第五節(jié) 負(fù)荷信息傳感方法

所謂負(fù)荷，是指發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力矩。雖然已有直接測(cè)量軸所受轉(zhuǎn)矩的無(wú)接觸傳感方法，但用于發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制尚不成熟。其實(shí)，在工況穩(wěn)定時(shí)，阻力矩與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩相平衡，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷就等于負(fù)荷。而發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩完全取決于平均有效壓力和排量，平均有效壓力又取決于每循環(huán)的燃油量和排量。汽油機(jī)采用變量調(diào)節(jié)方式，即以一個(gè)循環(huán)作為計(jì)算單元，根據(jù)每循環(huán)空氣吸入量的多少配以相應(yīng)的每循環(huán)燃油量。如此說(shuō)來(lái)，在汽油機(jī)中，每循環(huán)空氣吸入量反映了負(fù)荷的大小?，F(xiàn)代汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)都采用間接噴射，并以每循環(huán)空氣吸入量作為負(fù)荷信息。本節(jié)討論間歇噴射系統(tǒng)的負(fù)荷信息傳感方法。即使是在連續(xù)噴射系統(tǒng)中，雖然燃油是連續(xù)噴射的，但是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程還是一個(gè)循環(huán)、一個(gè)循環(huán)地完成的，所以仍應(yīng)取其每循環(huán)空氣吸入量作為負(fù)荷信息。

負(fù)荷信息作為主控制變量之一，主要用于燃油定量控制及點(diǎn)火正時(shí)控制，也用于其他控制項(xiàng)目。

每循環(huán)空氣吸入量的傳感方法可以分為間接法和直接法兩種。間接法并不直接測(cè)定空氣流量，而是根據(jù)節(jié)氣門位置或進(jìn)氣管壓力，結(jié)合轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度等信息確定每循環(huán)空氣吸入量。直接法則用空氣流量傳感器直接測(cè)定空氣流量，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速確定每循環(huán)空氣吸入量。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程實(shí)際上是活塞在氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)泵吸空氣的過(guò)程，每缸每循環(huán)吸入空氣占據(jù)的體積就是發(fā)動(dòng)機(jī)每缸排量V_h，所以每缸每循環(huán)吸入的空氣質(zhì)量為：

m_a=ρ_a^Vh （2-5）式中，ρ_a為進(jìn)氣終點(diǎn)缸內(nèi)充量密度，可寫成：

式中，p_a為吸氣終點(diǎn)缸內(nèi)充量壓力；T_a為吸氣終點(diǎn)缸內(nèi)充量溫度；R為空氣的氣體常數(shù)。

但是ρ_a既難以用傳感器測(cè)定，又難以按式（2-6）計(jì)算，所以無(wú)法直接按式（2-5）計(jì)算m_a。在電子控制汽油機(jī)中通常有以下兩種方法可以解決這個(gè)問(wèn)題：

（1）a—n，即轉(zhuǎn)角—轉(zhuǎn)速法 節(jié)氣門前的大氣密度為：

式中，p₀為大氣壓力；T₀為進(jìn)氣溫度；R為空氣的氣體常數(shù)。

為了表述吸氣終點(diǎn)缸內(nèi)充量密度ρ_a，可以寫出以環(huán)境狀態(tài)為參照標(biāo)準(zhǔn)的充氣效率：

將式（2-7）代入式（2-8），將式（2-8）再代入式（2-5）則得：

根據(jù)此式可計(jì)算m_a。為此分析如下：

①p₀可取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，也可用壓力傳感器測(cè)定。

②T₀可用進(jìn)氣溫度傳感器測(cè)定。

③充氣效率_ηV完全取決于進(jìn)氣過(guò)程中的充量節(jié)流與加熱情況。對(duì)于確定的發(fā)動(dòng)機(jī)，節(jié)流大小取決于節(jié)氣門轉(zhuǎn)角α和轉(zhuǎn)速n，加熱程度則還與發(fā)動(dòng)機(jī)溫度有關(guān)。不過(guò)，穩(wěn)定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)溫度也取決于α和n。故有：

ηV=ηV（α，n） （2-10）

因此，穩(wěn)定工況下m_a取決于α、n、p₀和T₀，主要取決于α和n。通常事先通過(guò)試驗(yàn)得出確定的發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下m_a與α，n的函數(shù)關(guān)系

m_a=m_a（α，n） （2-11）

將此函數(shù)關(guān)系存入ECU，便可在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)根據(jù)傳感器測(cè)定的α和n值查出m_a，再根據(jù)當(dāng)時(shí)的大氣壓力p₀和進(jìn)氣溫度T₀對(duì)m_a進(jìn)行校正。這就是轉(zhuǎn)角—轉(zhuǎn)速法的原理。

（2）p_m-n法，即密度—轉(zhuǎn)速法 進(jìn)氣歧管處的空氣密度ρ_m可寫成：

式中，p_m為進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力；T_m為進(jìn)氣歧管空氣溫度，接近進(jìn)氣溫度T₀。

為了表述吸氣終點(diǎn)缸內(nèi)充量密度ρ_a可以定義以進(jìn)氣歧管狀態(tài)為參照標(biāo)準(zhǔn)的充氣效率η_Vm：

將式（2-12）代入式（2-13），將式（2-13）再代入（2-5）則得：

根據(jù)此式同樣可計(jì)算m_a。為此分析如下：

①p_m可用進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器測(cè)定，p_m＜p₀。

②T_m可用進(jìn)氣溫度傳感器測(cè)定。

③充氣效率_ηvm取決于從進(jìn)氣歧管到氣缸的流動(dòng)過(guò)程中的充量節(jié)流與加熱情況。對(duì)于確定的發(fā)動(dòng)機(jī)，穩(wěn)定工況下的η_vm也取決于節(jié)氣門轉(zhuǎn)角α和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n。但是，注意到在同樣轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力p_m與節(jié)氣門轉(zhuǎn)角α之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，既然本法已測(cè)定了p_m，就不必再求助于α了。故有：

η_vm=ηvm（pm，n） （2-15）

同理，可事先通過(guò)試驗(yàn)得出確定的發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下m_a與P_m，n的函數(shù)關(guān)系：

m_a=m_a（p_m，n） （2-16）

將此函數(shù)關(guān)系存入ECU，便可在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)根據(jù)傳感器測(cè)定的p_m和n值查出m_a再根據(jù)進(jìn)氣溫度對(duì)m_a進(jìn)行校正。這就是密度—轉(zhuǎn)速法的原理。當(dāng)然，p_m是進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力而不是密度，但是決定密度的主要是壓力，進(jìn)氣溫度波動(dòng)不會(huì)太大，而且已將進(jìn)氣溫度當(dāng)作校正量處理，所以習(xí)慣上將此法稱為密度—轉(zhuǎn)速法而不稱壓力—轉(zhuǎn)速法。

P_m-n法通常用于多點(diǎn)噴射，也有用于單點(diǎn)噴射的。上海桑塔納2000型轎車的第一代電子控制汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)采用的就是P_m-n法。

嚴(yán)格地說(shuō)，用間接傳感法獲取發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信息時(shí)需要兩個(gè)參數(shù)，例如轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門轉(zhuǎn)角，或者轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力。但因轉(zhuǎn)速本來(lái)就是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制必不可少的主控制變量之一，所以通常可以單獨(dú)用節(jié)氣門轉(zhuǎn)角或進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力表征汽油機(jī)負(fù)荷，并將節(jié)氣門轉(zhuǎn)角或進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力稱為間接傳感的負(fù)荷信息。