求确定相应的A/F，实行开环控制；根据故障自诊断的检测结果，确定是否进行A/F反馈控制；比较实际排气温度与限定温度：若实际排气温度小于限定值，转入使混合气变稀步骤，反之则转入加浓混合气过程。本发明不但能保证排气温度不超过允许的限值，对三元催化转化器进行主动保护，而且在不降低发动机输出扭矩的前提下，有效地降低动力加浓工况的燃油消耗率，大幅度减少这些工况的CO生成量和排放量，使大负荷工况的空燃比、排气温度、汽车的运行工况和气候环境条件等参数之间的匹配达到最佳。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电控汽油机大负荷工况基于排气温度的空燃比反馈控制方法，通过该方法解决轿车电控汽油机大负荷加浓工况(也称动力加浓工况)节能和环保问题，对三元催化转化器进行主动保护，即，在不降低汽油机动力性的前提下，既能降低汽油机在大负荷加浓工况区域运行时的燃油消耗率，减少一氧化碳(CO)排放量，又能对三元催化转化器进行主动保护。

背景技术

世界汽车工业的高速发展，汽车产量的快速增长，虽然给人们的出行带来了极大方便，对促进了世界经济繁荣，推动了冶金、石化、电子和制造等相关行业的发展和科技进步作出了巨大贡献。但是，汽车工业在创造出巨大财富的同时，对人类的生存环境造成的负面影响也日益突出。其中与汽车发动机直接有关的两个全球性的问题是：汽车尾气排放对大气环境的污染；汽车保有量持续高速增长，造成的石油能源的枯竭。对于上述问题，虽然目前还没有完全有效的方法，但在现阶段采用电子控制技术，由电控单元对汽油机所有运行工况进行控制的电控汽油机，对减少汽油机尾气中有害物排放量，降低燃油消耗率具有非常明显效果，现代汽油机轿车已全部配用电控汽油机。

为了最大限度减少汽油机尾气中有害物的排放量，现代电控汽油机在排气系统中都装有三元催化转化器，对发动机排出废气，在其排入大气前进行净化处理。但是，三元催化转化器对尾气中三种有害成分(CO、HC、NO_x)的净化效率与汽油机的混合气浓度有关，就目前使用最广泛的各种类型的三元催化转化器而言，只有当混合气的浓度为理论空燃比时，也即空气与燃料的质量比A/F＝14.6～7∶1(或者过量空气系数α＝1)时，三元催化转化器对这三种有害物才同时具有最高的净化效率。因此，现代电控汽油机在排气管上都装有氧传感器，检测混合气的空燃比，电控单元(ECU或ECM)根据氧传感器反馈信号，对空燃比进行闭环控制，使电控汽油机大部分运行工况的空燃比精确地控制在A/F＝14.6～7∶1附近。在其他工况(如：起动工况、暖机工况、加速工况和大负荷工况)，则使用较浓的混合气，此时电控单元对空燃比实行开环控制。起动工况、暖机工况和加速工况都属于非稳定工况，在汽油机所有工况中所占的比例较小，持续的时间比较短，而大负荷工况在汽油机全部运行工况所占的比例较大(约占25％)，且持续的时间较长，研究该工况的A/F控制方式对于降低电控汽油机在大负荷工况的燃油消耗，减少有害物排放具有实际意义。

目前采用的技术方法及存在问题：

加浓方法及问题

大负荷工况混合气浓度的确定(即加浓标定)在发动机试验台架上进行，对于不同的汽车制造厂，具体的标定过程及方法虽然存在差异，但一般都遵循以下两个原则：

其一，从提高汽油机动力性的要求出发，把空燃比从14.6加浓到所需的功率混合气空燃比。功率混合气的空燃比一般在A/F＝13.9～12.8范围内，具体数值由实际调整结果确定；

其二，从三元催化转化器所能承受的最高工作温度出发，在大负荷工况，若排气温度超过限定值(排气温度一般应小于850～900℃)，则进一步加浓混合气(即减小A/F)，直到排气温度低于限定值，并以此时的A/F作为该工况点的设定空燃比。

对于汽油机而言，如果仅从动力性要求来加浓混合气，对于大负荷工况区域中的大多数工况点，其排气温度都将超过900℃，个别工况点甚至超过1000℃，目前都采用进一步加浓混合气的方法，使排气温度降低到三元催化转化器的最高允许工作温度以下，以保护三元催化转化器。另外，考虑到车辆使用条件上的悬殊差异，为了保证在各种运行条件下，都能对三元催化转化器进行有效保护，加浓标定时对运行条件一般定得比较苛刻，通常不对汽油机排气管进行强制冷却，室温规定为25℃±5℃。在苛刻运行条件下标定的空燃比，虽然能保证大多数汽车的三元催化转化器免遭高温损坏，但是也产生问题的另一方面。因为，排气温度的高低不仅与发动机的工况有关，而且也和排气管散热条件有关(包括环境温度、湿度及汽车的行驶速度等)。当汽车行驶时，车辆相对空气的高速运动，使排气管受到空气的强制冷却，因此对于大多数电控汽油机，在相同的工况点，其实际排气温度低于试验室标定时的排气温度，也即实际供给的混合气是偏浓的。过浓的混合气不仅对于保护三元催化转化器没有实际意义，对汽油机的动力性的贡献为负值，而且还造成这些工况点的油耗上升，CO排放增加。

图1、2、3、4给出了仅改变标定时室温条件(为11℃)，其他条件均相同的情况下，重新标定空燃比后发动机排温、扭矩、比油耗及CO排放浓度和按原标定空燃比运行的排温、扭矩、比油耗和CO排放浓度的对比曲线。图1表明当环境温度降低时，发动机若按25℃室温标定的空燃比运行，其相对排气温度的最高许允值还有较大的上调空间。图2、3、4表明，根据最高许允排气温度，重新标定空燃比，可以在不降低汽油机动力性的情况下，对降低汽油机的比油耗，减少CO排放量均有十分明显效果。表一、二给出了调整前后外特性曲线上各工况点比油耗和CO排放浓度的变化情况。

  表一                                 调整前后比油耗变化对比  转速(rpm)  1200  1600  2000  2400  2800  3200  3600  4000  4400  4800  5200  5600  重新标定前比油耗  (g/kW.h)  290  284  288  281  288  289  308  301  311  325  376  348  重新标定后比油耗  (g/kW.h)  272  258  262  261  266  270  276  283  298  318  338  372  增减(％)  -6  -9  -9  -7  -8  -7  -10  -6  -4  -2  -10  7  表二                                        调整前后CO排放浓度变化对比  转速(rpm)  1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 5200    5600  重新标定前CO  浓度(mol％)  4.07 5.13 5.06 4.96 5.88 6.14 7.26 6.75 7.14 7.89 OVER    8.31  重新标定后CO  浓度(mol％)  2.9 2.74 3.08 2.88 3.42 3.71 4.32 4.8 5.87 7.28 8.35    9.94  增减(％)  -29 -47 -39 -42 -42 -40 -40 -29 -18 -8 -17    20  表中5200rpm列中原值的″OVER″表示该工况点的CO已超出仪器的量程(即10％)，增减按10％计算

图5给出在室温14℃条件下，采用风扇对排气管进行强制冷却前后，外特性曲线上各工况点的排气温度变化对比曲线。从图5可以看到，采用风扇对排气管进行强制冷却后，排气温度又有较大幅度的下降，在这种情况下，如根据排气温度对某些工况点的空燃比再作调整，可以进一步降低比油耗和CO的排放量。

根据对以上试验结果的分析与讨论，在大负荷工况，如果能根据汽油机实际的排气温度，对空燃比进行实时调整，既能有效地防止三元催化转化器的超温损坏，又能使发动机具有良好的经济性和排放性能。对此，采用本发明提出的“电控汽油机大负荷工况基于排气温度的空燃比反馈控制方法”，能够很好地实现上述设想和要求。采用本发明提出的方法，可使电控汽油机大负荷工况的空燃比、排气温度和汽车的运行工况和气候环境条件等参数的匹配达到最佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电控汽油机大负荷工况基于排气温度的空燃比反馈控制方法，从而在不降低汽油机动力性的前提下，既能降低汽油机在大负荷加浓工况区域运行时的燃油消耗率，减少一氧化碳(CO)排放量，又能对三元催化转化器进行主动保护。

本发明所提供的一种电控汽油机大负荷工况基于排气温度的空燃比反馈控制方法，包括下列步骤：步骤1，开始；步骤2，刷新传感器的输入数据、发动机的工况参数，读入各种预设常数，各计数器的累加或清零程序开始前的数据准备；步骤3，对各传感器的输入参数，执行器执行反馈计数，电控单元的状态与预设值或状态比较，确定是否存在故障，并刷新故障识别参数；步骤4，对于点火器故障、电控单元故障、节气门位置传感器故障、空气流量计、曲轴位置传感器故障，则转入相应的停止供油停机、启用备用系统、固定模式控制的控制过程，对一般故障，则进入下一步骤；步骤5，不同工况控制程序入口确定，根据输入的节气门位置参数、工况参数的已知参数，确定相应的控制程序；步骤6，把本次循环工况点工况特征参数与上一循环的工况特征参数的比较，确定工况特征是否有变化，如工况特征有变化则进入步骤7，并确定A/F；步骤7，对于任一稳定工况点的第一个循环、非稳定工况点、排气温度传感器发生故障的情况，确定相应的A/F，实行开环控制；步骤8，根据故障自诊断程序的检测结果，确定是否进行A/F反馈控制；步骤9，通过比较实际排气温度与限定温度，确定控制程序的转向：若实际排气温度小于限定值，转入使混合气变稀步骤10、11、12，反之则转入加浓混合气过程13、14、15；步骤10、11、12为增大A/F，使混合气变稀程序，在步骤10中包括循环计数器，按一定循环数，增大一个由计算得到的Δ_A/F；步骤11为发动机动力性保证判断，设置该步骤可以使最大的A/F不会超过功率混合气的上限，如果超过则由步骤12赋于上限值；步骤13、14、15为减小A/F，使混合气变浓程序，在步骤13中包括循环计数器，按一定循环数，减小一个由计算得到的Δ_A/F；步骤14为混合气过浓判断，设置该步骤使混合气浓度不超过限定值；如果超过，则由步骤15赋于限定值；步骤16为独立的控制执行模块，该模块的功能是按步骤6～15运行结果所确定的目标A/F，完成喷油脉宽计算、喷油控制、点火控制的控制内容；步骤17为返回，在完成本循环的所有控制内容后，返回开始段，进入下一个新的循环，如此周而复始。

在上述的电控汽油机大负荷工况基于排气温度的空燃比反馈控制方法中，其中：排温传感器故障诊断过程为：步骤1，开始；步骤2，读入排温传感器实时输入参数、发动机工况参数、预设参数及计数器值的诊断所需的数据；步骤3，判断排温传感器最低实时输出温度，若实时输出温度输出低于限值，则表明排温存在故障，进入31，赋值TG(排气温度)＝F(Fault：表示排气温度传感器故障)；步骤4，判断排温传感器最高实时输出温度，若实时输出温度输出高于限值，则表明排温存在故障，进入41，赋值TG＝F；步骤5，判断排温传感器实时输出温度位于最高和最低温度之间时的故障，若在汽油机工况变化时，实时输出温度长时间不变化，则表明排温存在故障，进入51，赋值TG＝F；步骤6，排温传感器故障诊断通过，无故障，赋值TG＝P(Pass：表示排气温度传感器工作正常)；步骤7，结束。

本发明在电控汽油机大负荷加浓工况，通过在排气管上安装一个排气温度传感器，电控单元(ECU或ECM)根据该传感器输入的排气温度信息，对大负荷加浓工况的空燃比进行反馈控制，这样不但能保证排气温度不超过允许的限值，对三元催化转化器进行主动保护，更重要的是，可以在不降低发动机输出扭矩前提下，有效地降低动力加浓工况的燃油消耗率，大幅度减少这些工况的CO生成量和排放量，使大负荷工况的空燃比、排气温度、汽车的运行工况和气候环境条件等参数之间的匹配达到最佳。

附图说明

图1是室温11℃条件下A/F重新标定前后排温对比曲线；

图2是室温11℃条件下A/F重新标定前后扭矩对比曲线；

图3是室温11℃条件下A/F重新标定前后油耗对比曲线；

图4是室温11℃条件下A/F重新标定前后CO对比曲线；

图5是室温14℃条件下排气管强制冷却前后排温对比曲线；

图6是反馈系统原理图；

图7是本发明大负荷工况基于排气温度的A/F反馈控制程序框图；

图8是排温传感器故障诊断程序框图。

具体实施方式

本发明所提出的方法的核心是：在电控汽油机大负荷加浓工况，电控单元(ECU)根据排气温度传感器输出的排温信号及汽油机动力性对混合气浓度的要求，对预先设定的空燃比(A/F)进行反馈修正。这样就能做到在不影响发动机动力性的前提下，既能对三元催化转化器进行主动保护，又能有效降低汽油机的比油耗和一氧化碳排放量，使汽车的运行工况和气候环境条件与反馈修正后的空燃比达到最佳的匹配。

本发明提出的方法的框架及具体容如下：

大负荷加浓工况基于排气温度的A/F反馈控制系统构成如图6所示。

在汽车排气管上靠近三元催化转化器进口处，安装一个耐高温、热惯性小及响应速度快的排气温度传感器，温度传感器把实时的排气温度转换为对应的电信号，然后通过导线输送电控单元。在大负荷加浓工况，电控单元根据排气温度传感器输入的信号值，A/F反馈修正的条件等运算比较后，确定新的目标A/F，由此计算出相应的喷油脉宽，并发出控制指令，通过控制模块对喷油器通电时间的控制，使混合气的A/F达到所要求的值，如此周而复始，实现根据排气温度对A/F的反馈控制。

根据排气温度对A/F进行反馈控制的控制程序框图，如图7所示。

步骤1、新循环的开始。

步骤2、刷新传感器的输入数据、发动机的工况参数，读入各种预设常数，各计数器的累加或清零等程序开始前的数据准备。

步骤3、对各传感器的输入参数，执行器执行反馈计数，ECU的状态等与预设值或状态比较，确定是否存在故障，并刷新故障识别参数。

步骤4、判别严重故障，对于点火器故障、ECU故障、节气门位置传感器故障、空气流量计(或进气歧管绝对压力传感器)、曲轴位置传感器等严重故障，则转入相应的停止供油停机、启用备用系统、固定模式控制等特殊的控制程序。对一般故障，则进入下一步骤。

步骤5、不同工况控制程序入口确定，根据节气门位置参数、工况参数等已知参数，确定相应的控制程序。

步骤6、通过把本次循环工况点工况特征参数与上一循环的工况特征参数的比较，确定工况特征是否有变化，如工况特征有变化则进入下一步骤，并确定A/F。

设置这一步骤起到两个作用：第一，保证任一工况点的第一个工作循环，都采用对三元催化转化器绝对安全的空燃比，A/F的反馈控制在该工况点的第二循环才开始。第二，只有在相对稳定的工况才实行A/F反馈控制，对快速变化的非稳定工况不实行A/F反馈控制。

步骤7、按最严酷的要求确定相应的A/F，对于任一稳定工况点的第一个循环、非稳定工况点、排气温度传感器发生故障等情况，实行开环控制。

步骤8、排气温度传感器故障判别，即根据故障自诊断程序的检测结果，确定是否进行A/F反馈控制。

步骤9、排气温度判别，通过比较实际排气温度与限定温度，确定控制程序的转向。若实际排气温度小于限定值，转入使混合气变稀程序(10、11、12)，反之则转入加浓混合气程序(13、14、15)。

步骤10、11、12为增大A/F，使混合气变稀程序。在步骤10中包括循环计数器，按一定循环数，增大一个由计算得到的Δ_A/F。步骤11为发动机动力性保证判断，设置该步骤可以使最大的A/F不会超过功率混合的上限，如果超过则由步骤12赋于上限值。

步骤13、14、15为减小A/F，使混合气变浓程序。在步骤13中包括循环计数器，按一定循环数，减小一个由计算得到的Δ_A/F。步骤14为混合气过浓判断，设置该步骤使混合气浓度不超过限定值。如果超过，则由步骤15赋于限定值。

步骤16为独立的控制执行模块，该模块的功能是按步骤6～15运行结果所确定的目标A/F，完成喷油脉宽计算、喷油控制、点火控制等控制内容。

步骤17为返回，在完成本循环的所有控制内容后，返回开始段，进入下一个新的循环，如此周而复始。

如图8所示，排温传感器故障诊断程序框图，简述如下：

步骤1是程序的开始。

步骤2为排温传感器实时输入参数、发动机工况参数、预设参数及计数器值等诊断所需的数据的读入。

步骤3为排温传感器最低实时输出温度判断，若实时输出温度输出低于限值，则表明排温存在故障，进入步骤31，赋值TG＝F(Fault：表示排气温度传感器故障)。

步骤4为排温传感器最高实时输出温度判断，若实时输出温度输出高于限值，则表明排温存在故障，进入41，赋值TG＝F。

步骤5为排温传感器实时输出温度位于最高和最低温度之间时的故障判断，若在汽油机工况变化时，实时输出温度长时间不变化，则表明排温存在故障，进入51赋值TG＝F。

步骤6为排温传感器故障诊断通过，无故障，赋值TG＝P(Pass：表示排气温度传感器工作正常)。

步骤7，结束。