整車開(kāi)發(fā)與電控發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)

房樹(shù)堂

（東風(fēng)商用車公司 市場(chǎng)銷售總部服務(wù)保障部，湖北 十堰 442000）

隨著世界環(huán)保法規(guī)的日益苛刻，超低排放、零排放汽車一直是各大汽車公司競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)所在，由此而引出的混合動(dòng)力及燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是未來(lái)汽車新的技術(shù)途徑所在，但其技術(shù)處于不成熟的起步階段，且缺乏規(guī)模生產(chǎn)的能力，所以在這一情形之下傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車仍然是未來(lái)數(shù)10年汽車的主流，只是內(nèi)燃機(jī)汽車的排放限制將更為苛刻。目前國(guó)際上以美國(guó)、日本和歐洲體系的汽車排放法規(guī)為典型代表，我國(guó)的排放法規(guī)基本是在參照歐洲法規(guī)的基礎(chǔ)上制定的。

我國(guó)于2007年開(kāi)始實(shí)施GB18352.3－2005國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（Ⅲ、Ⅳ）”中第Ⅲ階段的排放法規(guī) （簡(jiǎn)稱 “國(guó)Ⅲ排放法規(guī)”，相當(dāng)于歐洲Ⅲ號(hào)），而北京市于2005年提前實(shí)施這一嚴(yán)格的排放法規(guī)，也頒布了燃油消耗法規(guī)及噪聲法規(guī)。

在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上采用“多點(diǎn)電控燃油噴射+三效催化轉(zhuǎn)化器”來(lái)降低車輛的排放，是現(xiàn)代汽油機(jī)排放控制的主流。我國(guó)亟需在深入消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)汽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)革新，以滿足各種新法規(guī)的要求。

本文主要介紹了電控發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)與整車開(kāi)發(fā)的匹配工作，整車的各系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)與整車的匹配標(biāo)定，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的匹配標(biāo)定及整車與發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高原、低溫等特殊環(huán)境下的匹配試驗(yàn)。目的是介紹發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)在目前自主發(fā)動(dòng)機(jī)滿足更加苛刻的排放法規(guī)中的開(kāi)發(fā)技術(shù)。

1 排放控制法規(guī)的有效技術(shù)對(duì)策

為適應(yīng)不斷升級(jí)的排放法規(guī)，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)也在進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，其中主要經(jīng)歷4個(gè)階段：1）改進(jìn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的供油及點(diǎn)火技術(shù)；2）改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性；3）提高發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能；4）降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害物的排放。

目前所處的階段主要是降低汽車有害物的排放，汽車有害氣體的排放主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒廢氣、油箱的蒸發(fā)、曲軸箱廢氣及進(jìn)氣歧管的燃油殘留；氣體中有害成分是碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）及氮氧化合物（NOx）。

歐盟排放法規(guī)主要經(jīng)歷6個(gè)階段：1）ECER15/04：開(kāi)環(huán)燃油控制、化油器或單點(diǎn)噴射；2）ECE－R83/01：開(kāi)環(huán)燃油控制、單點(diǎn)噴射、氧化型催化轉(zhuǎn)換器；3）EC93（歐洲I號(hào)）：閉環(huán)燃油控制、單點(diǎn)或多點(diǎn)噴射、三元催化轉(zhuǎn)換器；4）EC96（歐洲II號(hào)）：閉環(huán)燃油控制、多點(diǎn)噴射、三元催化轉(zhuǎn)換器；5）EC2000（歐洲III號(hào)）閉環(huán)燃油控制：閉環(huán)燃油控制、多點(diǎn)順序噴射、（緊耦合式）三元催化轉(zhuǎn)換器、電子控制廢氣再循環(huán)閥 （選裝）、優(yōu)化蒸發(fā)排放控制、（依法規(guī)裝備）EOBD 診斷系統(tǒng)；6）EC2005（歐洲IV號(hào)）：閉環(huán)燃油控制、多點(diǎn)順序噴射、快速起燃式催化轉(zhuǎn)換器、電子控制廢氣再循環(huán)閥、蒸發(fā)排放系統(tǒng)、EOBD診斷系統(tǒng)。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)而言，可以精確地控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的空氣和燃油的混合比、燃燒過(guò)程及廢氣轉(zhuǎn)換，以達(dá)到優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能，改善汽車駕駛性能的目的，并且更加嚴(yán)格地控制汽車所排出的廢氣對(duì)于空氣的污染。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)程序

發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)在整車上的匹配標(biāo)定流程如圖1所示，可以看出，整車的匹配標(biāo)定包括3個(gè)環(huán)節(jié)：系統(tǒng)定義、車輛環(huán)境適配標(biāo)定試驗(yàn)及環(huán)境驗(yàn)證階段。各開(kāi)發(fā)階段及環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程

系統(tǒng)定義經(jīng)歷初始部件的特征定義、部件的初始性能標(biāo)定、發(fā)動(dòng)機(jī)初始基礎(chǔ)臺(tái)架標(biāo)定等過(guò)程，在此過(guò)程中同步完成車輛的工程樣機(jī)準(zhǔn)備工作。

在完成車輛的試制后進(jìn)行常規(guī)的車輛匹配標(biāo)定工作，保證車輛在正常環(huán)境下能夠正常運(yùn)行，包括常規(guī)的駕駛特性標(biāo)定然后讓車輛在極限環(huán)境中進(jìn)行適配試驗(yàn)，如熱帶、寒帶及高原環(huán)境的適配試驗(yàn)，保證車輛在各極限環(huán)境中的駕駛性，冷、熱啟動(dòng)性等。在完成環(huán)境適配試驗(yàn)后進(jìn)入車輛的排放標(biāo)定試驗(yàn)。將車輛放置在整車排放測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上，按排放法規(guī)規(guī)定的工況進(jìn)行排放測(cè)試，調(diào)試發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，使車輛尾氣排放達(dá)到國(guó)家法規(guī)規(guī)定的界限。

在完成環(huán)境匹配試驗(yàn)后，進(jìn)行車輛的環(huán)境驗(yàn)證階段，在此階段，會(huì)增加驗(yàn)證車輛的數(shù)量，在3個(gè)極限工況進(jìn)行車輛運(yùn)行的環(huán)境監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，使車輛在批產(chǎn)的狀態(tài)下，驗(yàn)證各參數(shù)運(yùn)行的合理性。

表1 各環(huán)境驗(yàn)證參數(shù)及各階段的工作內(nèi)容

3 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)及標(biāo)定

發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)功能包括速度密度空氣計(jì)量法、閉環(huán)控制多點(diǎn)順序燃油噴射(包括MAPCID壓力判缸)、無(wú)分電器直接點(diǎn)火、ECM內(nèi)置點(diǎn)火模塊驅(qū)動(dòng)分組點(diǎn)火(也可支持順序點(diǎn)火)、線性EGR控制、步進(jìn)馬達(dá)怠速控制、爆震控制、空調(diào)、冷卻系統(tǒng)控制、里程記憶、過(guò)電壓保護(hù)、電子防盜、CAN－BUS通訊接口可與自動(dòng)變速箱控制模塊或ABS系統(tǒng)通訊等。其主要開(kāi)發(fā)流程及主要標(biāo)定參數(shù)如下。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架基礎(chǔ)標(biāo)定

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架基礎(chǔ)標(biāo)定的目的是為獲取電噴系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性，為整車開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備良好的基礎(chǔ)。主要匹配的內(nèi)容如下：臺(tái)架基礎(chǔ)標(biāo)定準(zhǔn)備，包括噴油器的基本噴油特性、空氣溫度特性匹配、空氣流量特性及容積效率、基本點(diǎn)火提前角及修正系數(shù)、空然比特性匹配標(biāo)定及大氣壓力修正等發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)特性匹配參數(shù)的選擇。完成基本參數(shù)匹配后基本得到發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線參數(shù)，其基本匹配參數(shù)見(jiàn)圖2。

3.2 車輛的基礎(chǔ)標(biāo)定

車輛的基礎(chǔ)標(biāo)定包括車輛冷啟動(dòng)標(biāo)定、怠速穩(wěn)定性標(biāo)定、加速工況標(biāo)定、減速工況標(biāo)定、減速斷油、發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)渡工況供油標(biāo)定、勻速行駛標(biāo)定、機(jī)械及電力負(fù)載加/減載標(biāo)定等。車輛基本標(biāo)定完成后，車輛在正常條件下能滿足日常駕駛需求。

以車輛冷啟動(dòng)為例，其空燃比控制策略及發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的3個(gè)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖3a所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)基本臺(tái)架匹配參數(shù)

1）發(fā)動(dòng)階段：發(fā)動(dòng)階段的空燃比控制策略采用大的初始噴油脈寬，彌補(bǔ)壁濕作用、低揮發(fā)性和低電瓶電壓的影響，使空燃比達(dá)到著火界限。并且，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（通常以發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算）后，減小噴油脈寬，避免供油過(guò)多造成淹缸。發(fā)動(dòng)階段的目標(biāo)空燃比

式（1）中，F(xiàn)start為ECM中的二維表格，Tw為水溫，如圖3b所示。Kstart為可標(biāo)定初始加濃項(xiàng)。

2）著車階段：這一階段由于轉(zhuǎn)速變化速度很快，因此是一個(gè)高度非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。著車階段的控制要求保證燃油供給準(zhǔn)確，防止供油過(guò)渡造成過(guò)量排放，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。在這一過(guò)程控制所要考慮的因素有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速增加，進(jìn)氣管壓力下降造成壁面燃油蒸發(fā)，進(jìn)氣速度增加和燃燒室溫度上升。著車階段要迅速減小噴油脈寬，實(shí)現(xiàn)方法是將Fstart按水溫衰減，或繼續(xù)將加濃因子Kstart按可標(biāo)定規(guī)律衰減為零（圖3b）。

3）暖機(jī)階段：暖機(jī)階段的主要特征是水溫持續(xù)上升。這一階段的目標(biāo)是通過(guò)合適的怠速盡快實(shí)現(xiàn)暖機(jī)，如有可能，使空燃比略偏稀來(lái)提高排氣溫度以加快催化器起燃。暖機(jī)階段要將當(dāng)前空燃比逐漸變?yōu)榘l(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)空燃比，方法是將二者的差值按可標(biāo)定規(guī)律衰減為零。

從控制策略上看可以通過(guò)優(yōu)化空燃比、點(diǎn)火角等方式降低THC的排放量。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程

3.3 整車極限環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn)

1）高溫試驗(yàn)：高溫條件下的冷、熱起動(dòng)性能良好，且起動(dòng)時(shí)間小于1 s；冷機(jī)駕駛及熱機(jī)駕駛性能，冷起動(dòng)駕駛性、暖機(jī)駕駛性、怠速和重新起動(dòng)性能良好；怠速控制試驗(yàn)，長(zhǎng)時(shí)間怠速穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于 30 r·min－1；開(kāi)關(guān)電力負(fù)載的瞬間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于 100 r·min－1；開(kāi)關(guān)空調(diào)的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)提升和回落，且波動(dòng)小于 150 r·min－1；爆震，夏季試驗(yàn)中消除爆震現(xiàn)象發(fā)生；風(fēng)扇及空調(diào)控制，系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇、空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯正確，控制點(diǎn)準(zhǔn)確；催化器工作溫度，三元催化器的溫度低于催化器長(zhǎng)期工作溫度的限值 930°C。

2）高原試驗(yàn)：高原冷起動(dòng)及駕駛性，試驗(yàn)的目的是考核發(fā)動(dòng)機(jī)在高海拔下浸置后的冷起動(dòng)性能，空燃比標(biāo)定是否適合，及起動(dòng)后的駕駛性能，應(yīng)保證試驗(yàn)車高原冷起動(dòng)性能良好，起動(dòng)時(shí)間小于1 s，高原冷機(jī)駕駛性良好；高原熱起動(dòng)及駕駛性，高原熱起動(dòng)性能良好，起動(dòng)時(shí)間小于1 s，熱機(jī)駕駛性良好；怠速穩(wěn)定性試驗(yàn)，目的是考核發(fā)動(dòng)機(jī)在高原狀態(tài)下的怠速穩(wěn)定性，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)應(yīng)小于±30 r·min－1；高原爆震驗(yàn)證試驗(yàn)是考察發(fā)動(dòng)機(jī)在高原狀態(tài)下的爆震，高原地區(qū)不應(yīng)出現(xiàn)爆震現(xiàn)象；冷卻系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)康氖强疾彀l(fā)動(dòng)機(jī)是否在高原地區(qū)出現(xiàn)開(kāi)鍋現(xiàn)象，由于高原地區(qū)大氣壓低，導(dǎo)致冷卻液沸點(diǎn)降低，有可能出現(xiàn)開(kāi)鍋現(xiàn)象。

3）低溫試驗(yàn)：低溫環(huán)境下的冷起動(dòng)性能，在低溫環(huán)境下浸置至少6 h后的冷起動(dòng)及冷態(tài)駕駛性能。通過(guò)調(diào)整不同環(huán)境溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)空燃比的控制及點(diǎn)火提前角的選擇來(lái)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)及冷態(tài)駕駛；冷起動(dòng)重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，考核發(fā)動(dòng)機(jī)在連續(xù)起動(dòng)不著，造成淹缸的條件下，通過(guò)空燃比的控制可以減少或防止淹缸現(xiàn)象發(fā)生，如果發(fā)動(dòng)機(jī)在數(shù)次打車不著的前提條件下，可以通過(guò)減少噴油或不噴油的控制邏輯來(lái)清除淹缸現(xiàn)象；節(jié)流閥體結(jié)冰驗(yàn)證試驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速高負(fù)荷的條件下如果長(zhǎng)時(shí)間維持節(jié)氣門在一定開(kāi)度，且保持不變，由于節(jié)氣門后的真空度作用，在節(jié)氣門體處會(huì)形成一個(gè)較環(huán)境溫度低的低溫區(qū)域，如果長(zhǎng)時(shí)間保持這種狀態(tài)，如果空氣中的水蒸氣分壓較大，水蒸汽會(huì)在節(jié)氣門體形成結(jié)冰，導(dǎo)致節(jié)氣門體凍死。駕駛者失去對(duì)車輛的控制，形成危險(xiǎn)條件。因此，一般高檔轎車會(huì)有冷卻循環(huán)水加熱節(jié)氣門體，但并非所有的電噴車輛都有加熱循環(huán)系統(tǒng)，如果車輛通過(guò)合理的配置使節(jié)氣門體處于一個(gè)熱相對(duì)平衡的條件下，也可以不使用加熱而達(dá)到使用要求。

4 結(jié) 論

敘述了在整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)所承擔(dān)的作用，重點(diǎn)介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)與整車功能匹配的關(guān)系。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)及標(biāo)定流程的介紹，描述了汽車法規(guī)、環(huán)保技術(shù)及現(xiàn)代車輛的發(fā)展前景。