第五節 負荷信息傳感方法

所謂負荷，是指發動機的阻力矩。雖然已有直接測量軸所受轉矩的無接觸傳感方法，但用于發動機電子控制尚不成熟。其實，在工況穩定時，阻力矩與發動機的轉矩相平衡，所以發動機的負荷就等于負荷。而發動機的轉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的燃油量和排量。汽油機采用變量調節方式，即以一個循環作為計算單元，根據每循環空氣吸入量的多少配以相應的每循環燃油量。如此說來，在汽油機中，每循環空氣吸入量反映了負荷的大小。現代汽油機電子控制系統都采用間接噴射，并以每循環空氣吸入量作為負荷信息。本節討論間歇噴射系統的負荷信息傳感方法。即使是在連續噴射系統中，雖然燃油是連續噴射的，但是發動機工作過程還是一個循環、一個循環地完成的，所以仍應取其每循環空氣吸入量作為負荷信息。

負荷信息作為主控制變量之一，主要用于燃油定量控制及點火正時控制，也用于其他控制項目。

每循環空氣吸入量的傳感方法可以分為間接法和直接法兩種。間接法并不直接測定空氣流量，而是根據節氣門位置或進氣管壓力，結合轉速、進氣溫度、冷卻液溫度等信息確定每循環空氣吸入量。直接法則用空氣流量傳感器直接測定空氣流量，然后根據轉速確定每循環空氣吸入量。

發動機進氣過程實際上是活塞在氣缸運動時泵吸空氣的過程，每缸每循環吸入空氣占據的體積就是發動機每缸排量V_h，所以每缸每循環吸入的空氣質量為：

m_a=ρ_a^Vh （2-5）式中，ρ_a為進氣終點缸內充量密度，可寫成：

式中，p_a為吸氣終點缸內充量壓力；T_a為吸氣終點缸內充量溫度；R為空氣的氣體常數。

但是ρ_a既難以用傳感器測定，又難以按式（2-6）計算，所以無法直接按式（2-5）計算m_a。在電子控制汽油機中通常有以下兩種方法可以解決這個問題：

（1）a—n，即轉角—轉速法 節氣門前的大氣密度為：

式中，p₀為大氣壓力；T₀為進氣溫度；R為空氣的氣體常數。

為了表述吸氣終點缸內充量密度ρ_a，可以寫出以環境狀態為參照標準的充氣效率：

將式（2-7）代入式（2-8），將式（2-8）再代入式（2-5）則得：

根據此式可計算m_a。為此分析如下：

①p₀可取標準大氣壓，也可用壓力傳感器測定。

②T₀可用進氣溫度傳感器測定。

③充氣效率_ηV完全取決于進氣過程中的充量節流與加熱情況。對于確定的發動機，節流大小取決于節氣門轉角α和轉速n，加熱程度則還與發動機溫度有關。不過，穩定工況下發動機溫度也取決于α和n。故有：

ηV=ηV（α，n） （2-10）

因此，穩定工況下m_a取決于α、n、p₀和T₀，主要取決于α和n。通常事先通過試驗得出確定的發動機在標準狀態下m_a與α，n的函數關系

m_a=m_a（α，n） （2-11）

將此函數關系存入ECU，便可在發動機實際運行時根據傳感器測定的α和n值查出m_a，再根據當時的大氣壓力p₀和進氣溫度T₀對m_a進行校正。這就是轉角—轉速法的原理。

（2）p_m-n法，即密度—轉速法 進氣歧管處的空氣密度ρ_m可寫成：

式中，p_m為進氣歧管絕對壓力；T_m為進氣歧管空氣溫度，接近進氣溫度T₀。

為了表述吸氣終點缸內充量密度ρ_a可以定義以進氣歧管狀態為參照標準的充氣效率η_Vm：

將式（2-12）代入式（2-13），將式（2-13）再代入（2-5）則得：

根據此式同樣可計算m_a。為此分析如下：

①p_m可用進氣歧管絕對壓力傳感器測定，p_m＜p₀。

②T_m可用進氣溫度傳感器測定。

③充氣效率_ηvm取決于從進氣歧管到氣缸的流動過程中的充量節流與加熱情況。對于確定的發動機，穩定工況下的η_vm也取決于節氣門轉角α和發動機轉速n。但是，注意到在同樣轉速下進氣歧管絕對壓力p_m與節氣門轉角α之間存在一一對應關系，既然本法已測定了p_m，就不必再求助于α了。故有：

η_vm=ηvm（pm，n） （2-15）

同理，可事先通過試驗得出確定的發動機在標準狀態下m_a與P_m，n的函數關系：

m_a=m_a（p_m，n） （2-16）

將此函數關系存入ECU，便可在發動機實際運行時根據傳感器測定的p_m和n值查出m_a再根據進氣溫度對m_a進行校正。這就是密度—轉速法的原理。當然，p_m是進氣歧管絕對壓力而不是密度，但是決定密度的主要是壓力，進氣溫度波動不會太大，而且已將進氣溫度當作校正量處理，所以習慣上將此法稱為密度—轉速法而不稱壓力—轉速法。

P_m-n法通常用于多點噴射，也有用于單點噴射的。上海桑塔納2000型轎車的第一代電子控制汽油噴射發動機采用的就是P_m-n法。

嚴格地說，用間接傳感法獲取發動機負荷信息時需要兩個參數，例如轉速和節氣門轉角，或者轉速和進氣歧管絕對壓力。但因轉速本來就是發動機電子控制必不可少的主控制變量之一，所以通常可以單獨用節氣門轉角或進氣歧管絕對壓力表征汽油機負荷，并將節氣門轉角或進氣歧管絕對壓力稱為間接傳感的負荷信息。