宗诗皓，敖文杰，仲雪飞

(1.东南大学电子科学与工程学院，江苏 南京 211100) ( 2.东南大学自动化学院，江苏 南京 211100)

提升内燃机效率，形成汽车关键零部件的创新体系是“中国制造2025”战略举措的重要组成部分。通过改进发动机的控制参数提升发动机性能亦是汽车行业的重要任务之一。不同的控制参数对整车的动力性、操纵性、舒适性以及油耗等将产生不同的影响。黎杰等[1]研究了MoTec ECU(引擎控制单元)对应的硬件和软件以及ECU的初始化，介绍了常用传感器的标定方法。吴新烨等[2]通过进气仿真优化来降低油耗，这样做的优点是在小幅度牺牲引擎性能的前提下提升了发动机燃油燃烧效率，但还不能将引擎的最佳性能发挥出来。本文以嘉陵JH600发动机和MoTec公司M400型ECU为研究对象，通过台架实验，针对赛车竞技的需求修改喷油量与点火提前角两项参数，目的是使发动机在节气门开度大于0时实现输出功率最大化，节气门开度等于0时怠速输出功率尽可能小。

1 实验系统简介

本文研究的是适用于赛车的发动机控制策略，控制目标是发动机在不同转速下能够输出尽可能大的功率，在实现此目标的基础上尽可能提高发动机燃油燃烧效率，降低油耗。影响发动机输出功率和燃油效率的因素有很多，其中点火提前角和喷油量为最主要因素。为简化问题，将发动机输出功率视为一个二元函数，其自变量为节气门开度与发动机转速，此外还包含喷油量和点火提前角2个参数。当节气门开度和发动机转速一定，并且喷油量和点火提前角这两个参数中的一个一定时，输出功率与另一参数满足特定的非线性关系。发动机的极限功率在设计时就已经决定，合理的控制策略就是在保证稳定的前提下取接近发动机在理论上的极限功率值，所以必定存在一个极值，当参数取这个极值时即可令发动机的输出功率达到此工况下的最大值。

实验控制台可以控制发动机的转速和节气门开度，显示发动机的实时扭矩。通过转速和扭矩可以推算出发动机的实时输出功率。排气氧传感器检测排放的尾气中的氧气含量，这是判断燃油效率的重要指标之一。水箱温度、曲轴位置、节气门开度、排气氧含量和转速是ECU工作所需的参数，由相应的传感器采集数据后输入ECU。实验系统组成如图1所示。

图1 实验系统组成

2 怠速标定

实验开始前先将发动机安装在测功机上，测功机与发动机输出轴相连，可以实时测量发动机输出扭矩及转速。内置的伺服电机可以带动发动机输出轴转动并实时调整转速。实验控制台上有油门控制机构控制节气门开度。水箱温度、排气氧含量、节气门开度和转速等参数通过传感器输入给ECU，再通过ECU标定软件在PC机上显示。

设置测功机为恒转速工作模式，转速设为1 800r/min。通过氧传感器的读数来设定合适的喷油量。氧传感器读数为过量空气系数，是实际空燃比与汽油燃烧理论空燃比的比值。汽油燃烧的理论空燃比为14.7∶1，根据文献[3]，发动机的实际经济空燃比为16∶1，计算得到过量空气系数为1.09。因此实验中设定目标过量空气系数为1.09，通过调整喷油量来使氧传感器读数接近这个目标值。在实验过程中，当过量空气系数接近1.09时，发动机出现怠速不稳甚至熄火等现象。经研究分析，认为是发动机进气管道的限流阀导致吸入空气不足，不能稳定燃烧。为了维持发动机的稳定工作，降低了目标过量空气系数，直至发动机能够维持正常的运行状态。最终测试结果如图2所示。

图2 怠速标定结果

由图2可知，发动机运行平稳，转速在1 500r/min至2 000r/min间小幅波动。在较长的运行时间内未出现熄火现象。

3 点火提前角标定

点火提前角的标定方法是由测功机内置的伺服电机带动发动机输出轴旋转，设定转速，通过油门控制机构设定节气门开度，调整点火提前角直至输出扭矩达到最大值。理论上引擎的点火时刻是在凸轮轴运行到上止点时，此时燃油与空气混合后的混合燃气被压缩到最小。但是实际情况是混合燃气从点火到完全燃烧需要一段时间，如果恰好在上止点点火的话，等到混合燃气完全燃烧时凸轮轴已经离开上止点，导致做功行程变短，引擎的功率大幅降低，因此点火需要提前进行。在不同的转速和节气门开度下都存在一个最佳提前角，而ECU标定中一个重要的工作就是找到不同转速与节气门开度下最佳的提前角并录入ECU。标定流程如图3所示。

图3 点火提前角标定流程

启动发动机，保持怠速状态(1 800r/min)直至水温上升至80℃，即正常工作温度，此时引擎温度趋于稳定。在转速一定时，从节气门为0开度开始，以节气门10%开度为步长，分别在不同的开度下调整点火提前角，观察瞬时扭矩，当扭矩出现峰值时，为防止出现爆震，降低当前的点火提前角1°并记为实验结果。随后改变转速重复以上操作。转速变化范围为1 500～7 500r/min，步长为 500r/min。标定结果如图4所示。

图4 点火提前角分布

通常标定参数会使用一个如图5所示的三维MAP图表示，这样能直观地显示参数分布。

图5 点火MAP图

4 喷油脉冲占空比标定

发动机喷油量由喷油脉冲的占空比控制。喷油脉冲由ECU发出，油泵接收。喷油脉冲占空比的标定方法是给定发动机转速与节气门开度，调整喷油脉冲占空比直至发动机输出扭矩达到最大值。不同转速和节气门开度下喷油量需要单独标定。发动机所需的喷油量与转速、节气门开度、空燃比都有关系。理论上汽油完全燃烧的最佳空燃比为14.7∶1，但实际情况下气缸内未排尽的废气会影响混合燃气的燃烧，因此实际的空燃比会偏大一些[4]。根据文献[3]，油耗最低状态下过量空气系数为1.09，而动力性能最佳状态下，过量空气系数为0.88左右。喷油脉冲占空比标定流程如图6所示，最终得到的数据如图7、图8所示。

图6 喷油量标定流程

图7 喷油脉冲占空比分布

图8 喷油量MAP图

为了适应不同工况下的动力需求，制定了不同的空燃比控制策略。在低转速低负荷区间(转速1 500～2 500r/min，节气门开度0%～2%)，采用经济空燃比，即通过修改喷油量使过量空气系数维持在1.09左右；在低转速高负荷以及高转速高负荷区间(转速在2 500～6 000r/min ，节气门开度50%～100%)，采用同样的方法，维持过量空气系数在0.88(功率空燃比)。在急收油门的时候发动机会进入高转速低负荷区间(转速2 500～6 000r/min，节气门开度0%～50%)，由于此时发动机的进气量突然降低，因此喷油量也应适当降低，否则发动机会出现后燃，即在排气管里燃烧，将极大地增加油耗和噪声。

5 实验分析

在节气门开度一定的情况下，转速升高时点火提前角应该相应增加。转速一定时节气门开度若增加，燃气的燃烧速度会加快，此时必须相应减小点火提前角。过小的提前角会造成功率不足，而过大的提前角会导致爆震甚至气缸炸裂。为了保证安全，减小点火提前角时步长不应过大。本文实验中出于安全和实用的考虑，在标定点火角时没有取极限值，而是在极限值的基础上稍微降低了1°～2°，在实际测试中没有出现气缸炸裂的情况。

发动机的外特性曲线如图9、图10所示。

图9 功率-转速曲线

图10 扭矩-转速曲线

一般情况下，功率会随转速增加而增大，但实验中发现发动机在转速为6 000～6 500r/min时功率有短暂下降。余国核等[5]的研究认为，当进气门开启时气缸内压力下降, 产生负压力波，该负压力波以声速传递至进气口并造成局部空气密度下将，导致外部空气涌入，进而形成正压力波，正负压力波在进气道内连续反射并形成谐振。气门开启时气门处的谐振波的相位与气门处压力直接相关，会影响进气效率。余国核等[5]在实验中发现，当进气管谐振腔容积大于发动机气缸容积2倍时，发动机在转速为8 000r/min时输出功率出现了一个极小值，此现象与本文实验所观察到的现象一致。笔者使用的发动机排量为600mL，进气管谐振腔容积为3.5L。经过分析认为在转速6 000～6 500r/min处功率的下降是由进气道的谐振造成的。

6 结论

本文以引擎控制单元(ECU)的控制参数为研究对象，在窄节流阀的条件下对引擎控制单元控制策略进行研究，得出如下结论：

1)简化ECU的标定过程有助于缩短ECU的标定周期。

2)怠速标定完成后，怠速状态下发动机转速由2 300r/min降至1 800r/min，发动机工作稳定，且输出功率只有6kW，满足低油耗的要求。

3)通过对点火提前角和喷油量的调整，得到了满足发挥发动机最大性能的点火提前角和喷油量的范围。

进气谐振对发动机的输出功率有一定的影响，下一步的研究工作将考虑进气管道内的空气谐振对发动机输出功率的影响规律。