电喷摩托车发动机与标定技术

第)卷第(期%##$年%月小型内燃机与摩托车N+0SS7U,ACU0S’V+WFN,7VUAUT7UA0UX+V,VC’Y’SAP;.)U.(Z9.%##$电喷摩托车发动机与标定技术胡春明宋玺娟（天津大学天津内燃机研究所天津###$%）摘要：介绍了电喷摩托车发动机电喷参数的采集和标定系统；同时针对电喷摩托车的技术要求，介绍了基于&’()*’+单片机的摩托车电喷系统的主要标定内容及其标定方法；并就电喷摩托车及其发动机的重要运行工况及排放特性的标定进行了讨论。关键词：标定技术电喷系统发动机摩托车中图分类号：,-*(./*文献标识码：0文章编号：()$(1#)#（%##$）#(1##21#*!#$%&%’()*+,*(-,#.)!/0*120’,3$0#,*452.5*6,*+，/*+7,850*,3456357589:54;’=?@835A5B359C9@94:DE75@838?89，,345635F53G9:@38H（,345635###$%）93:#$0%#：,E3@I4I9:358:J?D9@8E9J4844DK?3@383545JD4;3:4835@H@89=L:=8:DHD;995B359M38E95B359=454B9=958@H@89=（A+N），45J8E9=435D4;3:4835389=@45J:9;489JI:D9J?:9@5&’()*’+O4@9J=O8:DHD;995B359=454B9=958@H@89=4DD:J35B88E989DE53D4;:9K?3:9=958@L=8:DHD;9M38EA+N.+945OME3;9，8E9D::9@I5J35BD4;3:4835@L:8E9@I9D3L3D:?5535BD5J3835@45J9=3@@35DE4:4D89:3@83D@L=8:ODHD;995B3594:9J3@D?@@9J358E3@I4I9:.;(&-$1：’4;3:4835，A+N，A5B359，+8:DHD;9引言面对日益严格的排放法规，采用电喷技术降低油耗和排气污染已势在必行，特别是对于现代摩托车而言，电喷技术的应用可以同时兼顾降低摩托车尾气中有害物质的排放量、改善发动机运行的经济型、提高摩托车使用性能这项目标。在电控系统的软件和硬件模式基本确定的前提下，发动机是否发挥出最好的综合性能，取决于电控系统与发动机的优化匹配标定。(电喷发动机标定平台面对电控系统功能不断增强而开发周期却不断缩短的要求，采用传统A’F开发流程已经难以满足现代控制系统的设计要求。现代电喷系统A’F的“P”型开发流程（图(所示）通过计算机辅助工具，支持从需求定义到最终产品的全过程。“P”型开发流程符合国际汽车行业标准（0N0+Q0N0R），构成了统一的从开图(发动机管理系统的“P”型开发流程作者简介：胡春明（(2)$1），男，博士，副研究员，中国汽车工程学会摩托车分会秘书长，天津市内燃机学会秘书长。主要研究方向为内燃机电控技术及SRTQ’UT燃气技术的应用研究。A小型内燃机与摩托车第&@卷发、测试到标定的一体化方案。在摩托车电喷系统的不同研发阶段，研究内容存在差异。这就需要一个功能完善的电喷开发平台及开发系统来完成各阶段的任务。现在，电喷系统的有关硬件生成和软件控制策略已日趋成熟。本文主要介绍摩托车电喷系统的匹配标定技术以及基于!机的开放式摩托车电喷系统开发平台（图#所示）。利用电喷汽油机开发系统，可以完成摩托车发动机电喷系统的参数标定以及实验匹配工作。通过对电喷汽油机进行喷油特性、点火特性、怠速稳定性以及瞬态过渡工况下各参数的综合试验，获取电喷系统在试验中的最佳控制数据，从而使该控制系统精确控制下的汽油机在动力性、经济性以及排放特性等方面均获得令人满意的效果。电喷发动机的匹配标定是电控技术应用的重要环节。图#电喷汽油机开发系统#标定内容［%］摩托车电喷系统的匹配标定技术要点包括样机性在要求范围内，才能使发动机动力性、经济性及排放达到最优控制。在进行优化匹配标定试验之前，需要有基础喷油脉宽和点火提前角()!。基础()!可以从原化油器机型上通过试验获得，但开发周期相对较长。这里，我们采用硬件在环仿真的方法（*+,-）来获得基础()!，并在发动机台架上进行验证修正。硬件在环仿真将部分实际被控对象用高速计算机上实时运行的仿真模型来代替，并与控制单元实物连接成一个系统。通过仿真实验可以实现对控制系统功能进行测试和验证。*+,-既解决了纯粹计算机仿真对现实条件过于简化和理想化的问题，又克服了实际试验中时间长和费用高的制约。&’#最佳()!标定最佳喷油脉宽()!和点火提前角()!是控制的主要依据。电喷发动机通过有限的工况点来控制发动机在整个工况平面上运转，节点之间的控制通过节点控制量的线性插值来实现。显然控制节点越多，控制精度越高，相应的工作量也越大。因此合理选择工况节点是十分重要的。工况节点的选择需要考虑两个因素：一是发动机各控制量的变化趋势，变化趋势大的区域的节点应重点考虑；二是使用频率高的区域的节点要认真分析。在这里，我们选取节气门开度和转速为节点控制量进行标定，节气门开度选取每隔./的开度作为一个节气门控制量，转速则以每.0012345做为节点分隔的间距。能标定、发动机台架性能匹配及整车性能匹配与标定&个方面，归纳起来，包括以下内容：%）摩托车发动机原始基准值采集与计算；#）摩托车发动机台架试验及性能优化匹配标定；&）摩托车整车匹配及性能优化标定。发动机的台架匹配标定试验是整个匹配标定工作中基础性的一步，是获取电喷系统各控制参数的基本手段。特别是发动机稳态控制参数、稳态修正曲线等参数主要靠台架的标定试验来确定。台架试验与整车匹配标定密切相关，整个标定过程是一个渐进的过程，主要的标定数据由发动机台架获取，最后的确认靠整车的标定试验来实现。&标定方法&’%基础()!标定摩托车的匹配标定是一个相当复杂的过程，所涉及的标定参数多达千余个，其中，点火提前角与空燃比是影响汽油机性能和排放的两个最重要因素。在一定工况条件下，只有把点火提前角和空燃比精确的控制%）喷油特性()!的标定方法［#］67对空燃比的控制是通过燃油喷射量的控制完成的。发动机工作时，67得到空气流量的信息，经过计算后决定喷油量，从而使混合气的空燃比达到预先设定的值。为了降低排放，摩托车排气管中加装了三效催化转化器（89）。若要同时保证废气中的*、:、;:!都具有较高的催化转化率，过量空气系数的变化必须精确控制在0’.=%’00.之间，所以大部分工况应采用空燃比闭环控制。在进行这些工况的匹配标定时，需使用过量空气系数测试仪对过量空气系数进行检测，同时调节与喷油脉宽相关的控制数量，最终实现空燃比%的闭环控制。喷油()!采用多参数交叉组合的方法制取。利用可控制发动机运行状态的试验台架，在三维图的每一个工况节点（节气门开度、转速不变）上，调节喷油量，控制其过量空气系数保持在0’.=%’00.之间，并综合考虑动力性能和经济性能，选取该工况节点上对应功率、经济和排放均优的点，即为该工况节点下的基本喷油量。图&所示为基于?%@A(单片机的摩第)期胡春明等：电喷摩托车发动机与标定技术/*托车电喷系统标定后的基本喷油!#。图$基础喷油!#&）点火提前角!#的标定与喷油量匹配标定相似，点火提前角的标定要简单的多。在台架试验中，保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定，记录功率、扭矩、燃油消耗率及排放特性随点火提前角的变化，得出该发动机的点火提前角特性。对于发动机每一特定工况节点来说，都存在一最佳点火提前角，这时发动机的功率最大，燃油消耗率最低，当发动机产生最大扭矩且不发生爆震时，记录下此时的点火提前角，此点即为该工况节点的基本点火提前角。通过反复试验，可以得到整个点火提前角的基本脉谱。图’为标定后的基本点火提前角脉谱。图’基本点火!#$($修正系数的标定由以上匹配过程得到的发动机的喷油量及点火提前角!#仅是基本量，而发动机处于起动、冷态怠速、过渡工况时，基本的喷油量及点火提前角不能满足要求，此时需要对喷油量及点火提前角做及时修正，即便是稳态工况，由于各种因素的变化及影响，发动机的最佳控制数据不仅取决与工况（转速和负荷），还要受到气温、气压、电池电压、缸体温度等的影响。电控系统的各稳态修正曲线和参数就是为了考虑这些影响而设置的。稳态修正曲线和参数的标定试验包括：缸体温度修正、电池电压修正、大气压力修正、挡位修正等项目。对喷油脉宽影响较大的修正量主要有电池电压、缸体温度和进气温度，除此之外还应该包括工况修正等。对点火提前角的修正主要体现在缸体温度上。当缸体温度过高时，发动机容易产生爆震现象；当缸体温度过低时，发动机容易发生失火现象。’特定工况的参数修正’()发动机起动工况的参数标定［&］起动工况是电喷摩托车的重要运行工况，起动是否顺利，是用户评价摩托车优劣的重要指标。因此，可靠舒适的起动和最优的排放便成为起动控制的目标。影响电喷摩托车起动的主要因素包括：!环境及发动机温度；蓄电池电压。其中，缸体温度反映了发动机影响缸内蒸发到空气中的燃油量，从而影响混合气的局部空燃比；蓄电池电压影响喷油器的燃油特性，特别是会影响到点火能量，而点火能量最终影响点火的成功率。)）电池电压修正电池电压的修正对电喷系统非常重要。电喷系统中的喷油量对电池电压比较敏感。当电池电压低于正常值时，喷油器针阀延迟时间和开启时间都会增加，从而使有效喷油时间减少。另外，电池电压过低，使电动燃油泵转速下降，降低燃油喷射压力，从而减少喷油量。为了消除电池电压变化对喷射量的影响，常采用改变通电时间的方法予以修正，即电压低时适当延长喷油时间，电压高时适当缩短喷油时间。调节过程如图*+所示，随着横坐标的增加电池电压升高。电池充满电时修正系数为)，随着电池电压的下降，修正系数线性增加；电池电压过低时，修正系数大于)。图*不同修正系数&）缸体温度修正发动机起动时，转速剧烈波动，进气量不能准确测出，此时,-.根据转速信号判断发动机工况。转速低于/0012345时，,-.即判定发动机处于起动工况。理想情况下，希望混合气处于最易被点燃燃烧的状态，即空燃比在)&6)’范围内。通常情况下，温度越低，进72小型内燃机与摩托车第62卷气管壁上形成油膜的燃油越多，蒸发并与空气混合的燃油越少，须通过附加多余喷油保证足量燃油有效参与燃烧，故实际喷油量远大于理论燃油量，即需要进行缸体温度的修正。图!所示为缸体温度修正过程。冷起动时由于缸温过低应适当加浓混合气，即增加基本脉宽，此时的修正系数比较大，目的是补偿湿壁现象造成的燃油损失；起动后几秒钟内，缸体温度急剧上升，相应的喷油脉宽修正系数线性下降；当缸体温度高于设定值时，不再增加喷油脉宽，保持固定的基本喷油量，此时的修正系数变为#。$%&暖机、怠速过程的参数标定起动后的暖机过程中，发动机热状态在不断地变化，不参与混合气形成并燃烧的“无效”燃油越来越少，越接近理论空燃比。发动机处于怠速工况时，需要同时对喷油量和点火提前角进行调整。怠速工况主要考虑怠速稳定性、抗干扰性、过渡性能、排放性能以及燃油经济性等因素。怠速修正是在怠速工况下根据转速波动对点火提前角进行修正的。主要通过()*方法来实现怠速稳定性的。当发动机处于怠速工况时，转速需稳定在#!++,!+-./01。具体调节过程如图2所示。怠速时，345不断计算发动机的平均转速，并以目标转速和平均转速的差值!做为校正的依据。当转速超过目标转速时，减小点火提前角；反之，则应增大点火提前角。图2怠速点火提前角的调节过程$%6过渡工况的参数标定过渡工况主要是指节气门位置的变化引起发动机转速和负荷的变化过程，因为这时的发动机进气量和喷油量瞬态变化幅度很大，从而引起的空燃比偏差最大。摩托车行驶时，经常处于加、减速工况。如此时仍按照基本喷油量供油，加速或减速过渡工况下的空燃比会偏离目标值，造成排放恶化。因为反馈控制需要一定的调整时间，加、减速过渡工况采用反馈控制策略无法满足过渡工