基于link G4+Storm的CBR600RR发动机标定试验研究*

陈宁特 高辉松

（南京农业大学工学院江苏南京210031）

基于link G4+Storm的CBR600RR发动机标定试验研究*

陈宁特 高辉松

（南京农业大学工学院江苏南京210031）

在改制原车发动机进排气系统的情况下，使用Link G4+storm ECU对CBR600RR发动机进行标定试验，目的是解决在中国大学生方程式大赛中限流阀规则的限制下，发动机充气效率下降后和原机ECU标定参数不匹配导致发动机动力降低的问题。在发动机台架试验中，以得到最大动力为目标，完成了发动机喷油MAP图标定和点火提前角MAP图标定，对喷油脉宽及点火提前角补偿MAP图进行标定，并对MAP图进行整体匹配优化。通过试验得到改制进排气系统后的发动机特性曲线。在整车实际路试工况下，对环境变量参数表进行修正，对MAP图的部分单元进行修正，以提高整车的加速性能，并给出环境变量修正曲线。

FSCCBR600RRLink G4+发动机台架试验MAP图优化环境修正参数

引言

中国大学生方程式大赛规则在内燃机车中明确规定采用自然吸气、使用汽油燃料的赛车必须在节气门之后安装一个内部截面最大直径不大于20 mm的圆环状限流阀[1]。这使得发动机在部分负荷、中低转速条件下，进气歧管内压力降低，进气充量系数减小。虽然提升了赛事的安全性，但却极大地限制了发动机的输出功率。本文使用LINK G4+ECU代替CBR600RR发动机的原ECU，考虑电控参数对发动机动力的影响，以最大动力为原则进行发动机台架标定试验研究。

1 试验软件与硬件组成

1.1 标定试验所用ECU—LINK G4+

Link G4+是由新西兰LINK公司设计开发的全替代式独立ECU第四代产品，适用于摩托车、摩托艇、赛车等发动机电控系统的改装。Link ECU通过辅助输出端口控制喷油嘴、电磁阀、风扇、继电器等，并且拥有能分别接收数字信号和模拟信号的数字输入端口和模拟量输入端口，另外link拥有如ECT（发动机冷却液温度）修正、IAT（进气温度）修正、冷机加浓等修正方式。此外，笔记本电脑可以通过PC-link软件连接ECU，采集ECU记录的发动机运行数据，通过软件中设置特定的表格进行数据分析来调整发动机参数。例如将X-Y图表设置成进气歧管压力-转速图，这样采集的数据能一定程度地反映改制的进气系统的进气特性。其主要部件参数如表1所示。

表1 LINK G4+ECU主要部件参数

1.2 试验发动机

试验发动机为本田CBR600RR直列四缸汽油发动机，该发动机采用双顶置凸轮轴机构，一体式序列式变速箱，多点燃油顺序喷射和脉冲二次空气喷射等技术。其主要技术参数如表2所示。

表2 试验发动机主要技术参数

2 发动机台架的搭建

CBR600RR发动机为中量级运动型摩托车发动机，其变速箱在发动机缸体内部，变速器输出轴为外花键轴。考虑与原实验室测功机轴相配合，设计为凸缘联轴器。发动机标定试验台架如图1所示。

图1 发动机标定试验台架

3 发动机目标空燃比的区域划分和确定

空燃比α是指进入气缸进行燃烧的空气质量与燃料质量之比。相关试验证明，通过调整混合气的空燃比，最高火焰温度和最大输出功率出现在空燃比略小于理论空燃比14.7时，范围为12～13，此时的空燃比被称为功率空燃比，混合气被称为功率混合气[2]。

一般而言，扭矩峰值在空燃比约为12.5时出现[3]，此时的过量空气系数为0.85。在功率空燃比附近，输出扭矩略低于扭矩峰值。

Link ECU调校软件PC-link的目标空燃比MAP图中以过量空气系数φa作为衡量目标混合气浓度的物理量。根据发动机不同工况对空燃比的要求，对ECU中的目标空燃比表格以节气门开度和发动机转速为标准划分为怠速区域、怠速中负荷过渡区域、中等负荷区域、大负荷区域和非常用转速区域等五个区域。在怠速工况区域设定较小的目标空燃比以提供浓混合气，保证发动机怠速平稳且具有良好的抗干扰性。在怠速中负荷过渡区域、中负荷区域和大负荷区域分别设定功率空燃比为12.6～13.2，即过量空气系数为0.857～0.92，并随着负荷的增大和转速的提高逐渐递变。

根据ECU对FSC赛车襄阳赛道练习采集的数据分析得出，高速壁障和耐久赛项目发动机大部分时间处于过渡工况中。节气门主要开度在30%～65%范围内，转速区间主要在6 500～10 000 r/min。在直线加速项目中，发动机节气门全开，转速区间为7 000～12 500 r/min。在空燃比MAP图中，主要对上述两个区域进行调整。由于存在节气门座以及进气歧管内壁等处的进气阻力，充量系数随转速的上升而快速下降，因此每缸每循环吸入缸内的新鲜空气量随转速上升而减少。对此，在一定转速区间中应当适量调整目标空燃比值。根据上述分析得到初始目标空燃比MAP图如图2所示。

图2 目标空燃比MAP

4 基本喷油MAP图标定

4.1 喷油器喷油脉宽确定

电喷发动机喷油时间由基本喷油脉宽和喷油脉宽修正补偿组成。喷油嘴的基本脉宽是达到目标空燃比所需的时间，而修正补偿是补偿实际空燃比偏离目标值之后的修正量。

喷油脉宽修正系数包括冷启动冷机加浓修正、暖机加浓修正、ECT修正、加速加浓修正、减速修正等[2]。此外还包括喷油嘴死区时间的影响。综上，喷油嘴喷油脉宽为T1=TP×μ+Tdead。

式中：T1为喷油嘴喷油脉宽；μ为喷油脉宽修正系数；Tdead为喷油嘴死区时间[4]。

有资料表明，喷油嘴死区时间与电池电压有关。当电池电压较低时，喷油嘴死区时间较大，而一般情况车载锂电池的电压不超过15 V。通过在ECU中设定相应的死区时间表，可以修正喷油嘴无效喷射时间。因此设定喷油嘴死区时间修正图如图3所示。

图3 喷油嘴死区时间-驱动电压图

此外，在低于4 ms时，喷油嘴的燃油喷射为非线性流动。因此，在喷油嘴有效工作时间小于4 ms时，需要短脉冲喷油增量修正。在link ECU的帮助文件中有常用喷油嘴的修正推荐值，根据推荐值得到如图4所示的喷油脉宽修正量。

图4 低有效喷射时间下有效喷油时间-喷油脉宽修正量图

西华大学的谭正平通过自制简易喷油嘴流量计，试验不同激励时间下喷油嘴流量，确定发动机基本喷油脉宽为8 ms[5]。考虑到本试验采用CBR600RR发动机，峰值扭矩点的转速较西华大学所用的GSXR600更高,因而选择喷油嘴主喷油脉宽为10 ms。

4.2 电控汽油喷射方式

质量流量式喷射方式是基于通过空气流量计直接测量得到的进入气缸的空气质量流量为依据计算基本燃油喷射时间。有同期喷射和非同期喷射两种方式。

速度-密度法确定喷油量的方式与质量流量式大致相同。不同的是速度-密度法是通过发动机转速和进气管压力、发动机冷却液温度（或节气门开度）等参数来推算进入气缸的空气流量。理论计算基于速度-密度法确定喷油量的方法有近似法和三维脉谱法[4]。

节气门速度法是通过发动机转速传感器和节气门位置传感器来监测发动机负荷情况。通过节气门位置传感器的反馈信号间接计算进入发动机气缸的进气量，为间接喷射控制方法[6]。

对于独立的ECU link G4+而言，采用节气门速度法更为合适。因而，选择ECU的fuel main中的equation load source为BAP，即以TPS（节气门位置传感器）信号作为发动机负荷判断信息。

4.3 Link G4+中节气门位置传感器的标定方法

节气门位置传感器实际上是一个线性输出型电位计，由节气门蝶阀轴带动电阻滑块，需要5V的电源。当节气门开度发生改变，节气门位置传感器的信号输出端电压发生改变，其电压的增量代表节气门开度的变化[7]。节气门位置传感器输出的电压信号与节气门开度成正比，节气门位置可通过电压的线性比例关系算出[8]，故使用Link G4+只需标定节气门开度为0的位置和节气门开度为100%的位置。通过CAN总线连接ECU之后，在PC-link软件中选择ECU controls，在下拉菜单中选择TPS setup。根据软件提示和界面显示的传感器数据信息，将节气门开度调到100%，之后在弹出的对话框中点击“ok”，即完成节气门位置传感器在Link G4+中的标定工作。

4.4 喷油脉宽标定试验

长安大学的熊沂铖使用MotecM84对部分工况点调整不同的喷油脉宽，通过测功机对比不同喷油脉宽下发动机的输出扭矩特性，得出存在最佳喷油脉宽并且低于或者高于最佳喷油脉宽时发动机的输出扭矩都会下降的结论。此外，他通过试验得出在发动机低转速时喷油脉宽对发动机动力输出的影响比发动机高转速时更大[9]。因而在选择标定工况点时，对于低转速区域选取的工况点密度更大。

标定时应关闭除喷油嘴死区时间修正以外全部喷油修正量，通过测控台油门电机调节旋钮控制并固定节气门开度，通过测控台测功机励磁电流旋钮控制测功机励磁力矩的大小从而控制发动机转速。经上述方式，将发动机的工况点控制在目标工况点上。之后在PC-link的fuel table中改变工况点基本喷油量，通过innovate LC-2氧传感器检测并反馈过量空气系数，再比较实际过量空气系数与目标值之间的相差量来调整基本喷油量，直至与目标值贴合。完成一个目标工况点的标定之后，调整测功机负载，改变发动机转速至同一节气门开度下的另一转速点，直至转速达到该节气门开度下所能达到的最高转速点之后，改变节气门开度至下一个目标工况点，重复上述步骤。如此反复，即可完成所有目标工况点的基本喷油脉宽标定。

对于部分在电涡流测功机上无法达到的工况点，例如小负荷高转速、大负荷低转速点，结合Link ECU MAP单元递推功能以及充量系数随发动机转速上升而下降的性质，有一定依据地递推得到基本数值。小负荷高转速工况点通常是在入弯或入桩时赛车高速运行中车手松油门的情况下出现。大负荷低转速点通常是赛车在低速情况下车手猛踩油门时出现。根据Link ECU采集的赛车路试发动机日志文件，对部分工况点进行空燃比的分析和调整。

经标定试验所得的基于上述空燃比划分的基本喷油MAP图如图5所示。

图5 基本喷油MAP图

5 基本点火时刻MAP图标定

5.1 点火控制与发动机特性

电控点火系统由ECU根据曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器判断各缸的工作状态，通过驱动点火线圈使火花塞产生高压放电，从而点燃混合气。为了增大点火能量，在自制电控线束中使用Bosch点火放大器。

在Link ECU中点火时刻以点火提前角θBTDC表示。对于点火提前角的修正Δθ包括诸如ECT修正、IAT修正等温度修正。综上所述，任意工况的点火时间为：θig=θBTDC+Δθ。

不同于点火时间控制，ECU对于点火能量的控制是通过充磁时间的长短来维持基本的点火能量。充磁时间太长会影响点火线圈的使用寿命，太短会导致失火。它是与电池电压和转速相关的量，随电压上升而下降，随转速增加而下降[10]。根据专业调校工程师的经验值，适用于高转速摩托车发动机的充磁时间-电压关系图如图6所示。

图6 充磁时间-电池电压图

点火提前角过大会导致混合气爆燃倾向增大，机械负荷和噪声增大；点火提前角过小会导致排气温度上升，功率和热效率降低。相关试验证明，最佳点火提前角应使气缸内最高压力出现在上止点后10～15°[2、11]。

高转速时由于燃烧气流的紊流，不同转速下的燃烧情况相近。但是，随着转速的上升，由于缸内工质扰动加快了燃烧速度，所以点火提前角随转速的上升为非线性增大，随转速增大而增大的速度越来越慢。另外，大负荷情况下，燃烧加速，为减少爆震应该减小点火提前角[12]。

5.2 怠速点火提前角确定

除了通过调节节气门开度以及怠速空气控制阀等改变气缸充气量的方式来稳定怠速，改变点火提前角也对怠速稳定性有较大影响。怠速工况下，点火提前角在较小范围内增大可以使转速上升。反之，转速下降[13]。

CBR600维修手册中，原车怠速转速为1400r/min，怠速点火提前角为-7°[14]，在台架试验中，不断调整点火提前角，使怠速稳定在1 800 r/min左右，既维持了怠速的燃油消耗率也保证了赛车能有较快的起步响应能力。由于怠速过程中，燃烧速度慢，燃烧过程占曲轴回转角过大，会引起发动机冷却液温度上升。因此，当ECT较低时应该使点火提前角增大；当ECT过高时，应使点火提前角减小。经台架试验所得怠速点火提前角MAP图如图7所示。

图7 怠速点火提前角MAP图

5.3 基本点火角标定试验

对于某一个特定的工况点，存在一个最佳点火提前角，使发动机输出功率最大和燃油经济性最佳。但是针对FSC赛事对动力的较大需求，在标定时采取最大扭矩原则。标定时，关闭所有点火提前角修正量。对于标定工况点的控制与上述标定喷油MAP图相同。对于某一个标定工况点，设定一个能维持发动机基本运行的较小点火提前角，之后再以1～2°逐渐增加，当测功机测得的扭矩出现最大值时，这时的点火提前角即为该工况下的基本点火提前角。由于CBR600RR的爆震传感器不适用于Link G4+。在大负荷工况点，仍先按照最大扭矩原则确定基本点火提前角，当逐渐增大数值时测功机测得扭矩值不再上升，按照专业汽车标定工程师的经验，将此时点火角减小1～2°以防止发动机爆震。按如此方法标定其他工况点，如此反复即可完成所有目标工况点点火提前角标定。经标定试验所得基本点火提前角MAP图如图8所示。

图8 基本点火角MAP图

6 ECU标定后发动机特性

衡量汽油机的使用特性有速度特性、负荷特性、万有特性、排放特性、推进特性等。汽油机负荷特性是指转速不变时，其燃油消耗率be随功率pe的变化关系。对于FSC赛事，更关心的是汽油机的速度特性。汽油机速度特性是指节气门开度不变的情况下，其输出功率pe、输出扭矩Ttq等性能指标随转速的变化关系[11]。

由台架试验测控台记录的数据，在MATLAB中对试验数据进行拟合，得到经过进气限流情况下的CBR600RR发动机部分速度特性曲线如图9～16所示，外特性曲线如图17所示。

图9 节气门开度15%部分负荷速度特性

图10 节气门开度20%部分负荷速度特性

图11 节气门开度30%部分负荷速度特性

图12 节气门开度40%部分负荷速度特性

图13 节气门开度50%部分负荷速度特性

图14 节气门开度60%部分负荷速度特性

图15 节气门开度70%部分负荷速度特性

图16 节气门开度80%部分负荷速度特性

图17 外特性曲线

7 结论

1）通过使用Link G4+ECU，针对FSC赛事项目和赛道特点对大赛规则要求的限流情况下的CBR600RR发动机进行台架标定试验，在常用的转速和负荷区间出现了预期希望的低转速高扭拒的发动机输出特性，而且高扭矩值覆盖的转速区间较广，符合FSC赛车对加速性能的需求。

2）通过试验对发动机不同工况区域的目标空燃比进行合理选择，缩短了发动机标定所需的时间，同时保证了常用转速区间的动力性。

1李理光.中国大学生方程式汽车大赛规则（2016正式版）[EB/OL].http：//www.sae-china.org，2016-06-29

2吕彩琴.汽车发动机电控技术[M].北京：国防工业出版社，2008

3夏渊，刘建华，张欣，等.发动机空燃比控制策略的研究[J].汽车工程，2002，24(1)：32-36

4林学东，王霆.车用发动机电子控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008

Calibration Text Research of CBR600 Engine based on Link G4+

Chen Ningte,Gao Huisong
Engineering College,Nanjing Agricultural University(Nanjing,Jiangsu,210031,China)

In the case of the restructuring of the original intake and exhaust system of motorcycle engine, calibration experiments were carried out using Link G4+storm ECU for CBR600 engine.The purpose is to solve the problem that under the flow restrictor in the rule of Formula Student China which causes engine charge efficiency reduced and machine do not match with original parameter and lead to power loss.In the experiment,setting maximum engine power as the target,,engine fuel injection MAP and ignition advanced angle MAP calibration was finished,correction of the fuel injection pulse width and ignition advance MAP was calibrated,and the whole MAP while matching was optimized.The engine external characteristic curve of restructured intake and exhaust system was obtained by experiment.During the real vehicle road test condition,Correcting environment parameters correcting and altering the part of cells of the whole MAPs were carried out for improving the accelerate performance of the racing car,and the environment parameters correction curves were put forward.

FSC,CBR600,Link G4+,Calibration experiments,Optimize MAP,Environment parameters correction curve

TK417+.12

A

2095-8234（2016）05-0027-07

苏北科技专项（BN2016049）。

陈宁特（1995—），男，本科，主要研究方向为汽车发动机电子控制技术。

高辉松（1978—），男，博士，讲师，主要研究方向为车辆电驱动及控制。