1、2.8 空燃比閉環控制開環控制時ECU并不知曉執行器執行指令后的實際效果；而閉環控制時ECU通過傳感器監測指令執行后某一個特定參數的變化，并將該參數的實測值與設定值對比，在兩者不一致時調整指令使之達到一致。故凡閉環控制，必有一個控制對象，即控制參數；還有一個控制目標，即控制參數的設定值。閉環控制的控制參數就是燃油與空氣溫合氣的過量空氣系數，控制目標是=1附近的一個小范圍。Motronic在怠速和部分負荷時可實行環控制，其他工況皆為開環控制。1、閉環控制的調節范圍和激活的必要條件汽油機排放的有害污染物主要是HC、CO和NOx。目前汽油機排放污染物治理手段中最重要的是利用三效催化轉化器凈化。凈化后

2、的廢氣有害物質的濃度與過量空氣系數密切相關。隨著的增大，凈化后殘余的HC和CO濃度降低，但NOx濃度上升。只是在為0.991.00 的一個小區域內才能使三種有害物質同時得到最大限度的凈化。這就是環控制的調節范圍。只有在怠速和部分負荷工況范圍，而且結束暖機以后，才能激活閉環控制。2、氧傳感器氧傳感器用于測定廢氣中的過量空氣系數。定義為燃油和空氣的混合氣中實際空氣里和由所含燃油量決定的理論當量空氣量之比。=1意味著充分燃燒后燃油與空氣均無過剩；1則氧過剩，混合氣過稀；1則氧不足，混合氣過濃。由混合氣中各種原子數量的比例決定。燃燒過程不改變這個比例，故從廢氣中測定的，不論燃燒是否完全，都與未燃時在混

3、合氣中測定的一樣。目前普遍使用的氧傳感器只能判斷是1，還是1，卻無法測定的具體數值。不過已開始生產能測定具體數值的氧傳感器，用于稀薄燃燒發動機。1）管式氧傳感器原理氧傳感器按帶固態電解質的氧濃度原電池的原理工作（Nernst原理）。其核心元件是用二氧化鋯制成的傳感陶瓷管1。傳感陶瓷管不透氣，用氧化銥作過穩定化處理。傳感陶瓷管的內外表內部涂有一薄層透氣的多孔鉑，它一方面因其催化作用而影響著傳感給輸出特性，另一方面由于電接觸，構成兩個電極2。傳感陶瓷管突入排氣氣流中，所以在它外表面的鉑涂層上再涂一層高孔隙度的陶瓷保護層6。 這層加固層防止了鉑催化層遭受廢氣中沉積物的腐蝕和侵蝕，確保了傳感器的長期穩

4、定性。傳感陶瓷管的內表面與新鮮空氣相通，外表面被廢所包圍，兩邊的氧濃度度相差懸殊。但汽油機廢氣中總是存在殘余氧的，即使在燃油過剩的情況下也不例外。例如=0.95時殘余氧達到約0.1 0.3的體積百分比。多孔鉑電極的催化作用使得廢氣中的CO、HC和H2在電極表面上同殘余氧發生化學反應，使之趨向理論當量的平衡，以致殘余氧的最終濃度跟燃燒完全與否無關。而僅僅取決于。 傳感陶瓷管內外表面上的氧濃度差別促使內表面上的氧原子放下2個正電荷變成帶2個負電荷的氧離子，通過擴散穿越多孔的、由二氧化鋯制成的傳感陶瓷管（故稱固態電解質）到達外表面，將2個負電荷留在外表面，成為氧原子進入廢氣中。所以：內表面帶正電，成

5、為正極；外表面帶負電，成為負極。兩極之間的電位差使是氧傳感器的信號電壓。信號電壓的高低取決于傳感陶瓷管內外表面之間氧濃度之差，即取決于外表面上廢氣經完全催化處理之后殘余氧的濃度，而殘余氧濃度又是廢氣值的函數。從1的稀混合氣（高殘余氧）過渡到1的濃混合氣（極低殘余氧），則殘余氧濃度突變達10的幾次方冪倍。所以在=1附近信號電壓突變，1時為8001000mV,1時小于100mV=1時為450500mV。氧傳感器應裝在任何工況下都能達到其工作溫度的地方，因為氧傳感器的工作特性與溫度密切相關。溫度強烈地影響著傳感陶瓷管對氧離子的導通能力。一方面當溫度低于600時，輸出電壓低于上述數據和曲線，而低于35

6、0時幾乎沒有信號；另一方面，輸出電壓對于過量空氣系數變化的響應時間也與溫度有關。例如：當傳感陶瓷管溫度為350時，響應時間為幾秒鐘；而當傳感陶瓷管溫度為600時，響應時間小于50ms。所以在發動機起動后直到大約350的最低運行溫度的一段時間內，閉環控制是截止的。氧傳感器的內阻也與溫度有關。2）不加熱的管式氧傳感器如圖所示，傳感陶瓷管7借助于“指狀”的陶瓷支承管3和碟形彈簧2固定在傳感器殼體6上并密封。在支承管和傳感陶瓷管之間的接觸元件5用于提供內電極和連接電纜1之間的接觸。外電極通過金屬密封環與傳感器殼體連接。傳感器內的各種零件都由金屬護套4 固定和對中。護套除了支承碟形彈簧以外，還保護傳感器

7、內部不被污染。連接電纜夾緊在伸出傳感器的連接元件的末端，并用耐高溫的PTFE帽蓋密封以防潮氣和機械損傷。為了防止廢氣中的燃燒沉積物落在傳感陶瓷管上,在凸入股氣氣流中的傳感器殼體的末端裝有護管8，護管上開有孔隙，可讓廢氣通過，同時卻有效地防止了廢氣中固態物質的機械撞擊和變工況時的熱沖擊。傳感器殼體上有螺紋供安裝用。3）加熱的管式氧傳感器如圖所示，加熱的管式氧傳感器的構造和原理與不加熱的管式氧傳感器基本相同。主要差別在于，加熱的管式氧傳感器的傳感陶瓷管，內部出一根陶瓷加熱元件6加熱，通電后30s便達工作溫度。因此傳感陶瓷管即使在負荷低、廢氣溫度較低時也有超過350的溫度，可以照常發揮功能。負荷高時

8、由廢氣溫度決定陶瓷管溫度。陶瓷加熱元件系正溫度系數（PTC）電阻，溫度較低時電阻很小，功率很大，加熱很快。加熱后電阻升高，功率不大。加熱的管式氧傳感器的護管10上的廢氣流通孔比較細小，因此減少了傳感陶瓷管在廢氣溫度較低時所遭受的冷卻作用。管式氧傳感器的加熱，將發動機從起動直到閉環控制投入運行所經歷的時間縮短到2030s，確保了廢氣溫度較低（如怠速）時的閉環控制運行。加熱的管式氧傳感器對變動的響應時間較短，因此有利于提高閉環控制速度。加熱的管式氧傳感器可以安裝在離發動機相對較遠的地點，因而長期全負荷運行時氧傳感器也不會因過熱而出問題。加熱的管式氧傳感器始終具有最佳的工作溫度，可實現較低的和穩定的

9、廢氣排放。4）片式氧傳感器前述的兩種氧傳感器的傳感元件都是管狀的（傳感陶瓷管）。在此基礎上開發出了加熱元件集成于片狀傳感元件的氧傳感器。從功能上說，這種傳感器的電壓特性也在=1發生階躍，與加熱的管式氧傳感器沒有區別。但它同時提供了下一代陶瓷傳感器的基本工藝。這種傳感器的特點在于：采用片狀傳感元件3代替管狀傳感元件；傳感元件借助于陶瓷密封填料6固定在傳感器殼體5上；雙壁式護管7高度有效地保護傳感元件免受過度的熱應力和機械應力。片狀傳感元件采用陶瓷傳感薄膜3作為固態電解質（圖2-70 a)。采用篩網-印刷技術形成各個功能層（內、外電極4和2，多孔保護層1）印刷薄膜一層接一層疊在一起，利用這種辦法使

10、加熱元件集成于傳感元件內。片式氧傳感器尺寸小、重量輕、耗熱功率小、加熱速度快，建立閉環控制所需時間短，控制特性穩定。片式氧傳感器采用單獨的接地。5）片式寬帶氧傳感器（線性氧傳感器）片式寬帶氧傳感器是一種片式雙電池限電流傳感器。如圖所示，它的模塊式結構與成片技術相結合，使得有可能集多種功能于一體。該傳感器的輸出電流在=1處改變方向，且與幾乎成線性關系，故又稱線性氧傳感器，但其斜率以=1為界取不同數值。片式寬帶氧傳感器是Nerst濃度電池（傳感電池）和用于氧離子輸送的泵電池的一種結合,所以它不僅能判定大于1還是小于1，而且能在稀的和濃的區域測定的具體數值。每個傳感器要單獨進行標定。這種傳感器要求專

11、門的電子控制裝置，不僅要求用于產生傳感器信號的泵電池和傳感電池的電子控制裝置，還要求控制傳感器溫度的電子控制裝置。這種傳感器有一些十分可貴的用途，除了上述的可實現從1到1連續控制以外，還能用于稀薄燃燒汽油機、燃氣發動機和柴油機。3、閉環控制原理1）閉環控制回路閉環控制的目的是提高三效催化轉化器對廢氣的凈化效率。在三效催化轉化器4的前后各裝一個氧傳感器，其中裝在前面的3a是必不可少的，裝在后面的3b 只在在某些系統中出現。電子控制單元6從空氣流量傳感器1接受負荷信息，從其他傳感器接收轉運等信息，算出基本噴油量，并根據氧傳感器關于的信息確定修正系數，去乘基本噴油量，使保持在= 0. 991.00一

12、個很窄的范圍內波動。程序中設有一個電壓門檻值，通常在450mV左右。氧傳感器電壓高于此值，則混合氣過濃，應減小修正系數以減少噴油量；低于此值，則混合氣過稀，應增大修正系數以增加噴油量。2）信號的時間滯后(死時間)而從噴油器噴油生成混合氣開始，到氧傳感器測得這部分混合氣的為止，存在一定的反應時間，這個時間影響著閉環控制的振蕩周期。這段時間稱為死時間，由以下四部分組成：混合氣從噴油器到氣缸的流動時間；發動機一個工作循環從進氣到排氣所經歷的時間；燃燒過的氣體從氣缸到氧傳感器的流動時間；氧傳感器的響應時間。其中主要是混合氣和燃燒氣體的流動時間。死時間的長短取決于發動機的負荷與轉速。例如怠速時根據氧傳感

13、器與發動機的距離長短，死時間可達1s以上不等的數值。而大負荷高轉速時死時間減為幾百毫秒。3）閉環控制時的變化過程當氧傳感器輸出電壓越過450mV左右的門檻值躍升或躍降時，ECU確認混合氣成分發生了越過=1的改變。此時應通過修正系數調整噴油量，使混合氣成分回頭往=1方向發展。當然，最好是一步調整到混合氣=1并保持下去。但是由于以下四個原因而無法做到這一點：無法知道當時與=1有多大偏差；如果變動太快，汽車會突然加速或減速，使乘員感到不舒適；發動機不可避免地有制造公差，使用過程中有磨損、漏氣，燃油成分會有波動，以及諸如此類會影響混合氣成分的未知因素；由于死時間的存在，即使噴油量調整到了使混合氣=1，

14、ECU也無法立即知道。實際采取的控制策略當氧傳感器輸出電壓出現階躍時，修正系數先是立即突然改變一個確定的數值，以便盡可能快地發揮修正混合氣成分的作用，接著按照程序內編制的匹配函數以一定的斜率繼續往同一方向慢慢地改變，直到混合氣成分回復到=1并超越之，氧傳感器輸出電壓再次發生階躍，修正系數跟著朝相反方向再次突然改變一個確定的值。 氧傳感器輸出電壓的躍升或躍降都是由于混合氣成分發生越過=1的改變而引起的。這種改變發生在氧傳感器輸出電壓出現階躍之前一段時間，即死時間。當ECU發現氧傳感器輸出電壓出現階躍時已經為時過晚，混合氣成分已經越過了=1并繼續發展。此時ECU只能令修正系數立即朝相反方向改變，使

15、混合氣成分回頭往=1方向發展。所以，由于死時間的緣故，修正系數總是波動著向前發展的。這導致即使在穩定工況下，噴油脈沖的寬度也是波動著的，混合氣成分也只是在=1附近的一個小范圍內波動，永遠不可能停留在=1的狀況。 氧傳感器輸出電壓和修正系數曲線的特點和聯系氧傳感器輸出電壓曲線由一系列階躍組成，而且相鄰兩次階躍的方向相反；在氧傳感器輸出電壓階躍的時刻發生修正系數的突變。但是氧傳感器輸出電壓階躍的方向和修正系數突變的方向正好相反；氧傳感器輸出電壓曲線相鄰兩次階躍之間所經歷的時間：只有一部分用于將混合氣成分改變到=1，這部分時間大體上固定；另一部分時間用于讓混合氣從生成地點(噴油地點)流動到氧傳感器安

16、裝地點和氧傳感器作出響應等，等于死時間，由發動機負荷和轉速決定。如前所述，在死時間內混合氣成分將越過=1繼續發展。所以，修正系數的波動周期取決于死時間的長短，即取決于發動機負荷和轉速；如果修正系數曲線相鄰兩次突變之間的匹配函數始終保持相同的斜率，則：當因發動機負荷和轉速改變而使修正系數曲線的波動周期發生變化時，便會使這種波動的幅度也跟著變化。這將導致混合氣成分在某些工況下越出=1附近的一個小范圍，使三效催化轉化器的轉化效率下降，排放惡化；同時行駛性能也會惡化。所以，當發動機負荷和轉速變化而使修正系數的波動周期增大時，匹配函數的斜率必須調小，使修正系數波動的幅度從總體上保持恒定，以便得到最佳的排

17、放和行駛性能。4）的不對稱調節閉環控制的最佳調節范圍其實并非對稱分布于氧傳感器電壓階躍點的兩側。因為的最佳調節范圍在0.991.00，而氧傳感器電壓階躍點在=1。如果調節使其對稱分布于=1的兩側，那么廢氣就不能在三效催化轉化器內得到最佳的轉化。所以要將實際達到的調節范圍的中心從氧傳感器電壓階躍點朝低的方向推移一點。這稱之為的不對稱調節 有兩種方法可實現的不對稱調節：當從稀混合氣轉入濃混合氣即從1轉入1、氧傳感器電壓躍升時，修正系數推遲一些時間調低，這就是說，噴油量推遲一些時間減少；修正系數不對稱階躍，即從稀到濃和從濃到稀時階躍高度不同。 5）雙氧傳感器閉環控制閉環控制系統中可在三效催化轉化器前

18、面和后面各設一個氧傳感器。設在后面的氧傳感器3b受廢氣污垢的影響較小。來自3b的信號疊加于設在前面的氧傳感器3a的信號，從而改變閉環控制回路中修正系數波動曲線的不對稱性，對調節范圍的漂移進行補償。這樣可保證混合氣成分長時間穩定。但是，單用設在三效催化轉化器后面的氧傳感器3b來實行閉環控制則惰性太大，因為氣體從噴油器到氧傳感器的流動時間太長。所以，兩者兼用最佳。4、特性場數據的自適應(自學習)在某些情況下，ECU內保留的MAP標定數據可能會產生一些偏差，以下方面會使應有的基本噴油時間發生漂移：發動機和噴油器制造過程中的尺寸公差、使用過程中零件狀態的改變、燃油成分的波動、在使用體積空氣流量傳感器的

19、場合還有空氣密度的改變等就是說，貯存在ROM中的基本噴油時間特性場數據會與當時涉及的發動機不盡適配，從而給燃油定量帶來系統誤差。比如以下實例：在節氣門開度10%，轉速為2000RPM時的利用標定的MAP計算的開環噴油時間為10ms，而實際需要的噴油時間為12ms，那么1.MAP的這個工況點的數據可否通過閉環控制進行修正？2.控制系統能否迅速得到正確的噴油時間？1）閉環的噴油時間自適應功能閉環控制電路根據氧傳感器測到的數據修正后續噴油的持續時間，使混合氣成分趨于=1。這一過程中，ECU首先從貯存在ROM中的特性場調出數據匹配過程中確定的基本噴油時間，并根據進氣溫度、發動機溫度等參數加以修正，然后

20、通過不斷調整修正系數，并用修正系數乘噴油時間，實現閉環控制。即：噴油時間=計算的開環噴油時間 修正系數對前述問題1，由于噴油時間=計算的開環噴油時間 修正系數而計算的開環噴油時間=10ms，實際需要的噴油時間=12ms，故修正系數應在1.2左右波動。故在基本噴油時間即MAP數據與實際需求出現偏差時閉環控制可使修正這個偏差。但這樣做存在一個問題：在這個特性場的基礎上同樣能通過常規的閉環控制將混合氣成分最終調整到=1，但如果完全依靠匹配函數修正系統誤差并將混合氣成分調整到=1，則勢必花費相對較長的時間，影響三效催化轉化器對廢氣中成分的轉化效率。那么，應如何加快這個過程呢？2）基本噴油特性場的自適應

21、功能為了解決這個問題ECU通過閉環控制過程確定若干個能描述這些系統誤差的變量，或用于與噴油時間相乘，或用于與噴油時間相加，使混合氣成分迅速地趨近=1。這些變量稱為自適應變量。其數值與負荷和轉速有關。 在某一負荷和轉速區域內形成的自適應變量數據被貯存在RAM中，以后進入同一負荷和轉速區域時就被從RAM中調出用于修正噴油時間。這就是特性場數據的自適應功能。汽車發動機關閉時，ECU并不掉電，所以自適應變量的數據不會從RAM中丟失。但是，如果切斷ECU的電源，則RAM中自適應變量的數據丟失，重新接通電源時必須從頭開始自適應過程。 自適應功能使得燃油定量控制能夠迅速地、獨立地、各個地對涉及的發動機自動進行精細的匹配和補償。（1）自適應變量主要是下列四種參數在自適應過程中得到補償：由于海拔高度改變引起的空氣密度變化。其后果是將空氣質量流量乘一個系數。由于負荷傳感器下游產生漏縫及隨后又被沉積物堵封引起的空氣泄漏量變動。其后果是使空氣流量增加或減少一定數量。由于電磁噴油器開啟和關閉時響應滯后時間的隨機制造偏差引起的實際噴油時間的系統誤差。其后果是使每循環噴油時間增加或減少一定數量。由于燃油成分不同引起的理論當量空燃比偏離14.7。其后果相當于在按ROM中的特性場數據計算噴油時間時使過量空氣系數乘上一個系數。上述這些因素分別在特性場的不同區域發揮很強的作用，所以特性場被分成三個自適應