專利名稱：電控汽油機大負荷工況基于排氣溫度空燃比反饋控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電控汽油機大負荷工況基于排氣溫度的空燃比反饋控制方法，通過該方法解決轎車電控汽油機大負荷加濃工況(也稱動力加濃工況)節(jié)能和環(huán)保問題，對三元催化轉(zhuǎn)化器進行主動保護，即，在不降低汽油機動力性的前提下，既能降低汽油機在大負荷加濃工況區(qū)域運行時的燃油消耗率，減少一氧化碳(CO)排放量，又能對三元催化轉(zhuǎn)化器進行主動保護。
背景技術(shù)：
世界汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車產(chǎn)量的快速增長，雖然給人們的出行帶來了極大方便，對促進了世界經(jīng)濟繁榮，推動了冶金、石化、電子和制造等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展和科技進步作出了巨大貢獻。但是，汽車工業(yè)在創(chuàng)造出巨大財富的同時，對人類的生存環(huán)境造成的負面影響也日益突出。其中與汽車發(fā)動機直接有關(guān)的兩個全球性的問題是汽車尾氣排放對大氣環(huán)境的污染；汽車保有量持續(xù)高速增長，造成的石油能源的枯竭。對于上述問題，雖然目前還沒有完全有效的方法，但在現(xiàn)階段采用電子控制技術(shù)，由電控單元對汽油機所有運行工況進行控制的電控汽油機，對減少汽油機尾氣中有害物排放量，降低燃油消耗率具有非常明顯效果，現(xiàn)代汽油機轎車已全部配用電控汽油機。
為了最大限度減少汽油機尾氣中有害物的排放量，現(xiàn)代電控汽油機在排氣系統(tǒng)中都裝有三元催化轉(zhuǎn)化器，對發(fā)動機排出廢氣，在其排入大氣前進行凈化處理。但是，三元催化轉(zhuǎn)化器對尾氣中三種有害成分(CO、HC、NOx)的凈化效率與汽油機的混合氣濃度有關(guān)，就目前使用最廣泛的各種類型的三元催化轉(zhuǎn)化器而言，只有當混合氣的濃度為理論空燃比時，也即空氣與燃料的質(zhì)量比A/F＝14.6～7∶1(或者過量空氣系數(shù)α＝1)時，三元催化轉(zhuǎn)化器對這三種有害物才同時具有最高的凈化效率。因此，現(xiàn)代電控汽油機在排氣管上都裝有氧傳感器，檢測混合氣的空燃比，電控單元(ECU或ECM)根據(jù)氧傳感器反饋信號，對空燃比進行閉環(huán)控制，使電控汽油機大部分運行工況的空燃比精確地控制在A/F＝14.6～7∶1附近。在其他工況(如起動工況、暖機工況、加速工況和大負荷工況)，則使用較濃的混合氣，此時電控單元對空燃比實行開環(huán)控制。起動工況、暖機工況和加速工況都屬于非穩(wěn)定工況，在汽油機所有工況中所占的比例較小，持續(xù)的時間比較短，而大負荷工況在汽油機全部運行工況所占的比例較大(約占25％)，且持續(xù)的時間較長，研究該工況的A/F控制方式對于降低電控汽油機在大負荷工況的燃油消耗，減少有害物排放具有實際意義。
目前采用的技術(shù)方法及存在問題加濃方法及問題大負荷工況混合氣濃度的確定(即加濃標定)在發(fā)動機試驗臺架上進行，對于不同的汽車制造廠，具體的標定過程及方法雖然存在差異，但一般都遵循以下兩個原則其一，從提高汽油機動力性的要求出發(fā)，把空燃比從14.6加濃到所需的功率混合氣空燃比。功率混合氣的空燃比一般在A/F＝13.9～12.8范圍內(nèi)，具體數(shù)值由實際調(diào)整結(jié)果確定；其二，從三元催化轉(zhuǎn)化器所能承受的最高工作溫度出發(fā)，在大負荷工況，若排氣溫度超過限定值(排氣溫度一般應小于850～900℃)，則進一步加濃混合氣(即減小A/F)，直到排氣溫度低于限定值，并以此時的A/F作為該工況點的設定空燃比。
對于汽油機而言，如果僅從動力性要求來加濃混合氣，對于大負荷工況區(qū)域中的大多數(shù)工況點，其排氣溫度都將超過900℃，個別工況點甚至超過1000℃，目前都采用進一步加濃混合氣的方法，使排氣溫度降低到三元催化轉(zhuǎn)化器的最高允許工作溫度以下，以保護三元催化轉(zhuǎn)化器。另外，考慮到車輛使用條件上的懸殊差異，為了保證在各種運行條件下，都能對三元催化轉(zhuǎn)化器進行有效保護，加濃標定時對運行條件一般定得比較苛刻，通常不對汽油機排氣管進行強制冷卻，室溫規(guī)定為25℃±5℃。在苛刻運行條件下標定的空燃比，雖然能保證大多數(shù)汽車的三元催化轉(zhuǎn)化器免遭高溫損壞，但是也產(chǎn)生問題的另一方面。因為，排氣溫度的高低不僅與發(fā)動機的工況有關(guān)，而且也和排氣管散熱條件有關(guān)(包括環(huán)境溫度、濕度及汽車的行駛速度等)。當汽車行駛時，車輛相對空氣的高速運動，使排氣管受到空氣的強制冷卻，因此對于大多數(shù)電控汽油機，在相同的工況點，其實際排氣溫度低于試驗室標定時的排氣溫度，也即實際供給的混合氣是偏濃的。過濃的混合氣不僅對于保護三元催化轉(zhuǎn)化器沒有實際意義，對汽油機的動力性的貢獻為負值，而且還造成這些工況點的油耗上升，CO排放增加。
圖1、2、3、4給出了僅改變標定時室溫條件(為11℃)，其他條件均相同的情況下，重新標定空燃比后發(fā)動機排溫、扭矩、比油耗及CO排放濃度和按原標定空燃比運行的排溫、扭矩、比油耗和CO排放濃度的對比曲線。圖1表明當環(huán)境溫度降低時，發(fā)動機若按25℃室溫標定的空燃比運行，其相對排氣溫度的最高許允值還有較大的上調(diào)空間。圖2、3、4表明，根據(jù)最高許允排氣溫度，重新標定空燃比，可以在不降低汽油機動力性的情況下，對降低汽油機的比油耗，減少CO排放量均有十分明顯效果。表一、二給出了調(diào)整前后外特性曲線上各工況點比油耗和CO排放濃度的變化情況。


圖5給出在室溫14℃條件下，采用風扇對排氣管進行強制冷卻前后，外特性曲線上各工況點的排氣溫度變化對比曲線。從圖5可以看到，采用風扇對排氣管進行強制冷卻后，排氣溫度又有較大幅度的下降，在這種情況下，如根據(jù)排氣溫度對某些工況點的空燃比再作調(diào)整，可以進一步降低比油耗和CO的排放量。
根據(jù)對以上試驗結(jié)果的分析與討論，在大負荷工況，如果能根據(jù)汽油機實際的排氣溫度，對空燃比進行實時調(diào)整，既能有效地防止三元催化轉(zhuǎn)化器的超溫損壞，又能使發(fā)動機具有良好的經(jīng)濟性和排放性能。對此，采用本發(fā)明提出的“電控汽油機大負荷工況基于排氣溫度的空燃比反饋控制方法”，能夠很好地實現(xiàn)上述設想和要求。采用本發(fā)明提出的方法，可使電控汽油機大負荷工況的空燃比、排氣溫度和汽車的運行工況和氣候環(huán)境條件等參數(shù)的匹配達到最佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電控汽油機大負荷工況基于排氣溫度的空燃比反饋控制方法，從而在不降低汽油機動力性的前提下，既能降低汽油機在大負荷加濃工況區(qū)域運行時的燃油消耗率，減少一氧化碳(CO)排放量，又能對三元催化轉(zhuǎn)化器進行主動保護。
本發(fā)明所提供的一種電控汽油機大負荷工況基于排氣溫度的空燃比反饋控制方法，包括下列步驟步驟1，開始；步驟2，刷新傳感器的輸入數(shù)據(jù)、發(fā)動機的工況參數(shù)，讀入各種預設常數(shù)，各計數(shù)器的累加或清零程序開始前的數(shù)據(jù)準備；步驟3，對各傳感器的輸入?yún)?shù)，執(zhí)行器執(zhí)行反饋計數(shù)，電控單元的狀態(tài)與預設值或狀態(tài)比較，確定是否存在故障，并刷新故障識別參數(shù)；步驟4，對于點火器故障、電控單元故障、節(jié)氣門位置傳感器故障、空氣流量計、曲軸位置傳感器故障，則轉(zhuǎn)入相應的停止供油停機、啟用備用系統(tǒng)、固定模式控制的控制過程，對一般故障，則進入下一步驟；步驟5，不同工況控制程序入口確定，根據(jù)輸入的節(jié)氣門位置參數(shù)、工況參數(shù)的已知參數(shù)，確定相應的控制程序；步驟6，把本次循環(huán)工況點工況特征參數(shù)與上一循環(huán)的工況特征參數(shù)的比較，確定工況特征是否有變化，如工況特征有變化則進入步驟7，并確定A/F；步驟7，對于任一穩(wěn)定工況點的第一個循環(huán)、非穩(wěn)定工況點、排氣溫度傳感器發(fā)生故障的情況，確定相應的A/F，實行開環(huán)控制；步驟8，根據(jù)故障自診斷程序的檢測結(jié)果，確定是否進行A/F反饋控制；步驟9，通過比較實際排氣溫度與限定溫度，確定控制程序的轉(zhuǎn)向若實際排氣溫度小于限定值，轉(zhuǎn)入使混合氣變稀步驟10、11、12，反之則轉(zhuǎn)入加濃混合氣過程13、14、15；步驟10、11、12為增大A/F，使混合氣變稀程序，在步驟10中包括循環(huán)計數(shù)器，按一定循環(huán)數(shù)，增大一個由計算得到的ΔA/F；步驟11為發(fā)動機動力性保證判斷，設置該步驟可以使最大的A/F不會超過功率混合氣的上限，如果超過則由步驟12賦于上限值；步驟13、14、15為減小A/F，使混合氣變濃程序，在步驟13中包括循環(huán)計數(shù)器，按一定循環(huán)數(shù)，減小一個由計算得到的ΔA/F；步驟14為混合氣過濃判斷，設置該步驟使混合氣濃度不超過限定值；如果超過，則由步驟15賦于限定值；步驟16為獨立的控制執(zhí)行模塊，該模塊的功能是按步驟6～15運行結(jié)果所確定的目標A/F，完成噴油脈寬計算、噴油控制、點火控制的控制內(nèi)容；步驟17為返回，在完成本循環(huán)的所有控制內(nèi)容后，返回開始段，進入下一個新的循環(huán)，如此周而復始。
在上述的電控汽油機大負荷工況基于排氣溫度的空燃比反饋控制方法中，其中排溫傳感器故障診斷過程為步驟1，開始；步驟2，讀入排溫傳感器實時輸入?yún)?shù)、發(fā)動機工況參數(shù)、預設參數(shù)及計數(shù)器值的診斷所需的數(shù)據(jù)；步驟3，判斷排溫傳感器最低實時輸出溫度，若實時輸出溫度輸出低于限值，則表明排溫存在故障，進入31，賦值TG(排氣溫度)＝F(Fault表示排氣溫度傳感器故障)；步驟4，判斷排溫傳感器最高實時輸出溫度，若實時輸出溫度輸出高于限值，則表明排溫存在故障，進入41，賦值TG＝F；步驟5，判斷排溫傳感器實時輸出溫度位于最高和最低溫度之間時的故障，若在汽油機工況變化時，實時輸出溫度長時間不變化，則表明排溫存在故障，進入51，賦值TG＝F；步驟6，排溫傳感器故障診斷通過，無故障，賦值TG＝P(Pass表示排氣溫度傳感器工作正常)；步驟7，結(jié)束。
本發(fā)明在電控汽油機大負荷加濃工況，通過在排氣管上安裝一個排氣溫度傳感器，電控單元(ECU或ECM)根據(jù)該傳感器輸入的排氣溫度信息，對大負荷加濃工況的空燃比進行反饋控制，這樣不但能保證排氣溫度不超過允許的限值，對三元催化轉(zhuǎn)化器進行主動保護，更重要的是，可以在不降低發(fā)動機輸出扭矩前提下，有效地降低動力加濃工況的燃油消耗率，大幅度減少這些工況的CO生成量和排放量，使大負荷工況的空燃比、排氣溫度、汽車的運行工況和氣候環(huán)境條件等參數(shù)之間的匹配達到最佳。


圖1是室溫11℃條件下A/F重新標定前后排溫對比曲線；圖2是室溫11℃條件下A/F重新標定前后扭矩對比曲線；圖3是室溫11℃條件下A/F重新標定前后油耗對比曲線；圖4是室溫11℃條件下A/F重新標定前后CO對比曲線；圖5是室溫14℃條件下排氣管強制冷卻前后排溫對比曲線；圖6是反饋系統(tǒng)原理圖；圖7是本發(fā)明大負荷工況基于排氣溫度的A/F反饋控制程序框圖；圖8是排溫傳感器故障診斷程序框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明所提出的方法的核心是在電控汽油機大負荷加濃工況，電控單元(ECU)根據(jù)排氣溫度傳感器輸出的排溫信號及汽油機動力性對混合氣濃度的要求，對預先設定的空燃比(A/F)進行反饋修正。這樣就能做到在不影響發(fā)動機動力性的前提下，既能對三元催化轉(zhuǎn)化器進行主動保護，又能有效降低汽油機的比油耗和一氧化碳排放量，使汽車的運行工況和氣候環(huán)境條件與反饋修正后的空燃比達到最佳的匹配。
本發(fā)明提出的方法的框架及具體容如下大負荷加濃工況基于排氣溫度的A/F反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。
在汽車排氣管上靠近三元催化轉(zhuǎn)化器進口處，安裝一個耐高溫、熱慣性小及響應速度快的排氣溫度傳感器，溫度傳感器把實時的排氣溫度轉(zhuǎn)換為對應的電信號，然后通過導線輸送電控單元。在大負荷加濃工況，電控單元根據(jù)排氣溫度傳感器輸入的信號值，A/F反饋修正的條件等運算比較后，確定新的目標A/F，由此計算出相應的噴油脈寬，并發(fā)出控制指令，通過控制模塊對噴油器通電時間的控制，使混合氣的A/F達到所要求的值，如此周而復始，實現(xiàn)根據(jù)排氣溫度對A/F的反饋控制。
根據(jù)排氣溫度對A/F進行反饋控制的控制程序框圖，如圖7所示。
步驟1、新循環(huán)的開始。
步驟2、刷新傳感器的輸入數(shù)據(jù)、發(fā)動機的工況參數(shù)，讀入各種預設常數(shù)，各計數(shù)器的累加或清零等程序開始前的數(shù)據(jù)準備。
步驟3、對各傳感器的輸入?yún)?shù)，執(zhí)行器執(zhí)行反饋計數(shù)，ECU的狀態(tài)等與預設值或狀態(tài)比較，確定是否存在故障，并刷新故障識別參數(shù)。
步驟4、判別嚴重故障，對于點火器故障、ECU故障、節(jié)氣門位置傳感器故障、空氣流量計(或進氣歧管絕對壓力傳感器)、曲軸位置傳感器等嚴重故障，則轉(zhuǎn)入相應的停止供油停機、啟用備用系統(tǒng)、固定模式控制等特殊的控制程序。對一般故障，則進入下一步驟。
步驟5、不同工況控制程序入口確定，根據(jù)節(jié)氣門位置參數(shù)、工況參數(shù)等已知參數(shù)，確定相應的控制程序。
步驟6、通過把本次循環(huán)工況點工況特征參數(shù)與上一循環(huán)的工況特征參數(shù)的比較，確定工況特征是否有變化，如工況特征有變化則進入下一步驟，并確定A/F。
設置這一步驟起到兩個作用第一，保證任一工況點的第一個工作循環(huán)，都采用對三元催化轉(zhuǎn)化器絕對安全的空燃比，A/F的反饋控制在該工況點的第二循環(huán)才開始。第二，只有在相對穩(wěn)定的工況才實行A/F反饋控制，對快速變化的非穩(wěn)定工況不實行A/F反饋控制。
步驟7、按最嚴酷的要求確定相應的A/F，對于任一穩(wěn)定工況點的第一個循環(huán)、非穩(wěn)定工況點、排氣溫度傳感器發(fā)生故障等情況，實行開環(huán)控制。
步驟8、排氣溫度傳感器故障判別，即根據(jù)故障自診斷程序的檢測結(jié)果，確定是否進行A/F反饋控制。
步驟9、排氣溫度判別，通過比較實際排氣溫度與限定溫度，確定控制程序的轉(zhuǎn)向。若實際排氣溫度小于限定值，轉(zhuǎn)入使混合氣變稀程序(10、11、12)，反之則轉(zhuǎn)入加濃混合氣程序(13、14、15)。
步驟10、11、12為增大A/F，使混合氣變稀程序。在步驟10中包括循環(huán)計數(shù)器，按一定循環(huán)數(shù)，增大一個由計算得到的ΔA/F。步驟11為發(fā)動機動力性保證判斷，設置該步驟可以使最大的A/F不會超過功率混合的上限，如果超過則由步驟12賦于上限值。
步驟13、14、15為減小A/F，使混合氣變濃程序。在步驟13中包括循環(huán)計數(shù)器，按一定循環(huán)數(shù)，減小一個由計算得到的ΔA/F。步驟14為混合氣過濃判斷，設置該步驟使混合氣濃度不超過限定值。如果超過，則由步驟15賦于限定值。
步驟16為獨立的控制執(zhí)行模塊，該模塊的功能是按步驟6～15運行結(jié)果所確定的目標A/F，完成噴油脈寬計算、噴油控制、點火控制等控制內(nèi)容。
步驟17為返回，在完成本循環(huán)的所有控制內(nèi)容后，返回開始段，進入下一個新的循環(huán)，如此周而復始。
如圖8所示，排溫傳感器故障診斷程序框圖，簡述如下步驟1是程序的開始。
步驟2為排溫傳感器實時輸入?yún)?shù)、發(fā)動機工況參數(shù)、預設參數(shù)及計數(shù)器值等診斷所需的數(shù)據(jù)的讀入。
步驟3為排溫傳感器最低實時輸出溫度判斷，若實時輸出溫度輸出低于限值，則表明排溫存在故障，進入步驟31，賦值TG＝F(Fault表示排氣溫度傳感器故障)。
步驟4為排溫傳感器最高實時輸出溫度判斷，若實時輸出溫度輸出高于限值，則表明排溫存在故障，進入41，賦值TG＝F。
步驟5為排溫傳感器實時輸出溫度位于最高和最低溫度之間時的故障判斷，若在汽油機工況變化時，實時輸出溫度長時間不變化，則表明排溫存在故障，進入51賦值TG＝F。
步驟6為排溫傳感器故障診斷通過，無故障，賦值TG＝P(Pass表示排氣溫度傳感器工作正常)。
步驟7，結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種電控汽油機大負荷工況基于排氣溫度空燃比反饋控制方法，包括下列步驟步驟1，開始；步驟2，刷新傳感器的輸入數(shù)據(jù)、發(fā)動機的工況參數(shù)，讀入各種預設常數(shù)，各計數(shù)器的累加或清零程序開始前的數(shù)據(jù)準備；步驟3，對各傳感器的輸入?yún)?shù)，執(zhí)行器執(zhí)行反饋計數(shù)，電控單元的狀態(tài)與預設值或狀態(tài)比較，確定是否存在故障，并刷新故障識別參數(shù)；步驟4，對于點火器故障、電控單元故障、節(jié)氣門位置傳感器故障、空氣流量計、曲軸位置傳感器故障，則轉(zhuǎn)入相應的停止供油停機、啟用備用系統(tǒng)、固定模式控制的控制過程，對一般故障，則進入下一步驟；步驟5，不同工況控制程序入口確定，根據(jù)輸入的節(jié)氣門位置參數(shù)、工況參數(shù)的已知參數(shù)，確定相應的控制程序；步驟6，把本次循環(huán)工況點工況特征參數(shù)與上一循環(huán)的工況特征參數(shù)的比較，確定工況特征是否有變化，如工況特征有變化則進入步驟7，并確定A/F；步驟7，對于任一穩(wěn)定工況點的第一個循環(huán)、非穩(wěn)定工況點、排氣溫度傳感器發(fā)生故障的情況，確定相應的A/F，實行開環(huán)控制；步驟8，根據(jù)故障自診斷程序的檢測結(jié)果，確定是否進行A/F反饋控制；步驟9，通過比較實際排氣溫度與限定溫度，確定控制程序的轉(zhuǎn)向若實際排氣溫度小于限定值，轉(zhuǎn)入使混合氣變稀步驟10、11、12，反之則轉(zhuǎn)入加濃混合氣過程13、14、15；步驟10、11、12為增大A/F，使混合氣變稀程序，在步驟10中包括循環(huán)計數(shù)器，按一定循環(huán)數(shù)，增大一個由計算得到的ΔA/F；步驟11為發(fā)動機動力性保證判斷，設置該步驟可以使最大的A/F不會超過功率混合氣的上限，如果超過則由步驟12賦于上限值；步驟13、14、15為減小A/F，使混合氣變濃程序，在步驟13中包括循環(huán)計數(shù)器，按一定循環(huán)數(shù)，減小一個由計算得到的ΔA/F；步驟14為混合氣過濃判斷，設置該步驟使混合氣濃度不超過限定值；如果超過，則由步驟15賦于限定值；步驟16為獨立的控制執(zhí)行模塊，該模塊的功能是按步驟6～15運行結(jié)果所確定的目標A/F，完成噴油脈寬計算、噴油控制、點火控制的控制內(nèi)容；步驟17為返回，在完成本循環(huán)的所有控制內(nèi)容后，返回開始段，進入下一個新的循環(huán)，如此周而復始。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電控汽油機大負荷工況基于排氣溫度空燃比反饋控制方法，其特征在于排溫傳感器故障診斷過程為步驟1，開始；步驟2，讀入排溫傳感器實時輸入?yún)?shù)、發(fā)動機工況參數(shù)、預設參數(shù)及計數(shù)器值的診斷所需的數(shù)據(jù)；步驟3，判斷排溫傳感器最低實時輸出溫度，若實時輸出溫度輸出低于限值，則表明排溫存在故障，進入31，賦值TG＝F；步驟4，判斷排溫傳感器最高實時輸出溫度，若實時輸出溫度輸出高于限值，則表明排溫存在故障，進入41，賦值TG＝F；步驟5，判斷排溫傳感器實時輸出溫度位于最高和最低溫度之間時的故障，若在汽油機工況變化時，實時輸出溫度長時間不變化，則表明排溫存在故障，進入51，賦值TG＝F；步驟6，排溫傳感器故障診斷通過，無故障，賦值TG＝P；步驟7，結(jié)束。
全文摘要
一種電控汽油機大負荷工況基于排氣溫度空燃比反饋控制方法，主要是通過把本次循環(huán)工況點工況特征參數(shù)與上一循環(huán)的工況特征參數(shù)的比較，確定A/F；按最嚴酷的要求確定相應的A/F，實行開環(huán)控制；根據(jù)故障自診斷的檢測結(jié)果，確定是否進行A/F反饋控制；比較實際排氣溫度與限定溫度若實際排氣溫度小于限定值，轉(zhuǎn)入使混合氣變稀步驟，反之則轉(zhuǎn)入加濃混合氣過程。本發(fā)明不但能保證排氣溫度不超過允許的限值，對三元催化轉(zhuǎn)化器進行主動保護，而且在不降低發(fā)動機輸出扭矩的前提下，有效地降低動力加濃工況的燃油消耗率，大幅度減少這些工況的CO生成量和排放量，使大負荷工況的空燃比、排氣溫度、汽車的運行工況和氣候環(huán)境條件等參數(shù)之間的匹配達到最佳。
文檔編號F02D41/14GK1699734SQ20041001854
公開日2005年11月23日 申請日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者陳志恒, 褚覺熙, 胡寧, 錢宇彬, 張馳云, 陸展華, 宋義忠 申請人:上海工程技術(shù)大學