大学生方程式汽车大赛发动机标定试验

黄 瑞，陈俊玄，李立炜,吴启超，程建刚，俞小莉

（浙江大学能源工程学院，浙江杭州 310027）

0 引言

全国大学生方程式汽车大赛（FSAE，Formula SAE）是学生创新实践能力培养的重要平台，它需要学生在规定时间内完成一辆赛车的设计、制作、参赛。为了限制发动机功率，比赛中必须在进气系统安装内径20 mm的环形限流阀，所有发动机气流必须流过限流阀，使原装的发动机ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）及进气系统无法正常工作及发挥更好性能，因此需要对进气系统重新设计并标定。本研究使用MOTEC M800替代原来的黄龙600原装ECU，并进行独立校准。ECU通过将之前存储的数据与各个车载传感器读出的实时数据进行对比，按照预先设计的控制策略对其他设备发出指令，以保证在不同工况下发动机的稳定运转，对赛车发动机的动力性、经济性和稳定性都有着重大的影响[1]。

在电控系统软硬件都已经确定的情况下，发动机能否发挥最佳性能，主要取决于电控系统和发动机本体之间是否匹配得当[2]。目前国外的电控标定技术主要集中在先进的标定系统开发、标定试验设计以及基于模型的标定技术上。国内相关研究相对较落后，虽然一些高校开发了专属的标定系统，但兼容和通用能力很差，且功能不多，尚未成熟。

综合考虑，此次发动机标定使用传统的标定方法，即在台架标定时按照目标过量空气系数以及排放法规要求进行标定，之后在整车标定时，对于“高温、高寒、高气压”进行修正参数的标定[3]。

大学生方程式大赛中，越来越多的车队使用MOTEC M800等全替代式ECU用于发动机的标定。湖南大学使用MOTEC软件中的TCS（Traction Control System牵引力控制系统），通过采集4轮轮速数据为控制算法提供基准值，通过标定提高赛车牵引力控制系统精准性。同济大学考虑到发动机各缸工作的一致性，对各缸喷油量进行单独调节，提高发动机性能，同时用升档断火控制系统大幅提高了气动换挡的成功率。吉林大学作为赛事中对涡轮增压发动机调校最为成熟的车队，是唯一一支通过自主标定 使发动机功率突破75 kW的车队。

基于全国大学生方程式汽车大赛进气限流规则，对BN600GS发动机喷油量和点火提前角进行自主标定。包括发动机台架的搭建及各传感器执行器的选用。通过电控标定提高赛车的动力性、燃油经济性和稳定性。还用MOTEC实现了对于直线加速工况下的外特性曲线重点标定。

1 发动机试验台架搭建

1.1 ECU的选择

根据赛事规则，选择钱江摩托的BN600GS发动机，4缸4冲程水冷发动机，最高转速13 000 r/min，排量600 mL。进气系统不满足20 mm进气限流阀的限制，且排气是双消音器的布置形式，不满足赛车布置要求，同时由于工况的改变，原ECU无法正常工作，因此重新设计进排气系统，使用MOTEC M800作为ECU。MOTEC M800作为最终使用的ECU，最大的优点在于它是一个开源软件，空燃比闭环控制可以使发动机的调校更加精确。发动机台架线束的搭建较为复杂，要连接所有的传感器、执行器和ECU，2017赛季的台架试验线束结合MOTEC M800使用说明书改装。本研究使用MOTEC M800自带的空燃比闭环控制功能，将宽域氧传感器安装在排气管中，测到排气中的氧浓度信息，计算出此时λ值并反馈给ECU，ECU比较该数据与标准数据之间的差值，据此进行控制。

1.2 传感器

BN600GS的曲轴位置传感器为磁电式传感器，由于该发动机缺少凸轮轴位置传感器，因此采用Wasted Spark点火方式，即只使用2根点火信号，一根接1，4缸，一根接2，3缸，即可完成工作。采用进气压力温度一体传感器，主要是测量进气系统中的压力和温度。节气门位置传感器通过蝶阀移动时的电阻变化得到数据。对于自然吸气发动机，通常使用节气门开度或进气压力来近似等同于发动机的充量系数，但此时还需要进气压力和进气温度等数据作为修正值，才能得到更为精准的数据[4]。对于自然吸气发动机，通常使用“开度-速度”法进行标定[5]。试验用到了进气、排气、机油、冷却水等温度传感器，通过排气温度可观察燃烧是否正常，机油温度和水温则起到保护作用，一旦发现过高立即采取措施，防止拉缸等。在MOTEC中使用的都是可识别的温度传感器，所以不需要重新标定。氧传感器通过检测发动机排气的氧的含量，计算发动机缸内混合器的燃烧比例（即过量空气系数）[6]。空燃比决定了第一遍遍历map图（等高线图、云图）的数据。氧传感器使用了Bosch lsu 4.9宽域氧传感器。

1.3 测功机

发动机测试系统采用奕科公司的EIM0301DCU水力测功机，该测功机可以读出包括转速、扭矩、功率、排气温度、机油温度、比油耗等数据。操控界面（图1）中有发动机转速档和油门的功率档，分别用来定发动机的转速和负荷。标定过程中n-p模式，即通过定转速，调整油门位置来指定特定工况点，测功机定转速的工作过程，通过PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分）控制算法实现。

图1 测功机软件操作界面

2 发动机标定试验

2.1 制定控制策略

在整个发动机台架的标定过程中，制定控制策略是非常关键的一步，在保证动力强劲的情况下兼顾燃油经济性和稳定性仍然是主要目标。所以在制定目标λ（过量空气系数）时，有意识地在低负荷的情况下使喷油相对较少，混合气相对较稀，以提高燃油经济性。

为了保证良好的动力性，对于90%～100%负荷下的工况点将目标λ设置为0.88，即保证在节气门全开的情况下可以达到功率最大。在小开度低转速情况下虽然目标λ很低，但却发现在实际操作中，过低的喷油量很难保证顺利启动以及怠速稳定，依照目标λ值标出的启动数据仅仅依靠启动补偿的喷油很难顺利启动，所以在0～5%负荷区间，0～1000 r/min区间的喷油增加20%左右，以达到顺利启动的目的[7]。但相对应的怠速λ值非常低，接近0.7。这是因为相比于乘用车的进气系统，赛车缺少怠速旁通阀，会导致怠速工况下进气量不足，混合气偏浓，只要负荷提升转速升高后，λ值就可以迅速恢复正常。

2.2 燃油喷射系统标定

BN600GS发动机使用高压共轨式喷油器，首先要定义MOTEC M800 的 IJPU（Injector Pulse Width Scaling，喷油脉宽时间）值，主脉宽设置为经验值7，单位为μs，如图2所示，而后调节的map中的数值是喷油脉宽所占基础时间的百分比。

完成喷油map的基础标定试验后，需要考虑燃油喷射系统的补偿问题，MOTEC M800可实现低温下的补偿，启动中的补偿，由于进气温度升高空气密度变低导致进气量减小的补偿，且当进气温度较低时，汽油会附着在进气歧管管壁上，导致蒸发不良[8]。由于曾多次遇到冷启动困难，本次标定时对水温补偿的数据进行了修正（图3），解决了冷启动困难的问题。

图2 喷油主脉宽设置

图3 喷油系统水温补偿

2.3 点火系统标定

点火提前角的标定是在喷油基本完成的情况下进行的，先确定点火类型，当曲轴传感器接收到下触发沿信号时点火线圈点火，而Ignition Percent/Degrees的值设为1表示点火提前角主map图的单位是角度而不是标准值的百分比[9]。完成基本设置后（图4），再按步骤完成点火系统标定试验。

点火提前角标定过程中，台架上安装KS-4爆震检测仪，可以精确地观察发动机的爆震频率。当发动机处于轻微爆震的情况时可达到最大功率点以此得到较为合理的点火提前角map图。

图4 点火map的基本设定

2.4 直线加速工况的标定

直线加速比赛要求发动机具有足够大的扭矩，能最大限度地为赛车提供最大加速度[10]。直线加速中将限转速设置为13 000 r/min，因为时间很短，发动机可以在短时间内承受高转速，尽可能地推到极限。认为赛车在直线加速过程中不换挡，直接使用2挡弹射起步。由于在直线加速比赛中，车手从头到尾都是板油一脚到底，所以发动机节气门一直处于满负荷的情况，由此可知基于直线加速工况的标定，实质上就是追求更好的外特性曲线[11]。

3 试验结果分析

3.1 喷油map对性能的影响

图5、图6为喷油map重新标定前与重新标定后的变化。标定前的λ过低，混合气偏浓，这也是导致油耗过高的主要原因，所以本次标定中对喷油主map做了Overrall Trims的修改，对主表进行20%喷油量的削减，同时加大主表高转高负荷情况下的喷油量，以保证λ处于最大功率点。

通过MOTEC I2，可以在试验后得到记录的所有数据，此时λ值为0.893，非常接近于最大功率点0.88，此时测功机读出功率为43 kW。而原表中11 000 r/min功率为40.8 kW，相较于原表，重新标定后的数据功率提升了5.8%。

3.2 点火map对性能的影响

图5 喷油标定前map

图6 喷油标定后map

图7 点火标定前map

图8 点火标定后map

图7、图8为点火map重新标定前与重新标定后的变化。对于点火提前角的标定，取其中一组油门开度25%，转速为4000 r/min的数据整理成折线图，如图9所示。发动机功率随点火提前角的增大，先增大而后减小；燃油消耗率随点火提前角的变化而变化，从图9可看出，在油门开度25%，转速4000 r/min工况下，功率最大为14.2 kW，对应的点火提前角为28°；燃油消耗率最低为12.75 g/kW·h，对应的点火提前角为28°，因此可认为28°的点火提前角是该工况下的最佳点火提前角。通过这种方法遍历点火map的每个点，完成了重新标定后的map。

3.3 直线加速工况下的外特性曲线标定结果

如图10所示，对发动机的外特性曲线2挡扭矩进行了喷油标定，得到的扭矩值制作成折线图，如图11所示。由图11可知，通过对外特性曲线的重新标定，有效提高了发动机的扭矩，在直线加速项目上拥有了更大的竞争力。

此外，由于比赛中有很多绕桩项目，对整车的动态响应要求极高，为此，对发动机的动态响应性能进行了细致的标定，如图12，通过对Fuel Accel Clamp，Fuel Accel Clamp Comp，Fuel Accel Decay，Fuel Accel Sensitivity等补偿表进行标定，可以将发动机的加速动态响应调到车手最喜爱的驾驶状态。具体方法如下：

（1）Fuel Accel Clamp：调整加速工况下补偿喷油量。

（2）Fuel Accel Clamp Comp：调整加速工况下各工况点的补偿喷油量，该表格设置的主要意义在于加速补偿标定过程中可以更多的选取一个参考指标，例如除了图13中纵轴上选取的节气门开度为参考指标以外，在该表格中，可以选取水温（ET）等参数作为补偿标定的参考指标。

（3）Fuel Accel Decay：加速补偿过程中，当发动机转速到达目标转速以后，实际喷油量的减少数值。其值越大，喷油量越少。

（4）Fuel Accel Sensitivity：调整加速工况下，喷油补偿的灵敏度，其值越大，灵敏度越高，但其计算最终值不能超过Fuel Accel Clamp中的值。对于加速补偿标定方法与此类似。

具体调整过程：通过不断地试车，采集数据，分析得到最终动态响应最合适的map（图13、图14）。

4 总结

基于中国大学生方程式汽车大赛规则要求，对BN600GS发动机进行较为细致的标定，从发动机台架的搭建，各传感器的选型都进行了较为细致的分析，通过对发动机喷油，点火进行标定实验，根据赛事需要，在保证发动机动力性的前提下，尽可能照顾到燃油经济性。

针对直线加速工况，对发动机外特性进行单独调教，对发动机动态响应性能进行标定，为后续做发动机标定等相关实验提供一定的参考。为发动机性能测试试验和标定试验做好准备。

图9 点火提前角调整特性曲线

图11 外特性曲线2挡扭矩对比

图12 动态响应标定

图13 加速补偿map

图14 减速补偿map

本研究主要实现3个目标：①喷油系统的标定使赛车油门相应灵敏度更好。②点火系统的标定使发动机处于轻微爆震情况，达到最大功率以及最低油耗。③不同的赛车工况得到不同的map。主要目标为赛车直线加速工况，得到适宜于直线加速的发动机标定参数。