本田CBR600 型发动机标定试验研究*

吴 战 王志红

（武汉理工大学汽车工程学院 湖北 武汉 430070）

引言

由中国汽车工程学会举办的中国大学生方程式大赛（FSC）是一项面向大学生的工程性教育赛事。赛事要求在校大学生们在本校内自行组建参赛车队参加比赛。参赛车队需遵循共同的标准和规则，自行设计制造出一辆类似于简化的F1 赛车的单人赛车。赛车需要在加速、制动、操控性方面有较高的水准并且拥有良好的稳定性，耐久性[1]。

赛事组委会为了保证比赛的安全性，要求参赛车辆的进气系统必须安装一个内径为20 mm 的限流阀，所有进入发动机的空气必须经过该限流阀[2]。限流阀的存在使得原发动机的ECU 和进排气系统不能正常工作，限制了发动机的动力输出[3-5]。为了使发动机能够正常工作并性能良好，需要对发动机的进排气系统进行重新设计，然后对发动机在新条件下的工作参数进行重新标定。本次试验所用发动机为本田CBR600 型发动机。

1 试验准备

1.1 ECU 选型

本研究采用的MoTec M84 ECU 是澳大利亚MoTec 公司旗下的产品。该款ECU 最多可控制6 缸发动机的喷油点火，可以接入所有常见类型的发动机传感器、3 个模拟温度开关以及4 个模拟数字传感器[6]。除此之外，该款ECU 还具有一些高级功能，例如牵引力控制、风扇控制以及各种补偿。这些补偿可以在ECU 配套软件MoTec M84 ECU manager 中通过设定参数来实现（软件界面如图1 所示），无需自行编写程序，使用较为简单，能够满足大学生方程式对于ECU 功能的要求，并且价格相对低廉，所以在大学生方程式大赛中得到较为广泛的应用。

图1 MoTec ECU Manager 软件界面

1.2 传感器选型

选用博世公司生产的进气压力温度传感器以及氧传感器，在使用之前，需要对传感器进行设置，以保证数据的准确性。MoTec M84 可以与多种类型的传感器配套使用，在与ECU 配套使用的软件MoTec M84 ECU Manager 中选择对应的传感器类型，并对传感器进行设置[7-10]。进气压力传感器标定界面如图2 所示，氧传感器设置界面如图3 所示。

图2 进气压力传感器标定界面

图3 氧传感器设置界面

1.3 试验设备

本次试验所用设备如表1 所示。

表1 试验设备表

将发动机安装在发动机台架上，通过联轴器与测功机联接。标定试验系统示意图如图4 所示。

图4 标定试验系统示意图

2 标定试验

2.1 标定目的及标定策略

标定目的是使发动机与新设计的进排气系统有良好的匹配性，标定的同时，结合实际，针对比赛动力需求对发动机的动力输出进行调整。

本田CBR600 发动机属于短行程、高转速型发动机，在实际比赛中，发动机常处于转速较高的工况，以保证足够的动力输出[11]。依据数据分析可知，在比赛过程中，发动机的常用节气门开度为50%～100%，常用转速区间在7 000～10 000 r/min。标定策略根据发动机使用工况、动力要求不同而变化，使发动机拥有良好的动力性、经济性、可靠性[12]。

1）中低负荷时，节气门开度较小，发动机转速较低，选择经济高效的控制策略，适当减少燃油量的喷射，将混合气保持在经济混合气区域，使发动机在低转速时具有较好的燃油经济性。

2）大负荷时，发动机节气门开度大、转速高，追求发动机功率和转矩的输出，提升动力性，可以适当增加燃油量的喷射，提高混合气浓度，以保持在功率混合气区域[13]。在追求发动机拥有最大动力输出的同时，还需要保证发动机动力输出的线性，以增加赛车的可操控性，这样有利于车手在比赛时对于赛车的动力输出具有更好的操控性，从而提高比赛成绩。

2.2 工况标定

发动机起动后，进行预热，在冷却水温度、润滑油温度达到正常温度后，才可以进行标定试验。

通过发动机台架控制台，将发动机稳定在某一转速下，调节节气门开度，然后通过上位机标定软件，调节喷油脉宽，观察氧传感器反馈的λ 值。根据标定策略，在中低负荷时，将λ 值控制在1.00～1.10 范围内，保证发动机处于经济高效的工作状态；在高负荷时，将λ值控制在0.80～0.95 范围内，保证足够的动力输出。

在确定喷油脉宽后，需调整点火提前角。以一定的步长逐渐增大点火提前角，观察发动机输出的转矩和功率，找到发动机的最大输出功率。为了防止爆震，保证发动机在该工况下能平稳输出较大功率和转矩，还应在最大输出功率输时将点火提前角推迟2～3°CA[14-15]。

通过上述过程，得到某一转速、某一节气门开度下的喷油脉宽及点火提前角。改变节气门开度（10%～100%，每次间隔10%），重复上述标定过程，可以得到在某一转速、不同节气门开度下的喷油脉宽及点火提前角。

该赛车发动机转速范围为：0～12 000 r/min，起动后的怠速转速为1 500 r/min，按照每隔500 r/min 取一条线，采用不同节气门开度来进行标定，得到多组喷油脉宽和点火提前角数值。其它转速和节气门开度下，可通过插值的方式进行数据获取，在MATLAB中对数据进行处理，得到基本的喷油MAP 图和点火MAP 图，分别如图5 和图6 所示。

图5 喷油MAP 图

图6 点火MAP 图

2.3 修正标定

根据初步标定的数据分析，发动机的转矩输出不太理想，输出线性度不足，输出波动量变化较大。发动机在5 000 r/min 和8 000 r/min 时出现转矩峰值，但是很快下落，呈现出迅速上升然后迅速下降的转矩峰。这种动力的不平顺性，可能会导致车手在驾驶状态下需要动力输出时得不到合适的动力响应，或者想要动力减小时却获得比原先更大的动力。这会导致车辆的可操控性变差，不利于车手实现对车辆的精确控制，从而影响赛车成绩。

对发动机的输出特性进行修正标定，使发动机输出特性曲线变得平滑。通过适当降低转矩峰值前后的发动机转矩输出，使发动机转矩输出曲线相对平直，保证发动机动力输出相对平顺，如图7、图8 所示。在修正标定过程中，要重点关注常用节气门开度和转速下的功率输出特性。修正标定也可对之前试验数据的检查，保证试验数据的准确性。

图7 80%节气门开度、常用转速区间的转矩调整

图8 100%节气门开度、常用转速区间的转矩调整

2.4 电池电压修正

对于使用电喷系统的发动机来说，电池电压对喷射系统有着重要的影响。由于喷油器电磁线圈固有的感抗特性，使得喷油器在电池电压下降时，喷油器针阀开启时间和延迟时间都会增加，这将导致喷油器的喷油有效时间减少。电池电压的降低还会影响到喷油泵的工作，油路内燃油压力降低，也会导致喷油器的喷油量减少，发动机得不到所需的燃油量，从而影响发动机的动力输出。电池电压对于发动机的动力输出有较大的影响，所以需要在不同电压下对喷油器进行修正，即在电池电压较低时增加通电时间，增加喷油器的喷油时间；在电池电压较高时，相应减少通电时间，控制喷油器的燃油喷射量[16]，电池电压修正系数如图9 所示。

图9 电池电压修正系数

3 结果分析

将标定后的发动机功率以及转矩输出曲线与标定前的数据进行比对。功率对比曲线如图10 所示，转矩对比曲线图如图11 所示。

图10 100%节气门开度功率对比

图11 100%节气门开度转矩对比

从图10 和图11 可以看出，在节气门处于100%开度的情况下，标定前，发动机输出的功率和转矩在常用转速区间内波动较大，功率输出曲线和转矩输出曲线均呈现明显的波动上升趋势。经过标定后，发动机功率和转矩的输出得到提升。为了使发动机的动力输出更加平顺，适当降低发动机转矩曲线的峰值，使发动机动力输出更加线性。

4 结论

本文根据中国大学生方程式大赛（FSC）规则，以本田CBR600 型发动机为研究对象，对进气系统进行重新了设计，并对ECU 和主要传感器进行了选型，搭建了发动机台架，依据制定的标定策略对发动机进行了喷油脉宽和点火提前角的标定，得到了基本的喷油MAP 图和点火MAP 图。

针对标定后的发动机输出特性曲线进行了修正标定，使发动机转矩输出曲线相对平直，保证发动机动力输出相对平顺，提高了车辆的操控性。同时，研究了电池电压对喷油量的影响，通过试验获取了电池电压修正系数，保证了喷油量的准确性。本文工作为后续赛车的进一步优化匹配奠定了基础。