基于FSC 赛车的电控系统开发研究*

沈鹏飞 范昌易 毕凤荣

（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 天津 300072）

引言

发动机是决定大学生方程式大赛（FSC）赛车性能的动力总成，发动机电控系统是赛车动力总成中的重要部分，对赛车的动力性有重要影响。出于安全性考虑，赛事组委会做出了一系列强制性规定。其中，在动力总成方面，限制了发动机排量，规定发动机进气系统必须经过一段直径为20 mm 的限流阀，限流阀安装在节气门后[1]。使得发动机的进气效率受到影响，原机ECU 无法准确判断发动机工况，导致参数不匹配，发动机不能正常工作。为此，有必要重新设计发动机电控系统，以减少进排气系统的变化对动力总成的性能产生影响。

1 电控系统组成

1.1 电控系统架构

赛车的动力总成使用本田Honda CBR600_rr 发动机，核心控制器为Link ECU，传感器包括节气门位置传感器、进气歧管压力温度传感器、冷却液温度传感器、氧传感器、曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器等。执行器包括喷油器、点火线圈、燃油泵、风扇等。ECU、传感器、执行器之间的通讯通过CAN 总线来实现。电控系统整体架构示意图如图1所示。

图1 FSC 赛车电控系统的构成

1.2 发动机参数

本田Honda CBR600_rr 发动机是中国大学生方程式大赛赛车的主流机型，该型号发动机的最大特点是体积小且结构紧凑，配备一体式序列变速箱，因此能给赛车动力总成其他部件提供更多的安装空间。本文的电控系统设计以该型号发动机为载体，在新的进排气系统下，更换原机ECU 和传感器，以期在经济性和动力性两方面达到发动机的最佳效果。表1 为该型号发动机的主要技术参数。

表1 试验用发动机的主要技术参数

1.3 电控系统ECU

Link G4+Fury 是Link 公司开发的一款全替代式独立ECU 产品，最多支持8 缸发动机的电控系统，在摩托车、赛车等各种中小型发动机电控系统中应用广泛[2]。Link ECU 通过辅助端口可以控制配套的继电器、电磁阀、喷油嘴、风扇等设备，并且拥有相对独立的数字信号输入端口和模拟信号输入端口。在标定策略方面，Link ECU 内嵌ECT（发动机冷却液温度）修正、IAT（进气温度）修正、冷机启动加浓等修正方式。标定工程师可以使用PC 机的USB 接口，通过配套的PC-link 软件链接ECU，实现数据的采集和记录，并通过软件设置的表格进行展示、分析和调整。

2 传感器、主要执行器及其标定

2.1 曲轴位置和凸轮轴位置传感器

用气缸压力传感器首先对一缸上止点位置进行标定，并根据点火顺序确定其他气缸的上止点。曲轴信号、凸轮轴信号和气缸压力信号等3 路信号的测量结果如图2 所示。图中，黄色线（最上面的线）为停机状态下的气缸压力信号，绿色线（中间的线）为曲轴位置传感器信号，粉色线（最下面的线）为凸轮轴位置传感器信号。

图2 曲轴信号、凸轮轴信号和气缸压力信号

曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器均为磁电式传感器。每循环的曲轴齿数为24 齿，凸轮轴齿数为2+1 齿。标定结果显示，凸轮轴信号达到连续双峰（连续2 个最高点）后再经过3 个曲轴齿便达到一缸压缩上止点。

2.2 车速传感器

车速传感器安装在变速箱输出轴处，类型为霍尔传感器，输出轴每转一圈，发出29 个方波信号，方波信号为图3 中的黄色线。

图3 车速传感器信号

2.3 进气压力、温度传感器

进气压力、温度传感器采用BOSCH 公司生产的产品，基本特征参数如表2 所示。

表2 进气压力、温度传感器量程参数

经过传感器标定，传感器压力参数表示为线性：

式中：U 表示传感器输出电压，mV；p 为传感器位置的压力，MPa；k=40 470 mV/MPa；b=4.76 mV。

温度参数标定为非线性，表现为热敏电阻阻值随温度下降而曲线下降，如图4 所示。

图4 传感器温度特性

2.4 冷却液温度传感器

冷却液温度常被看做为发动机循环的温度，因而根据冷却液温度传感器测得的发动机温度，ECU可进行工况判断等工作，进而对发动机施加不同的控制。冷却液温度传感器采用BOSCH 公司生产的产品，安装在节温器位置，测量量程为-40～160 ℃，常用阻值（20 ℃下）为2.5 kΩ。经过标定，冷却液温度传感器参数特征如图5 所示。

2.5 节气门位置传感器

图5 冷却液温度传感器标定曲线

试验采用东联公司生产的节气门体，自带节气门位置传感器和怠速步进电机。ECU 对其5 V 供电后的标定数据如表3 及图6 所示。

表3 节气门位置传感器标定数据

图6 节气门位置传感器标定曲线

2.6 氧传感器

Link ECU 使用的氧传感器为Bosch LSU 4.9 宽域传感器，该传感器测量工况范围广，在过量空气系数为0.7～1.3 的范围内都很准确，尤其是在空燃比比较大（混合气较稀）的情况下有很好的测量精度。另一个优点是响应速度快，对空燃比的变化敏感，动态响应快。

2.7 执行器

2.7.1 空挡开关

空挡开关位于变速箱输出轴处，当发动机处于空挡时，空挡开关闭合接地；当发动机处于其他挡位时，空挡开关断开。通过接发光二极管显示空挡信息。

2.7.2 喷油器

喷油器从全闭到全开需要一定的时间，因此，需要对喷油器的流量特性进行标定，即确定喷出一定量燃油，喷油器实际需要开启的时间（包括无效时间）。通过程序更改喷油器的开启时间，用精密量筒测量喷油器喷射2 000 次的燃油体积，进而确定单次喷油量与开启时间之间的对应关系。喷油器的喷油流量特性如表4 所示。根据表4，将基本喷油脉宽设定为10 ms。

表4 喷油器喷油流量特性

在Link ECU 的程序设计中，有喷油嘴死区时间的修正。喷油嘴死区是指由于流体力学原因，在某个时间内，燃油只发生局部流动，而不进行有效喷油。喷油嘴死区时间与电池电压有关，具体表现为喷油嘴死区时间随着电池电压的降低而变长。因此，根据经验，设定喷油嘴死区时间表，修正喷油嘴无效喷油。喷油嘴死区时间修正图如图7 所示。

图7 喷油嘴死区时间修正图

2.7.3 点火线圈

为了使火花塞能够提供尽可能大的点火能量，应使点火闭合角足够大。测量的怠速点火信号如图8所示。

图8 怠速时点火参数测量信号

图8 中，绿色线（最上面的线）为曲轴信号，粉色线（中间的线）为凸轮轴信号，蓝色线（最下面的线）为点火线圈电流信号。试验分别测量了怠速工况和7 800 r/min 转速时的点火参数，2 组参数对比如表5所示。对比显示，随着转速的提高，点火提前角和点火闭合角都增大。

表5 不同工况的点火参数对比

3 标定策略

尽管不同发动机电控系统的控制逻辑不尽相同，但控制的基本目的是一定的，即根据发动机的实时参数，判断发动机所处的工作状态，选择最佳的点火提前角和喷油脉宽，并采用合适的修正措施[3]。

3.1 工况选取原则

发动机工况一般是根据发动机的转速和负荷来划分的，而负荷则由节气门开度或进气压力来衡量。因此形成了不同的工况选取方法。在本文标定的Link ECU 中，基本喷油脉谱的工况划分采用MAP（manifold absolute pressure sensor，进气压力传感器）方法，即按照进气压力和发动机转速来划分工况；基本点火提前角脉谱的工况划分采用TPS（throttle position sensor，节气门位置传感器）方法，即按照节气门开度（0～100%）和发动机转速来划分工况[4]。

工况的选择应该遵循以下2 个准则：

1）在发动机控制量变化趋势大的区间密集取点，变化趋势小的区间稀疏取点。

2）在使用频率高的区间密集取点。

ECU 对发动机的控制是根据标定时工况的数据采用插值法计算进行的，因此，工况设置越密集，意味着ECU 的控制越精确。然而，工况设置密集，会延长计算时间。因此，工况密度适当，对ECU 控制的精确性和效率的提高有很大帮助。根据赛车练习数据和比赛数据，FSC 赛车发动机常用转速在5 000～11 000 r/min 之间，节气门常用开度在35%～70%左右，因此，在这些区间适当精细标定。

3.2 目标空燃比的区域划分与预设

空燃比α 是指混合气在气缸内燃烧时空气与燃料的质量之比，是发动机动力控制的核心。方程式比赛赛况激烈，赛车的动力性需求随不同赛况而改变，因此在预设目标空燃比时，要划分不同区域，差别设定。

试验证明，混合气的空燃比略小于14.7（理论空燃比），范围大约在12～13 时，火焰平均传播速度最高，缸内压力最大，发动机输出最大功率。此时的空燃比称为功率空燃比[5]。当空燃比达到16 时，混合气略稀，此时，空气过量，而燃油完全燃烧，发动机燃油消耗率最低，此时的空燃比称为经济空燃比。而转矩峰值往往在空燃比约为12.5 时出现，相应的过量空气系数为0.85[6]。

Link ECU 配套使用的标定软件PC-link 中，目标空燃比的设定是以换算为过量空气系数Φat 来实现的。以节气门开度和发动机转速为划分依据，目标空燃比脉谱图划分成5 个区域：怠速区、过渡区、中等负荷区、大负荷区以及非常用转速区。在怠速区，设定较小的过量空气系数来提供较浓的混合气，有利于提高怠速稳定性和抗干扰性。在过渡区到中等负荷区，设置目标过量空气系数稍大，混合气较稀，提高燃油经济性；而在大负荷区域，设定目标过量空气系数较小，混合气较浓，保证赛车发动机动力性良好。

根据赛事和训练中采集的车辆数据，发动机大部分时间处于中低速工况即过渡工况，节气门开度主要为30%～65%，常用转速在6 500～10 000 r/min范围内。在直线加速比赛项目，发动机节气门全开，转速在7 000～12 500 r/min 之间。因此，在设定目标过量空气系数脉谱图时，对这些区域进行了进一步修正。在这些工况区间，稍微加浓了混合气，以适应赛车动力性的需求。图9 展示了标定软件PC-link 的目标过量空气系数的设定界面以及具体值的设定，其中标红部分的目标过量空气系数均进行了加浓修正。

图9 PC-link 目标过量空气系数设置界面

4 匹配标定试验

匹配标定试验实质上是不断权衡发动机动力性、经济性和排放性能3 者之间矛盾的过程，且根据发动机的实际情况有所偏重[7]。目前，在排放法规更新、排放标准更加细化和严格的情况下，各大汽车厂商在对旧机型的重新标定或对新机型的标定中，都十分注重排放性能的要求。对于方程式赛车来说，动力性更需要被强调，需要有满意的转矩和转速输出。另外，中国大学生方程式大赛中有燃油经济性项目。因此，经济性是本文标定过程中需要关注的一项指标。

4.1 喷油脉宽标定

4.1.1 电控喷射方式的选择

软件PC-Link 的设置中，在对电控喷射的模型选择中，提供了2 种方式：

1）节气门速度方式（Load=BAP）。利用发动机转速传感器和节气门位置传感器判断发动机的负荷情况，为间接喷射控制方法。

2）质量流量方式（Load=MAP）。通过发动机转速和进气管压力、发动机冷却液温度等参数直接计算出每次循环的进气量。

考虑到传感器的安装以及工况划分的情况，采用质量流量的方式更合适，即以进气压力传感器信号作为发动机负荷的判断依据。

4.1.2 喷油脉谱的标定及结果

标定过程中，首先进行的是低转速和小节气门开度工况下的喷油脉宽标定。在这些工况稳定后，再逐渐向其他工况扩展。因此，需要预设置启动工况和怠速工况的喷油脉宽，保证发动机正常点火。这些预设置需要根据经验和历史数据来设定，如图10 和图11 所示。

图10 启动工况喷油脉谱图

图11 怠速工况喷油脉谱图

在之前的设定中，已经根据不同工况的特征划分了区域并设定了目标空燃比，标定喷油脉谱以目标空燃比为参照进行。首先关闭除喷油嘴死区时间修正以外的全部喷油修正控制，然后在每个工况，保持节气门开度和转速不变，手动调整每个工况的喷油脉宽数值，以宽域氧传感器反馈的空燃比数值达到目标空燃比为调整目标，直至PC-link 软件界面的空燃比数值与目标值贴合，此喷油脉宽即为该工况的基本喷油脉宽。如此反复，即可完成整个喷油脉宽脉谱图的标定。

对于部分在电涡流测功机上不能达到的工况，如大负荷低转速、小负荷高转速，Link ECU 提供了递推功能解决这一问题。根据进气充量系数随发动机转速升高而下降的性质，科学地进行递推，得到喷油脉宽数值。经标定试验，得到的基本喷油脉谱图如图12 所示。

图12 基本喷油脉谱图

4.2 点火提前角标定

发动机点火系统通过调节点火提前角参数来确定点火时刻。点火提前角的标定是通过脉谱图来实现的。

标定点火提前角存在2 个极限，在这2 个极限之间的点火提前角都可以使发动机正常工作。第一个极限为排气温度极限。当点火提前角过小时，发动机点火过迟，缸内的燃烧延长到做功行程，造成最高压力和最高温度下降，传热损失增大，热效率和功率下降，排气温度升高，但此时发动机爆震倾向减小，排放性能更优。另一个极限为爆震极限。当点火提前角过大时，混合气大部分在压缩行程燃烧完全，活塞消耗的压缩功增加，最高压力上升，末端混合气燃烧前的温度比较高，最终造成爆震现象[8-9]。

发动机的动力性、经济性和排放性能都受到点火提前角的影响。对于每个工况，在两个极限之间都存在一个最佳点火提前角，此时，发动机的动力性（输出功率最高）、经济性（燃油消耗率最低）都处于最佳。根据标定经验，在最佳点火提前角下，气缸最高压力大多出现在上止点后10～15°CA，这种特点可以用来验证点火提前角标定的准确性。

4.2.1 怠速点火提前角标定

发动机进气系统加装了喉管，同时更换了节气门，导致怠速转速很难维持到原机的1 400r/min，除了通过调节节气门开度和怠速空气控制阀来改变进气充量系数稳定怠速外，改变点火提前角也可以对怠速稳定性产生影响。台架标定后，发动机怠速稳定在1 900r/min 左右，确保赛车较快地起步响应的同时，维持了燃油消耗率不变。标定之后得到的点火提前角脉谱图如图13 所示。

图13 怠速工况点火提前角脉谱图

4.2.2 基本点火提前角标定

对于FSC 赛车来说，动力性是第一位的需求。因此，在尽量兼顾经济性的同时，标定采取最大转矩原则。关闭ECU 所有对点火时刻的修正，在每一个工况把点火提前角尽可能调到最大，然后每隔3°CA 的间隔，将点火提前角调小，直至输出转矩达到最大，此时的点火提前角即为发动机在该工况下的基本点火提前角。由于原机的爆震传感器不适用于Link ECU，因此，需要进行必要的防爆震修正。根据专业标定工程师的标定经验，在用最大转矩法测得基本点火提前角之后，在大负荷工况将点火提前角减小1～2°CA[9]。将此方法覆盖每一个工况，即可得到该发动机系统完整的点火提前角脉谱图，如图14 所示。

图14 基本点火提前角脉谱图

4.3 外特性转矩、功率曲线对比

衡量汽油机的使用特性有速度特性、负荷特性、万有特性、排放特性、推进特性等[10]。对于FSC 赛事，最关心的是速度特性。内燃机的速度特性是指在供油量调节机构（汽油机为节气门）保持不变的情况下，性能指标（主要指转矩、功率等）随转速的变化关系。汽油机节气门全开时得到的速度特性称为汽油机的外特性。考虑到赛车在赛道加速时通常运行在外特性下，因此，台架试验中，通过同时调节喷油量和点火提前角来优化外特性曲线，使发动机最大限度地发挥出其转矩和功率潜力。标定后，发动机的最大功率可达62 kW，最大转矩为56.3 N·m。2 者标定前后的对比分析分别如图15、图16 所示。图中，橙色线为标定后数据，蓝色线为标定前数据。

图15 功率对比

图16 转矩对比

从图15、图16 的对比可知，标定后，发动机的输出功率和转矩都有所提高。标定后，峰值功率提高了50%，峰值转矩提高了42%，初步达到了标定的效果。

5 结论

1）标定后的点火提前角脉谱大体趋势为：点火提前角脉宽随着转速增加先增大后减小，随着负荷增大而持续减小。原因是：高转速时，由于进气处于紊流状态，充量系数基本相同，使缸内燃烧情况相似；随着转速升高，缸内工质扰动，使燃烧速度加快，因而点火提前角随转速升高而增大的速度减缓乃至变为减小趋势。随着负荷的增大，为减少爆震，应该持续减小点火提前角。

2）试验中，对不同工况进行了区域划分，并预设了合理的目标空燃比，缩短了发动机标定时间，保证了赛车动力性。