基于FSC 賽車的電控系統(tǒng)開發(fā)研究*

沈鵬飛 范昌易 畢鳳榮

（天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室 天津 300072）

引言

發(fā)動機是決定大學生方程式大賽（FSC）賽車性能的動力總成，發(fā)動機電控系統(tǒng)是賽車動力總成中的重要部分，對賽車的動力性有重要影響。出于安全性考慮，賽事組委會做出了一系列強制性規(guī)定。其中，在動力總成方面，限制了發(fā)動機排量，規(guī)定發(fā)動機進氣系統(tǒng)必須經(jīng)過一段直徑為20 mm 的限流閥，限流閥安裝在節(jié)氣門后[1]。使得發(fā)動機的進氣效率受到影響，原機ECU 無法準確判斷發(fā)動機工況，導致參數(shù)不匹配，發(fā)動機不能正常工作。為此，有必要重新設(shè)計發(fā)動機電控系統(tǒng)，以減少進排氣系統(tǒng)的變化對動力總成的性能產(chǎn)生影響。

1 電控系統(tǒng)組成

1.1 電控系統(tǒng)架構(gòu)

賽車的動力總成使用本田Honda CBR600_rr 發(fā)動機，核心控制器為Link ECU，傳感器包括節(jié)氣門位置傳感器、進氣歧管壓力溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、氧傳感器、曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器等。執(zhí)行器包括噴油器、點火線圈、燃油泵、風扇等。ECU、傳感器、執(zhí)行器之間的通訊通過CAN 總線來實現(xiàn)。電控系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 FSC 賽車電控系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2 發(fā)動機參數(shù)

本田Honda CBR600_rr 發(fā)動機是中國大學生方程式大賽賽車的主流機型，該型號發(fā)動機的最大特點是體積小且結(jié)構(gòu)緊湊，配備一體式序列變速箱，因此能給賽車動力總成其他部件提供更多的安裝空間。本文的電控系統(tǒng)設(shè)計以該型號發(fā)動機為載體，在新的進排氣系統(tǒng)下，更換原機ECU 和傳感器，以期在經(jīng)濟性和動力性兩方面達到發(fā)動機的最佳效果。表1 為該型號發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 試驗用發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 電控系統(tǒng)ECU

Link G4+Fury 是Link 公司開發(fā)的一款全替代式獨立ECU 產(chǎn)品，最多支持8 缸發(fā)動機的電控系統(tǒng)，在摩托車、賽車等各種中小型發(fā)動機電控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[2]。Link ECU 通過輔助端口可以控制配套的繼電器、電磁閥、噴油嘴、風扇等設(shè)備，并且擁有相對獨立的數(shù)字信號輸入端口和模擬信號輸入端口。在標定策略方面，Link ECU 內(nèi)嵌ECT（發(fā)動機冷卻液溫度）修正、IAT（進氣溫度）修正、冷機啟動加濃等修正方式。標定工程師可以使用PC 機的USB 接口，通過配套的PC-link 軟件鏈接ECU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和記錄，并通過軟件設(shè)置的表格進行展示、分析和調(diào)整。

2 傳感器、主要執(zhí)行器及其標定

2.1 曲軸位置和凸輪軸位置傳感器

用氣缸壓力傳感器首先對一缸上止點位置進行標定，并根據(jù)點火順序確定其他氣缸的上止點。曲軸信號、凸輪軸信號和氣缸壓力信號等3 路信號的測量結(jié)果如圖2 所示。圖中，黃色線（最上面的線）為停機狀態(tài)下的氣缸壓力信號，綠色線（中間的線）為曲軸位置傳感器信號，粉色線（最下面的線）為凸輪軸位置傳感器信號。

圖2 曲軸信號、凸輪軸信號和氣缸壓力信號

曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器均為磁電式傳感器。每循環(huán)的曲軸齒數(shù)為24 齒，凸輪軸齒數(shù)為2+1 齒。標定結(jié)果顯示，凸輪軸信號達到連續(xù)雙峰（連續(xù)2 個最高點）后再經(jīng)過3 個曲軸齒便達到一缸壓縮上止點。

2.2 車速傳感器

車速傳感器安裝在變速箱輸出軸處，類型為霍爾傳感器，輸出軸每轉(zhuǎn)一圈，發(fā)出29 個方波信號，方波信號為圖3 中的黃色線。

圖3 車速傳感器信號

2.3 進氣壓力、溫度傳感器

進氣壓力、溫度傳感器采用BOSCH 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，基本特征參數(shù)如表2 所示。

表2 進氣壓力、溫度傳感器量程參數(shù)

經(jīng)過傳感器標定，傳感器壓力參數(shù)表示為線性：

式中：U 表示傳感器輸出電壓，mV；p 為傳感器位置的壓力，MPa；k=40 470 mV/MPa；b=4.76 mV。

溫度參數(shù)標定為非線性，表現(xiàn)為熱敏電阻阻值隨溫度下降而曲線下降，如圖4 所示。

圖4 傳感器溫度特性

2.4 冷卻液溫度傳感器

冷卻液溫度常被看做為發(fā)動機循環(huán)的溫度，因而根據(jù)冷卻液溫度傳感器測得的發(fā)動機溫度，ECU可進行工況判斷等工作，進而對發(fā)動機施加不同的控制。冷卻液溫度傳感器采用BOSCH 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，安裝在節(jié)溫器位置，測量量程為-40～160 ℃，常用阻值（20 ℃下）為2.5 kΩ。經(jīng)過標定，冷卻液溫度傳感器參數(shù)特征如圖5 所示。

2.5 節(jié)氣門位置傳感器

圖5 冷卻液溫度傳感器標定曲線

試驗采用東聯(lián)公司生產(chǎn)的節(jié)氣門體，自帶節(jié)氣門位置傳感器和怠速步進電機。ECU 對其5 V 供電后的標定數(shù)據(jù)如表3 及圖6 所示。

表3 節(jié)氣門位置傳感器標定數(shù)據(jù)

圖6 節(jié)氣門位置傳感器標定曲線

2.6 氧傳感器

Link ECU 使用的氧傳感器為Bosch LSU 4.9 寬域傳感器，該傳感器測量工況范圍廣，在過量空氣系數(shù)為0.7～1.3 的范圍內(nèi)都很準確，尤其是在空燃比比較大（混合氣較?。┑那闆r下有很好的測量精度。另一個優(yōu)點是響應(yīng)速度快，對空燃比的變化敏感，動態(tài)響應(yīng)快。

2.7 執(zhí)行器

2.7.1 空擋開關(guān)

空擋開關(guān)位于變速箱輸出軸處，當發(fā)動機處于空擋時，空擋開關(guān)閉合接地；當發(fā)動機處于其他擋位時，空擋開關(guān)斷開。通過接發(fā)光二極管顯示空擋信息。

2.7.2 噴油器

噴油器從全閉到全開需要一定的時間，因此，需要對噴油器的流量特性進行標定，即確定噴出一定量燃油，噴油器實際需要開啟的時間（包括無效時間）。通過程序更改噴油器的開啟時間，用精密量筒測量噴油器噴射2 000 次的燃油體積，進而確定單次噴油量與開啟時間之間的對應(yīng)關(guān)系。噴油器的噴油流量特性如表4 所示。根據(jù)表4，將基本噴油脈寬設(shè)定為10 ms。

表4 噴油器噴油流量特性

在Link ECU 的程序設(shè)計中，有噴油嘴死區(qū)時間的修正。噴油嘴死區(qū)是指由于流體力學原因，在某個時間內(nèi)，燃油只發(fā)生局部流動，而不進行有效噴油。噴油嘴死區(qū)時間與電池電壓有關(guān)，具體表現(xiàn)為噴油嘴死區(qū)時間隨著電池電壓的降低而變長。因此，根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)定噴油嘴死區(qū)時間表，修正噴油嘴無效噴油。噴油嘴死區(qū)時間修正圖如圖7 所示。

圖7 噴油嘴死區(qū)時間修正圖

2.7.3 點火線圈

為了使火花塞能夠提供盡可能大的點火能量，應(yīng)使點火閉合角足夠大。測量的怠速點火信號如圖8所示。

圖8 怠速時點火參數(shù)測量信號

圖8 中，綠色線（最上面的線）為曲軸信號，粉色線（中間的線）為凸輪軸信號，藍色線（最下面的線）為點火線圈電流信號。試驗分別測量了怠速工況和7 800 r/min 轉(zhuǎn)速時的點火參數(shù)，2 組參數(shù)對比如表5所示。對比顯示，隨著轉(zhuǎn)速的提高，點火提前角和點火閉合角都增大。

表5 不同工況的點火參數(shù)對比

3 標定策略

盡管不同發(fā)動機電控系統(tǒng)的控制邏輯不盡相同，但控制的基本目的是一定的，即根據(jù)發(fā)動機的實時參數(shù)，判斷發(fā)動機所處的工作狀態(tài)，選擇最佳的點火提前角和噴油脈寬，并采用合適的修正措施[3]。

3.1 工況選取原則

發(fā)動機工況一般是根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷來劃分的，而負荷則由節(jié)氣門開度或進氣壓力來衡量。因此形成了不同的工況選取方法。在本文標定的Link ECU 中，基本噴油脈譜的工況劃分采用MAP（manifold absolute pressure sensor，進氣壓力傳感器）方法，即按照進氣壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速來劃分工況；基本點火提前角脈譜的工況劃分采用TPS（throttle position sensor，節(jié)氣門位置傳感器）方法，即按照節(jié)氣門開度（0～100%）和發(fā)動機轉(zhuǎn)速來劃分工況[4]。

工況的選擇應(yīng)該遵循以下2 個準則：

1）在發(fā)動機控制量變化趨勢大的區(qū)間密集取點，變化趨勢小的區(qū)間稀疏取點。

2）在使用頻率高的區(qū)間密集取點。

ECU 對發(fā)動機的控制是根據(jù)標定時工況的數(shù)據(jù)采用插值法計算進行的，因此，工況設(shè)置越密集，意味著ECU 的控制越精確。然而，工況設(shè)置密集，會延長計算時間。因此，工況密度適當，對ECU 控制的精確性和效率的提高有很大幫助。根據(jù)賽車練習數(shù)據(jù)和比賽數(shù)據(jù)，F(xiàn)SC 賽車發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速在5 000～11 000 r/min 之間，節(jié)氣門常用開度在35%～70%左右，因此，在這些區(qū)間適當精細標定。

3.2 目標空燃比的區(qū)域劃分與預(yù)設(shè)

空燃比α 是指混合氣在氣缸內(nèi)燃燒時空氣與燃料的質(zhì)量之比，是發(fā)動機動力控制的核心。方程式比賽賽況激烈，賽車的動力性需求隨不同賽況而改變，因此在預(yù)設(shè)目標空燃比時，要劃分不同區(qū)域，差別設(shè)定。

試驗證明，混合氣的空燃比略小于14.7（理論空燃比），范圍大約在12～13 時，火焰平均傳播速度最高，缸內(nèi)壓力最大，發(fā)動機輸出最大功率。此時的空燃比稱為功率空燃比[5]。當空燃比達到16 時，混合氣略稀，此時，空氣過量，而燃油完全燃燒，發(fā)動機燃油消耗率最低，此時的空燃比稱為經(jīng)濟空燃比。而轉(zhuǎn)矩峰值往往在空燃比約為12.5 時出現(xiàn)，相應(yīng)的過量空氣系數(shù)為0.85[6]。

Link ECU 配套使用的標定軟件PC-link 中，目標空燃比的設(shè)定是以換算為過量空氣系數(shù)Φat 來實現(xiàn)的。以節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速為劃分依據(jù)，目標空燃比脈譜圖劃分成5 個區(qū)域：怠速區(qū)、過渡區(qū)、中等負荷區(qū)、大負荷區(qū)以及非常用轉(zhuǎn)速區(qū)。在怠速區(qū)，設(shè)定較小的過量空氣系數(shù)來提供較濃的混合氣，有利于提高怠速穩(wěn)定性和抗干擾性。在過渡區(qū)到中等負荷區(qū)，設(shè)置目標過量空氣系數(shù)稍大，混合氣較稀，提高燃油經(jīng)濟性；而在大負荷區(qū)域，設(shè)定目標過量空氣系數(shù)較小，混合氣較濃，保證賽車發(fā)動機動力性良好。

根據(jù)賽事和訓練中采集的車輛數(shù)據(jù)，發(fā)動機大部分時間處于中低速工況即過渡工況，節(jié)氣門開度主要為30%～65%，常用轉(zhuǎn)速在6 500～10 000 r/min范圍內(nèi)。在直線加速比賽項目，發(fā)動機節(jié)氣門全開，轉(zhuǎn)速在7 000～12 500 r/min 之間。因此，在設(shè)定目標過量空氣系數(shù)脈譜圖時，對這些區(qū)域進行了進一步修正。在這些工況區(qū)間，稍微加濃了混合氣，以適應(yīng)賽車動力性的需求。圖9 展示了標定軟件PC-link 的目標過量空氣系數(shù)的設(shè)定界面以及具體值的設(shè)定，其中標紅部分的目標過量空氣系數(shù)均進行了加濃修正。

圖9 PC-link 目標過量空氣系數(shù)設(shè)置界面

4 匹配標定試驗

匹配標定試驗實質(zhì)上是不斷權(quán)衡發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性能3 者之間矛盾的過程，且根據(jù)發(fā)動機的實際情況有所偏重[7]。目前，在排放法規(guī)更新、排放標準更加細化和嚴格的情況下，各大汽車廠商在對舊機型的重新標定或?qū)π聶C型的標定中，都十分注重排放性能的要求。對于方程式賽車來說，動力性更需要被強調(diào)，需要有滿意的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速輸出。另外，中國大學生方程式大賽中有燃油經(jīng)濟性項目。因此，經(jīng)濟性是本文標定過程中需要關(guān)注的一項指標。

4.1 噴油脈寬標定

4.1.1 電控噴射方式的選擇

軟件PC-Link 的設(shè)置中，在對電控噴射的模型選擇中，提供了2 種方式：

1）節(jié)氣門速度方式（Load=BAP）。利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器和節(jié)氣門位置傳感器判斷發(fā)動機的負荷情況，為間接噴射控制方法。

2）質(zhì)量流量方式（Load=MAP）。通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣管壓力、發(fā)動機冷卻液溫度等參數(shù)直接計算出每次循環(huán)的進氣量。

考慮到傳感器的安裝以及工況劃分的情況，采用質(zhì)量流量的方式更合適，即以進氣壓力傳感器信號作為發(fā)動機負荷的判斷依據(jù)。

4.1.2 噴油脈譜的標定及結(jié)果

標定過程中，首先進行的是低轉(zhuǎn)速和小節(jié)氣門開度工況下的噴油脈寬標定。在這些工況穩(wěn)定后，再逐漸向其他工況擴展。因此，需要預(yù)設(shè)置啟動工況和怠速工況的噴油脈寬，保證發(fā)動機正常點火。這些預(yù)設(shè)置需要根據(jù)經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)來設(shè)定，如圖10 和圖11 所示。

圖10 啟動工況噴油脈譜圖

圖11 怠速工況噴油脈譜圖

在之前的設(shè)定中，已經(jīng)根據(jù)不同工況的特征劃分了區(qū)域并設(shè)定了目標空燃比，標定噴油脈譜以目標空燃比為參照進行。首先關(guān)閉除噴油嘴死區(qū)時間修正以外的全部噴油修正控制，然后在每個工況，保持節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速不變，手動調(diào)整每個工況的噴油脈寬數(shù)值，以寬域氧傳感器反饋的空燃比數(shù)值達到目標空燃比為調(diào)整目標，直至PC-link 軟件界面的空燃比數(shù)值與目標值貼合，此噴油脈寬即為該工況的基本噴油脈寬。如此反復(fù)，即可完成整個噴油脈寬脈譜圖的標定。

對于部分在電渦流測功機上不能達到的工況，如大負荷低轉(zhuǎn)速、小負荷高轉(zhuǎn)速，Link ECU 提供了遞推功能解決這一問題。根據(jù)進氣充量系數(shù)隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高而下降的性質(zhì)，科學地進行遞推，得到噴油脈寬數(shù)值。經(jīng)標定試驗，得到的基本噴油脈譜圖如圖12 所示。

圖12 基本噴油脈譜圖

4.2 點火提前角標定

發(fā)動機點火系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)點火提前角參數(shù)來確定點火時刻。點火提前角的標定是通過脈譜圖來實現(xiàn)的。

標定點火提前角存在2 個極限，在這2 個極限之間的點火提前角都可以使發(fā)動機正常工作。第一個極限為排氣溫度極限。當點火提前角過小時，發(fā)動機點火過遲，缸內(nèi)的燃燒延長到做功行程，造成最高壓力和最高溫度下降，傳熱損失增大，熱效率和功率下降，排氣溫度升高，但此時發(fā)動機爆震傾向減小，排放性能更優(yōu)。另一個極限為爆震極限。當點火提前角過大時，混合氣大部分在壓縮行程燃燒完全，活塞消耗的壓縮功增加，最高壓力上升，末端混合氣燃燒前的溫度比較高，最終造成爆震現(xiàn)象[8-9]。

發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能都受到點火提前角的影響。對于每個工況，在兩個極限之間都存在一個最佳點火提前角，此時，發(fā)動機的動力性（輸出功率最高）、經(jīng)濟性（燃油消耗率最低）都處于最佳。根據(jù)標定經(jīng)驗，在最佳點火提前角下，氣缸最高壓力大多出現(xiàn)在上止點后10～15°CA，這種特點可以用來驗證點火提前角標定的準確性。

4.2.1 怠速點火提前角標定

發(fā)動機進氣系統(tǒng)加裝了喉管，同時更換了節(jié)氣門，導致怠速轉(zhuǎn)速很難維持到原機的1 400r/min，除了通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度和怠速空氣控制閥來改變進氣充量系數(shù)穩(wěn)定怠速外，改變點火提前角也可以對怠速穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。臺架標定后，發(fā)動機怠速穩(wěn)定在1 900r/min 左右，確保賽車較快地起步響應(yīng)的同時，維持了燃油消耗率不變。標定之后得到的點火提前角脈譜圖如圖13 所示。

圖13 怠速工況點火提前角脈譜圖

4.2.2 基本點火提前角標定

對于FSC 賽車來說，動力性是第一位的需求。因此，在盡量兼顧經(jīng)濟性的同時，標定采取最大轉(zhuǎn)矩原則。關(guān)閉ECU 所有對點火時刻的修正，在每一個工況把點火提前角盡可能調(diào)到最大，然后每隔3°CA 的間隔，將點火提前角調(diào)小，直至輸出轉(zhuǎn)矩達到最大，此時的點火提前角即為發(fā)動機在該工況下的基本點火提前角。由于原機的爆震傳感器不適用于Link ECU，因此，需要進行必要的防爆震修正。根據(jù)專業(yè)標定工程師的標定經(jīng)驗，在用最大轉(zhuǎn)矩法測得基本點火提前角之后，在大負荷工況將點火提前角減小1～2°CA[9]。將此方法覆蓋每一個工況，即可得到該發(fā)動機系統(tǒng)完整的點火提前角脈譜圖，如圖14 所示。

圖14 基本點火提前角脈譜圖

4.3 外特性轉(zhuǎn)矩、功率曲線對比

衡量汽油機的使用特性有速度特性、負荷特性、萬有特性、排放特性、推進特性等[10]。對于FSC 賽事，最關(guān)心的是速度特性。內(nèi)燃機的速度特性是指在供油量調(diào)節(jié)機構(gòu)（汽油機為節(jié)氣門）保持不變的情況下，性能指標（主要指轉(zhuǎn)矩、功率等）隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。汽油機節(jié)氣門全開時得到的速度特性稱為汽油機的外特性?？紤]到賽車在賽道加速時通常運行在外特性下，因此，臺架試驗中，通過同時調(diào)節(jié)噴油量和點火提前角來優(yōu)化外特性曲線，使發(fā)動機最大限度地發(fā)揮出其轉(zhuǎn)矩和功率潛力。標定后，發(fā)動機的最大功率可達62 kW，最大轉(zhuǎn)矩為56.3 N·m。2 者標定前后的對比分析分別如圖15、圖16 所示。圖中，橙色線為標定后數(shù)據(jù)，藍色線為標定前數(shù)據(jù)。

圖15 功率對比

圖16 轉(zhuǎn)矩對比

從圖15、圖16 的對比可知，標定后，發(fā)動機的輸出功率和轉(zhuǎn)矩都有所提高。標定后，峰值功率提高了50%，峰值轉(zhuǎn)矩提高了42%，初步達到了標定的效果。

5 結(jié)論

1）標定后的點火提前角脈譜大體趨勢為：點火提前角脈寬隨著轉(zhuǎn)速增加先增大后減小，隨著負荷增大而持續(xù)減小。原因是：高轉(zhuǎn)速時，由于進氣處于紊流狀態(tài)，充量系數(shù)基本相同，使缸內(nèi)燃燒情況相似；隨著轉(zhuǎn)速升高，缸內(nèi)工質(zhì)擾動，使燃燒速度加快，因而點火提前角隨轉(zhuǎn)速升高而增大的速度減緩乃至變?yōu)闇p小趨勢。隨著負荷的增大，為減少爆震，應(yīng)該持續(xù)減小點火提前角。

2）試驗中，對不同工況進行了區(qū)域劃分，并預(yù)設(shè)了合理的目標空燃比，縮短了發(fā)動機標定時間，保證了賽車動力性。