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摘要：发动机闭环控制系统的核心是空燃比控制，而作为当前空燃比检测的元件是氧传感器。氧传感器反馈信号的采样值是否准确、可靠，是整个空燃比控制环节中的源头，决定着对空燃比的控制成功与否。ECU采集氧传感器信号，将其与既定的浓稀临界值进行比较，大于临界值则为混合气偏浓，小于则为偏稀。然后根据浓稀判断结果，进入计算模块得出下一循环喷油量反馈修正值的大小，其中该临界值的判断，有多种方法达到。
关键词：电喷摩托车；闭环控制；氧传感器
一、汽油发动机电控技术的研究现状
汽油机电子控制燃油喷射系统-般分为开环控制和闭环控制两种模式。其中开环控制是简单的前向控制，不能够根据实际输出反馈调整系统输入，发动机仅通过当前转速和进气量来计算基本喷油量，并由缸盖温度、蓄电池电压等信号计算修正喷油量，二者统-给出最终喷油量。由于无法根据当前发动机空燃比的实际情况作出调整，开环控制不能保证将空燃比精确地控制在目标值，进而影响发动机的动力性、油耗与排放。随着机动车排放法规的愈加严格，开环控制模式已经逐渐被更加精确的闭环控制模式所替代。闭环控制是指系统被控对象的输出反馈到输入端，通过比较计算调整控制器各参数从而改变输出，形成一个或多个闭环。闭环系统在汽车发动机上的应用始于1977年，德国Bosch公司率先研制出了基于氧传感器和三效催化剂的发动机闭环空燃比控制系统,应用于Volvo汽车发动机上，并逐渐在汽油机上得到了广泛的推广和应用例。其中氧传感器相当于一个燃料电池，电压值大小随排气管中的氧浓度变化，对应着可燃混合气的浓稀，即空燃比大小。发动机ECU按循环或定时从氧传感器采集电压信号，进行浓稀判断，计算出喷油量反馈修正值，从而精确控制空燃比问。
1.喷油器采用“完全自由电枢”原理，使往复式电磁泵的频率上限变为原来的2倍。因此油泵供油压力大大提高，体积缩小、结构简单，易于整套系统的部件集成。
2.系统中没有传统的输油泵，而是将油泵、调压器、喷油嘴整合为一个喷油器，该喷油器安装于与进气道紧连的节气门体上，可以在12V电压驱动下产生1.69MPa的高压，而喷油器与油箱之间的油路为常压，使输油管裸露在大气中的摩托车供油系统更加安全可靠。此外，喷油器得到ECU的指令，执行喷油时几乎无压降损失，可根据工况的变化随时调整喷射压力，使喷油量精确可控。
3.采用轴针式喷油嘴，抗结胶和堵塞能力高于传统的孔式喷嘴，大大减少对油品的敏感度，寿命长、故障率低。
4.整个电控系统结构紧凑，适应于多款、各种中小排量的摩托车发动机，不需要对发动机结构做大的改动12。
二、电喷摩托车上闭环控制系统中有待改善的方面为:
1.限于摩托车发动机结构限制，安装于排气管上的氧传感器始终暴露于大气环境中，易受外界干扰、碰撞;信号线和氧传感器与排气管连接处易受雨水腐蚀;发动机长期工作后,积碳和硅化物覆盖于氧传感器表面降低其活性。上述情况均易造成氧传感器失效，使反馈信号不可靠。因此需要设计专门的氧传感器信号失效判断程序，以保证参与空燃比控制的采样值可靠。而针对氧传感器失效损坏的情况应给出故障显示。
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2.传统的氧传感器多数是采用比较器判断氧传感器信号表示的混合气浓或稀所公开，氧传感器的反馈信号为0X，设定比较器中浓稀临界值为OXR, OXR仅仅根据0X值和当前浓稀状态进行调整。此种技术的弊端在于，由于OXR的任意设定比较复杂且易受干扰，因此必须考虑当OXR值出错后如何尽快地恢复到正常值的处理装置，这就使得系统更为复杂。另外当非加热型氧传感器在发动机冷起动后，只有达到一定温度才能正常反馈，因此如何尽快地进入闭环控制也有待研究20~(24。
3.各个工况对空燃比的要求不尽相同，并非都在当量比14.7为最佳。例如怠速时，为防止抖动甚至灭车，要求混合气稍浓，但是过浓又可能导致失火灭车，于是目标空燃比应比理论空燃比稍小;在某些工况点，NOx有增加趋势，从空燃比角度亦应使其小于当量比来降低NO,排放;通过EGR技术降低NO,排放时，为防止HC、CO排放过度需要使空燃比大于当量比。通过控制喷油量反馈修正值可以准确控制空燃比，以满足上述空燃比控制要求。
三、氧传感器信号采集与处理
闭环电喷发动机工作时，可燃混合气在缸内燃烧后，依次经过排气门、排气管入口、氧传感器、三效催化剂，最终到达排气管出口进入大气。其中，三效催化剂将流经排气中的CO、HC、NOx等有害气体通过氧化还原作用转化为无害的CO2、H20、N2,其转化效率的高低取决于能否将空燃比控制在当量比附近。上游氧传感器可以根据排气中氧浓度大小输出不同的反馈信号,与当前混合气空燃比成对应关系。ECU通过对氧传感器信号的采集与处理，即可判断当前空燃比的大小和变化趋势，由此给出下一循环反馈修正值，将混合气空燃比控制在目标值。因此，氧传感器信号的采集与处理是发动机闭环系统中空燃比控制的基础。
①氧传感器的分类及工作原理
目前车用氧传感器根据工作原理的不同主要分三类:氧浓差电池型、氧化物半导体型和极限电流型126。
②氧浓差电池型氧传感器，即是目前在发动机上应用最广泛的ZrO2浓差电池型氧传感器。它的工作原理相当于浓差电池，ZrO2作为固体电解质，一侧暴露于大气环境中，一侧暴露于排气管中。当发动机启动后，排气氧浓度与大气中氧浓度产生很大差异，氧离子通过有大量氧空位的ZrO2电解质，从氧浓度高的大气侧流向氧浓度低的排气侧，形成氧离子导电从而产生氧浓差电势。当混合气偏浓，即空燃比偏小时，排气中氧浓度小，与大气侧差异大，产生较大的氧浓差电势，氧传感器输出高电压;当混合气偏稀，即空燃比较大时，排气中的氧浓度大，与外界差异减小，产生较小的氧浓差电势，氧传感器输出低电压。在理论空燃比附近，混合气燃烧充分，氧浓差电势处于-种高、低突变的临界状态，即输出电压在当量空燃比处产生阶跃效应，因此该种氧传感器也被成为开关型氧传感器。覆盖于ZrO2内外腔表面均有一层铂膜，既作为电极又具有氧化反应催化作用，为了防止排气中杂质腐蚀该铂膜，在其表面又覆盖一层多孔陶瓷涂层。ZrO2浓差电池型氧传感器工作温度为400C~850C,如果低于350*C则内阻过大，输出电压几乎为0,只有达到350C以上其输出电压才能表示空燃比大小27。因此，此种氧传感器又分为加热型和非加热型，非加热型氧传感器在发动机冷起动后完全依靠排气加热，需要较长时间才能进入正常工作状态;加热型氧传感器具有内置加热装置，可以在发动机冷起动后迅速进入正常工作状态。
3.1.2开关型氧传感器的失效模式
作为闭环电喷系统的核心元件，OS工作环境十分恶劣，归于以下几种原因:1.摩托车行驶工况较汽车复杂，转速高，非平坦路面多，质量轻，因此车身震动更频繁、剧烈。
①摩托车发动机体积小，排气管直接裸露于大气中，OS由于上述结构限制只能裸露于大气环境中，雨水腐蚀、高温软化、低温冰冻都会对OS的信号线和与排气管连接处造成负面影响;硬物磕碰和突发事故也有可能对外置的Os造成难以预测的损害。
②发动机燃烧后,排气中碳、硅化物等杂质不断覆盖于OS铂膜上，降低其活性，使其反馈变得不可靠。
③鉴于os在闭环控制策略中的重要地位，必须时刻对其是否老化、失效进行判断，一旦确认老化、失效，则采集到的信号不可靠，不应按原有的策略进行判断、计算，关闭闭环转入开环。
论文作者:李月
论文发表刊物:《防护工程》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/22
标签：传感器论文; 闭环论文; 发动机论文; 信号论文; 反馈论文; 浓度论文; 喷油器论文; 《防护工程》2018年第16期论文;