CN112343725B - 控制***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种控制***及控制方法，用于发动机闭环控制，所述控制方法包括：测量非加热型氧传感器的电阻；由所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度，再根据所述氧传感器的电压信号得出所述理论空燃比，以及结合所述氧传感器的工作温度，修正所述理论空燃比，得出所述实际空燃比；由所述实际空燃比，对所述发动机进行闭环控制。通过所述实际空燃比，能够实现发动机的闭环控制，使发动机能够可靠稳定地运行，并保持排放的一致性，同时能够在较低的排气温度条件下实现对非加热型氧传感器精确地闭环控制。

Description

控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及发动机的闭环控制技术领域，特别涉及一种控制***及控制方法。
背景技术
随着人们环保意识的加强，对发动机的排放控制日益严格。现有的发动机采用电喷***，电喷***的汽车为获得高排气净化率，降低排气中一氧化碳(CO)、碳氢化合物(CHx)和氮氧化合物(NOx)成份，必须利用催化器。但为了能有效地使用催化器，必须通过氧传感器来精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比(14.7：1)。发动机电喷***的闭环控制是一个实时的氧传感器、电控单元和燃油量控制装置三者之间闭合的三角关系。氧传感器将排气的空燃比情况信号输送至电控单元，电控单元发出命令给燃油量控制装置，向理论空燃比的方向调整实际空燃比。这一调整经常会略微超过理论值，氧传感器察觉出来，并报告电控单元，电控单元再发出命令调回到14.7:1。因为每一个调整的循环都很快，所以实际空燃比不会偏离14.7:1太多，一旦运行，这种闭环调整就连续不断。采用闭环控制的电喷发动机，由于能使发动机始终在较理想的工作状况下运行，即实际空燃比偏离理论值不会太多，从而能保证汽车不仅具有较好的动力性能，还能省油节能和降低排放。
为了降低发动机***成本或降低氧加热器的电功耗，对电喷发动机进行闭环控制时可以采用非加热型氧传感器。使用非加热型氧传感器时，通过发动机排气的热量来对氧传感器进行加热。当氧传感器加热到一定温度以上时，氧传感器才能正常激活工作，然后，通过氧传感器信号电压来识别氧传感器中氧气的浓稀，以此对氧传感器进行闭环控制。然而，即使是氧传感器开始工作以后，也会因为发动机工作状况变化较多而导致发动机排气热量对氧传感器加热的程度产生差异，从而使氧传感器的实际温度不同，其特性也有所不同。这容易导致实际闭环控制后的空燃比和理论值有所差异，对氧传感器闭环的精确控制带来了挑战，对于发动机运转的稳定性以及排放的一致性都带来了负面影响。当排气温度较低时，在较低排气温度的条件下氧传感器的特性和较高排气温度的条件下氧传感器的特性之间存在差异，该差异使闭环控制的氧传感器工作出现偏差，并使进入闭环控制的时间推迟，影响发动机的实际排放和运转稳定性。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种在发动机排气温度低时仍能实现发动机精确闭环控制的控制***及控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制***及控制方法，以解决当发动机排气温度较低时非加热型氧传感器的特性和排气温度较高时非加热型氧传感器的特性存在差异的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种控制***，用于发动机闭环控制，所述控制***包括：与所述发动机连接的氧传感器、与所述氧传感器连接的电阻测量电路以及与所述氧传感器和所述电阻测量电路均连接的电控单元；
其中，所述氧传感器为非加热型氧传感器；
所述电阻测量电路用于测量所述氧传感器的电阻并提供给所述电控单元；
所述电控单元用于根据所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度，再根据所述氧传感器的电压信号得出发动机排气的理论空燃比，以及结合所述氧传感器的工作温度，修正所述理论空燃比，得出发动机排气的实际空燃比。
可选的，在所述控制***中，所述电控单元包括处理器、相关性模型及模数转换器；所述相关性模型表现了所述氧传感器的电阻与所述氧传感器的温度之间的关系以及所述氧传感器的温度与所述氧传感器的工作特性规律之间的关系；所述处理器用于根据所述相关性模型及所述氧传感器的电阻和电压信号得出所述理论空燃比；所述模数转换器用于将所述氧传感器的电压信号转换为数字电压信号。
可选的，在所述控制***中，所述氧传感器的工作特性规律包括：所述数字电压信号与所述发动机排气空燃比之间的关系、所述发动机排气空燃比浓稀跳变延迟特性的规律以及所述发动机排气空燃比稀浓跳变延迟特性的规律。
可选的，在所述控制***中，所述电控单元还包括发动机温度模型，所述发动机温度模型表现了所述氧传感器的工作温度与所述发动机排气的温度之间的关系，所述处理器还用于根据所述发动机温度模型修正由所述相关性模型输出的所述氧传感器的工作温度。
可选的，在所述控制***中，所述电阻测量电路包括一开关、第一电阻和第二电阻，所述开关连接所述第一电阻与所述氧传感器，所述第二电阻一端连接所述氧传感器，所述氧传感器与所述第二电阻接地，所述第一电阻未连接所述开关的一端输入第一电压，测量所述第二电阻未接地一端的输出电压，以得到所述氧传感器的电阻。
可选的，在所述控制***中，所述控制***还包括燃油量控制装置，所述实际空燃比提供给所述燃油量控制装置，所述燃油量控制装置用于根据所述实际空燃比控制所述发动机的燃油的输出。
本发明还提供一种控制方法，用于发动机闭环控制，所述控制方法包括：
测量非加热型氧传感器的电阻；
由所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度，再根据所述氧传感器的电压信号得出所述理论空燃比，以及结合所述氧传感器的工作温度，修正所述理论空燃比，得出所述实际空燃比；
由所述实际空燃比，对所述发动机进行闭环控制。
可选的，在所述控制方法中，采用电阻测量电路对所述氧传感器的电阻进行测量。
可选的，在所述控制方法中，根据所述氧传感器的电阻与所述氧传感器的温度之间的关系，由所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度。
可选的，在所述控制方法中，根据所述发动机温度模型修正由所述氧传感器的电阻得出的所述氧传感器的工作温度。
可选的，在所述控制方法中，根据所述氧传感器的工作特性规律，根据所述氧传感器的工作特性规律，由所述氧传感器的电压信号和工作温度得出所述理论空燃比。
在本发明提供的一种控制***中，用于发动机闭环控制，所述控制***包括：与所述发动机连接的氧传感器、与所述氧传感器连接的电阻测量电路以及与所述氧传感器和所述电阻测量电路均连接的电控单元；其中，所述氧传感器为非加热型氧传感器；所述电阻测量电路用于测量所述氧传感器的电阻并提供给所述电控单元；所述电控单元用于根据所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度，再根据所述氧传感器的电压信号得出发动机排气的理论空燃比，以及结合所述氧传感器的工作温度，修正所述理论空燃比，得出发动机排气的实际空燃比。通过所述实际空燃比，能够实现发动机精确的闭环控制，排除由于温度不同等因素对发动机闭环控制造成的影响，以解决当发动机排气温度较低时非加热型氧传感器的特性和排气温度较高时非加热型氧传感器的特性存在差异的问题。
在本发明还提供的一种控制方法中，所述控制方法包括：测量非加热型氧传感器的电阻；由所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度，再根据所述氧传感器的电压信号得出所述理论空燃比，以及结合所述氧传感器的工作温度，修正所述理论空燃比，得出所述实际空燃比；由所述实际空燃比，对所述发动机进行闭环控制。使发动机能够可靠稳定地运行，并保持排放的一致性，同时能够在较低的排气温度条件下实现对非加热型氧传感器精确地闭环控制。
附图说明
图1是现有技术中氧传感器闭环控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的控制***的结构示意图；
图3是本发明实施例的控制方法的流程示意图；
图4是本发明实施例的控制方法中电阻测量电路的结构示意图；
其中，
100-控制***；110-氧传感器；120-电阻测量电路；130-电控单元；200-发动机。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供一种用于发动机闭环控制的控制***及控制方法，经过所述控制***及控制方法得到的发动机排气的实际空燃比与基准电动势的对比，根据实际空燃比与标准理论空燃比(14.7:1)的差值为正/负，得到发动机的排气中氧气的浓度偏高/低，继而实现发动机的闭环控制，使发动机能够可靠稳定地运行，并保持排放的一致性，在较低的排气温度条件下实现对非加热型氧传感器精确地闭环控制。
为实现上述思想，本发明提供了一种控制***，用于发动机闭环控制，所述控制***包括：与所述发动机连接的氧传感器、与所述氧传感器连接的电阻测量电路以及与所述氧传感器和所述电阻测量电路均连接的电控单元；其中，所述氧传感器为非加热型氧传感器；所述电阻测量电路用于测量所述氧传感器的电阻并提供给所述电控单元；所述电控单元用于根据所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度，再根据所述氧传感器的电压信号得出发动机排气的理论空燃比，以及结合所述氧传感器的工作温度，修正所述理论空燃比，得出发动机排气的实际空燃比。
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的控制***及控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
首先，参阅图2，图2是本发明实施例的控制***的结构示意图。在本实施例提供的一种控制***100中，用于发动机200的闭环控制，所述控制***100包括：与所述发动机200连接的氧传感器110、与所述氧传感器110连接的电阻测量电路120以及与所述氧传感器110和所述电阻测量电路120均连接的电控单元130；其中，所述氧传感器110为非加热型氧传感器；所述电阻测量电路120的输入端连接所述氧传感器110，所述电阻测量电路120用于测量所述氧传感器110的电阻并提供给所述电控单元130；所述电控单元130的输入端连接所述氧传感器110的输出端及所述电阻测量电路120的输出端，所述电控单元130用于根据所述氧传感器110的电阻得出所述氧传感器110的工作温度，再根据所述氧传感器110的电压信号得出发动机200排气的理论空燃比，以及结合所述氧传感器110的工作温度，修正所述理论空燃比，得出发动机200排气的实际空燃比。经过所述电控单元130得到的所述实际空燃比与基准电动势的对比，得出所述实际空燃比与标准理论空燃比(14.7:1)的差值为正或负，从而判断发动机200的排气中氧气的浓度的高低，具体的，当所述实际空燃比与标准理论空燃比的差值为正时，发动机200的排气中氧气的浓度偏高，当所述实际空燃比与标准理论空燃比的差值为负时，发动机200的排气中氧气的浓度的偏低，继而实现发动机200的闭环控制。
优选的，所述电控单元130包括处理器、相关性模型及模数转换器；所述相关性模型表现了所述氧传感器110的电阻与所述氧传感器110的温度之间的关系以及所述氧传感器110的温度与所述氧传感器110的工作特性规律之间的关系，由此，根据所述相关性模型就能够由所述氧传感器110的电阻得出所述氧传感器110的温度，还能够根据所述氧传感器110的温度得出所述氧传感器110的工作特性，所述相关性模型能够将不可直接测得的数据通过可以直接测得的数据表现出来，具体的，通过对所述氧传感器110进行测量，获取的所述相关性模型的特性规律曲线，这极大的增加了测量所述实际空燃比的可行性和准确性；所述处理器用于根据所述相关性模型及所述氧传感器110的电阻和电压信号得出所述理论空燃比，由此，所述处理器通过所述电阻测量电路120测得的所述氧传感器110的电阻，结合所述相关性模型，经过处理得出发动机200的所述理论空燃比，作为之后程序所需中的所述实际空燃比的基础数据。所述模数转换器用于将所述氧传感器110的电压信号转换为数字电压信号。
优选的，所述氧传感器110的工作特性规律包括：所述数字电压信号与所述发动机200排气空燃比之间的关系、所述发动机200排气空燃比浓稀跳变延迟特性的规律以及所述发动机200排气空燃比稀浓跳变延迟特性的规律。其中，所述发动机200排气空燃比包括所述理论空燃比和所述实际空燃比，所述理论空燃比和所述实际空燃比都会与所述数字电压信号、浓稀跳变延迟特性及稀浓跳变延迟特性呈现一定的规律性。这些规律性是由实验测试测得，并结合理论分析推导至普适性。
优选的，所述电控单元130还包括发动机温度模型，所述发动机温度模型表现了所述氧传感器110的工作温度与所述发动机200排气的温度之间的关系，所述处理器还用于根据所述发动机温度模型修正由所述相关性模型输出的所述氧传感器110的工作温度。由此，所述处理器根据所述模数转换器将所述氧传感器110的电压信号转换为数字电压信号，并结合所述发动机温度模型修正由所述相关性模型输出的所述氧传感器110的工作温度，由于所述氧传感器110的工作温度与所述发动机200排气的温度之间呈现一定的规律关系，所以确保了最终得到发动机200排气的实际空燃比的准确性，排除所述氧传感器110的工作温度与发动机200排气温度不同而之后程序应用的温度值出现错误的情况，也避免了所述氧传感器110的工作温度具有特殊性而对所述闭环控制产生的影响。
请参考图4，在本实施例中，所述电阻测量电路120包括一开关K、第一电阻R1和第二电阻R2，所述开关K连接所述第一电阻R1与所述氧传感器110，所述第二电阻R2一端连接所述氧传感器110，所述氧传感器110与所述第二电阻R2接地，所述第一电阻R1未连接所述开关K的一端输入第一电压U1，测量所述第二电阻R2未接地一端的输出电压Uout，以得到所述氧传感器110的电阻。由此，将所述氧传感器110等效为一个带电阻的电池，其电阻Rsensor,电压Usensor，通过给所述电阻测量电路120施加两种不同的状态，再结合电学原理就能够计算出所述氧传感器110的电阻Rsensor和电压Usensor。具体的，当所述开关K打开时，采集此时所述氧传感器110的输出电压Uout的取值为Uout1，结合电学方程为：Uout1/R2＝Usensor/(Rsensor+R2)；当所述开关K闭合时，所述第一电压U1通过所述第一电阻R1给所述氧传感器110施加偏置电流，此时所述氧传感器110的输出电压Uout的取值为Uout2，结合电学方程为：
(U1-Uout2)/R1＝(Uout2/R2)+(Uout2-Usensor)/Rsensor，其中所述第一电压U1、所述第一电阻R1、所述第二电阻R2、Uout1以及Uout2均为可获取的量，在根据上述两个方程式，就可以计算出所述氧传感器110的电阻Rsensor和电压Usensor的数值。可以理解的是，图4只是所述电阻测量电路120的一种形式，所述电阻测量电路120也可以是其他形式的电路，只要能产生两种电路状态即可，这并不影响所述电阻测量电路120得出所述氧传感器110的电阻。
优选的，所述控制***100还包括燃油量控制装置，所述实际空燃比提供给所述燃油量控制装置，所述燃油量控制装置用于根据所述实际空燃比控制所述发动机的燃油的输出。由此，通过实际空燃比，即检测到发动机200排出气体中氧气的浓稀状态，以此来调整喷射的燃油的量来改变空燃比以接近标准理论空燃比，这样就实现了对发动机200的闭环控制。具体的，根据所述氧传感器110在不同温度下的不同特性结合所述电压信号，采用不同的控制参数，精确地对发动机200进行闭环控制，其中控制参数具体看实际的控制策略，例如：当采用PID(比例、积分、微分)控制时，就表示为PID的参数，其余参数还有：信号的滤波参数，控制的延迟时间参数，氧传感器是否激活的识别参数，氧传感器信号浓稀的判断标准等参数，更加精确快速地完成对发动机200的闭环控制过程。
请参阅对比图1和图3，图1是现有技术中氧传感器闭环控制方法的流程示意图；图3是本发明实施例的控制方法的流程示意图。所述控制方法用于发动机200闭环控制，所述控制方法包括如下步骤：
步骤S20：测量非加热型氧传感器的电阻；
步骤S21：由所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度；
步骤S23：再根据所述氧传感器的电压信号得出所述理论空燃比；
步骤S24：以及结合所述氧传感器的工作温度，修正所述理论空燃比，得出所述实际空燃比；
步骤S25：由所述实际空燃比，对所述发动机进行闭环控制。
通过以上所述控制方法的各步骤，使发动机能够可靠稳定地运行，并保持排放的一致性，同时能够在较低的排气温度条件下实现对非加热型氧传感器精确地闭环控制。
优选的，采用电阻测量电路对所述氧传感器的电阻进行测量。由此，能够获取所述非加热型氧传感器的电阻数据，并应用于后道程序中，使用可直接测量的数据作为基础，有利于快速得到不能直接测量的数据。所述电阻测量电路的形式多种，可根据实际产品的使用环境设计不同形式的所述电阻测量电路，提高所述电阻测量电路的效率和准确性。
优选的，根据所述氧传感器的电阻与所述氧传感器的温度之间的关系，由所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度。由此，由上一步骤中所述电阻测量电路得到的所述氧传感器的电阻数据获取所述氧传感器的工作温度，其中，所述氧传感器的电阻与所述氧传感器的温度之间的规律关系是由实验室测得的数据结合理论知识总结出的特性曲线模型，能够快速准确地判断出所述氧传感器的工作温度，并具有普适性。
优选的，根据所述发动机温度模型修正由所述氧传感器的电阻得出的所述氧传感器的工作温度。由此，所述氧传感器的工作温度更加准确，避免了由于特殊工作环境或所述氧传感器零件差异和变化等问题带来的不同于初始参数的问题，具体的，发动机上安装有温度传感器，用于检测实际的发动机温度，同时所述电控单元也会根据发动机的温度以及其他运转信息，模拟出一个发动机排气的温度，而所述氧传感器安装在排气管中，所述氧传感器内部的温度和发动机排气温度有相关性即为所述发动机温度模型。
在本实施例中，步骤S22：根据所述氧传感器的工作特性规律，由所述氧传感器的电压信号和工作温度得出所述理论空燃比。由此，由修正后所述氧传感器的电压信号得到所述理论空燃比，所述理论空燃比是所述实际空燃比重要的基础参数，帮助完成发动机进行精确地闭环控制。具体的，所述氧传感器的工作特性规律包括所述数字电压信号与所述发动机排气空燃比之间的关系、所述发动机排气空燃比浓稀跳变延迟特性的规律以及所述发动机排气空燃比稀浓跳变延迟特性的规律。其中，所述发动机排气空燃比包括所述理论空燃比和所述实际空燃比，所述理论空燃比和所述实际空燃比都会与所述数字电压信号、浓稀跳变延迟特性及稀浓跳变延迟特性呈现一定的规律性。
综上所述，在本发明提供的控制***和控制方法中，具有如下优点：
本发明提供的一种控制***中，通过测量氧传感器电阻，利用氧传感器在不同温度下其电阻变化较大的特性，来获取非加热氧型氧传感器的温度参数，然后根据传感器在不同温度下的不同特性，结合氧传感器电压信号，采用不同的控制参数，精确对发动机进行闭环控制，使发动机能够可靠稳定运行，并保持排放的一致性，同时能够在更低的排气温度条件下实现氧传感器的准确闭环控制。
进一步，本发明提供的控制***通过在控制器内部设置的电阻测量电路对氧传感器的电阻进行测量；利用氧传感器的温度－电阻特性，优选的，该特性可以通过发动机温度模型进一步进行修正，以补偿零件的差异和变化，得出氧传感器的实际工作温度；利用氧传感器在不同温度下的实际特性，包括但不限于传感器的电压－氧传感器特性，浓稀跳变延迟特性，稀浓跳变延迟特性等，结合氧传感器的电压信号进行修正，准确得出当前排气的实际氧传感器浓稀状态；利用实际的氧传感器状态进行发动机的闭环控制；实现对氧传感器的准确控制，保障排放控制的一致性和发动机运转的稳定性；并能够在较低的温度下，提早的开始闭环控制，进一步降低发动机的排放。
更进一步，通过本发明精确对氧传感器进行闭环控制，能够使发动机可靠稳定运行，并保持排放的一致性，同时能够在更低的排气温度条件下实现氧传感器的准确闭环控制，这些都有利于降低发动机的排气污染物，更加环保节能。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种控制***，用于发动机闭环控制，其特征在于，所述控制***包括：与所述发动机连接的氧传感器、与所述氧传感器连接的电阻测量电路以及与所述氧传感器和所述电阻测量电路均连接的电控单元；
其中，所述氧传感器为非加热型氧传感器；
所述电阻测量电路用于测量所述氧传感器的电阻并提供给所述电控单元；
所述电控单元用于根据所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度，再根据所述氧传感器的电压信号得出发动机排气的理论空燃比，以及结合所述氧传感器的工作温度，修正所述理论空燃比，得出发动机排气的实际空燃比；
所述电控单元包括处理器和发动机温度模型，所述发动机温度模型表现了所述氧传感器的工作温度与所述发动机排气的温度之间的关系，所述处理器用于根据所述发动机温度模型修正所述氧传感器的工作温度。
2.如权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述电控单元还包括相关性模型及模数转换器；所述相关性模型表现了所述氧传感器的电阻与所述氧传感器的温度之间的关系以及所述氧传感器的温度与所述氧传感器的工作特性规律之间的关系；所述处理器还用于根据所述相关性模型及所述氧传感器的电阻和电压信号得出所述理论空燃比；所述模数转换器用于将所述氧传感器的电压信号转换为数字电压信号。
3.如权利要求2所述的控制***，其特征在于，所述氧传感器的工作特性规律包括：所述数字电压信号与所述发动机排气空燃比之间的关系、所述发动机排气空燃比浓稀跳变延迟特性的规律以及所述发动机排气空燃比稀浓跳变延迟特性的规律。
4.如权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述电阻测量电路包括一开关、第一电阻和第二电阻，所述开关连接所述第一电阻与所述氧传感器，所述第二电阻一端连接所述氧传感器，所述氧传感器与所述第二电阻接地，所述第一电阻未连接所述开关的一端输入第一电压，测量所述第二电阻未接地一端的输出电压，以得到所述氧传感器的电阻。
5.如权利要求1-4中任一项所述的控制***，其特征在于，所述控制***还包括燃油量控制装置，所述实际空燃比提供给所述燃油量控制装置，所述燃油量控制装置用于根据所述实际空燃比控制所述发动机的燃油的输出。
6.一种控制方法，用于发动机闭环控制，其特征在于，所述控制方法包括：
测量非加热型氧传感器的电阻；
由所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度，根据发动机温度模型修正氧传感器的工作温度，再根据所述氧传感器的电压信号得出发动机排气的理论空燃比，以及结合所述氧传感器修正后的工作温度，修正所述理论空燃比，得出所述发动机排气的实际空燃比；所述发动机温度模型表现了所述氧传感器的工作温度与所述发动机排气的温度之间的关系；
由所述实际空燃比，对所述发动机进行闭环控制。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，采用电阻测量电路对所述氧传感器的电阻进行测量。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，根据所述氧传感器的电阻与所述氧传感器的温度之间的关系，由所述氧传感器的电阻得出所述氧传感器的工作温度。
9.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，根据所述氧传感器的工作特性规律，由所述氧传感器的电压信号和工作温度得出所述理论空燃比。
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