基于FSC 賽車的電控系統開發研究*

沈鵬飛 范昌易 畢鳳榮

（天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室 天津 300072）

引言

發動機是決定大學生方程式大賽（FSC）賽車性能的動力總成，發動機電控系統是賽車動力總成中的重要部分，對賽車的動力性有重要影響。出于安全性考慮，賽事組委會做出了一系列強制性規定。其中，在動力總成方面，限制了發動機排量，規定發動機進氣系統必須經過一段直徑為20 mm 的限流閥，限流閥安裝在節氣門后[1]。使得發動機的進氣效率受到影響，原機ECU 無法準確判斷發動機工況，導致參數不匹配，發動機不能正常工作。為此，有必要重新設計發動機電控系統，以減少進排氣系統的變化對動力總成的性能產生影響。

1 電控系統組成

1.1 電控系統架構

賽車的動力總成使用本田Honda CBR600_rr 發動機，核心控制器為Link ECU，傳感器包括節氣門位置傳感器、進氣歧管壓力溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、氧傳感器、曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器等。執行器包括噴油器、點火線圈、燃油泵、風扇等。ECU、傳感器、執行器之間的通訊通過CAN 總線來實現。電控系統整體架構示意圖如圖1所示。

圖1 FSC 賽車電控系統的構成

1.2 發動機參數

本田Honda CBR600_rr 發動機是中國大學生方程式大賽賽車的主流機型，該型號發動機的最大特點是體積小且結構緊湊，配備一體式序列變速箱，因此能給賽車動力總成其他部件提供更多的安裝空間。本文的電控系統設計以該型號發動機為載體，在新的進排氣系統下，更換原機ECU 和傳感器，以期在經濟性和動力性兩方面達到發動機的最佳效果。表1 為該型號發動機的主要技術參數。

表1 試驗用發動機的主要技術參數

1.3 電控系統ECU

Link G4+Fury 是Link 公司開發的一款全替代式獨立ECU 產品，最多支持8 缸發動機的電控系統，在摩托車、賽車等各種中小型發動機電控系統中應用廣泛[2]。Link ECU 通過輔助端口可以控制配套的繼電器、電磁閥、噴油嘴、風扇等設備，并且擁有相對獨立的數字信號輸入端口和模擬信號輸入端口。在標定策略方面，Link ECU 內嵌ECT（發動機冷卻液溫度）修正、IAT（進氣溫度）修正、冷機啟動加濃等修正方式。標定工程師可以使用PC 機的USB 接口，通過配套的PC-link 軟件鏈接ECU，實現數據的采集和記錄，并通過軟件設置的表格進行展示、分析和調整。

2 傳感器、主要執行器及其標定

2.1 曲軸位置和凸輪軸位置傳感器

用氣缸壓力傳感器首先對一缸上止點位置進行標定，并根據點火順序確定其他氣缸的上止點。曲軸信號、凸輪軸信號和氣缸壓力信號等3 路信號的測量結果如圖2 所示。圖中，黃色線（最上面的線）為停機狀態下的氣缸壓力信號，綠色線（中間的線）為曲軸位置傳感器信號，粉色線（最下面的線）為凸輪軸位置傳感器信號。

圖2 曲軸信號、凸輪軸信號和氣缸壓力信號

曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器均為磁電式傳感器。每循環的曲軸齒數為24 齒，凸輪軸齒數為2+1 齒。標定結果顯示，凸輪軸信號達到連續雙峰（連續2 個最高點）后再經過3 個曲軸齒便達到一缸壓縮上止點。

2.2 車速傳感器

車速傳感器安裝在變速箱輸出軸處，類型為霍爾傳感器，輸出軸每轉一圈，發出29 個方波信號，方波信號為圖3 中的黃色線。

圖3 車速傳感器信號

2.3 進氣壓力、溫度傳感器

進氣壓力、溫度傳感器采用BOSCH 公司生產的產品，基本特征參數如表2 所示。

表2 進氣壓力、溫度傳感器量程參數

經過傳感器標定，傳感器壓力參數表示為線性：

式中：U 表示傳感器輸出電壓，mV；p 為傳感器位置的壓力，MPa；k=40 470 mV/MPa；b=4.76 mV。

溫度參數標定為非線性，表現為熱敏電阻阻值隨溫度下降而曲線下降，如圖4 所示。

圖4 傳感器溫度特性

2.4 冷卻液溫度傳感器

冷卻液溫度常被看做為發動機循環的溫度，因而根據冷卻液溫度傳感器測得的發動機溫度，ECU可進行工況判斷等工作，進而對發動機施加不同的控制。冷卻液溫度傳感器采用BOSCH 公司生產的產品，安裝在節溫器位置，測量量程為-40～160 ℃，常用阻值（20 ℃下）為2.5 kΩ。經過標定，冷卻液溫度傳感器參數特征如圖5 所示。

2.5 節氣門位置傳感器

圖5 冷卻液溫度傳感器標定曲線

試驗采用東聯公司生產的節氣門體，自帶節氣門位置傳感器和怠速步進電機。ECU 對其5 V 供電后的標定數據如表3 及圖6 所示。

表3 節氣門位置傳感器標定數據

圖6 節氣門位置傳感器標定曲線

2.6 氧傳感器

Link ECU 使用的氧傳感器為Bosch LSU 4.9 寬域傳感器，該傳感器測量工況范圍廣，在過量空氣系數為0.7～1.3 的范圍內都很準確，尤其是在空燃比比較大（混合氣較稀）的情況下有很好的測量精度。另一個優點是響應速度快，對空燃比的變化敏感，動態響應快。

2.7 執行器

2.7.1 空擋開關

空擋開關位于變速箱輸出軸處，當發動機處于空擋時，空擋開關閉合接地；當發動機處于其他擋位時，空擋開關斷開。通過接發光二極管顯示空擋信息。

2.7.2 噴油器

噴油器從全閉到全開需要一定的時間，因此，需要對噴油器的流量特性進行標定，即確定噴出一定量燃油，噴油器實際需要開啟的時間（包括無效時間）。通過程序更改噴油器的開啟時間，用精密量筒測量噴油器噴射2 000 次的燃油體積，進而確定單次噴油量與開啟時間之間的對應關系。噴油器的噴油流量特性如表4 所示。根據表4，將基本噴油脈寬設定為10 ms。

表4 噴油器噴油流量特性

在Link ECU 的程序設計中，有噴油嘴死區時間的修正。噴油嘴死區是指由于流體力學原因，在某個時間內，燃油只發生局部流動，而不進行有效噴油。噴油嘴死區時間與電池電壓有關，具體表現為噴油嘴死區時間隨著電池電壓的降低而變長。因此，根據經驗，設定噴油嘴死區時間表，修正噴油嘴無效噴油。噴油嘴死區時間修正圖如圖7 所示。

圖7 噴油嘴死區時間修正圖

2.7.3 點火線圈

為了使火花塞能夠提供盡可能大的點火能量，應使點火閉合角足夠大。測量的怠速點火信號如圖8所示。

圖8 怠速時點火參數測量信號

圖8 中，綠色線（最上面的線）為曲軸信號，粉色線（中間的線）為凸輪軸信號，藍色線（最下面的線）為點火線圈電流信號。試驗分別測量了怠速工況和7 800 r/min 轉速時的點火參數，2 組參數對比如表5所示。對比顯示，隨著轉速的提高，點火提前角和點火閉合角都增大。

表5 不同工況的點火參數對比

3 標定策略

盡管不同發動機電控系統的控制邏輯不盡相同，但控制的基本目的是一定的，即根據發動機的實時參數，判斷發動機所處的工作狀態，選擇最佳的點火提前角和噴油脈寬，并采用合適的修正措施[3]。

3.1 工況選取原則

發動機工況一般是根據發動機的轉速和負荷來劃分的，而負荷則由節氣門開度或進氣壓力來衡量。因此形成了不同的工況選取方法。在本文標定的Link ECU 中，基本噴油脈譜的工況劃分采用MAP（manifold absolute pressure sensor，進氣壓力傳感器）方法，即按照進氣壓力和發動機轉速來劃分工況；基本點火提前角脈譜的工況劃分采用TPS（throttle position sensor，節氣門位置傳感器）方法，即按照節氣門開度（0～100%）和發動機轉速來劃分工況[4]。

工況的選擇應該遵循以下2 個準則：

1）在發動機控制量變化趨勢大的區間密集取點，變化趨勢小的區間稀疏取點。

2）在使用頻率高的區間密集取點。

ECU 對發動機的控制是根據標定時工況的數據采用插值法計算進行的，因此，工況設置越密集，意味著ECU 的控制越精確。然而，工況設置密集，會延長計算時間。因此，工況密度適當，對ECU 控制的精確性和效率的提高有很大幫助。根據賽車練習數據和比賽數據，FSC 賽車發動機常用轉速在5 000～11 000 r/min 之間，節氣門常用開度在35%～70%左右，因此，在這些區間適當精細標定。

3.2 目標空燃比的區域劃分與預設

空燃比α 是指混合氣在氣缸內燃燒時空氣與燃料的質量之比，是發動機動力控制的核心。方程式比賽賽況激烈，賽車的動力性需求隨不同賽況而改變，因此在預設目標空燃比時，要劃分不同區域，差別設定。

試驗證明，混合氣的空燃比略小于14.7（理論空燃比），范圍大約在12～13 時，火焰平均傳播速度最高，缸內壓力最大，發動機輸出最大功率。此時的空燃比稱為功率空燃比[5]。當空燃比達到16 時，混合氣略稀，此時，空氣過量，而燃油完全燃燒，發動機燃油消耗率最低，此時的空燃比稱為經濟空燃比。而轉矩峰值往往在空燃比約為12.5 時出現，相應的過量空氣系數為0.85[6]。

Link ECU 配套使用的標定軟件PC-link 中，目標空燃比的設定是以換算為過量空氣系數Φat 來實現的。以節氣門開度和發動機轉速為劃分依據，目標空燃比脈譜圖劃分成5 個區域：怠速區、過渡區、中等負荷區、大負荷區以及非常用轉速區。在怠速區，設定較小的過量空氣系數來提供較濃的混合氣，有利于提高怠速穩定性和抗干擾性。在過渡區到中等負荷區，設置目標過量空氣系數稍大，混合氣較稀，提高燃油經濟性；而在大負荷區域，設定目標過量空氣系數較小，混合氣較濃，保證賽車發動機動力性良好。

根據賽事和訓練中采集的車輛數據，發動機大部分時間處于中低速工況即過渡工況，節氣門開度主要為30%～65%，常用轉速在6 500～10 000 r/min范圍內。在直線加速比賽項目，發動機節氣門全開，轉速在7 000～12 500 r/min 之間。因此，在設定目標過量空氣系數脈譜圖時，對這些區域進行了進一步修正。在這些工況區間，稍微加濃了混合氣，以適應賽車動力性的需求。圖9 展示了標定軟件PC-link 的目標過量空氣系數的設定界面以及具體值的設定，其中標紅部分的目標過量空氣系數均進行了加濃修正。

圖9 PC-link 目標過量空氣系數設置界面

4 匹配標定試驗

匹配標定試驗實質上是不斷權衡發動機動力性、經濟性和排放性能3 者之間矛盾的過程，且根據發動機的實際情況有所偏重[7]。目前，在排放法規更新、排放標準更加細化和嚴格的情況下，各大汽車廠商在對舊機型的重新標定或對新機型的標定中，都十分注重排放性能的要求。對于方程式賽車來說，動力性更需要被強調，需要有滿意的轉矩和轉速輸出。另外，中國大學生方程式大賽中有燃油經濟性項目。因此，經濟性是本文標定過程中需要關注的一項指標。

4.1 噴油脈寬標定

4.1.1 電控噴射方式的選擇

軟件PC-Link 的設置中，在對電控噴射的模型選擇中，提供了2 種方式：

1）節氣門速度方式（Load=BAP）。利用發動機轉速傳感器和節氣門位置傳感器判斷發動機的負荷情況，為間接噴射控制方法。

2）質量流量方式（Load=MAP）。通過發動機轉速和進氣管壓力、發動機冷卻液溫度等參數直接計算出每次循環的進氣量。

考慮到傳感器的安裝以及工況劃分的情況，采用質量流量的方式更合適，即以進氣壓力傳感器信號作為發動機負荷的判斷依據。

4.1.2 噴油脈譜的標定及結果

標定過程中，首先進行的是低轉速和小節氣門開度工況下的噴油脈寬標定。在這些工況穩定后，再逐漸向其他工況擴展。因此，需要預設置啟動工況和怠速工況的噴油脈寬，保證發動機正常點火。這些預設置需要根據經驗和歷史數據來設定，如圖10 和圖11 所示。

圖10 啟動工況噴油脈譜圖

圖11 怠速工況噴油脈譜圖

在之前的設定中，已經根據不同工況的特征劃分了區域并設定了目標空燃比，標定噴油脈譜以目標空燃比為參照進行。首先關閉除噴油嘴死區時間修正以外的全部噴油修正控制，然后在每個工況，保持節氣門開度和轉速不變，手動調整每個工況的噴油脈寬數值，以寬域氧傳感器反饋的空燃比數值達到目標空燃比為調整目標，直至PC-link 軟件界面的空燃比數值與目標值貼合，此噴油脈寬即為該工況的基本噴油脈寬。如此反復，即可完成整個噴油脈寬脈譜圖的標定。

對于部分在電渦流測功機上不能達到的工況，如大負荷低轉速、小負荷高轉速，Link ECU 提供了遞推功能解決這一問題。根據進氣充量系數隨發動機轉速升高而下降的性質，科學地進行遞推，得到噴油脈寬數值。經標定試驗，得到的基本噴油脈譜圖如圖12 所示。

圖12 基本噴油脈譜圖

4.2 點火提前角標定

發動機點火系統通過調節點火提前角參數來確定點火時刻。點火提前角的標定是通過脈譜圖來實現的。

標定點火提前角存在2 個極限，在這2 個極限之間的點火提前角都可以使發動機正常工作。第一個極限為排氣溫度極限。當點火提前角過小時，發動機點火過遲，缸內的燃燒延長到做功行程，造成最高壓力和最高溫度下降，傳熱損失增大，熱效率和功率下降，排氣溫度升高，但此時發動機爆震傾向減小，排放性能更優。另一個極限為爆震極限。當點火提前角過大時，混合氣大部分在壓縮行程燃燒完全，活塞消耗的壓縮功增加，最高壓力上升，末端混合氣燃燒前的溫度比較高，最終造成爆震現象[8-9]。

發動機的動力性、經濟性和排放性能都受到點火提前角的影響。對于每個工況，在兩個極限之間都存在一個最佳點火提前角，此時，發動機的動力性（輸出功率最高）、經濟性（燃油消耗率最低）都處于最佳。根據標定經驗，在最佳點火提前角下，氣缸最高壓力大多出現在上止點后10～15°CA，這種特點可以用來驗證點火提前角標定的準確性。

4.2.1 怠速點火提前角標定

發動機進氣系統加裝了喉管，同時更換了節氣門，導致怠速轉速很難維持到原機的1 400r/min，除了通過調節節氣門開度和怠速空氣控制閥來改變進氣充量系數穩定怠速外，改變點火提前角也可以對怠速穩定性產生影響。臺架標定后，發動機怠速穩定在1 900r/min 左右，確保賽車較快地起步響應的同時，維持了燃油消耗率不變。標定之后得到的點火提前角脈譜圖如圖13 所示。

圖13 怠速工況點火提前角脈譜圖

4.2.2 基本點火提前角標定

對于FSC 賽車來說，動力性是第一位的需求。因此，在盡量兼顧經濟性的同時，標定采取最大轉矩原則。關閉ECU 所有對點火時刻的修正，在每一個工況把點火提前角盡可能調到最大，然后每隔3°CA 的間隔，將點火提前角調小，直至輸出轉矩達到最大，此時的點火提前角即為發動機在該工況下的基本點火提前角。由于原機的爆震傳感器不適用于Link ECU，因此，需要進行必要的防爆震修正。根據專業標定工程師的標定經驗，在用最大轉矩法測得基本點火提前角之后，在大負荷工況將點火提前角減小1～2°CA[9]。將此方法覆蓋每一個工況，即可得到該發動機系統完整的點火提前角脈譜圖，如圖14 所示。

圖14 基本點火提前角脈譜圖

4.3 外特性轉矩、功率曲線對比

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[10]。對于FSC 賽事，最關心的是速度特性。內燃機的速度特性是指在供油量調節機構（汽油機為節氣門）保持不變的情況下，性能指標（主要指轉矩、功率等）隨轉速的變化關系。汽油機節氣門全開時得到的速度特性稱為汽油機的外特性。考慮到賽車在賽道加速時通常運行在外特性下，因此，臺架試驗中，通過同時調節噴油量和點火提前角來優化外特性曲線，使發動機最大限度地發揮出其轉矩和功率潛力。標定后，發動機的最大功率可達62 kW，最大轉矩為56.3 N·m。2 者標定前后的對比分析分別如圖15、圖16 所示。圖中，橙色線為標定后數據，藍色線為標定前數據。

圖15 功率對比

圖16 轉矩對比

從圖15、圖16 的對比可知，標定后，發動機的輸出功率和轉矩都有所提高。標定后，峰值功率提高了50%，峰值轉矩提高了42%，初步達到了標定的效果。

5 結論

1）標定后的點火提前角脈譜大體趨勢為：點火提前角脈寬隨著轉速增加先增大后減小，隨著負荷增大而持續減小。原因是：高轉速時，由于進氣處于紊流狀態，充量系數基本相同，使缸內燃燒情況相似；隨著轉速升高，缸內工質擾動，使燃燒速度加快，因而點火提前角隨轉速升高而增大的速度減緩乃至變為減小趨勢。隨著負荷的增大，為減少爆震，應該持續減小點火提前角。

2）試驗中，對不同工況進行了區域劃分，并預設了合理的目標空燃比，縮短了發動機標定時間，保證了賽車動力性。