第五节 负荷信息传感方法

所谓负荷，是指发动机的阻力矩。虽然已有直接测量轴所受转矩的无接触传感方法，但用于发动机电子控制尚不成熟。其实，在工况稳定时，阻力矩与发动机的转矩相平衡，所以发动机的负荷就等于负荷。而发动机的转矩完全取决于平均有效压力和排量，平均有效压力又取决于每循环的燃油量和排量。汽油机采用变量调节方式，即以一个循环作为计算单元，根据每循环空气吸入量的多少配以相应的每循环燃油量。如此说来，在汽油机中，每循环空气吸入量反映了负荷的大小。现代汽油机电子控制系统都采用间接喷射，并以每循环空气吸入量作为负荷信息。本节讨论间歇喷射系统的负荷信息传感方法。即使是在连续喷射系统中，虽然燃油是连续喷射的，但是发动机工作过程还是一个循环、一个循环地完成的，所以仍应取其每循环空气吸入量作为负荷信息。

负荷信息作为主控制变量之一，主要用于燃油定量控制及点火正时控制，也用于其他控制项目。

每循环空气吸入量的传感方法可以分为间接法和直接法两种。间接法并不直接测定空气流量，而是根据节气门位置或进气管压力，结合转速、进气温度、冷却液温度等信息确定每循环空气吸入量。直接法则用空气流量传感器直接测定空气流量，然后根据转速确定每循环空气吸入量。

发动机进气过程实际上是活塞在气缸运动时泵吸空气的过程，每缸每循环吸入空气占据的体积就是发动机每缸排量V_h，所以每缸每循环吸入的空气质量为：

m_a=ρ_a^Vh （2-5）式中，ρ_a为进气终点缸内充量密度，可写成：

式中，p_a为吸气终点缸内充量压力；T_a为吸气终点缸内充量温度；R为空气的气体常数。

但是ρ_a既难以用传感器测定，又难以按式（2-6）计算，所以无法直接按式（2-5）计算m_a。在电子控制汽油机中通常有以下两种方法可以解决这个问题：

（1）a—n，即转角—转速法 节气门前的大气密度为：

式中，p₀为大气压力；T₀为进气温度；R为空气的气体常数。

为了表述吸气终点缸内充量密度ρ_a，可以写出以环境状态为参照标准的充气效率：

将式（2-7）代入式（2-8），将式（2-8）再代入式（2-5）则得：

根据此式可计算m_a。为此分析如下：

①p₀可取标准大气压，也可用压力传感器测定。

②T₀可用进气温度传感器测定。

③充气效率_ηV完全取决于进气过程中的充量节流与加热情况。对于确定的发动机，节流大小取决于节气门转角α和转速n，加热程度则还与发动机温度有关。不过，稳定工况下发动机温度也取决于α和n。故有：

ηV=ηV（α，n） （2-10）

因此，稳定工况下m_a取决于α、n、p₀和T₀，主要取决于α和n。通常事先通过试验得出确定的发动机在标准状态下m_a与α，n的函数关系

m_a=m_a（α，n） （2-11）

将此函数关系存入ECU，便可在发动机实际运行时根据传感器测定的α和n值查出m_a，再根据当时的大气压力p₀和进气温度T₀对m_a进行校正。这就是转角—转速法的原理。

（2）p_m-n法，即密度—转速法 进气歧管处的空气密度ρ_m可写成：

式中，p_m为进气歧管绝对压力；T_m为进气歧管空气温度，接近进气温度T₀。

为了表述吸气终点缸内充量密度ρ_a可以定义以进气歧管状态为参照标准的充气效率η_Vm：

将式（2-12）代入式（2-13），将式（2-13）再代入（2-5）则得：

根据此式同样可计算m_a。为此分析如下：

①p_m可用进气歧管绝对压力传感器测定，p_m＜p₀。

②T_m可用进气温度传感器测定。

③充气效率_ηvm取决于从进气歧管到气缸的流动过程中的充量节流与加热情况。对于确定的发动机，稳定工况下的η_vm也取决于节气门转角α和发动机转速n。但是，注意到在同样转速下进气歧管绝对压力p_m与节气门转角α之间存在一一对应关系，既然本法已测定了p_m，就不必再求助于α了。故有：

η_vm=ηvm（pm，n） （2-15）

同理，可事先通过试验得出确定的发动机在标准状态下m_a与P_m，n的函数关系：

m_a=m_a（p_m，n） （2-16）

将此函数关系存入ECU，便可在发动机实际运行时根据传感器测定的p_m和n值查出m_a再根据进气温度对m_a进行校正。这就是密度—转速法的原理。当然，p_m是进气歧管绝对压力而不是密度，但是决定密度的主要是压力，进气温度波动不会太大，而且已将进气温度当作校正量处理，所以习惯上将此法称为密度—转速法而不称压力—转速法。

P_m-n法通常用于多点喷射，也有用于单点喷射的。上海桑塔纳2000型轿车的第一代电子控制汽油喷射发动机采用的就是P_m-n法。

严格地说，用间接传感法获取发动机负荷信息时需要两个参数，例如转速和节气门转角，或者转速和进气歧管绝对压力。但因转速本来就是发动机电子控制必不可少的主控制变量之一，所以通常可以单独用节气门转角或进气歧管绝对压力表征汽油机负荷，并将节气门转角或进气歧管绝对压力称为间接传感的负荷信息。