房樹堂

（東風商用車公司 市場銷售總部服務保障部，湖北 十堰 442000）

隨著世界環(huán)保法規(guī)的日益苛刻，超低排放、零排放汽車一直是各大汽車公司競爭的焦點所在，由此而引出的混合動力及燃料電池發(fā)動機被認為是未來汽車新的技術途徑所在，但其技術處于不成熟的起步階段，且缺乏規(guī)模生產(chǎn)的能力，所以在這一情形之下傳統(tǒng)的內燃機汽車仍然是未來數(shù)10年汽車的主流，只是內燃機汽車的排放限制將更為苛刻。目前國際上以美國、日本和歐洲體系的汽車排放法規(guī)為典型代表，我國的排放法規(guī)基本是在參照歐洲法規(guī)的基礎上制定的。

我國于2007年開始實施GB18352.3－2005國家標準“輕型汽車污染物排放限值及測量方法（Ⅲ、Ⅳ）”中第Ⅲ階段的排放法規(guī) （簡稱 “國Ⅲ排放法規(guī)”，相當于歐洲Ⅲ號），而北京市于2005年提前實施這一嚴格的排放法規(guī)，也頒布了燃油消耗法規(guī)及噪聲法規(guī)。

在汽油發(fā)動機上采用“多點電控燃油噴射+三效催化轉化器”來降低車輛的排放，是現(xiàn)代汽油機排放控制的主流。我國亟需在深入消化吸收國外先進技術的基礎上，對現(xiàn)有國產(chǎn)汽油機進行技術革新，以滿足各種新法規(guī)的要求。

本文主要介紹了電控發(fā)動機管理系統(tǒng)與整車開發(fā)的匹配工作，整車的各系統(tǒng)功能開發(fā)與整車的匹配標定，其中包括發(fā)動機運行參數(shù)的匹配標定及整車與發(fā)動機在高溫、高原、低溫等特殊環(huán)境下的匹配試驗。目的是介紹發(fā)動機管理系統(tǒng)在目前自主發(fā)動機滿足更加苛刻的排放法規(guī)中的開發(fā)技術。

1 排放控制法規(guī)的有效技術對策

為適應不斷升級的排放法規(guī)，發(fā)動機管理系統(tǒng)也在進行技術升級，其中主要經(jīng)歷4個階段：1）改進汽油發(fā)動機的供油及點火技術；2）改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性；3）提高發(fā)動機綜合性能；4）降低發(fā)動機有害物的排放。

目前所處的階段主要是降低汽車有害物的排放，汽車有害氣體的排放主要來自發(fā)動機的燃燒廢氣、油箱的蒸發(fā)、曲軸箱廢氣及進氣歧管的燃油殘留；氣體中有害成分是碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）及氮氧化合物（NOx）。

歐盟排放法規(guī)主要經(jīng)歷6個階段：1）ECER15/04：開環(huán)燃油控制、化油器或單點噴射；2）ECE－R83/01：開環(huán)燃油控制、單點噴射、氧化型催化轉換器；3）EC93（歐洲I號）：閉環(huán)燃油控制、單點或多點噴射、三元催化轉換器；4）EC96（歐洲II號）：閉環(huán)燃油控制、多點噴射、三元催化轉換器；5）EC2000（歐洲III號）閉環(huán)燃油控制：閉環(huán)燃油控制、多點順序噴射、（緊耦合式）三元催化轉換器、電子控制廢氣再循環(huán)閥 （選裝）、優(yōu)化蒸發(fā)排放控制、（依法規(guī)裝備）EOBD 診斷系統(tǒng)；6）EC2005（歐洲IV號）：閉環(huán)燃油控制、多點順序噴射、快速起燃式催化轉換器、電子控制廢氣再循環(huán)閥、蒸發(fā)排放系統(tǒng)、EOBD診斷系統(tǒng)。

對發(fā)動機管理系統(tǒng)而言，可以精確地控制進入發(fā)動機汽缸內的空氣和燃油的混合比、燃燒過程及廢氣轉換，以達到優(yōu)化發(fā)動機性能，改善汽車駕駛性能的目的，并且更加嚴格地控制汽車所排出的廢氣對于空氣的污染。

2 發(fā)動機管理系統(tǒng)的開發(fā)程序

發(fā)動機管理系統(tǒng)在整車上的匹配標定流程如圖1所示，可以看出，整車的匹配標定包括3個環(huán)節(jié)：系統(tǒng)定義、車輛環(huán)境適配標定試驗及環(huán)境驗證階段。各開發(fā)階段及環(huán)境試驗項目見表1。

圖1 發(fā)動機管理系統(tǒng)的開發(fā)流程

系統(tǒng)定義經(jīng)歷初始部件的特征定義、部件的初始性能標定、發(fā)動機初始基礎臺架標定等過程，在此過程中同步完成車輛的工程樣機準備工作。

在完成車輛的試制后進行常規(guī)的車輛匹配標定工作，保證車輛在正常環(huán)境下能夠正常運行，包括常規(guī)的駕駛特性標定然后讓車輛在極限環(huán)境中進行適配試驗，如熱帶、寒帶及高原環(huán)境的適配試驗，保證車輛在各極限環(huán)境中的駕駛性，冷、熱啟動性等。在完成環(huán)境適配試驗后進入車輛的排放標定試驗。將車輛放置在整車排放測試試驗臺上，按排放法規(guī)規(guī)定的工況進行排放測試，調試發(fā)動機的運行參數(shù)，使車輛尾氣排放達到國家法規(guī)規(guī)定的界限。

在完成環(huán)境匹配試驗后，進行車輛的環(huán)境驗證階段，在此階段，會增加驗證車輛的數(shù)量，在3個極限工況進行車輛運行的環(huán)境監(jiān)測驗證，使車輛在批產(chǎn)的狀態(tài)下，驗證各參數(shù)運行的合理性。

表1 各環(huán)境驗證參數(shù)及各階段的工作內容

3 發(fā)動機管理系統(tǒng)功能開發(fā)及標定

發(fā)動機管理系統(tǒng)功能包括速度密度空氣計量法、閉環(huán)控制多點順序燃油噴射(包括MAPCID壓力判缸)、無分電器直接點火、ECM內置點火模塊驅動分組點火(也可支持順序點火)、線性EGR控制、步進馬達怠速控制、爆震控制、空調、冷卻系統(tǒng)控制、里程記憶、過電壓保護、電子防盜、CAN－BUS通訊接口可與自動變速箱控制模塊或ABS系統(tǒng)通訊等。其主要開發(fā)流程及主要標定參數(shù)如下。

3.1 發(fā)動機臺架基礎標定

發(fā)動機臺架基礎標定的目的是為獲取電噴系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)及發(fā)動機性能特性，為整車開發(fā)準備良好的基礎。主要匹配的內容如下：臺架基礎標定準備，包括噴油器的基本噴油特性、空氣溫度特性匹配、空氣流量特性及容積效率、基本點火提前角及修正系數(shù)、空然比特性匹配標定及大氣壓力修正等發(fā)動機基礎特性匹配參數(shù)的選擇。完成基本參數(shù)匹配后基本得到發(fā)動機的外特性曲線參數(shù)，其基本匹配參數(shù)見圖2。

3.2 車輛的基礎標定

車輛的基礎標定包括車輛冷啟動標定、怠速穩(wěn)定性標定、加速工況標定、減速工況標定、減速斷油、發(fā)動機瞬態(tài)過渡工況供油標定、勻速行駛標定、機械及電力負載加/減載標定等。車輛基本標定完成后，車輛在正常條件下能滿足日常駕駛需求。

以車輛冷啟動為例，其空燃比控制策略及發(fā)動機啟動的3個階段，發(fā)動機轉速變化如圖3a所示。

圖2 發(fā)動機基本臺架匹配參數(shù)

1）發(fā)動階段：發(fā)動階段的空燃比控制策略采用大的初始噴油脈寬，彌補壁濕作用、低揮發(fā)性和低電瓶電壓的影響，使空燃比達到著火界限。并且，經(jīng)過一定時間（通常以發(fā)動機累計轉數(shù)計算）后，減小噴油脈寬，避免供油過多造成淹缸。發(fā)動階段的目標空燃比

式（1）中，F(xiàn)start為ECM中的二維表格，Tw為水溫，如圖3b所示。Kstart為可標定初始加濃項。

2）著車階段：這一階段由于轉速變化速度很快，因此是一個高度非穩(wěn)態(tài)過程。著車階段的控制要求保證燃油供給準確，防止供油過渡造成過量排放，實現(xiàn)發(fā)動機穩(wěn)定運轉。在這一過程控制所要考慮的因素有發(fā)動機轉速迅速增加，進氣管壓力下降造成壁面燃油蒸發(fā)，進氣速度增加和燃燒室溫度上升。著車階段要迅速減小噴油脈寬，實現(xiàn)方法是將Fstart按水溫衰減，或繼續(xù)將加濃因子Kstart按可標定規(guī)律衰減為零（圖3b）。

3）暖機階段：暖機階段的主要特征是水溫持續(xù)上升。這一階段的目標是通過合適的怠速盡快實現(xiàn)暖機，如有可能，使空燃比略偏稀來提高排氣溫度以加快催化器起燃。暖機階段要將當前空燃比逐漸變?yōu)榘l(fā)動機正常運轉空燃比，方法是將二者的差值按可標定規(guī)律衰減為零。

從控制策略上看可以通過優(yōu)化空燃比、點火角等方式降低THC的排放量。

圖3 發(fā)動機啟動過程

3.3 整車極限環(huán)境驗證試驗

1）高溫試驗：高溫條件下的冷、熱起動性能良好，且起動時間小于1 s；冷機駕駛及熱機駕駛性能，冷起動駕駛性、暖機駕駛性、怠速和重新起動性能良好；怠速控制試驗，長時間怠速穩(wěn)定，發(fā)動機轉速波動小于 30 r·min－1；開關電力負載的瞬間，發(fā)動機轉速波動小于 100 r·min－1；開關空調的同時，發(fā)動機怠速自動提升和回落，且波動小于 150 r·min－1；爆震，夏季試驗中消除爆震現(xiàn)象發(fā)生；風扇及空調控制，系統(tǒng)對發(fā)動機冷卻風扇、空調系統(tǒng)的控制邏輯正確，控制點準確；催化器工作溫度，三元催化器的溫度低于催化器長期工作溫度的限值 930°C。

2）高原試驗：高原冷起動及駕駛性，試驗的目的是考核發(fā)動機在高海拔下浸置后的冷起動性能，空燃比標定是否適合，及起動后的駕駛性能，應保證試驗車高原冷起動性能良好，起動時間小于1 s，高原冷機駕駛性良好；高原熱起動及駕駛性，高原熱起動性能良好，起動時間小于1 s，熱機駕駛性良好；怠速穩(wěn)定性試驗，目的是考核發(fā)動機在高原狀態(tài)下的怠速穩(wěn)定性，發(fā)動機轉速波動應小于±30 r·min－1；高原爆震驗證試驗是考察發(fā)動機在高原狀態(tài)下的爆震，高原地區(qū)不應出現(xiàn)爆震現(xiàn)象；冷卻系統(tǒng)驗證試驗目的是考察發(fā)動機是否在高原地區(qū)出現(xiàn)開鍋現(xiàn)象，由于高原地區(qū)大氣壓低，導致冷卻液沸點降低，有可能出現(xiàn)開鍋現(xiàn)象。

3）低溫試驗：低溫環(huán)境下的冷起動性能，在低溫環(huán)境下浸置至少6 h后的冷起動及冷態(tài)駕駛性能。通過調整不同環(huán)境溫度下發(fā)動機管理系統(tǒng)對空燃比的控制及點火提前角的選擇來達到發(fā)動機順利起動及冷態(tài)駕駛；冷起動重復驗證試驗，考核發(fā)動機在連續(xù)起動不著，造成淹缸的條件下，通過空燃比的控制可以減少或防止淹缸現(xiàn)象發(fā)生，如果發(fā)動機在數(shù)次打車不著的前提條件下，可以通過減少噴油或不噴油的控制邏輯來清除淹缸現(xiàn)象；節(jié)流閥體結冰驗證試驗，在發(fā)動機高速高負荷的條件下如果長時間維持節(jié)氣門在一定開度，且保持不變，由于節(jié)氣門后的真空度作用，在節(jié)氣門體處會形成一個較環(huán)境溫度低的低溫區(qū)域，如果長時間保持這種狀態(tài)，如果空氣中的水蒸氣分壓較大，水蒸汽會在節(jié)氣門體形成結冰，導致節(jié)氣門體凍死。駕駛者失去對車輛的控制，形成危險條件。因此，一般高檔轎車會有冷卻循環(huán)水加熱節(jié)氣門體，但并非所有的電噴車輛都有加熱循環(huán)系統(tǒng)，如果車輛通過合理的配置使節(jié)氣門體處于一個熱相對平衡的條件下，也可以不使用加熱而達到使用要求。

4 結 論

敘述了在整車開發(fā)過程中發(fā)動機管理系統(tǒng)所承擔的作用，重點介紹了發(fā)動機管理系統(tǒng)與整車功能匹配的關系。通過對發(fā)動機管理系統(tǒng)功能開發(fā)及標定流程的介紹，描述了汽車法規(guī)、環(huán)保技術及現(xiàn)代車輛的發(fā)展前景。