窄節流閥下的賽車引擎控制單元控制策略

宗詩皓，敖文杰，仲雪飛

(1.東南大學電子科學與工程學院，江蘇 南京 211100) ( 2.東南大學自動化學院，江蘇 南京 211100)

提升內燃機效率，形成汽車關鍵零部件的創新體系是“中國制造2025”戰略舉措的重要組成部分。通過改進發動機的控制參數提升發動機性能亦是汽車行業的重要任務之一。不同的控制參數對整車的動力性、操縱性、舒適性以及油耗等將產生不同的影響。黎杰等[1]研究了MoTec ECU(引擎控制單元)對應的硬件和軟件以及ECU的初始化，介紹了常用傳感器的標定方法。吳新燁等[2]通過進氣仿真優化來降低油耗，這樣做的優點是在小幅度犧牲引擎性能的前提下提升了發動機燃油燃燒效率，但還不能將引擎的最佳性能發揮出來。本文以嘉陵JH600發動機和MoTec公司M400型ECU為研究對象，通過臺架實驗，針對賽車競技的需求修改噴油量與點火提前角兩項參數，目的是使發動機在節氣門開度大于0時實現輸出功率最大化，節氣門開度等于0時怠速輸出功率盡可能小。

1 實驗系統簡介

本文研究的是適用于賽車的發動機控制策略，控制目標是發動機在不同轉速下能夠輸出盡可能大的功率，在實現此目標的基礎上盡可能提高發動機燃油燃燒效率，降低油耗。影響發動機輸出功率和燃油效率的因素有很多，其中點火提前角和噴油量為最主要因素。為簡化問題，將發動機輸出功率視為一個二元函數，其自變量為節氣門開度與發動機轉速，此外還包含噴油量和點火提前角2個參數。當節氣門開度和發動機轉速一定，并且噴油量和點火提前角這兩個參數中的一個一定時，輸出功率與另一參數滿足特定的非線性關系。發動機的極限功率在設計時就已經決定，合理的控制策略就是在保證穩定的前提下取接近發動機在理論上的極限功率值，所以必定存在一個極值，當參數取這個極值時即可令發動機的輸出功率達到此工況下的最大值。

實驗控制臺可以控制發動機的轉速和節氣門開度，顯示發動機的實時扭矩。通過轉速和扭矩可以推算出發動機的實時輸出功率。排氣氧傳感器檢測排放的尾氣中的氧氣含量，這是判斷燃油效率的重要指標之一。水箱溫度、曲軸位置、節氣門開度、排氣氧含量和轉速是ECU工作所需的參數，由相應的傳感器采集數據后輸入ECU。實驗系統組成如圖1所示。

圖1 實驗系統組成

2 怠速標定

實驗開始前先將發動機安裝在測功機上，測功機與發動機輸出軸相連，可以實時測量發動機輸出扭矩及轉速。內置的伺服電機可以帶動發動機輸出軸轉動并實時調整轉速。實驗控制臺上有油門控制機構控制節氣門開度。水箱溫度、排氣氧含量、節氣門開度和轉速等參數通過傳感器輸入給ECU，再通過ECU標定軟件在PC機上顯示。

設置測功機為恒轉速工作模式，轉速設為1 800r/min。通過氧傳感器的讀數來設定合適的噴油量。氧傳感器讀數為過量空氣系數，是實際空燃比與汽油燃燒理論空燃比的比值。汽油燃燒的理論空燃比為14.7∶1，根據文獻[3]，發動機的實際經濟空燃比為16∶1，計算得到過量空氣系數為1.09。因此實驗中設定目標過量空氣系數為1.09，通過調整噴油量來使氧傳感器讀數接近這個目標值。在實驗過程中，當過量空氣系數接近1.09時，發動機出現怠速不穩甚至熄火等現象。經研究分析，認為是發動機進氣管道的限流閥導致吸入空氣不足，不能穩定燃燒。為了維持發動機的穩定工作，降低了目標過量空氣系數，直至發動機能夠維持正常的運行狀態。最終測試結果如圖2所示。

圖2 怠速標定結果

由圖2可知，發動機運行平穩，轉速在1 500r/min至2 000r/min間小幅波動。在較長的運行時間內未出現熄火現象。

3 點火提前角標定

點火提前角的標定方法是由測功機內置的伺服電機帶動發動機輸出軸旋轉，設定轉速，通過油門控制機構設定節氣門開度，調整點火提前角直至輸出扭矩達到最大值。理論上引擎的點火時刻是在凸輪軸運行到上止點時，此時燃油與空氣混合后的混合燃氣被壓縮到最小。但是實際情況是混合燃氣從點火到完全燃燒需要一段時間，如果恰好在上止點點火的話，等到混合燃氣完全燃燒時凸輪軸已經離開上止點，導致做功行程變短，引擎的功率大幅降低，因此點火需要提前進行。在不同的轉速和節氣門開度下都存在一個最佳提前角，而ECU標定中一個重要的工作就是找到不同轉速與節氣門開度下最佳的提前角并錄入ECU。標定流程如圖3所示。

圖3 點火提前角標定流程

啟動發動機，保持怠速狀態(1 800r/min)直至水溫上升至80℃，即正常工作溫度，此時引擎溫度趨于穩定。在轉速一定時，從節氣門為0開度開始，以節氣門10%開度為步長，分別在不同的開度下調整點火提前角，觀察瞬時扭矩，當扭矩出現峰值時，為防止出現爆震，降低當前的點火提前角1°并記為實驗結果。隨后改變轉速重復以上操作。轉速變化范圍為1 500～7 500r/min，步長為 500r/min。標定結果如圖4所示。

圖4 點火提前角分布

通常標定參數會使用一個如圖5所示的三維MAP圖表示，這樣能直觀地顯示參數分布。

圖5 點火MAP圖

4 噴油脈沖占空比標定

發動機噴油量由噴油脈沖的占空比控制。噴油脈沖由ECU發出，油泵接收。噴油脈沖占空比的標定方法是給定發動機轉速與節氣門開度，調整噴油脈沖占空比直至發動機輸出扭矩達到最大值。不同轉速和節氣門開度下噴油量需要單獨標定。發動機所需的噴油量與轉速、節氣門開度、空燃比都有關系。理論上汽油完全燃燒的最佳空燃比為14.7∶1，但實際情況下氣缸內未排盡的廢氣會影響混合燃氣的燃燒，因此實際的空燃比會偏大一些[4]。根據文獻[3]，油耗最低狀態下過量空氣系數為1.09，而動力性能最佳狀態下，過量空氣系數為0.88左右。噴油脈沖占空比標定流程如圖6所示，最終得到的數據如圖7、圖8所示。

圖6 噴油量標定流程

圖7 噴油脈沖占空比分布

圖8 噴油量MAP圖

為了適應不同工況下的動力需求，制定了不同的空燃比控制策略。在低轉速低負荷區間(轉速1 500～2 500r/min，節氣門開度0%～2%)，采用經濟空燃比，即通過修改噴油量使過量空氣系數維持在1.09左右；在低轉速高負荷以及高轉速高負荷區間(轉速在2 500～6 000r/min ，節氣門開度50%～100%)，采用同樣的方法，維持過量空氣系數在0.88(功率空燃比)。在急收油門的時候發動機會進入高轉速低負荷區間(轉速2 500～6 000r/min，節氣門開度0%～50%)，由于此時發動機的進氣量突然降低，因此噴油量也應適當降低，否則發動機會出現后燃，即在排氣管里燃燒，將極大地增加油耗和噪聲。

5 實驗分析

在節氣門開度一定的情況下，轉速升高時點火提前角應該相應增加。轉速一定時節氣門開度若增加，燃氣的燃燒速度會加快，此時必須相應減小點火提前角。過小的提前角會造成功率不足，而過大的提前角會導致爆震甚至氣缸炸裂。為了保證安全，減小點火提前角時步長不應過大。本文實驗中出于安全和實用的考慮，在標定點火角時沒有取極限值，而是在極限值的基礎上稍微降低了1°～2°，在實際測試中沒有出現氣缸炸裂的情況。

發動機的外特性曲線如圖9、圖10所示。

圖9 功率-轉速曲線

圖10 扭矩-轉速曲線

一般情況下，功率會隨轉速增加而增大，但實驗中發現發動機在轉速為6 000～6 500r/min時功率有短暫下降。余國核等[5]的研究認為，當進氣門開啟時氣缸內壓力下降, 產生負壓力波，該負壓力波以聲速傳遞至進氣口并造成局部空氣密度下將，導致外部空氣涌入，進而形成正壓力波，正負壓力波在進氣道內連續反射并形成諧振。氣門開啟時氣門處的諧振波的相位與氣門處壓力直接相關，會影響進氣效率。余國核等[5]在實驗中發現，當進氣管諧振腔容積大于發動機氣缸容積2倍時，發動機在轉速為8 000r/min時輸出功率出現了一個極小值，此現象與本文實驗所觀察到的現象一致。筆者使用的發動機排量為600mL，進氣管諧振腔容積為3.5L。經過分析認為在轉速6 000～6 500r/min處功率的下降是由進氣道的諧振造成的。

6 結論

本文以引擎控制單元(ECU)的控制參數為研究對象，在窄節流閥的條件下對引擎控制單元控制策略進行研究，得出如下結論：

1)簡化ECU的標定過程有助于縮短ECU的標定周期。

2)怠速標定完成后，怠速狀態下發動機轉速由2 300r/min降至1 800r/min，發動機工作穩定，且輸出功率只有6kW，滿足低油耗的要求。

3)通過對點火提前角和噴油量的調整，得到了滿足發揮發動機最大性能的點火提前角和噴油量的范圍。

進氣諧振對發動機的輸出功率有一定的影響，下一步的研究工作將考慮進氣管道內的空氣諧振對發動機輸出功率的影響規律。