◆文/江蘇 田銳

（接2021年第9期）

六、Lexus車系平面型空燃比傳感器閉環(huán)反饋PID控制及自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正控制

鑒于杯型階躍式氧傳感器的物理特性，信號(hào)輸出電壓在0.45V處會(huì)發(fā)生階躍，近似于開(kāi)關(guān)，因此其只可作為區(qū)分空燃混合汽是濃還是稀的兩種狀態(tài)，卻不能確切地反映空燃混合汽濃/稀的具體程度，例如，當(dāng)空燃混合汽稍濃時(shí)，信號(hào)反饋電壓突變?yōu)?.6～0.9V；當(dāng)空燃混合汽稍稀時(shí)，信號(hào)反饋電壓突變?yōu)?.1～0.3V；倘若空燃混合汽進(jìn)一步變濃或變稀，其信號(hào)反饋的輸出電壓依然處在上述兩個(gè)區(qū)間范圍，故對(duì)于過(guò)濃或過(guò)稀的空燃混合汽，借助杯型階躍式氧傳感器僅可作定性分析，不可作定量測(cè)量。這樣一來(lái)，基于此類型氧傳感器的空燃比閉環(huán)反饋修正及空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正在針對(duì)與目標(biāo)空燃比的偏差控制上，速度、精度勢(shì)必有所降低。

平面型空燃比傳感器輸出電流的大小與廢氣中的氧含量的多寡呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，不但能夠區(qū)分實(shí)時(shí)空燃比的濃/稀狀態(tài)，還可完美詮釋相較于目標(biāo)空燃比的具體偏差程度，由此確定應(yīng)該添加或減少多少燃料來(lái)彌補(bǔ)差額?；谄矫嫘涂杖急葌鞲衅骱捅碗A躍式氧傳感器的空燃比閉環(huán)反饋PID控制，二者在控制基理上大致一樣，ECM通過(guò)接收來(lái)自平面型空燃比傳感器的電流信號(hào)的大小，實(shí)時(shí)在線的反饋實(shí)際空燃比相較于目標(biāo)空燃比的偏差程度，按照比例（P）、積分（I）、微分（D）的控制算法，調(diào)取ECM中預(yù)先存儲(chǔ)的大量臺(tái)架試驗(yàn)中所對(duì)應(yīng)該工況下的最佳P、I、D的增益系數(shù)，最終通過(guò)調(diào)節(jié)基本噴油持續(xù)時(shí)間，做到快速、精準(zhǔn)的消除實(shí)際空燃比相對(duì)于目標(biāo)空燃比的偏差量，其檢測(cè)范圍之廣，測(cè)量精度之高，噴射修正之準(zhǔn)，從各個(gè)角度上遠(yuǎn)超杯型階躍式氧傳感器。

如圖15所示，平面型空燃比傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)ECM內(nèi)部轉(zhuǎn)換，由電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，一旦檢測(cè)到代表實(shí)際空燃比的電壓信號(hào)略高或略低于目標(biāo)空燃比電壓信號(hào)3.29V時(shí)，其空燃比閉環(huán)反饋PID控制即刻介入，通過(guò)其精準(zhǔn)、快速的補(bǔ)償修正，實(shí)際空燃比幾乎穩(wěn)定在目標(biāo)空燃比附近，無(wú)論正的較小補(bǔ)償或負(fù)的較小補(bǔ)償，其空燃混合汽都近乎于理想混合汽狀態(tài)，只有當(dāng)正向或負(fù)向的反饋補(bǔ)償大到偏離理論值中心很多時(shí)，才能反映出實(shí)際可燃混合汽的濃/稀狀態(tài)，若偏離持續(xù)增大，超過(guò)其空燃比閉環(huán)反饋修正的補(bǔ)償范圍且同時(shí)滿足空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正的使能條件時(shí)，ECM導(dǎo)入空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正，以實(shí)時(shí)在線提調(diào)的空燃比閉環(huán)反饋修正的信息參數(shù)作為自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正的更新依據(jù)。其控制方法與上文所述杯型階躍式氧傳感器的空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)修正基理一致，故這里不再贅述。

圖15 平面型空燃比氧傳感器信號(hào)電壓與之對(duì)應(yīng)空燃比閉環(huán)反饋控制

七、Lexus車系后杯型階躍式氧傳感器（S2）的閉環(huán)反饋PID控制

如圖16所示，位于三元催化轉(zhuǎn)換器前方的平面型空燃比傳感器或杯型階躍式氧傳感器被用作感知發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)廢氣中的氧含量，以便ECM實(shí)施空燃比閉環(huán)反饋修正，從而將產(chǎn)生偏差的實(shí)際空燃比調(diào)整回目標(biāo)空燃比。當(dāng)前多采用“前杯型階躍式氧傳感器+后杯型階躍式氧傳感器”或“前平面型空燃比傳感器+后杯型階躍式氧傳感器”的主流配置。ECM接收位于三元催化轉(zhuǎn)換器后部的杯型階躍式氧傳感器的電壓信號(hào)，其被用于修正空燃比閉環(huán)反饋控制及評(píng)估三元催化轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)氧能力的高低。

圖16 前線性空燃比傳感器/前階躍式氧傳感器+后階躍式氧傳感器

在λ=1時(shí)，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，廢氣中的殘余氧量和NOx中的氧使得HC和CO完全氧化的同時(shí)，NOx亦得到還原，這樣HC和CO可作為NOx的還原劑。當(dāng)空燃混合汽稍濃時(shí)，三元催化轉(zhuǎn)換器釋放氧與廢氣中多余的HC和CO產(chǎn)生氧化反應(yīng)；當(dāng)空燃混合汽稍稀時(shí)，廢氣中多余的NOx在催化劑銠的作用下被還原為O2和N2，鈀具有吸附氧的能力，在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，被還原的O2被鈀所吸附并進(jìn)行存儲(chǔ)。三元催化轉(zhuǎn)換器通過(guò)儲(chǔ)存和釋放氧，以補(bǔ)償空燃混合汽的輕微波動(dòng)。基于大量發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)所處理論空燃比附近的空燃混合汽進(jìn)入汽缸燃燒，排出的廢氣經(jīng)過(guò)一個(gè)較好且具有較高儲(chǔ)氧能力的三元催化轉(zhuǎn)換器時(shí)，因其擁有較高的緩沖混合汽體波動(dòng)的能力，故后杯型階躍式氧傳感器的輸出電壓基本穩(wěn)定在0.75V（如圖17、18），以該值作為控制目標(biāo)，當(dāng)檢測(cè)到的實(shí)際電壓與目標(biāo)電壓存在偏差時(shí)，ECM導(dǎo)入后杯型階躍式氧傳感器的閉環(huán)反饋PID控制。如圖19所示，通過(guò)改變空燃比閉環(huán)反饋控制中比例修正（P）的跳變量，以補(bǔ)償因前平面型空燃比傳感器或前杯型階躍式氧傳感器的信號(hào)偏差所造成的空燃比的變化。通過(guò)減少空燃比的變化，使進(jìn)入三元催化轉(zhuǎn)換器的廢氣處于最佳狀態(tài)。

圖17 前階躍式氧傳感器+后階躍式氧傳感器（信號(hào)電壓穩(wěn)定在0.76V）

八、Lexus車系線性空燃比傳感器、階躍式氧傳感器及三元催化轉(zhuǎn)換器的判斷控制

首先為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的空燃比控制，必須保證線性空燃比傳感器或階躍式氧傳感器的正常工作，因此，當(dāng)空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)完成后發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行正常判斷控制，驗(yàn)證“線性空燃比傳感器是否正?！?、“階躍式氧傳感器是否正常”、“三元催化轉(zhuǎn)換器是否正?！保谝韵碌牟襟E中，將對(duì)每個(gè)控件執(zhí)行特定的控制。

1.線性空燃比傳感器輸出判斷方法

為了實(shí)施精準(zhǔn)的空燃比控制，須先判斷線性空燃比傳感器是否正常工作。在空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)結(jié)束后，主動(dòng)空燃比控制開(kāi)始前，進(jìn)行線性空燃比傳感器的輸出判斷，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)強(qiáng)行移位空燃比，然后觀察線性空燃比傳感器的輸出是否跟隨空燃比的變化而變化。根據(jù)表3中的目標(biāo)空燃比來(lái)確定控制目標(biāo)值，以便確定是否正在進(jìn)行控制。如圖20所示。

圖18 前線性空燃比傳感器+后階躍式氧傳感器（信號(hào)電壓穩(wěn)定在0.755V）

圖19 后杯型階躍式氧傳感器的閉環(huán)反饋PID控制

需要注意的是，在車輛行駛的過(guò)程中，ECM自動(dòng)強(qiáng)制執(zhí)行線性空燃比傳感器的輸出判斷，因此，在檢查故障中的數(shù)據(jù)列表時(shí)，為了避免與“目標(biāo)空燃比偏差”混淆，應(yīng)檢查目標(biāo)空燃比的值，以確定數(shù)據(jù)是控制結(jié)果還是車輛的故障結(jié)果。

表3 目標(biāo)空燃比

圖20 線性空燃比傳感器輸出判斷

2.主動(dòng)空燃比控制

當(dāng)線性空燃比傳感器的輸出判斷為正常，三元催化轉(zhuǎn)換器和階躍式氧傳感器的判斷控制被執(zhí)行。三元催化轉(zhuǎn)換器和階躍式氧傳感器（S2）系統(tǒng)在預(yù)設(shè)的每個(gè)固定時(shí)段都要檢查并判斷是否正常。在給定的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)強(qiáng)制重復(fù)“稀”和“濃”之間的切換，檢查階躍式氧傳感器（S2）的輸出電壓從0到1V以開(kāi)關(guān)的形式來(lái)回切換，這樣重復(fù)3～5次。如果判定為正常，則該時(shí)段的檢查結(jié)束。如圖21所示。

需要注意的是，在車輛行駛的過(guò)程中，一旦不滿足控制的使能條件，則控制被暫停，如果重新建立使能條件，則控制被恢復(fù)。即行駛中根據(jù)駕駛條件可能無(wú)法完成主動(dòng)空燃比控制診斷過(guò)程。

圖21 主動(dòng)空燃比控制

3.階躍式氧傳感器（S2）從“稀”到“濃”狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程解讀

如果三元催化轉(zhuǎn)換器后方的階躍式氧傳感器（S2）給出了“稀”的判斷，則表示三元催化轉(zhuǎn)換器中充滿了氧氣。即使空燃比從“稀”切換到“濃”，階躍式氧傳感器（S2）的輸出也比線性空燃比傳感器的輸出延遲，這恰恰反映了三元催化轉(zhuǎn)換器中儲(chǔ)存的氧氣量。如圖22所示：

（1）在從“稀”到“濃”的轉(zhuǎn)變發(fā)生后，氧氣仍然保留在三元催化轉(zhuǎn)換器中。因此，線性空燃比傳感器給出當(dāng)階躍式氧傳感器（S2）仍然處于“稀”狀態(tài)時(shí)的濃的判斷；

（2）儲(chǔ)存在三元催化轉(zhuǎn)換器中的氧氣在無(wú)氧廢氣的壓力下被逐漸排出；

（3）同時(shí)，無(wú)氧的廢氣從三元催化轉(zhuǎn)換器中出來(lái)，向階躍式氧傳感器（S2）側(cè)移動(dòng)，導(dǎo)致階躍式氧傳感器（S2）也給出了“濃”的判斷。因此，階躍式氧傳感器（S2）讀數(shù)由“稀”到“濃”轉(zhuǎn)換的時(shí)間即氧氣被推出的時(shí)間（等于三元催化轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)存的氧氣量）。

如圖23所示，為了確定三元催化轉(zhuǎn)換器的老化程度，在強(qiáng)行移動(dòng)空燃比的條件下，可以通過(guò)檢測(cè)氧傳感器（S2）輸出的變稀或變濃所需要的時(shí)間來(lái)檢查三元催化轉(zhuǎn)換器中存儲(chǔ)的氧氣量，如果儲(chǔ)存在三元催化轉(zhuǎn)換器中的氧氣量減少，則判定變質(zhì)。一旦變質(zhì)，催化劑不能再存儲(chǔ)氧氣，導(dǎo)致氧傳感器（S2）輸出的反向周期變短（即圖23中a的長(zhǎng)度），根據(jù)大量實(shí)例，從“濃”到“稀”的轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間大約是10s。

圖22 階躍式氧傳感器（S2）濃稀信號(hào)切換過(guò)程解讀

圖23 三元催化轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)氧時(shí)間的檢測(cè)

4.三元催化轉(zhuǎn)換器效率判斷

ECM用安裝在三元催化轉(zhuǎn)換器前方和后方的氧傳感器來(lái)監(jiān)視其效率，第一個(gè)氧傳感器，即線性空燃比傳感器，向ECM發(fā)送催化處理之前的信息。第二個(gè)氧傳感器，即階躍式氧傳感器，向ECM發(fā)送催化處理之后的信息。ECM比較這兩個(gè)信號(hào)來(lái)判斷催化劑的效率和儲(chǔ)氧能力。在正常工作期間，三元催化轉(zhuǎn)換器根據(jù)需要存儲(chǔ)和釋放氧氣，儲(chǔ)氧能力會(huì)導(dǎo)致三元催化轉(zhuǎn)換器后廢氣氣流發(fā)生輕微變化。如果催化劑功能正常，則階躍式氧傳感器的電壓信號(hào)在0.75V上下緩慢輕微變換（如圖17、18）。如果催化劑老化并伴隨儲(chǔ)氧能力的下降，則波形會(huì)在“濃”與“稀”之間頻繁交替，與前方的線性空燃比傳感器的電壓信號(hào)將趨于一致，如圖24所示。

圖24 三元催化轉(zhuǎn)換器功能失效（前后氧傳感器信號(hào)波形幾乎一致）

綜上所述，從Lexus車系的階躍式氧傳感器和線性空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及信號(hào)特性進(jìn)行了論述，然后基于空燃比控制基理，分別對(duì)Lexus車系的空燃比閉環(huán)反饋PID控制和空燃比自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制進(jìn)行了詳細(xì)闡述，最后從診斷角度對(duì)線性空燃比傳感器、階躍式氧傳感器及三元催化轉(zhuǎn)換器的自診斷基理進(jìn)行了分析說(shuō)明。在充分理解了上述控制基理后，針對(duì)Lexus車系電控噴油系統(tǒng)故障的診斷排查就愈發(fā)豁然開(kāi)朗，讓理論和實(shí)踐相結(jié)合，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，以實(shí)踐檢驗(yàn)所學(xué)，不斷提升汽車維修準(zhǔn)確判斷免拆解的“臨床”診斷技術(shù)。（全文完）