陳寧特 高輝松

（南京農(nóng)業(yè)大學工學院江蘇南京210031）

基于link G4+Storm的CBR600RR發(fā)動機標定試驗研究*

陳寧特 高輝松

（南京農(nóng)業(yè)大學工學院江蘇南京210031）

在改制原車發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的情況下，使用Link G4+storm ECU對CBR600RR發(fā)動機進行標定試驗，目的是解決在中國大學生方程式大賽中限流閥規(guī)則的限制下，發(fā)動機充氣效率下降后和原機ECU標定參數(shù)不匹配導致發(fā)動機動力降低的問題。在發(fā)動機臺架試驗中，以得到最大動力為目標，完成了發(fā)動機噴油MAP圖標定和點火提前角MAP圖標定，對噴油脈寬及點火提前角補償MAP圖進行標定，并對MAP圖進行整體匹配優(yōu)化。通過試驗得到改制進排氣系統(tǒng)后的發(fā)動機特性曲線。在整車實際路試工況下，對環(huán)境變量參數(shù)表進行修正，對MAP圖的部分單元進行修正，以提高整車的加速性能，并給出環(huán)境變量修正曲線。

FSCCBR600RRLink G4+發(fā)動機臺架試驗MAP圖優(yōu)化環(huán)境修正參數(shù)

引言

中國大學生方程式大賽規(guī)則在內(nèi)燃機車中明確規(guī)定采用自然吸氣、使用汽油燃料的賽車必須在節(jié)氣門之后安裝一個內(nèi)部截面最大直徑不大于20 mm的圓環(huán)狀限流閥[1]。這使得發(fā)動機在部分負荷、中低轉速條件下，進氣歧管內(nèi)壓力降低，進氣充量系數(shù)減小。雖然提升了賽事的安全性，但卻極大地限制了發(fā)動機的輸出功率。本文使用LINK G4+ECU代替CBR600RR發(fā)動機的原ECU，考慮電控參數(shù)對發(fā)動機動力的影響，以最大動力為原則進行發(fā)動機臺架標定試驗研究。

1 試驗軟件與硬件組成

1.1 標定試驗所用ECU—LINK G4+

Link G4+是由新西蘭LINK公司設計開發(fā)的全替代式獨立ECU第四代產(chǎn)品，適用于摩托車、摩托艇、賽車等發(fā)動機電控系統(tǒng)的改裝。Link ECU通過輔助輸出端口控制噴油嘴、電磁閥、風扇、繼電器等，并且擁有能分別接收數(shù)字信號和模擬信號的數(shù)字輸入端口和模擬量輸入端口，另外link擁有如ECT（發(fā)動機冷卻液溫度）修正、IAT（進氣溫度）修正、冷機加濃等修正方式。此外，筆記本電腦可以通過PC-link軟件連接ECU，采集ECU記錄的發(fā)動機運行數(shù)據(jù)，通過軟件中設置特定的表格進行數(shù)據(jù)分析來調(diào)整發(fā)動機參數(shù)。例如將X-Y圖表設置成進氣歧管壓力-轉速圖，這樣采集的數(shù)據(jù)能一定程度地反映改制的進氣系統(tǒng)的進氣特性。其主要部件參數(shù)如表1所示。

表1 LINK G4+ECU主要部件參數(shù)

1.2 試驗發(fā)動機

試驗發(fā)動機為本田CBR600RR直列四缸汽油發(fā)動機，該發(fā)動機采用雙頂置凸輪軸機構，一體式序列式變速箱，多點燃油順序噴射和脈沖二次空氣噴射等技術。其主要技術參數(shù)如表2所示。

表2 試驗發(fā)動機主要技術參數(shù)

2 發(fā)動機臺架的搭建

CBR600RR發(fā)動機為中量級運動型摩托車發(fā)動機，其變速箱在發(fā)動機缸體內(nèi)部，變速器輸出軸為外花鍵軸?？紤]與原實驗室測功機軸相配合，設計為凸緣聯(lián)軸器。發(fā)動機標定試驗臺架如圖1所示。

圖1 發(fā)動機標定試驗臺架

3 發(fā)動機目標空燃比的區(qū)域劃分和確定

空燃比α是指進入氣缸進行燃燒的空氣質(zhì)量與燃料質(zhì)量之比。相關試驗證明，通過調(diào)整混合氣的空燃比，最高火焰溫度和最大輸出功率出現(xiàn)在空燃比略小于理論空燃比14.7時，范圍為12～13，此時的空燃比被稱為功率空燃比，混合氣被稱為功率混合氣[2]。

一般而言，扭矩峰值在空燃比約為12.5時出現(xiàn)[3]，此時的過量空氣系數(shù)為0.85。在功率空燃比附近，輸出扭矩略低于扭矩峰值。

Link ECU調(diào)校軟件PC-link的目標空燃比MAP圖中以過量空氣系數(shù)φa作為衡量目標混合氣濃度的物理量。根據(jù)發(fā)動機不同工況對空燃比的要求，對ECU中的目標空燃比表格以節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉速為標準劃分為怠速區(qū)域、怠速中負荷過渡區(qū)域、中等負荷區(qū)域、大負荷區(qū)域和非常用轉速區(qū)域等五個區(qū)域。在怠速工況區(qū)域設定較小的目標空燃比以提供濃混合氣，保證發(fā)動機怠速平穩(wěn)且具有良好的抗干擾性。在怠速中負荷過渡區(qū)域、中負荷區(qū)域和大負荷區(qū)域分別設定功率空燃比為12.6～13.2，即過量空氣系數(shù)為0.857～0.92，并隨著負荷的增大和轉速的提高逐漸遞變。

根據(jù)ECU對FSC賽車襄陽賽道練習采集的數(shù)據(jù)分析得出，高速壁障和耐久賽項目發(fā)動機大部分時間處于過渡工況中。節(jié)氣門主要開度在30%～65%范圍內(nèi)，轉速區(qū)間主要在6 500～10 000 r/min。在直線加速項目中，發(fā)動機節(jié)氣門全開，轉速區(qū)間為7 000～12 500 r/min。在空燃比MAP圖中，主要對上述兩個區(qū)域進行調(diào)整。由于存在節(jié)氣門座以及進氣歧管內(nèi)壁等處的進氣阻力，充量系數(shù)隨轉速的上升而快速下降，因此每缸每循環(huán)吸入缸內(nèi)的新鮮空氣量隨轉速上升而減少。對此，在一定轉速區(qū)間中應當適量調(diào)整目標空燃比值。根據(jù)上述分析得到初始目標空燃比MAP圖如圖2所示。

圖2 目標空燃比MAP

4 基本噴油MAP圖標定

4.1 噴油器噴油脈寬確定

電噴發(fā)動機噴油時間由基本噴油脈寬和噴油脈寬修正補償組成。噴油嘴的基本脈寬是達到目標空燃比所需的時間，而修正補償是補償實際空燃比偏離目標值之后的修正量。

噴油脈寬修正系數(shù)包括冷啟動冷機加濃修正、暖機加濃修正、ECT修正、加速加濃修正、減速修正等[2]。此外還包括噴油嘴死區(qū)時間的影響。綜上，噴油嘴噴油脈寬為T1=TP×μ+Tdead。

式中：T1為噴油嘴噴油脈寬；μ為噴油脈寬修正系數(shù)；Tdead為噴油嘴死區(qū)時間[4]。

有資料表明，噴油嘴死區(qū)時間與電池電壓有關。當電池電壓較低時，噴油嘴死區(qū)時間較大，而一般情況車載鋰電池的電壓不超過15 V。通過在ECU中設定相應的死區(qū)時間表，可以修正噴油嘴無效噴射時間。因此設定噴油嘴死區(qū)時間修正圖如圖3所示。

圖3 噴油嘴死區(qū)時間-驅動電壓圖

此外，在低于4 ms時，噴油嘴的燃油噴射為非線性流動。因此，在噴油嘴有效工作時間小于4 ms時，需要短脈沖噴油增量修正。在link ECU的幫助文件中有常用噴油嘴的修正推薦值，根據(jù)推薦值得到如圖4所示的噴油脈寬修正量。

圖4 低有效噴射時間下有效噴油時間-噴油脈寬修正量圖

西華大學的譚正平通過自制簡易噴油嘴流量計，試驗不同激勵時間下噴油嘴流量，確定發(fā)動機基本噴油脈寬為8 ms[5]?？紤]到本試驗采用CBR600RR發(fā)動機，峰值扭矩點的轉速較西華大學所用的GSXR600更高,因而選擇噴油嘴主噴油脈寬為10 ms。

4.2 電控汽油噴射方式

質(zhì)量流量式噴射方式是基于通過空氣流量計直接測量得到的進入氣缸的空氣質(zhì)量流量為依據(jù)計算基本燃油噴射時間。有同期噴射和非同期噴射兩種方式。

速度-密度法確定噴油量的方式與質(zhì)量流量式大致相同。不同的是速度-密度法是通過發(fā)動機轉速和進氣管壓力、發(fā)動機冷卻液溫度（或節(jié)氣門開度）等參數(shù)來推算進入氣缸的空氣流量。理論計算基于速度-密度法確定噴油量的方法有近似法和三維脈譜法[4]。

節(jié)氣門速度法是通過發(fā)動機轉速傳感器和節(jié)氣門位置傳感器來監(jiān)測發(fā)動機負荷情況。通過節(jié)氣門位置傳感器的反饋信號間接計算進入發(fā)動機氣缸的進氣量，為間接噴射控制方法[6]。

對于獨立的ECU link G4+而言，采用節(jié)氣門速度法更為合適。因而，選擇ECU的fuel main中的equation load source為BAP，即以TPS（節(jié)氣門位置傳感器）信號作為發(fā)動機負荷判斷信息。

4.3 Link G4+中節(jié)氣門位置傳感器的標定方法

節(jié)氣門位置傳感器實際上是一個線性輸出型電位計，由節(jié)氣門蝶閥軸帶動電阻滑塊，需要5V的電源。當節(jié)氣門開度發(fā)生改變，節(jié)氣門位置傳感器的信號輸出端電壓發(fā)生改變，其電壓的增量代表節(jié)氣門開度的變化[7]。節(jié)氣門位置傳感器輸出的電壓信號與節(jié)氣門開度成正比，節(jié)氣門位置可通過電壓的線性比例關系算出[8]，故使用Link G4+只需標定節(jié)氣門開度為0的位置和節(jié)氣門開度為100%的位置。通過CAN總線連接ECU之后，在PC-link軟件中選擇ECU controls，在下拉菜單中選擇TPS setup。根據(jù)軟件提示和界面顯示的傳感器數(shù)據(jù)信息，將節(jié)氣門開度調(diào)到100%，之后在彈出的對話框中點擊“ok”，即完成節(jié)氣門位置傳感器在Link G4+中的標定工作。

4.4 噴油脈寬標定試驗

長安大學的熊沂鋮使用MotecM84對部分工況點調(diào)整不同的噴油脈寬，通過測功機對比不同噴油脈寬下發(fā)動機的輸出扭矩特性，得出存在最佳噴油脈寬并且低于或者高于最佳噴油脈寬時發(fā)動機的輸出扭矩都會下降的結論。此外，他通過試驗得出在發(fā)動機低轉速時噴油脈寬對發(fā)動機動力輸出的影響比發(fā)動機高轉速時更大[9]。因而在選擇標定工況點時，對于低轉速區(qū)域選取的工況點密度更大。

標定時應關閉除噴油嘴死區(qū)時間修正以外全部噴油修正量，通過測控臺油門電機調(diào)節(jié)旋鈕控制并固定節(jié)氣門開度，通過測控臺測功機勵磁電流旋鈕控制測功機勵磁力矩的大小從而控制發(fā)動機轉速。經(jīng)上述方式，將發(fā)動機的工況點控制在目標工況點上。之后在PC-link的fuel table中改變工況點基本噴油量，通過innovate LC-2氧傳感器檢測并反饋過量空氣系數(shù)，再比較實際過量空氣系數(shù)與目標值之間的相差量來調(diào)整基本噴油量，直至與目標值貼合。完成一個目標工況點的標定之后，調(diào)整測功機負載，改變發(fā)動機轉速至同一節(jié)氣門開度下的另一轉速點，直至轉速達到該節(jié)氣門開度下所能達到的最高轉速點之后，改變節(jié)氣門開度至下一個目標工況點，重復上述步驟。如此反復，即可完成所有目標工況點的基本噴油脈寬標定。

對于部分在電渦流測功機上無法達到的工況點，例如小負荷高轉速、大負荷低轉速點，結合Link ECU MAP單元遞推功能以及充量系數(shù)隨發(fā)動機轉速上升而下降的性質(zhì)，有一定依據(jù)地遞推得到基本數(shù)值。小負荷高轉速工況點通常是在入彎或入樁時賽車高速運行中車手松油門的情況下出現(xiàn)。大負荷低轉速點通常是賽車在低速情況下車手猛踩油門時出現(xiàn)。根據(jù)Link ECU采集的賽車路試發(fā)動機日志文件，對部分工況點進行空燃比的分析和調(diào)整。

經(jīng)標定試驗所得的基于上述空燃比劃分的基本噴油MAP圖如圖5所示。

圖5 基本噴油MAP圖

5 基本點火時刻MAP圖標定

5.1 點火控制與發(fā)動機特性

電控點火系統(tǒng)由ECU根據(jù)曲軸位置傳感器與凸輪軸位置傳感器判斷各缸的工作狀態(tài)，通過驅動點火線圈使火花塞產(chǎn)生高壓放電，從而點燃混合氣。為了增大點火能量，在自制電控線束中使用Bosch點火放大器。

在Link ECU中點火時刻以點火提前角θBTDC表示。對于點火提前角的修正Δθ包括諸如ECT修正、IAT修正等溫度修正。綜上所述，任意工況的點火時間為：θig=θBTDC+Δθ。

不同于點火時間控制，ECU對于點火能量的控制是通過充磁時間的長短來維持基本的點火能量。充磁時間太長會影響點火線圈的使用壽命，太短會導致失火。它是與電池電壓和轉速相關的量，隨電壓上升而下降，隨轉速增加而下降[10]。根據(jù)專業(yè)調(diào)校工程師的經(jīng)驗值，適用于高轉速摩托車發(fā)動機的充磁時間-電壓關系圖如圖6所示。

圖6 充磁時間-電池電壓圖

點火提前角過大會導致混合氣爆燃傾向增大，機械負荷和噪聲增大；點火提前角過小會導致排氣溫度上升，功率和熱效率降低。相關試驗證明，最佳點火提前角應使氣缸內(nèi)最高壓力出現(xiàn)在上止點后10～15°[2、11]。

高轉速時由于燃燒氣流的紊流，不同轉速下的燃燒情況相近。但是，隨著轉速的上升，由于缸內(nèi)工質(zhì)擾動加快了燃燒速度，所以點火提前角隨轉速的上升為非線性增大，隨轉速增大而增大的速度越來越慢。另外，大負荷情況下，燃燒加速，為減少爆震應該減小點火提前角[12]。

5.2 怠速點火提前角確定

除了通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度以及怠速空氣控制閥等改變氣缸充氣量的方式來穩(wěn)定怠速，改變點火提前角也對怠速穩(wěn)定性有較大影響。怠速工況下，點火提前角在較小范圍內(nèi)增大可以使轉速上升。反之，轉速下降[13]。

CBR600維修手冊中，原車怠速轉速為1400r/min，怠速點火提前角為-7°[14]，在臺架試驗中，不斷調(diào)整點火提前角，使怠速穩(wěn)定在1 800 r/min左右，既維持了怠速的燃油消耗率也保證了賽車能有較快的起步響應能力。由于怠速過程中，燃燒速度慢，燃燒過程占曲軸回轉角過大，會引起發(fā)動機冷卻液溫度上升。因此，當ECT較低時應該使點火提前角增大；當ECT過高時，應使點火提前角減小。經(jīng)臺架試驗所得怠速點火提前角MAP圖如圖7所示。

圖7 怠速點火提前角MAP圖

5.3 基本點火角標定試驗

對于某一個特定的工況點，存在一個最佳點火提前角，使發(fā)動機輸出功率最大和燃油經(jīng)濟性最佳。但是針對FSC賽事對動力的較大需求，在標定時采取最大扭矩原則。標定時，關閉所有點火提前角修正量。對于標定工況點的控制與上述標定噴油MAP圖相同。對于某一個標定工況點，設定一個能維持發(fā)動機基本運行的較小點火提前角，之后再以1～2°逐漸增加，當測功機測得的扭矩出現(xiàn)最大值時，這時的點火提前角即為該工況下的基本點火提前角。由于CBR600RR的爆震傳感器不適用于Link G4+。在大負荷工況點，仍先按照最大扭矩原則確定基本點火提前角，當逐漸增大數(shù)值時測功機測得扭矩值不再上升，按照專業(yè)汽車標定工程師的經(jīng)驗，將此時點火角減小1～2°以防止發(fā)動機爆震。按如此方法標定其他工況點，如此反復即可完成所有目標工況點點火提前角標定。經(jīng)標定試驗所得基本點火提前角MAP圖如圖8所示。

圖8 基本點火角MAP圖

6 ECU標定后發(fā)動機特性

衡量汽油機的使用特性有速度特性、負荷特性、萬有特性、排放特性、推進特性等。汽油機負荷特性是指轉速不變時，其燃油消耗率be隨功率pe的變化關系。對于FSC賽事，更關心的是汽油機的速度特性。汽油機速度特性是指節(jié)氣門開度不變的情況下，其輸出功率pe、輸出扭矩Ttq等性能指標隨轉速的變化關系[11]。

由臺架試驗測控臺記錄的數(shù)據(jù)，在MATLAB中對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到經(jīng)過進氣限流情況下的CBR600RR發(fā)動機部分速度特性曲線如圖9～16所示，外特性曲線如圖17所示。

圖9 節(jié)氣門開度15%部分負荷速度特性

圖10 節(jié)氣門開度20%部分負荷速度特性

圖11 節(jié)氣門開度30%部分負荷速度特性

圖12 節(jié)氣門開度40%部分負荷速度特性

圖13 節(jié)氣門開度50%部分負荷速度特性

圖14 節(jié)氣門開度60%部分負荷速度特性

圖15 節(jié)氣門開度70%部分負荷速度特性

圖16 節(jié)氣門開度80%部分負荷速度特性

圖17 外特性曲線

7 結論

1）通過使用Link G4+ECU，針對FSC賽事項目和賽道特點對大賽規(guī)則要求的限流情況下的CBR600RR發(fā)動機進行臺架標定試驗，在常用的轉速和負荷區(qū)間出現(xiàn)了預期希望的低轉速高扭拒的發(fā)動機輸出特性，而且高扭矩值覆蓋的轉速區(qū)間較廣，符合FSC賽車對加速性能的需求。

2）通過試驗對發(fā)動機不同工況區(qū)域的目標空燃比進行合理選擇，縮短了發(fā)動機標定所需的時間，同時保證了常用轉速區(qū)間的動力性。

1李理光.中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則（2016正式版）[EB/OL].http：//www.sae-china.org，2016-06-29

2呂彩琴.汽車發(fā)動機電控技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008

3夏淵，劉建華，張欣，等.發(fā)動機空燃比控制策略的研究[J].汽車工程，2002，24(1)：32-36

4林學東，王霆.車用發(fā)動機電子控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008

Calibration Text Research of CBR600 Engine based on Link G4+

Chen Ningte,Gao Huisong
Engineering College,Nanjing Agricultural University(Nanjing,Jiangsu,210031,China)

In the case of the restructuring of the original intake and exhaust system of motorcycle engine, calibration experiments were carried out using Link G4+storm ECU for CBR600 engine.The purpose is to solve the problem that under the flow restrictor in the rule of Formula Student China which causes engine charge efficiency reduced and machine do not match with original parameter and lead to power loss.In the experiment,setting maximum engine power as the target,,engine fuel injection MAP and ignition advanced angle MAP calibration was finished,correction of the fuel injection pulse width and ignition advance MAP was calibrated,and the whole MAP while matching was optimized.The engine external characteristic curve of restructured intake and exhaust system was obtained by experiment.During the real vehicle road test condition,Correcting environment parameters correcting and altering the part of cells of the whole MAPs were carried out for improving the accelerate performance of the racing car,and the environment parameters correction curves were put forward.

FSC,CBR600,Link G4+,Calibration experiments,Optimize MAP,Environment parameters correction curve

TK417+.12

A

2095-8234（2016）05-0027-07

蘇北科技專項（BN2016049）。

陳寧特（1995—），男，本科，主要研究方向為汽車發(fā)動機電子控制技術。

高輝松（1978—），男，博士，講師，主要研究方向為車輛電驅動及控制。