浅析Lexus车系λ传感器工作原理及空燃比控制策略(三)

◆文/江苏 田锐

（接2021年第9期）

六、Lexus车系平面型空燃比传感器闭环反馈PID控制及自适应学习修正控制

鉴于杯型阶跃式氧传感器的物理特性，信号输出电压在0.45V处会发生阶跃，近似于开关，因此其只可作为区分空燃混合汽是浓还是稀的两种状态，却不能确切地反映空燃混合汽浓/稀的具体程度，例如，当空燃混合汽稍浓时，信号反馈电压突变为0.6～0.9V；当空燃混合汽稍稀时，信号反馈电压突变为0.1～0.3V；倘若空燃混合汽进一步变浓或变稀，其信号反馈的输出电压依然处在上述两个区间范围，故对于过浓或过稀的空燃混合汽，借助杯型阶跃式氧传感器仅可作定性分析，不可作定量测量。这样一来，基于此类型氧传感器的空燃比闭环反馈修正及空燃比自适应学习修正在针对与目标空燃比的偏差控制上，速度、精度势必有所降低。

平面型空燃比传感器输出电流的大小与废气中的氧含量的多寡呈线性对应关系，不但能够区分实时空燃比的浓/稀状态，还可完美诠释相较于目标空燃比的具体偏差程度，由此确定应该添加或减少多少燃料来弥补差额。基于平面型空燃比传感器和杯型阶跃式氧传感器的空燃比闭环反馈PID控制，二者在控制基理上大致一样，ECM通过接收来自平面型空燃比传感器的电流信号的大小，实时在线的反馈实际空燃比相较于目标空燃比的偏差程度，按照比例（P）、积分（I）、微分（D）的控制算法，调取ECM中预先存储的大量台架试验中所对应该工况下的最佳P、I、D的增益系数，最终通过调节基本喷油持续时间，做到快速、精准的消除实际空燃比相对于目标空燃比的偏差量，其检测范围之广，测量精度之高，喷射修正之准，从各个角度上远超杯型阶跃式氧传感器。

如图15所示，平面型空燃比传感器的输出信号通过ECM内部转换，由电流信号转变为电压信号，一旦检测到代表实际空燃比的电压信号略高或略低于目标空燃比电压信号3.29V时，其空燃比闭环反馈PID控制即刻介入，通过其精准、快速的补偿修正，实际空燃比几乎稳定在目标空燃比附近，无论正的较小补偿或负的较小补偿，其空燃混合汽都近乎于理想混合汽状态，只有当正向或负向的反馈补偿大到偏离理论值中心很多时，才能反映出实际可燃混合汽的浓/稀状态，若偏离持续增大，超过其空燃比闭环反馈修正的补偿范围且同时满足空燃比自适应学习修正的使能条件时，ECM导入空燃比自适应学习修正，以实时在线提调的空燃比闭环反馈修正的信息参数作为自适应学习修正的更新依据。其控制方法与上文所述杯型阶跃式氧传感器的空燃比自适应学习修正基理一致，故这里不再赘述。

图15 平面型空燃比氧传感器信号电压与之对应空燃比闭环反馈控制

七、Lexus车系后杯型阶跃式氧传感器（S2）的闭环反馈PID控制

如图16所示，位于三元催化转换器前方的平面型空燃比传感器或杯型阶跃式氧传感器被用作感知发动机排气侧废气中的氧含量，以便ECM实施空燃比闭环反馈修正，从而将产生偏差的实际空燃比调整回目标空燃比。当前多采用“前杯型阶跃式氧传感器+后杯型阶跃式氧传感器”或“前平面型空燃比传感器+后杯型阶跃式氧传感器”的主流配置。ECM接收位于三元催化转换器后部的杯型阶跃式氧传感器的电压信号，其被用于修正空燃比闭环反馈控制及评估三元催化转换器储氧能力的高低。

图16 前线性空燃比传感器/前阶跃式氧传感器+后阶跃式氧传感器

在λ=1时，氧化反应和还原反应达到平衡状态，废气中的残余氧量和NOx中的氧使得HC和CO完全氧化的同时，NOx亦得到还原，这样HC和CO可作为NOx的还原剂。当空燃混合汽稍浓时，三元催化转换器释放氧与废气中多余的HC和CO产生氧化反应；当空燃混合汽稍稀时，废气中多余的NOx在催化剂铑的作用下被还原为O2和N2，钯具有吸附氧的能力，在不发生化学反应时，被还原的O2被钯所吸附并进行存储。三元催化转换器通过储存和释放氧，以补偿空燃混合汽的轻微波动。基于大量发动机台架试验的统计数据表明，当所处理论空燃比附近的空燃混合汽进入汽缸燃烧，排出的废气经过一个较好且具有较高储氧能力的三元催化转换器时，因其拥有较高的缓冲混合汽体波动的能力，故后杯型阶跃式氧传感器的输出电压基本稳定在0.75V（如图17、18），以该值作为控制目标，当检测到的实际电压与目标电压存在偏差时，ECM导入后杯型阶跃式氧传感器的闭环反馈PID控制。如图19所示，通过改变空燃比闭环反馈控制中比例修正（P）的跳变量，以补偿因前平面型空燃比传感器或前杯型阶跃式氧传感器的信号偏差所造成的空燃比的变化。通过减少空燃比的变化，使进入三元催化转换器的废气处于最佳状态。

图17 前阶跃式氧传感器+后阶跃式氧传感器（信号电压稳定在0.76V）

八、Lexus车系线性空燃比传感器、阶跃式氧传感器及三元催化转换器的判断控制

首先为了实现准确的空燃比控制，必须保证线性空燃比传感器或阶跃式氧传感器的正常工作，因此，当空燃比自适应学习完成后发动机在运行时，进行正常判断控制，验证“线性空燃比传感器是否正常”、“阶跃式氧传感器是否正常”、“三元催化转换器是否正常”，在以下的步骤中，将对每个控件执行特定的控制。

1.线性空燃比传感器输出判断方法

为了实施精准的空燃比控制，须先判断线性空燃比传感器是否正常工作。在空燃比自适应学习结束后，主动空燃比控制开始前，进行线性空燃比传感器的输出判断，在发动机运行过程中，通过强行移位空燃比，然后观察线性空燃比传感器的输出是否跟随空燃比的变化而变化。根据表3中的目标空燃比来确定控制目标值，以便确定是否正在进行控制。如图20所示。

图18 前线性空燃比传感器+后阶跃式氧传感器（信号电压稳定在0.755V）

图19 后杯型阶跃式氧传感器的闭环反馈PID控制

需要注意的是，在车辆行驶的过程中，ECM自动强制执行线性空燃比传感器的输出判断，因此，在检查故障中的数据列表时，为了避免与“目标空燃比偏差”混淆，应检查目标空燃比的值，以确定数据是控制结果还是车辆的故障结果。

表3 目标空燃比

图20 线性空燃比传感器输出判断

2.主动空燃比控制

当线性空燃比传感器的输出判断为正常，三元催化转换器和阶跃式氧传感器的判断控制被执行。三元催化转换器和阶跃式氧传感器（S2）系统在预设的每个固定时段都要检查并判断是否正常。在给定的时间内，通过强制重复“稀”和“浓”之间的切换，检查阶跃式氧传感器（S2）的输出电压从0到1V以开关的形式来回切换，这样重复3～5次。如果判定为正常，则该时段的检查结束。如图21所示。

需要注意的是，在车辆行驶的过程中，一旦不满足控制的使能条件，则控制被暂停，如果重新建立使能条件，则控制被恢复。即行驶中根据驾驶条件可能无法完成主动空燃比控制诊断过程。

图21 主动空燃比控制

3.阶跃式氧传感器（S2）从“稀”到“浓”状态转换的过程解读

如果三元催化转换器后方的阶跃式氧传感器（S2）给出了“稀”的判断，则表示三元催化转换器中充满了氧气。即使空燃比从“稀”切换到“浓”，阶跃式氧传感器（S2）的输出也比线性空燃比传感器的输出延迟，这恰恰反映了三元催化转换器中储存的氧气量。如图22所示：

（1）在从“稀”到“浓”的转变发生后，氧气仍然保留在三元催化转换器中。因此，线性空燃比传感器给出当阶跃式氧传感器（S2）仍然处于“稀”状态时的浓的判断；

（2）储存在三元催化转换器中的氧气在无氧废气的压力下被逐渐排出；

（3）同时，无氧的废气从三元催化转换器中出来，向阶跃式氧传感器（S2）侧移动，导致阶跃式氧传感器（S2）也给出了“浓”的判断。因此，阶跃式氧传感器（S2）读数由“稀”到“浓”转换的时间即氧气被推出的时间（等于三元催化转换器储存的氧气量）。

如图23所示，为了确定三元催化转换器的老化程度，在强行移动空燃比的条件下，可以通过检测氧传感器（S2）输出的变稀或变浓所需要的时间来检查三元催化转换器中存储的氧气量，如果储存在三元催化转换器中的氧气量减少，则判定变质。一旦变质，催化剂不能再存储氧气，导致氧传感器（S2）输出的反向周期变短（即图23中a的长度），根据大量实例，从“浓”到“稀”的转换所需要的时间大约是10s。

图22 阶跃式氧传感器（S2）浓稀信号切换过程解读

图23 三元催化转换器储氧时间的检测

4.三元催化转换器效率判断

ECM用安装在三元催化转换器前方和后方的氧传感器来监视其效率，第一个氧传感器，即线性空燃比传感器，向ECM发送催化处理之前的信息。第二个氧传感器，即阶跃式氧传感器，向ECM发送催化处理之后的信息。ECM比较这两个信号来判断催化剂的效率和储氧能力。在正常工作期间，三元催化转换器根据需要存储和释放氧气，储氧能力会导致三元催化转换器后废气气流发生轻微变化。如果催化剂功能正常，则阶跃式氧传感器的电压信号在0.75V上下缓慢轻微变换（如图17、18）。如果催化剂老化并伴随储氧能力的下降，则波形会在“浓”与“稀”之间频繁交替，与前方的线性空燃比传感器的电压信号将趋于一致，如图24所示。

图24 三元催化转换器功能失效（前后氧传感器信号波形几乎一致）

综上所述，从Lexus车系的阶跃式氧传感器和线性空燃比传感器的结构组成、工作原理及信号特性进行了论述，然后基于空燃比控制基理，分别对Lexus车系的空燃比闭环反馈PID控制和空燃比自适应学习控制进行了详细阐述，最后从诊断角度对线性空燃比传感器、阶跃式氧传感器及三元催化转换器的自诊断基理进行了分析说明。在充分理解了上述控制基理后，针对Lexus车系电控喷油系统故障的诊断排查就愈发豁然开朗，让理论和实践相结合，用理论指导实践，以实践检验所学，不断提升汽车维修准确判断免拆解的“临床”诊断技术。（全文完）