第9章-发动机标定技术介绍

第9章发动机标定技术介绍－229－第9章发动机标定技术介绍9.1绪论9.1.1标定的必要性电控柴油机为了满足工程目标，在满足严格排放的前提下，获得有竞争力的燃油经济性指标和高可靠性的要求。电控软件中所有的变量都是可调的，将所有变量赋予优化值的过程称之为标定。可以通过标定最大限度地发挥柴油机潜力，达到追求的工程目标。因为赋予了更大的灵活性和可调性，标定很差的发动机性能甚至会比机械泵发动机还差。相对汽油机的标定，柴油机的标定难度更高更具挑战性。柴油机的压燃式燃烧，与喷油器、增压器、气道以及配气机构等参数息息相关，而标定只能控制燃油喷射，标定工作是柴油机性能和排放开发的重点工作内容。柴油机的标定必须与燃烧系统开发同步进行。9.1.2标定的基本概念发动机电控系统的标定工作是电控发动机应用开发的一个重要阶段。研发人员之所以要对电控系统进行标定，其原因在于发动机电控工作过程的复杂性，而这种复杂性具体体现在如下方面：（1）发动机电控系统需要实现众多的控制项目，如控制起动、怠速、调速等运行工况；（2）发动机电控系统的控制要使发动机的潜力充分发挥，使功率、油耗、排放和汽车操纵性等多方面的性能达到综合最佳的状态；（3）影响发动机性能的因素众多、变动范围大，如发动机的负荷与转速、冷却液的温度、进气温度、燃油温度、机油温度、增压压力等，电控系统对所有这些因素的变化都要作出相应的调整；（4）发动机电控系统必须适应复杂的外界环境变化，如季节变化以及海拔高度的变化等等。从控制技术的角度来看，发动机是一个动态、多变量、高度非线性、具有响应滞后的时变系统，其工作过程包含十分复杂的动力学、热力学、流体力学、化学反应动力学等过程。正是由于发动机系统严重的非线性等原因，一方面，采用经典的线性控制理论来控制参数优化值的方法已不可能。另一方面，通过实时计算求得的控制参数值的方法，在目前的硬件技术上也是根本不可能满足的，所以在开发电控发动机时，只能先通过大量的试验，把所获得的各种工况下的动力性、燃油经济性、以及排放性能等试验数据，按照一定的优化准则和相关法规的要求，采取适当的优化方法，最终获得的控制参数和各种修正参数随发动机转速和负荷等因素变化的规律，并采用三维图、二维曲线等方式，把按照这种规律变化的控制参数值存贮在电控单元中，即所谓的MAP图。在电控发动机实际运行时，电控单元根据采集到发动机工况参数和存贮的控制数据进行逻辑分析和判断，并根据预设的控制算法经过简单计算后就可以得到送给执行器的控制量（如喷油量、喷射定时、共轨压力等），从而达到实时控制发动机的目的，即所谓的查表法或查MAP图法。众多的MAP图产生过程即所谓的标定过程，指的是电控单元控制参数优化过程，优化后得到的控制参数应使发动机具有良好的综合性能。正因为电控发动机的实时控制是基于第9章发动机标定技术介绍－230－MAP图的这个特点，所以MAP图中控制参数的标定工作就成为电控发动机应用开发的核心内容。一般情况，电控发动机的匹配标定主要包括以下几部分内容：燃油喷射系统与发动机的燃烧匹配；整机台架的电控MAP匹配标定；整车道路的电控MAP图匹配标定。9.2电控单体泵的标定工作9.2.1标定策略柴油机电控系统采用的控制方法，是基于MAP图的查表法。这是发动机电控系统中应用最为广泛的控制方法。电控单体泵燃油喷射系统属于脉冲供油时间控制式第二代柴油机电控系统，它通过控制高压油泵电磁阀的开启持续时间以及开启时刻，来控制发动机的喷油量和喷射定时。具有灵活的控制自由度，能够方便地适应发动机在不同负荷和转速工况下对喷射定时和喷油量的要求，使发动机的各项性能指标得到兼顾和改善。喷油量Fuel=f(Pedal,n,δ1)；喷射定时Timing=f(Pedal,n,δ2)。其中Pedal为油门，n为发动机的转速，是决定喷油量和喷射定时的决定性因素，δ1和δ2分别代表喷油量和喷射定时的修正因子。喷油量修正因子δ1主要有燃油温度和冷却液温度，间接的还有增压中冷后的进气温度和压力。根据计算出的进气流量，通过标定空燃比（过量空气系数）来修正喷油量。喷射定时修正因子δ2主要有冷却液温度、增压中冷后的进气压力和温度。影响发动机性能的可变因素较多，通过不同的手段对这些因素进行控制，能够使发动机达到工程目标的性能。不同厂家、不同类型的电控燃油系统发动机所采用的控制策略也不尽相同，有其自身的特点。9.2.2电控单体泵的标定策略扭矩油量的转换输入油门踏板位置—AccPed_rChKdVal，输出：喷油量—InCtl_qSetUnBal。驾驶性标定在整车标定中，通过调整AccPed_trqEng_MAP来进行整车驾驶性标定。扭矩限制其中外特性扭矩限制EngPrt_trqLim_CUR来决定发动机的外特性，EDC16C39中该扭矩限制决定了发动机高怠速特性。在整车标定中禁止对此进行调整！烟度限制烟度限制在整车标定中有可能会进行调整（动力性和烟度指标之间进行权衡），该标定量是以过量空气系数的方式进行限制，标定限值过严，可能会影响到低速外特性扭矩从而体现在整车起步换挡过程中反应出动力性差的问题。过热保护过热保护是整车热带标定的主要工作内容，根据发动机的冷却液温度来实施降功率（扭第9章发动机标定技术介绍－231－矩）的标定来对发动机进行保护，防止冷却液温度过高造成发动机过热，引起发动机拉缸的故障。增压器保护增压器保护是整车高原标定的重要工作内容。在整车高原标定中，为了防止增压器超速和涡前排温超限，标定可能会影响到外特性扭矩，通过降功率（降扭矩）的手段来保护增压器。起动标定评价发动机起动性能的好坏，一般从以下几个方面进行评估：起动速度的快慢（起动时间）、冷起动性能、起动时的排放情况。柴油机起动速度的快慢（起动时间）跟起动时的循环喷油量的多少有直接关系。对传统的机械控制式柴油机来讲，多喷油直接可以使发动机快速地起动，但是过浓的混合气又会使柴油机在起动时排放变差，冒黑烟并且起动工作粗暴。另外，柴油机起动的快慢还跟起动机的拖动转速有很大关系。如果起动机拖动转速高，压缩过程的热损失就会相对减少，加上燃油喷射压力的提高可以使燃油雾化更好，综合起来会大大加快发动机的起动速度，同时还能降低起动时的尾气排放。柴油机冷起动性能的好坏直接决定着环境适应能力。对于时间控制式的电控单体泵柴油机来讲，其系统本身固有的优越性使电控柴油机的起动性能得到了大幅的改善。电控柴油机不但可以实现随环境温度的改变而改变起动循环喷油量，而且还能够进行喷射定时的自动修正。这样，在同等环境和拖动转速的条件下，电控柴油机可以更加合理地组织起动时的燃油喷射量和喷射定时，不但能够达到快速起动，还能够解决起动冒黑烟和白烟的现象，通过实时调整起动过程中的喷油量和喷射定时，可以使柴油机平稳地过渡到怠速控制，起动柔和。电控单体泵柴油机的起动策略正是利用上述电控系统的这种优势，对起动循环喷油量和喷射定时做出了精细地控制，使之拥有了出色的起动性能。对于电控单体泵的起动控制条件为：油门位置小于2%并且转速不超过500r/min。怠速控制电控柴油机的怠速控制采用的是目标怠速闭环PI控制方法。其中目标怠速随冷却液温度的改变以及空调是否打开而改变，定时的修正主要是冷却液温度的修正。电控单体泵柴油机采用的怠速控制策略使发动机怠速平稳柔和，合理目标怠速更加适应发动机的暖机、排放以及经济性。柴油机进入怠速控制的条件为：油门位置小于2%并且转速大于500r/min且不超过（目标怠速+150）r/min.共轨系统的预喷功能，使怠速的噪声得到了明显地改善，怠速噪声更加柔和。调速控制电控柴油机采用灵活的调速控制方式（通过MAP图的标定），在体现动力性和经济性的同时更突出其低排放的性能特点。电控柴油机在调速控制的瞬态过程中采用了两个比较特别的控制手段：一个是瞬态空燃比的控制策略；另一个是增压压力的定时修正控制策略。瞬态空燃比控制是根据增压中冷后的进气压力和温度以及当前的发动机转速来得到当前的进气流量，再根据此工况下允许的加速空燃比，计算出此时发动机允许的最大喷油量（以不冒烟为依据），如果查到的稳态主控制喷油量大于允许的最大喷油量，那么控制系统第9章发动机标定技术介绍－232－将会限制当前的喷油量而使喷油量等于当前允许的最大喷油量。控制中当前进气流量的计算是采用查MAP图的方式得到。将台架上得到的发动机转速、增压中冷后的进气压力以及实测的进气流量三者之间的关系做成MAP图，根据其中的两个量即可得到第三个未知量即进气流量。增压压力的定时修正策略：仅仅是瞬态空燃比的控制自然会使发动机在加速加负荷时不会因喷油量过多引起冒烟，但限制了喷油量会导致发动机动力性不足。如果在发动机加速加负荷的过程中能够使喷油定时适当提前，在相同进气量情况下可以实现多喷油而不冒黑烟，提高发动机的动力性。因此电控系统增加了增压压力的定时修正控制策略。检测到发动机的进气增压压力同台架稳态时的增压压力有一定压差时，系统会根据这种压差程度的大小计算出修正系数，由油门位置与发动机转速查增压压力修正MAP图，得到该工况下的最大修正偏移定时，与计算出的系数相乘即得到当前应该增加的定时偏移量。通过这种进气空燃比的控制和增压压力定时修正策略的运用，在保证了加速不冒烟的情况下使发动机拥有足够的动力性。柴油机进入调速控制的条件为：油门位置不大于2%或者转速超过（目标怠速+150）r/min。电控MAP匹配标定主要完成柴油机各种传感器的信号MAP、各种油量和定时MAP、各种修正补偿MAP等的精细标定工作。图9-1油门踏板传感器的标定油门踏板MAP的标定，如图9-1所示。根据实测的传感器输出的线性电压信号范围特点，标定出0%和100%这两个点的电压值即可。传感器在具体使用时可将最大值用作0%油门，也可反过来使用，只需要更改一下MAP图的数据即可，但从使用功耗及安全性上来看，最好是小电压处定为0%油门。冷却液温度和燃油温度采用的是同一种型号的传感器，因此二者的MAP均根据传感器厂家给出的特性曲线进行标定。主控制稳态MAP的匹配标定主控制稳态MAP包括稳态油量MAP和稳态定时MAP，是柴油机关键的电控MAP。发动机基本喷射油量和喷射定时的控制均由这两张MAP决定，是发动机正常运行的关键MAP，如图9-2所示。主控制稳态油量MAP由转速n、油门Pedal和喷射脉宽Fuel构建的三维结构MAP，发动机正常运转时根据当前的转速和油门开度，在该MAP中查表并插值计算出所对应的喷油量（喷油脉宽）。对主控制稳态油量MAP的匹配标定步骤，建议如下：第9章发动机标定技术介绍－233－（1）根据油泵试验台的数据和要匹配发动机的功率粗略地制作出一张控制MAP，油量控制曲线采用两级调速的方式，其最大油量往往要比实际外特性所需的油量要大，便于进行外特性功率的调整试验；（2）根据试验确定出没有PI控制下暂时的怠速区域油量，用于台架的控制试验，因为很多的台架并不适合有怠速PI控制。等怠速PI控制MAP标定好并起作用时，主控制油量MAP在此区域就不起作用了；（3）进行不同转速区的油量线的斜率标定试验，确定出不同区域内的油量变化率，也就是油量线的斜率，尤其是低速小负荷区域，因为该区域发动机的油量不均匀性变大，不合适的油量变化率很容易造成转速波动变大，甚至发生游车和抖动现象。油量变化率较大的油量MAP下的转速波动十分严重，而变化率较小MAP下的转速波动很小；（4）做发动机排放控制区的匹配标定试验，使稳态排放结果达到工程目标值。根据控制区排放匹配标定后的结果，确定出控制区内的外特性油量。根据柴油机厂家对低速和高速调速率的要求做非排放区的匹配试验，确定出这两个区域的外特性油量。这样，全部的主控制油量MAP数据就完成了。图9-2油量和喷油定时的标定主控制稳态定时MAP匹配标定同主控制油量MAP一样，主控制稳态定时MAP是一个三维结构图。由转速n、油门Pedal、喷射定时Timing组成。由当前的转速和油门开度即可通过查该MAP得到发动机的当前基本定时。对主控制稳态定时MAP的匹配标定步骤，建议如下：（1）根据经验，在MAP中赋予一个合适