空燃比控制策略

空燃比即是混合氣中空氣品質與燃料質量之比。當代發動機需滿足在所有行駛工況下有較低的排放污染物、良好的燃油經濟性以及好的驅動性。其中精確地控制空燃比和點火定時是實現獲得發動機最大功率、減少有害物排放等目標的關鍵。

基本介紹

• 中文名：空燃比控制策略
• 領域：內燃機

簡介

控制點火的感測器信息和信號與控制燃油的有非常多的相同之處。當對發動機燃油經濟性、排放性能一起考慮時，點火時刻和噴油量是相互影響的。這就是為什麼現在大多數發動機管理系統是綜合點火和噴油控制，以確保發動機在所有工況下都處於最佳工作狀態。綜合控制不僅可使性能最佳化，還可使系統的結構簡化。

電控汽油噴射（electronic fuel injection，EFI）系統利用各種感測器檢測發動機和汽車的各種狀態，經微機的判斷、計算，確定噴油脈寬、點火正時等參數，使發動機在不同工況下均能獲得合適空燃比的混合氣和合適的點火提前角。在閉環控制系統中採用氧感測器反饋控制，可使空燃比的控制精度進一步提高。在汽車運行的各種條件下空燃比均可得到適當的修正，使發動機在各種工況下均能得到最佳的空燃比。

圖1-1電控汽油噴射系統

空燃比的控制策略

為了滿足發動機各種工況的要求，混合氣的空燃比要採用閉環和開環相結合的策略。主要分為3種控制方式。

（1）冷起動和冷卻液溫度低時，通常採用開環控制方式。由於起動轉速低，冷卻液溫度低，燃油揮發性差，因此需對燃油進行一定的補償。可燃混合氣的空燃比與冷卻液溫度有關，隨著溫度增加，空燃比逐漸變大。

（2）部分負荷和怠速運行時，為了獲得低的排放，並有較好的燃油經濟性，必須採用電控汽油噴射加三元催化轉化器，進行空燃比的閉環控制。圖2-1中的虛線部分為未加三元催化轉化器時CO，HC， NO_x排放濃度與空燃比的關係，實線部分為採用三元催化轉化器後，CO，HC， NO_x與空燃比的關係。從圖中可以看出，採用三元催化轉化器時，空燃比在化學計量比附近很窄的範圍內，CO，HC， NO_x的排出濃度均較小。只有採用閉環控制方式，才能使混合氣空燃比嚴格控制在化學計量比附近很窄的範圍內，使有害排放物轉化效率最高。

圖2-1三元催化轉化器對排放物的影響

（3）節氣門全開（wide open throttle， ）時，為了獲得最大的發動機功率和防止發動機過熱，應採用開環控制，將混合氣空燃比控制在12.5~13.5範圍內。此時發動機內混合氣燃燒速度最快，燃燒壓力最高，因而輸出功率也就越大。在大負荷時，為了避免發動機過熱，可將混合氣體調濃，以降低發動機的溫度。

空燃比控制的流程

要實現上述空燃比的控制策略，應按下列步驟進行工作：

（1）精確地確定發動機質量流量。可用空氣品質流量計直接測量空氣品質流量，或在速度密度法的EFI發動機中，通過進氣歧管絕對壓力感測器、進氣溫度和發動機轉速信號計算空氣品質流量。

（2）根據測量空氣品質流量時的發動機轉速，計算出每工作循環每缸的進氣質量流量。

（3）測量發動機此工況下各種感測器的信號，例如節氣門位置、蓄電池電壓、變速器擋位、發動機冷卻液溫度、起步、駐車/空擋、節氣門全開、海拔高度等參數。節氣門位置變化率可檢測到加、減速狀況，對噴油脈寬進行修正；蓄電池電壓會對噴油器的無效噴射時間和油泵流量特性有影響，要進行修正；冷卻液溫度、空氣溫度與燃油的蒸發有關，影響混合氣形成，也需根據不同溫度進行修正。修正參數的數值和修正曲線通過標定試驗獲得，每個汽車公司均有所不同。根據這些數據查表獲得理想的燃油和空氣的比例，從而計算出每缸的理想燃油質量。

（4）根據噴油器標定數據（流量係數）計算出噴油器噴油時間（噴油脈寬）。

（5）根據發動機工況確定噴油定時。噴油定時的大致範圍如圖3-1所示。

圖3-1噴油定時的大致範圍

（6）ECU中驅動器根據發火順序，按上面已計算得到的噴油脈寬和噴油定時使噴油器噴油。噴油脈寬的整個計算流程如圖3-2所示。

圖3-2噴油脈寬的計算流程

空燃比的控制分為兩大部分：一部分為起動工況，它又可分為正常起動時的 A/F控制和淹缸的A/F控制；另一部分為運行工況，它又可分為冷機A/F、暖機A/F和化學當量比A/F控制3種情況。

噴油持續時間（脈寬）的控制

噴射方式有同步噴射和異步噴射兩種。同步噴射是指噴油時刻與發動機曲軸轉角有對應關係的噴射；異步噴射是根據感測器的輸入要求控制噴油時刻，與發動機曲軸的角度無關。

在發動機大多數運轉工況下，噴油系統採用同步噴油方式工作，只有在起動、起步、加速等工況才採用異步噴射方式工作。發動機在不同工況下運轉，基本噴油持續時間和各種參數的修正量是至關重要的。發動機型號不同，其修正特性曲線也不相同。

同步噴射

起動噴油控制

當發動機起動時，由於轉速波動，在速度-密度法的電控汽油噴射系統中，進氣歧管壓力感測器和質量流量法的電控汽油噴射系統中空氣流量計都很難精確地、間接或直接地測量進氣量，從而計算出基本噴油持續時間，因此大部分發動機在起動時是根據記憶體中冷卻液溫度-噴油時間圖查出相應的基本噴油持續時間，然後進行進氣溫度和蓄電池電壓（+B）的修正，得到起動時間噴油持續時間，如圖4-1所示。

圖4-1起動噴油持續時間的確定

起動噴油持續時間=基本噴油時間（冷卻液溫度的函式）+進氣溫度修正+蓄電池電壓修正

起動期間的噴油時間除了考慮冷卻液溫度、進氣溫度和電壓等影響外，有的公司還考慮發動機的轉速、起動次數等影響。冷起動和冷卻液溫度低時混合氣稍濃，噴油時間隨發動機冷卻液溫度的升高逐漸減小，空燃比逐步達到化學計量比。

起動後噴油控制

發動機轉速超過預定值時，電子控制單元按下列公式確定噴油持續時間：

噴油持續時間=基本噴油持續時間×（噴油修正係數+電壓修正係數）

式中，噴油修正係數是指各種修正係數之和。

裝有電控噴油系統的發動機之所以能獲得良好的動力性、經濟性和排放性能，是由於電子汽油噴射系統能精確地控制空燃比。空氣流量可以由間接計算（速度密度法）或直接測量（質量流量計法）獲得，根據目標空燃比的要求，由ECU計算出噴油脈寬，輸送給噴油器一個噴油脈寬的控制信號。

基本噴油持續時間

對於採用空氣流量計的電控噴油系統，基本噴油持續時間可用下式表示：

基本噴油持續時間=K×進氣量/發動機轉速

式中，K為修正係數。

對於採用進氣歧管絕對壓力感測器的發動機，大多採用三維圖形將數據按一定形式存儲在ECU中，見圖4-2。它是根據目標空燃比的要求，通過試驗獲得發動機歧管絕對壓力、轉速對應基本噴射時間的數據圖。

圖4-2噴油脈寬的三維圖（速度-密度法）

　　

噴油量的修正

電子控制單元（ECU）通過各種感測器獲得發動機和汽車運行工況的各種信息，根據這些信息對已確定的基本噴油持續時間進行修正。

（1）起動加濃：為了改善起動性能，需要根據冷卻液溫度對噴油量進行修正。低溫時，增加噴油量。

（2）起動後加濃：發動機起動後，點火開關從起動（STA）轉到接通點火（ON）位置，或發動機轉速已達到或超過預定值，ECU在這一段時間內額外增加一定的噴油量，使發動機保持穩定的運轉。噴油量的初始修正值根據冷卻液溫度確定，然後以一定的速率下降，逐步達到正常值。此過程在起動後幾十秒內完成。

（3）暖機加濃：加濃量隨著冷卻液溫度而變化。冷卻液溫度低時，增加的噴油量多。當冷卻液溫度在-40°時，加濃的油量是正常噴油量的2倍。在怠速觸點（IDL）接通或斷開時，根據發動機轉速加濃量有少許變化。修正加濃曲線如圖4-3所示。冷機需要比正常的混合氣濃，以免游車和失速。

圖4-3暖機修正圖

圖4-4進氣溫度修正曲線

（4）進氣溫度修正：發動機進氣密度隨進氣溫度而變化。根據進氣溫度修正噴油持續時問，以保證發動機在此工況下運行時達到所需的空燃比。一般把20°作為進氣溫度信息的標準值，修正係數為1。ECU根據進氣低於或高於該標準溫度，增加或減少噴油量。增加或減少的最大修正值約為10%。進氣溫度修正曲線如圖4-4所示。

（5）冷卻液溫度修正：冷卻液溫度對發動機的性能影響要比空氣溫度的影響大，其最大修正量約為30%。冷卻液溫度高，修正係數小；反之修正係數大。

（6）大負荷加濃：當發動機在大負荷工況下運行時，為了保證發動機處於最佳工作狀態，降低發動機排氣溫度，ECU根據發動機負荷狀況增加噴油量。發動機負荷狀況可以根據節氣門開啟角度或進氣量的大小來確定。大負荷的加濃程度約是正常噴油量的10%~30%。

（7）過渡工況空燃比控制：發動機在過渡工況下運行時，若只使用基本噴油持續時間，則在加速時混合氣會瞬時變稀，在減速時混合氣會瞬時變濃。主要是燃油汽化速度的影響，影響燃油的汽化速度有兩個因素：一個是進氣歧管內壓力的高低；另一個是燃油附著部位溫度的高低。因此，需要對燃油進行增加或減少的修正，以免發動機發生“喘振”、汽車產生振動、起動時發動機出現倒轉、排氣中有害成分增加等現象。

（8）怠速穩定性修正：為了提高發動機怠速運轉的穩定性，根據進氣歧管壓力和發動機轉速的變化，增減噴油量。（只用於速度密度法）

（9）空燃比反饋修正：為了滿足嚴格的排放法規的要求，必須採用氧感測器和三元催化轉化器（TWC）。利用閉環控制將空燃比控制在化學計量比附近很窄範圍內，以保證三元催化轉化器獲得較高的效率。

（10）空燃比學習控制：發動機各種工況的基本噴油持續時間存在於ECU的存儲器中。這些數據對於一種型號的發動機來說都是確定的標準數值。但在使用過程中，由於供油系統或發動機性能的變化，實際空燃比相對化學計量空燃比的偏離可能不斷增大，雖然空燃比反饋修正可以修正空燃比的偏差，但是修正的控制範圍是一定的。如果反饋值的中心偏向稀或濃的一邊，修正值可能超出修正範圍。如果在某一時間段內平均A/F修正係數大於或小於很多，就會造成控制上的困難。為了使修正值回到可以控制的修正範圍之內，並使反饋值的中心回到化學計量空燃比的位置，ECU根據反饋值的變化情況，設定一個學習修正係數，以實現燃油噴射持續時間總的修正。這個學習修正係數值存儲在ECU的記憶體中，即使點火開關斷開，也仍然保留著。

圖4-5有、無學習控制的空燃比控制精度

圖4-6噴油信號與噴油器實際開啟時間的差別

當運行條件發生變化時，學習修正量立即反映到噴油時間上，因此提高了過渡工況運行時空燃比的控制精度。從圖4-5可以看出，當吸入空氣量從A向B變化時，有學習控制時A/F可控制在14.7附近，而無學習控制時有一段時間A/F不能達到化學計量空燃比。

（11）電壓修正：噴油器實際打開的時間比電子控制單元控制噴油器的時間要晚，如圖4-6所示，電流進入噴油器的繞組所需的時間為t_1，電流切斷時所需的時間為t_2，t_1-t_2得到t，即為噴油器繞組感應產生的延遲，這意味著噴油器打開的時間比ECU計算所需要打開的時間短，使實際空燃比比發動機所要求的空燃比大（即較稀）。蓄電池電壓越低，滯後的時間也越長。ECU根據蓄電池電壓的高低相應地延長噴油信號的持續時間，對噴油量進行修正，使實際噴油時間接近於ECU的計算值。

異步噴射

起動時，為了改善發動機的起動性能，需將混合氣加濃，除了按正常的曲軸轉角同步方式噴油外，在起動信號（STA）處於接通時，ECU根據上止點（G）信號後檢測到的第一個轉速（Ne）信號開始，以固定的噴油持續時間，同時向各缸增加一次噴油，如圖4-7所示。

起步時，發動機從怠速工況向起步工況過渡時，會出現混合氣過稀現象。為了改善起步加速性能，ECU在怠速（IDL）觸點信號從接通到斷開後，檢測到第一個轉速（Ne）信號時，增加一次固定噴油持續時間的噴油，如圖4-8所示。

圖4-7起動時異步噴射圖4-8起步時異步噴射

加速時，當節氣門急速開啟或進氣量突然變大時，為了提高加速回響性能，加速期間在同步噴射基礎上加異步噴射，如圖4-9所示。加速的加濃因子在開始一段時間大，隨著點火次數的增加按一定斜率慢慢減至0。

圖4-9加速時異步噴射

噴油定時的控制

噴油可分為同時噴射、分組噴射和順序噴射3種形式。為了滿足嚴格排放法規的要求，大多數發動機都採用順序噴射。

對於分組噴射來說，噴油定時的影響不大，但順序噴射對噴油定時有一定的要求。有的公司規定在進氣行程之前結束該缸噴油，以便燃油更好地蒸發，形成較好的混合氣；也有的公司規定80%的燃油在排氣行程中噴射，留下20%在進氣行程中噴射；還有的公司為了簡化控制程式，採用固定的噴油定時，大多數設在進氣行程前曲軸轉角70°~90°。

注意問題

節點的選取

在速度-密度法中，為了得到不同工況下的噴油脈寬，通常先在發動機試驗台架上進行穩態試驗，把試驗的工況點稱為節點。這些節點不是均布的，而要根據以下原則來選擇：

（1）合理布局，工況的節點要覆蓋發動機的整個工作範圍。

（2）發動機性能變化劇烈的工況區域節點要求比較密。

（3）常用工況、特殊工況（怠速、排放測試點）要重點考慮。

這些要求可通過各個發動機的工況頻次圖（用工況法進行排放測試時每秒鐘記錄一次發動機的轉速和負荷）來分析和確定。

排放量的控制

在工況法排放測試中（ECE 15-04+EUDC，歐洲經濟委員會關於排放的城市運行15工況4個試驗循環與關於市郊公路的一個試驗循環的汽車法規）第一循環排放量占整個測試循環的70%~80%。為了減少排放量，應使氧感測器和三元催化轉化器儘早起作用。除了採用加熱型氧感測器外，還可採用電加熱催化轉化器；在熱負荷允許的條件下，儘量將氧感測器和三元催化轉化器接近排氣歧管；在車載診斷系統中，要求裝兩個氧感測器，一個在轉化器前，起控制A/F的作用，另一個在催化轉化器後，監測三元催化轉化器的工作是否正常。