本田CBR600 型發動機標定試驗研究*

吳 戰 王志紅

（武漢理工大學汽車工程學院 湖北 武漢 430070）

引言

由中國汽車工程學會舉辦的中國大學生方程式大賽（FSC）是一項面向大學生的工程性教育賽事。賽事要求在校大學生們在本校內自行組建參賽車隊參加比賽。參賽車隊需遵循共同的標準和規則，自行設計制造出一輛類似于簡化的F1 賽車的單人賽車。賽車需要在加速、制動、操控性方面有較高的水準并且擁有良好的穩定性，耐久性[1]。

賽事組委會為了保證比賽的安全性，要求參賽車輛的進氣系統必須安裝一個內徑為20 mm 的限流閥，所有進入發動機的空氣必須經過該限流閥[2]。限流閥的存在使得原發動機的ECU 和進排氣系統不能正常工作，限制了發動機的動力輸出[3-5]。為了使發動機能夠正常工作并性能良好，需要對發動機的進排氣系統進行重新設計，然后對發動機在新條件下的工作參數進行重新標定。本次試驗所用發動機為本田CBR600 型發動機。

1 試驗準備

1.1 ECU 選型

本研究采用的MoTec M84 ECU 是澳大利亞MoTec 公司旗下的產品。該款ECU 最多可控制6 缸發動機的噴油點火，可以接入所有常見類型的發動機傳感器、3 個模擬溫度開關以及4 個模擬數字傳感器[6]。除此之外，該款ECU 還具有一些高級功能，例如牽引力控制、風扇控制以及各種補償。這些補償可以在ECU 配套軟件MoTec M84 ECU manager 中通過設定參數來實現（軟件界面如圖1 所示），無需自行編寫程序，使用較為簡單，能夠滿足大學生方程式對于ECU 功能的要求，并且價格相對低廉，所以在大學生方程式大賽中得到較為廣泛的應用。

圖1 MoTec ECU Manager 軟件界面

1.2 傳感器選型

選用博世公司生產的進氣壓力溫度傳感器以及氧傳感器，在使用之前，需要對傳感器進行設置，以保證數據的準確性。MoTec M84 可以與多種類型的傳感器配套使用，在與ECU 配套使用的軟件MoTec M84 ECU Manager 中選擇對應的傳感器類型，并對傳感器進行設置[7-10]。進氣壓力傳感器標定界面如圖2 所示，氧傳感器設置界面如圖3 所示。

圖2 進氣壓力傳感器標定界面

圖3 氧傳感器設置界面

1.3 試驗設備

本次試驗所用設備如表1 所示。

表1 試驗設備表

將發動機安裝在發動機臺架上，通過聯軸器與測功機聯接。標定試驗系統示意圖如圖4 所示。

圖4 標定試驗系統示意圖

2 標定試驗

2.1 標定目的及標定策略

標定目的是使發動機與新設計的進排氣系統有良好的匹配性，標定的同時，結合實際，針對比賽動力需求對發動機的動力輸出進行調整。

本田CBR600 發動機屬于短行程、高轉速型發動機，在實際比賽中，發動機常處于轉速較高的工況，以保證足夠的動力輸出[11]。依據數據分析可知，在比賽過程中，發動機的常用節氣門開度為50%～100%，常用轉速區間在7 000～10 000 r/min。標定策略根據發動機使用工況、動力要求不同而變化，使發動機擁有良好的動力性、經濟性、可靠性[12]。

1）中低負荷時，節氣門開度較小，發動機轉速較低，選擇經濟高效的控制策略，適當減少燃油量的噴射，將混合氣保持在經濟混合氣區域，使發動機在低轉速時具有較好的燃油經濟性。

2）大負荷時，發動機節氣門開度大、轉速高，追求發動機功率和轉矩的輸出，提升動力性，可以適當增加燃油量的噴射，提高混合氣濃度，以保持在功率混合氣區域[13]。在追求發動機擁有最大動力輸出的同時，還需要保證發動機動力輸出的線性，以增加賽車的可操控性，這樣有利于車手在比賽時對于賽車的動力輸出具有更好的操控性，從而提高比賽成績。

2.2 工況標定

發動機起動后，進行預熱，在冷卻水溫度、潤滑油溫度達到正常溫度后，才可以進行標定試驗。

通過發動機臺架控制臺，將發動機穩定在某一轉速下，調節節氣門開度，然后通過上位機標定軟件，調節噴油脈寬，觀察氧傳感器反饋的λ 值。根據標定策略，在中低負荷時，將λ 值控制在1.00～1.10 范圍內，保證發動機處于經濟高效的工作狀態；在高負荷時，將λ值控制在0.80～0.95 范圍內，保證足夠的動力輸出。

在確定噴油脈寬后，需調整點火提前角。以一定的步長逐漸增大點火提前角，觀察發動機輸出的轉矩和功率，找到發動機的最大輸出功率。為了防止爆震，保證發動機在該工況下能平穩輸出較大功率和轉矩，還應在最大輸出功率輸時將點火提前角推遲2～3°CA[14-15]。

通過上述過程，得到某一轉速、某一節氣門開度下的噴油脈寬及點火提前角。改變節氣門開度（10%～100%，每次間隔10%），重復上述標定過程，可以得到在某一轉速、不同節氣門開度下的噴油脈寬及點火提前角。

該賽車發動機轉速范圍為：0～12 000 r/min，起動后的怠速轉速為1 500 r/min，按照每隔500 r/min 取一條線，采用不同節氣門開度來進行標定，得到多組噴油脈寬和點火提前角數值。其它轉速和節氣門開度下，可通過插值的方式進行數據獲取，在MATLAB中對數據進行處理，得到基本的噴油MAP 圖和點火MAP 圖，分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 噴油MAP 圖

圖6 點火MAP 圖

2.3 修正標定

根據初步標定的數據分析，發動機的轉矩輸出不太理想，輸出線性度不足，輸出波動量變化較大。發動機在5 000 r/min 和8 000 r/min 時出現轉矩峰值，但是很快下落，呈現出迅速上升然后迅速下降的轉矩峰。這種動力的不平順性，可能會導致車手在駕駛狀態下需要動力輸出時得不到合適的動力響應，或者想要動力減小時卻獲得比原先更大的動力。這會導致車輛的可操控性變差，不利于車手實現對車輛的精確控制，從而影響賽車成績。

對發動機的輸出特性進行修正標定，使發動機輸出特性曲線變得平滑。通過適當降低轉矩峰值前后的發動機轉矩輸出，使發動機轉矩輸出曲線相對平直，保證發動機動力輸出相對平順，如圖7、圖8 所示。在修正標定過程中，要重點關注常用節氣門開度和轉速下的功率輸出特性。修正標定也可對之前試驗數據的檢查，保證試驗數據的準確性。

圖7 80%節氣門開度、常用轉速區間的轉矩調整

圖8 100%節氣門開度、常用轉速區間的轉矩調整

2.4 電池電壓修正

對于使用電噴系統的發動機來說，電池電壓對噴射系統有著重要的影響。由于噴油器電磁線圈固有的感抗特性，使得噴油器在電池電壓下降時，噴油器針閥開啟時間和延遲時間都會增加，這將導致噴油器的噴油有效時間減少。電池電壓的降低還會影響到噴油泵的工作，油路內燃油壓力降低，也會導致噴油器的噴油量減少，發動機得不到所需的燃油量，從而影響發動機的動力輸出。電池電壓對于發動機的動力輸出有較大的影響，所以需要在不同電壓下對噴油器進行修正，即在電池電壓較低時增加通電時間，增加噴油器的噴油時間；在電池電壓較高時，相應減少通電時間，控制噴油器的燃油噴射量[16]，電池電壓修正系數如圖9 所示。

圖9 電池電壓修正系數

3 結果分析

將標定后的發動機功率以及轉矩輸出曲線與標定前的數據進行比對。功率對比曲線如圖10 所示，轉矩對比曲線圖如圖11 所示。

圖10 100%節氣門開度功率對比

圖11 100%節氣門開度轉矩對比

從圖10 和圖11 可以看出，在節氣門處于100%開度的情況下，標定前，發動機輸出的功率和轉矩在常用轉速區間內波動較大，功率輸出曲線和轉矩輸出曲線均呈現明顯的波動上升趨勢。經過標定后，發動機功率和轉矩的輸出得到提升。為了使發動機的動力輸出更加平順，適當降低發動機轉矩曲線的峰值，使發動機動力輸出更加線性。

4 結論

本文根據中國大學生方程式大賽（FSC）規則，以本田CBR600 型發動機為研究對象，對進氣系統進行重新了設計，并對ECU 和主要傳感器進行了選型，搭建了發動機臺架，依據制定的標定策略對發動機進行了噴油脈寬和點火提前角的標定，得到了基本的噴油MAP 圖和點火MAP 圖。

針對標定后的發動機輸出特性曲線進行了修正標定，使發動機轉矩輸出曲線相對平直，保證發動機動力輸出相對平順，提高了車輛的操控性。同時，研究了電池電壓對噴油量的影響，通過試驗獲取了電池電壓修正系數，保證了噴油量的準確性。本文工作為后續賽車的進一步優化匹配奠定了基礎。