大學生方程式汽車大賽發動機標定試驗

黃 瑞，陳俊玄，李立煒,吳啟超，程建剛，俞小莉

（浙江大學能源工程學院，浙江杭州 310027）

0 引言

全國大學生方程式汽車大賽（FSAE，Formula SAE）是學生創新實踐能力培養的重要平臺，它需要學生在規定時間內完成一輛賽車的設計、制作、參賽。為了限制發動機功率，比賽中必須在進氣系統安裝內徑20 mm的環形限流閥，所有發動機氣流必須流過限流閥，使原裝的發動機ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）及進氣系統無法正常工作及發揮更好性能，因此需要對進氣系統重新設計并標定。本研究使用MOTEC M800替代原來的黃龍600原裝ECU，并進行獨立校準。ECU通過將之前存儲的數據與各個車載傳感器讀出的實時數據進行對比，按照預先設計的控制策略對其他設備發出指令，以保證在不同工況下發動機的穩定運轉，對賽車發動機的動力性、經濟性和穩定性都有著重大的影響[1]。

在電控系統軟硬件都已經確定的情況下，發動機能否發揮最佳性能，主要取決于電控系統和發動機本體之間是否匹配得當[2]。目前國外的電控標定技術主要集中在先進的標定系統開發、標定試驗設計以及基于模型的標定技術上。國內相關研究相對較落后，雖然一些高校開發了專屬的標定系統，但兼容和通用能力很差，且功能不多，尚未成熟。

綜合考慮，此次發動機標定使用傳統的標定方法，即在臺架標定時按照目標過量空氣系數以及排放法規要求進行標定，之后在整車標定時，對于“高溫、高寒、高氣壓”進行修正參數的標定[3]。

大學生方程式大賽中，越來越多的車隊使用MOTEC M800等全替代式ECU用于發動機的標定。湖南大學使用MOTEC軟件中的TCS（Traction Control System牽引力控制系統），通過采集4輪輪速數據為控制算法提供基準值，通過標定提高賽車牽引力控制系統精準性。同濟大學考慮到發動機各缸工作的一致性，對各缸噴油量進行單獨調節，提高發動機性能，同時用升檔斷火控制系統大幅提高了氣動換擋的成功率。吉林大學作為賽事中對渦輪增壓發動機調校最為成熟的車隊，是唯一一支通過自主標定 使發動機功率突破75 kW的車隊。

基于全國大學生方程式汽車大賽進氣限流規則，對BN600GS發動機噴油量和點火提前角進行自主標定。包括發動機臺架的搭建及各傳感器執行器的選用。通過電控標定提高賽車的動力性、燃油經濟性和穩定性。還用MOTEC實現了對于直線加速工況下的外特性曲線重點標定。

1 發動機試驗臺架搭建

1.1 ECU的選擇

根據賽事規則，選擇錢江摩托的BN600GS發動機，4缸4沖程水冷發動機，最高轉速13 000 r/min，排量600 mL。進氣系統不滿足20 mm進氣限流閥的限制，且排氣是雙消音器的布置形式，不滿足賽車布置要求，同時由于工況的改變，原ECU無法正常工作，因此重新設計進排氣系統，使用MOTEC M800作為ECU。MOTEC M800作為最終使用的ECU，最大的優點在于它是一個開源軟件，空燃比閉環控制可以使發動機的調校更加精確。發動機臺架線束的搭建較為復雜，要連接所有的傳感器、執行器和ECU，2017賽季的臺架試驗線束結合MOTEC M800使用說明書改裝。本研究使用MOTEC M800自帶的空燃比閉環控制功能，將寬域氧傳感器安裝在排氣管中，測到排氣中的氧濃度信息，計算出此時λ值并反饋給ECU，ECU比較該數據與標準數據之間的差值，據此進行控制。

1.2 傳感器

BN600GS的曲軸位置傳感器為磁電式傳感器，由于該發動機缺少凸輪軸位置傳感器，因此采用Wasted Spark點火方式，即只使用2根點火信號，一根接1，4缸，一根接2，3缸，即可完成工作。采用進氣壓力溫度一體傳感器，主要是測量進氣系統中的壓力和溫度。節氣門位置傳感器通過蝶閥移動時的電阻變化得到數據。對于自然吸氣發動機，通常使用節氣門開度或進氣壓力來近似等同于發動機的充量系數，但此時還需要進氣壓力和進氣溫度等數據作為修正值，才能得到更為精準的數據[4]。對于自然吸氣發動機，通常使用“開度-速度”法進行標定[5]。試驗用到了進氣、排氣、機油、冷卻水等溫度傳感器，通過排氣溫度可觀察燃燒是否正常，機油溫度和水溫則起到保護作用，一旦發現過高立即采取措施，防止拉缸等。在MOTEC中使用的都是可識別的溫度傳感器，所以不需要重新標定。氧傳感器通過檢測發動機排氣的氧的含量，計算發動機缸內混合器的燃燒比例（即過量空氣系數）[6]。空燃比決定了第一遍遍歷map圖（等高線圖、云圖）的數據。氧傳感器使用了Bosch lsu 4.9寬域氧傳感器。

1.3 測功機

發動機測試系統采用奕科公司的EIM0301DCU水力測功機，該測功機可以讀出包括轉速、扭矩、功率、排氣溫度、機油溫度、比油耗等數據。操控界面（圖1）中有發動機轉速檔和油門的功率檔，分別用來定發動機的轉速和負荷。標定過程中n-p模式，即通過定轉速，調整油門位置來指定特定工況點，測功機定轉速的工作過程，通過PID（Proportion Integration Differentiation，比例積分微分）控制算法實現。

圖1 測功機軟件操作界面

2 發動機標定試驗

2.1 制定控制策略

在整個發動機臺架的標定過程中，制定控制策略是非常關鍵的一步，在保證動力強勁的情況下兼顧燃油經濟性和穩定性仍然是主要目標。所以在制定目標λ（過量空氣系數）時，有意識地在低負荷的情況下使噴油相對較少，混合氣相對較稀，以提高燃油經濟性。

為了保證良好的動力性，對于90%～100%負荷下的工況點將目標λ設置為0.88，即保證在節氣門全開的情況下可以達到功率最大。在小開度低轉速情況下雖然目標λ很低，但卻發現在實際操作中，過低的噴油量很難保證順利啟動以及怠速穩定，依照目標λ值標出的啟動數據僅僅依靠啟動補償的噴油很難順利啟動，所以在0～5%負荷區間，0～1000 r/min區間的噴油增加20%左右，以達到順利啟動的目的[7]。但相對應的怠速λ值非常低，接近0.7。這是因為相比于乘用車的進氣系統，賽車缺少怠速旁通閥，會導致怠速工況下進氣量不足，混合氣偏濃，只要負荷提升轉速升高后，λ值就可以迅速恢復正常。

2.2 燃油噴射系統標定

BN600GS發動機使用高壓共軌式噴油器，首先要定義MOTEC M800 的 IJPU（Injector Pulse Width Scaling，噴油脈寬時間）值，主脈寬設置為經驗值7，單位為μs，如圖2所示，而后調節的map中的數值是噴油脈寬所占基礎時間的百分比。

完成噴油map的基礎標定試驗后，需要考慮燃油噴射系統的補償問題，MOTEC M800可實現低溫下的補償，啟動中的補償，由于進氣溫度升高空氣密度變低導致進氣量減小的補償，且當進氣溫度較低時，汽油會附著在進氣歧管管壁上，導致蒸發不良[8]。由于曾多次遇到冷啟動困難，本次標定時對水溫補償的數據進行了修正（圖3），解決了冷啟動困難的問題。

圖2 噴油主脈寬設置

圖3 噴油系統水溫補償

2.3 點火系統標定

點火提前角的標定是在噴油基本完成的情況下進行的，先確定點火類型，當曲軸傳感器接收到下觸發沿信號時點火線圈點火，而Ignition Percent/Degrees的值設為1表示點火提前角主map圖的單位是角度而不是標準值的百分比[9]。完成基本設置后（圖4），再按步驟完成點火系統標定試驗。

點火提前角標定過程中，臺架上安裝KS-4爆震檢測儀，可以精確地觀察發動機的爆震頻率。當發動機處于輕微爆震的情況時可達到最大功率點以此得到較為合理的點火提前角map圖。

圖4 點火map的基本設定

2.4 直線加速工況的標定

直線加速比賽要求發動機具有足夠大的扭矩，能最大限度地為賽車提供最大加速度[10]。直線加速中將限轉速設置為13 000 r/min，因為時間很短，發動機可以在短時間內承受高轉速，盡可能地推到極限。認為賽車在直線加速過程中不換擋，直接使用2擋彈射起步。由于在直線加速比賽中，車手從頭到尾都是板油一腳到底，所以發動機節氣門一直處于滿負荷的情況，由此可知基于直線加速工況的標定，實質上就是追求更好的外特性曲線[11]。

3 試驗結果分析

3.1 噴油map對性能的影響

圖5、圖6為噴油map重新標定前與重新標定后的變化。標定前的λ過低，混合氣偏濃，這也是導致油耗過高的主要原因，所以本次標定中對噴油主map做了Overrall Trims的修改，對主表進行20%噴油量的削減，同時加大主表高轉高負荷情況下的噴油量，以保證λ處于最大功率點。

通過MOTEC I2，可以在試驗后得到記錄的所有數據，此時λ值為0.893，非常接近于最大功率點0.88，此時測功機讀出功率為43 kW。而原表中11 000 r/min功率為40.8 kW，相較于原表，重新標定后的數據功率提升了5.8%。

3.2 點火map對性能的影響

圖5 噴油標定前map

圖6 噴油標定后map

圖7 點火標定前map

圖8 點火標定后map

圖7、圖8為點火map重新標定前與重新標定后的變化。對于點火提前角的標定，取其中一組油門開度25%，轉速為4000 r/min的數據整理成折線圖，如圖9所示。發動機功率隨點火提前角的增大，先增大而后減小；燃油消耗率隨點火提前角的變化而變化，從圖9可看出，在油門開度25%，轉速4000 r/min工況下，功率最大為14.2 kW，對應的點火提前角為28°；燃油消耗率最低為12.75 g/kW·h，對應的點火提前角為28°，因此可認為28°的點火提前角是該工況下的最佳點火提前角。通過這種方法遍歷點火map的每個點，完成了重新標定后的map。

3.3 直線加速工況下的外特性曲線標定結果

如圖10所示，對發動機的外特性曲線2擋扭矩進行了噴油標定，得到的扭矩值制作成折線圖，如圖11所示。由圖11可知，通過對外特性曲線的重新標定，有效提高了發動機的扭矩，在直線加速項目上擁有了更大的競爭力。

此外，由于比賽中有很多繞樁項目，對整車的動態響應要求極高，為此，對發動機的動態響應性能進行了細致的標定，如圖12，通過對Fuel Accel Clamp，Fuel Accel Clamp Comp，Fuel Accel Decay，Fuel Accel Sensitivity等補償表進行標定，可以將發動機的加速動態響應調到車手最喜愛的駕駛狀態。具體方法如下：

（1）Fuel Accel Clamp：調整加速工況下補償噴油量。

（2）Fuel Accel Clamp Comp：調整加速工況下各工況點的補償噴油量，該表格設置的主要意義在于加速補償標定過程中可以更多的選取一個參考指標，例如除了圖13中縱軸上選取的節氣門開度為參考指標以外，在該表格中，可以選取水溫（ET）等參數作為補償標定的參考指標。

（3）Fuel Accel Decay：加速補償過程中，當發動機轉速到達目標轉速以后，實際噴油量的減少數值。其值越大，噴油量越少。

（4）Fuel Accel Sensitivity：調整加速工況下，噴油補償的靈敏度，其值越大，靈敏度越高，但其計算最終值不能超過Fuel Accel Clamp中的值。對于加速補償標定方法與此類似。

具體調整過程：通過不斷地試車，采集數據，分析得到最終動態響應最合適的map（圖13、圖14）。

4 總結

基于中國大學生方程式汽車大賽規則要求，對BN600GS發動機進行較為細致的標定，從發動機臺架的搭建，各傳感器的選型都進行了較為細致的分析，通過對發動機噴油，點火進行標定實驗，根據賽事需要，在保證發動機動力性的前提下，盡可能照顧到燃油經濟性。

針對直線加速工況，對發動機外特性進行單獨調教，對發動機動態響應性能進行標定，為后續做發動機標定等相關實驗提供一定的參考。為發動機性能測試試驗和標定試驗做好準備。

圖9 點火提前角調整特性曲線

圖11 外特性曲線2擋扭矩對比

圖12 動態響應標定

圖13 加速補償map

圖14 減速補償map

本研究主要實現3個目標：①噴油系統的標定使賽車油門相應靈敏度更好。②點火系統的標定使發動機處于輕微爆震情況，達到最大功率以及最低油耗。③不同的賽車工況得到不同的map。主要目標為賽車直線加速工況，得到適宜于直線加速的發動機標定參數。