汽油机闭环反馈辅助控制系统解析

祁先来

（湖北职业技术学院，湖北 孝感 432000）

1 闭环反馈控制系统概述

闭环控制系统是指系统的输出量（被控参数）通过测量元件和变换发送单元反馈回来作用于控制器，形成闭合回路，这种控制系统称为闭环控制系统，也叫反馈控制系统，如图1 所示。其优点是能够自动纠正外部干扰和系统内参数变化引起的偏差，这样就可以采用精度不太高而成本较低的元件，组成一个较为精确的控制系统。而开环控制系统是指系统的输出量对系统的控制作用不产生影响的控制系统，即无反馈测量元件和反馈变换发送单元。

图1 闭环控制原理

发动机电控系统是由多个闭环系统组成的复杂管理系统。其组成与工作原理如图2 所示。

2 怠速控制系统

发动机怠速转速的控制，通常采用发动机转速传感器进行反馈控制。ECU根据各种传感器的输入信号确定一个怠速运转的目标转速，并与发动机的实际转速进行比较，根据比较差值，确定与目标转速相对应的控制量，去驱动控制进气量的执行机构（怠速控制阀）。

图2 发动机电控系统工作原理

在怠速控制系统中，ECU需要根据节气门位置信号和车速信号确认怠速工况，当节气门完全关闭和车速为零时，才进行怠速控制。节气门全关时，节气门位置传感器内怠速触点闭合，怠速触电开关将信号输送给ECU，ECU据此判定发动机进入怠速工况。此时，如果ECU通过转速传感器实测的发动机转速大于怠速范围时，ECU向怠速控制阀发出调整信号，减小控制阀的开度，减少怠速时的进气量，使发动机转速降低；反之，则增大控制阀的开度来提高发动机转速。由此，ECU根据转速传感器信号对怠速实施反馈控制，使发动机保持在正常的怠速范围内，如图3 所示为怠速控制程序框图。

当发动机负荷突然增加时，如空调压缩机开启，将会导致发动机怠速运转转速下降甚至熄火。此时，ECU控制的怠速系统会将工况变化的信号输送到电脑的逻辑电路中进行运算，由比较电路与基准信号进行对比，然后输出修正补偿信号，驱动怠速控制器，使控制阀开度适度加大。

当发动机冷却液温度很低时，为了缩短暖机时间，怠速控制系统会将怠速提高到1200r/min，实现快怠速。

此外，诸如近光灯开启、系统电压补偿、车速补偿和减速调节因素也都受到怠速控制系统的控制。

图3 怠速反馈控制原理

3 可变配气系统

丰田汽车发动机可变配气系统的闭环控制如图3 所示。发动机ECU根据发动机转速、进气量、节气门位置和水温计算出一个最优气门正时，凸轮轴正时机油控制阀根据发动机ECU的控制指令选择至VVT-i控制器的不同油路以处于提前、滞后或保持这三个不同的工作状态。发动机ECU根据来自凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器的信号检测实际的气门正时，从而尽可能地进行反馈控制，以获得预定的气门正时。

图4 可变气门正时闭环反馈控制系统

当发动机控制单元送给凸轮轴正时机油控制阀的占空比大于50%时，油压作用于气门正时提前侧的叶片室，使进气凸轮轴向气门正时的提前方向旋转；当发动机控制单元送给凸轮轴正时机油控制阀的占空比小于50%时，油压作用于气门正时延迟侧的叶片室，使进气凸轮轴向气门正时的延迟方向旋转；发动机控制单元对各传感器输入的数据进行处理，并计算出气门正时的角度，根据凸轮轴位置传感器输入的反馈信号进行对比，达到目标气门正时后，凸轮轴正时机油控制阀关闭油道并保持油压，即气门正时保持不变。

发动机电控系统中闭环反馈辅助控制系统有很多，如节气门电控系统、废气涡轮增压系统、二次空气喷射系统、废气再循环系统、巡航系统等等。这些反馈控制系统一般都具有学习控制功能。例如在发动机使用过程中，由于磨损等原因会导致发动机怠速控制阀的性能发生变化，虽然怠速控制开启的位置未变，但实际的怠速转速会与电控单元内存中设定的目标转速略有差异，此时电控单元利用反馈控制使怠速回到目标转速，怠速控制阀将会有一个新的位置，同时电控单元将会把这个新位置的值存储在存储器中，以便在以后的怠速控制中使用。

[1]张葵葵.电控发动机原理与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]刘越琪.发动机电控技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]解福泉.电控发动机维修[M].北京：高等教育出版社，2007.