大學(xué)生方程式汽車大賽發(fā)動機標(biāo)定試驗

黃 瑞，陳俊玄，李立煒,吳啟超，程建剛，俞小莉

（浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州 310027）

0 引言

全國大學(xué)生方程式汽車大賽（FSAE，F(xiàn)ormula SAE）是學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的重要平臺，它需要學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成一輛賽車的設(shè)計、制作、參賽。為了限制發(fā)動機功率，比賽中必須在進(jìn)氣系統(tǒng)安裝內(nèi)徑20 mm的環(huán)形限流閥，所有發(fā)動機氣流必須流過限流閥，使原裝的發(fā)動機ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）及進(jìn)氣系統(tǒng)無法正常工作及發(fā)揮更好性能，因此需要對進(jìn)氣系統(tǒng)重新設(shè)計并標(biāo)定。本研究使用MOTEC M800替代原來的黃龍600原裝ECU，并進(jìn)行獨立校準(zhǔn)。ECU通過將之前存儲的數(shù)據(jù)與各個車載傳感器讀出的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，按照預(yù)先設(shè)計的控制策略對其他設(shè)備發(fā)出指令，以保證在不同工況下發(fā)動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，對賽車發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性都有著重大的影響[1]。

在電控系統(tǒng)軟硬件都已經(jīng)確定的情況下，發(fā)動機能否發(fā)揮最佳性能，主要取決于電控系統(tǒng)和發(fā)動機本體之間是否匹配得當(dāng)[2]。目前國外的電控標(biāo)定技術(shù)主要集中在先進(jìn)的標(biāo)定系統(tǒng)開發(fā)、標(biāo)定試驗設(shè)計以及基于模型的標(biāo)定技術(shù)上。國內(nèi)相關(guān)研究相對較落后，雖然一些高校開發(fā)了專屬的標(biāo)定系統(tǒng)，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(fā)動機標(biāo)定使用傳統(tǒng)的標(biāo)定方法，即在臺架標(biāo)定時按照目標(biāo)過量空氣系數(shù)以及排放法規(guī)要求進(jìn)行標(biāo)定，之后在整車標(biāo)定時，對于“高溫、高寒、高氣壓”進(jìn)行修正參數(shù)的標(biāo)定[3]。

大學(xué)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(fā)動機的標(biāo)定。湖南大學(xué)使用MOTEC軟件中的TCS（Traction Control System牽引力控制系統(tǒng)），通過采集4輪輪速數(shù)據(jù)為控制算法提供基準(zhǔn)值，通過標(biāo)定提高賽車牽引力控制系統(tǒng)精準(zhǔn)性。同濟(jì)大學(xué)考慮到發(fā)動機各缸工作的一致性，對各缸噴油量進(jìn)行單獨調(diào)節(jié)，提高發(fā)動機性能，同時用升檔斷火控制系統(tǒng)大幅提高了氣動換擋的成功率。吉林大學(xué)作為賽事中對渦輪增壓發(fā)動機調(diào)校最為成熟的車隊，是唯一一支通過自主標(biāo)定 使發(fā)動機功率突破75 kW的車隊。

基于全國大學(xué)生方程式汽車大賽進(jìn)氣限流規(guī)則，對BN600GS發(fā)動機噴油量和點火提前角進(jìn)行自主標(biāo)定。包括發(fā)動機臺架的搭建及各傳感器執(zhí)行器的選用。通過電控標(biāo)定提高賽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。還用MOTEC實現(xiàn)了對于直線加速工況下的外特性曲線重點標(biāo)定。

1 發(fā)動機試驗臺架搭建

1.1 ECU的選擇

根據(jù)賽事規(guī)則，選擇錢江摩托的BN600GS發(fā)動機，4缸4沖程水冷發(fā)動機，最高轉(zhuǎn)速13 000 r/min，排量600 mL。進(jìn)氣系統(tǒng)不滿足20 mm進(jìn)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(shè)計進(jìn)排氣系統(tǒng)，使用MOTEC M800作為ECU。MOTEC M800作為最終使用的ECU，最大的優(yōu)點在于它是一個開源軟件，空燃比閉環(huán)控制可以使發(fā)動機的調(diào)校更加精確。發(fā)動機臺架線束的搭建較為復(fù)雜，要連接所有的傳感器、執(zhí)行器和ECU，2017賽季的臺架試驗線束結(jié)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(huán)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(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的差值，據(jù)此進(jìn)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(fā)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(jìn)氣壓力溫度一體傳感器，主要是測量進(jìn)氣系統(tǒng)中的壓力和溫度。節(jié)氣門位置傳感器通過蝶閥移動時的電阻變化得到數(shù)據(jù)。對于自然吸氣發(fā)動機，通常使用節(jié)氣門開度或進(jìn)氣壓力來近似等同于發(fā)動機的充量系數(shù)，但此時還需要進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度等數(shù)據(jù)作為修正值，才能得到更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)[4]。對于自然吸氣發(fā)動機，通常使用“開度-速度”法進(jìn)行標(biāo)定[5]。試驗用到了進(jìn)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(hù)作用，一旦發(fā)現(xiàn)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(biāo)定。氧傳感器通過檢測發(fā)動機排氣的氧的含量，計算發(fā)動機缸內(nèi)混合器的燃燒比例（即過量空氣系數(shù)）[6]。空燃比決定了第一遍遍歷map圖（等高線圖、云圖）的數(shù)據(jù)。氧傳感器使用了Bosch lsu 4.9寬域氧傳感器。

1.3 測功機

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

圖1 測功機軟件操作界面

2 發(fā)動機標(biāo)定試驗

2.1 制定控制策略

在整個發(fā)動機臺架的標(biāo)定過程中，制定控制策略是非常關(guān)鍵的一步，在保證動力強勁的情況下兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性仍然是主要目標(biāo)。所以在制定目標(biāo)λ（過量空氣系數(shù)）時，有意識地在低負(fù)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(jīng)濟(jì)性。

為了保證良好的動力性，對于90%～100%負(fù)荷下的工況點將目標(biāo)λ設(shè)置為0.88，即保證在節(jié)氣門全開的情況下可以達(dá)到功率最大。在小開度低轉(zhuǎn)速情況下雖然目標(biāo)λ很低，但卻發(fā)現(xiàn)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(wěn)定，依照目標(biāo)λ值標(biāo)出的啟動數(shù)據(jù)僅僅依靠啟動補償?shù)膰娪秃茈y順利啟動，所以在0～5%負(fù)荷區(qū)間，0～1000 r/min區(qū)間的噴油增加20%左右，以達(dá)到順利啟動的目的[7]。但相對應(yīng)的怠速λ值非常低，接近0.7。這是因為相比于乘用車的進(jìn)氣系統(tǒng)，賽車缺少怠速旁通閥，會導(dǎo)致怠速工況下進(jìn)氣量不足，混合氣偏濃，只要負(fù)荷提升轉(zhuǎn)速升高后，λ值就可以迅速恢復(fù)正常。

2.2 燃油噴射系統(tǒng)標(biāo)定

BN600GS發(fā)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(shè)置為經(jīng)驗值7，單位為μs，如圖2所示，而后調(diào)節(jié)的map中的數(shù)值是噴油脈寬所占基礎(chǔ)時間的百分比。

完成噴油map的基礎(chǔ)標(biāo)定試驗后，需要考慮燃油噴射系統(tǒng)的補償問題，MOTEC M800可實現(xiàn)低溫下的補償，啟動中的補償，由于進(jìn)氣溫度升高空氣密度變低導(dǎo)致進(jìn)氣量減小的補償，且當(dāng)進(jìn)氣溫度較低時，汽油會附著在進(jìn)氣歧管管壁上，導(dǎo)致蒸發(fā)不良[8]。由于曾多次遇到冷啟動困難，本次標(biāo)定時對水溫補償?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)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(shè)置

圖3 噴油系統(tǒng)水溫補償

2.3 點火系統(tǒng)標(biāo)定

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

點火提前角標(biāo)定過程中，臺架上安裝KS-4爆震檢測儀，可以精確地觀察發(fā)動機的爆震頻率。當(dāng)發(fā)動機處于輕微爆震的情況時可達(dá)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(shè)定

2.4 直線加速工況的標(biāo)定

直線加速比賽要求發(fā)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(zhuǎn)速設(shè)置為13 000 r/min，因為時間很短，發(fā)動機可以在短時間內(nèi)承受高轉(zhuǎn)速，盡可能地推到極限。認(rèn)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(fā)動機節(jié)氣門一直處于滿負(fù)荷的情況，由此可知基于直線加速工況的標(biāo)定，實質(zhì)上就是追求更好的外特性曲線[11]。

3 試驗結(jié)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(biāo)定前與重新標(biāo)定后的變化。標(biāo)定前的λ過低，混合氣偏濃，這也是導(dǎo)致油耗過高的主要原因，所以本次標(biāo)定中對噴油主map做了Overrall Trims的修改，對主表進(jìn)行20%噴油量的削減，同時加大主表高轉(zhuǎn)高負(fù)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(shù)據(jù)，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(biāo)定后的數(shù)據(jù)功率提升了5.8%。

3.2 點火map對性能的影響

圖5 噴油標(biāo)定前map

圖6 噴油標(biāo)定后map

圖7 點火標(biāo)定前map

圖8 點火標(biāo)定后map

圖7、圖8為點火map重新標(biāo)定前與重新標(biāo)定后的變化。對于點火提前角的標(biāo)定，取其中一組油門開度25%，轉(zhuǎn)速為4000 r/min的數(shù)據(jù)整理成折線圖，如圖9所示。發(fā)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(zhuǎn)速4000 r/min工況下，功率最大為14.2 kW，對應(yīng)的點火提前角為28°；燃油消耗率最低為12.75 g/kW·h，對應(yīng)的點火提前角為28°，因此可認(rèn)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(biāo)定后的map。

3.3 直線加速工況下的外特性曲線標(biāo)定結(jié)果

如圖10所示，對發(fā)動機的外特性曲線2擋扭矩進(jìn)行了噴油標(biāo)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(biāo)定，有效提高了發(fā)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(tài)響應(yīng)要求極高，為此，對發(fā)動機的動態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行了細(xì)致的標(biāo)定，如圖12，通過對Fuel Accel Clamp，F(xiàn)uel Accel Clamp Comp，F(xiàn)uel Accel Decay，F(xiàn)uel Accel Sensitivity等補償表進(jìn)行標(biāo)定，可以將發(fā)動機的加速動態(tài)響應(yīng)調(diào)到車手最喜愛的駕駛狀態(tài)。具體方法如下：

（1）Fuel Accel Clamp：調(diào)整加速工況下補償噴油量。

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

（3）Fuel Accel Decay：加速補償過程中，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速以后，實際噴油量的減少數(shù)值。其值越大，噴油量越少。

（4）Fuel Accel Sensitivity：調(diào)整加速工況下，噴油補償?shù)撵`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(biāo)定方法與此類似。

具體調(diào)整過程：通過不斷地試車，采集數(shù)據(jù)，分析得到最終動態(tài)響應(yīng)最合適的map（圖13、圖14）。

4 總結(jié)

基于中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則要求，對BN600GS發(fā)動機進(jìn)行較為細(xì)致的標(biāo)定，從發(fā)動機臺架的搭建，各傳感器的選型都進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，通過對發(fā)動機噴油，點火進(jìn)行標(biāo)定實驗，根據(jù)賽事需要，在保證發(fā)動機動力性的前提下，盡可能照顧到燃油經(jīng)濟(jì)性。

針對直線加速工況，對發(fā)動機外特性進(jìn)行單獨調(diào)教，對發(fā)動機動態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行標(biāo)定，為后續(xù)做發(fā)動機標(biāo)定等相關(guān)實驗提供一定的參考。為發(fā)動機性能測試試驗和標(biāo)定試驗做好準(zhǔn)備。

圖9 點火提前角調(diào)整特性曲線

圖11 外特性曲線2擋扭矩對比

圖12 動態(tài)響應(yīng)標(biāo)定

圖13 加速補償map

圖14 減速補償map

本研究主要實現(xiàn)3個目標(biāo)：①噴油系統(tǒng)的標(biāo)定使賽車油門相應(yīng)靈敏度更好。②點火系統(tǒng)的標(biāo)定使發(fā)動機處于輕微爆震情況，達(dá)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(biāo)為賽車直線加速工況，得到適宜于直線加速的發(fā)動機標(biāo)定參數(shù)。