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发动机控制器匹配简述

一.发动机匹配工作和发动机管理系统（EMS）

一.发动机匹配工作的目标

发动机匹配工作的目标：

1 通过发动机台架的匹配，使发动机具有良好的稳态性能，在保证发动机工作可靠性（无爆震，无过热）的情况下，达到发动机的设计功率，扭矩和油耗性能。

2 通过对发动机在车辆上的匹配，使发动机与车辆其他系统（各种电器负载，传动系统，制动系统，三元催化转化器等等）协调工作，保证发动机在各种环境和工作条件下，都具有良好的起动怠速性能，良好的驾驶舒适性和排放性能。同时还要进行完善的车载诊断系统（OBD）的匹配。

3 通过高温，高寒和高原等道路环境试验，对匹配好的各种性能进行全方位地验证，保证发动机和车辆在各种情况下都能达到既定的安全，环保和驾驶舒适性等严格的指标。

对于汽油机来说，技术上就是控制进气（合理的配气相位，节气门开度等）、喷油（最佳的空燃比）及点火（合适的点火提前角）三者的配合。

需要加以说明的是，发动机的动力性能和经济性能的最大潜力取决于发动机的本体设计，发动机匹配工作只不过是努力使这些潜力得

到挖掘或协调。例如，汽油机通过改变进气量来改变输出的扭矩和功率，进排气系统的设计决定了发动机的充气效率，因此当发动机结构确定时，一定工况下发动机的最大充气量就已确定，发动机的动力性能也就确定；又如，发动机的工作效率，即燃油经济性，决定于燃烧效率及机械效率，通过改变喷油时间、喷油量以及点火提前角可以改善燃油经济性，但是不能突破由于发动机设计限定的燃油经济性极限。

二.发动机管理系统（EMS）和电子控制单元（ECU）

发动机管理系统（Engine Management System, 缩写为EMS）：1979年，BOSCH公司将点火提前角电子控制与燃油定量电子控制融为一体，开发出Motronic,并引入爆震控制、排气再循环等，以满足更趋严格的性能和排放要求，其电子控制范围覆盖整个发动机，称为发动机电子管理系统，其核心是燃油定量和点火正时电子控制。

目前，各种发动机电子管理系统已经成为提高燃油经济性和满足更为严格的排放法规的决定性因素。

发动机管理系统以电子控制单元（Electronic Control Unit,以下简称ECU）为中心，ECU接受来自传感器的各种信息，经过处理、分析以后，发出控制信号给各种执行器。在发动机匹配工作中，就是通过各种匹配实验，对ECU各种参数进行设置，从而达到发动机匹配工作的目标。

三.发动机匹配工作

发动机匹配工作就是在某个确定的发动机管理系统（EMS）

下，通过各种项目匹配，为发动机控制器（ECU）各类参数设置合适的值，以达到汽车的动力性、经济性、可靠性、安全性、排污性而确定的各工况最佳空燃比、最佳点火提前角的要求。

发动机匹配工作是为众多的匹配参数设置合适的值，匹配参数的数量随着系统的复杂程度、控制软件的先进程度的变化而变化的。这些匹配参数有些是特性值，有些是一条二维特性曲线，有些则是矩阵（三维特性图），匹配参数的确定需要通过大量的试验和数据分析而得。

四. 发动机匹配的标准流程

一般来说，在项目确定后，发动机匹配工作可以分为四个阶段，即：项目准备阶段、基本匹配阶段、精细匹配阶段和认可阶段，直至对最终匹配数据认可（SOP 阶段），一般需要18-24个月。详见下面二表：

二.发动机匹配工作主要内容：

一.匹配准备

在台架上安装发动机及其相关附件。

匹配车匹配检查和准备 ：为了使匹配数据能覆盖制造上的公差，每一种状态的车型必须有两辆以上的匹配车。

二.发动机台架基本匹配（约40工作日）

1.传感器信号检查 （约3 天）

确定所有传感器（水温传感器，空气温度传感器，HFM 等）输入和输出信号准确。ECU 通过A/D 转换能正确接受信号，各执行器工作正常（炭罐电磁阀，喷油嘴，点火线圈等）。确保系统正常工作。

2.标定喷油结束时间 （约2天）

18-24 月 SOP

喷油结束时间决定了燃油的雾化即混合气形成的好坏，这将直接影响到发动机的燃烧情况。标定喷油结束时间主要以尾气中的HC排放含量为指标。确定最合适的喷油结束时间。

（a）空燃比脉谱图（b）点火定时脉谱图

3.标定负荷模型（约15天）

精确地判断进入汽缸的新鲜空气量是发动机控制的基础，由于进气脉动和汽缸中残余废气的存在，以及如废气再循环，曲轴箱通风和油箱通风等导致的进气量变化，使得完全依靠传感器来精确判断进气量已不可能。负荷模型通过测量进气压力，燃油消耗量，原始排放和空燃比，以及各种环境和发动机参数，并通过一系列的数学模型和函数对各种工况下的进气特性进行计算和模拟，最终达到精确地判断进入汽缸的新鲜空气量的目的。

标定负荷模型所需的工作量随系统配置的复杂程度变化，如可变进气系统（进气长短管切换），可变气门正时系统，废气再循环系统废气涡轮增压系统等都会大大地增加负荷模型的匹配时间。

4.标定喷油量（约2天）

在负荷模型匹配好以后，按照理论计算可以得到在各工况点让空燃比λ=1的喷油量，但是由于供油系统也存在偏差，导致在某些情况下空燃比偏离1，这需要在这里得到修正。

5.扭矩模型（约15天）

发动机的扭矩是发动机控制系统的中心变量，因此首先要匹配发动机在各种转速和节气门开度下，在空燃比等于1以及各种点火提前

角等条件下，发动机所能发出的最大扭矩，这是发动机扭矩控制的基础值（对应100%的空燃比效率和100%的点火角效率）。

然后通过测量在各种空燃比（一般从1.1到0.9）和各种点火角（从最大点火提前角一直推迟到失火）情况下的扭矩，可以得到关于空燃比的效率特性和关于点火角的效率特性。这样以后在发动机控制中，只需要提到发动机的扭矩以及实现该扭矩的空燃比和点火提前角效率，发动机控制系统就可以计算出相应的进气量（节气门开度），喷油量和点火提前角。

6.标定点火提前角（约4天）

在进行点火提前角标定前，一般应完成爆震控制的爆震识别部分的初步匹配（见三爆震控制匹配）。

匹配原则：在不同的转速和负荷点，控制λ=1，在不发生爆震的前提下寻找使输出扭矩最大的点火提前角。

7.匹配数据校验（约2 天）

对试验数据进行分析，把相关的匹配数据填入模型，最后把数据模型的输出与实际发动机台架输出进行比较。校正偏差。

8.外特性（约2 天）

完成了爆震和三元催化器过热保护的匹配后，在节气门全开的条件下，在每个转速点通过调节λ（调节全负荷加浓系数），使发动机达到设计最大的功率和输出扭矩，同时尽可能地降低比油耗。

三.爆震控制匹配（约20工作日）

爆震是一种非正常燃烧，强烈爆震会损坏发动机，而现代高压缩比的发动机导致更多的爆震倾向，因此爆震匹配是发动机匹配过程中必不可少的一个工作环节，为此发动机控制器中有一块专用的芯片用于爆震传感器信号的分析和处理。爆震控制的匹配是一项非常复杂的工作，需要应用大量的专用工具和设备（如带燃烧压力传感器的火花塞，专用的爆震匹配控制器，爆震测量分析仪等等）。

1.爆震识别（约15 天）

在台架上测量汽缸内的燃烧压力并应用爆震测量分析仪，可以准确地识别和判断爆震是否发生。同时爆震传感器的信号输入到ECU，经过信号放大，带通滤波，整流，积分等一系列处理，最后的积分信号由ECU用来判断是否发生爆震，同时该信号还被用来确定信号放大倍数和带通滤波的中心频率。

2.动态爆震（约5 天）

动态爆震指加速爆震、高速爆震，其识别的复杂性在于发动机转速、负荷的变化产生的振动和噪音会使其不易被识别出。

匹配方法：在各种动态工况点，如Tip in,急加速情况等震动和噪音较大的情况下识别爆震，通过推迟点火提前角避免发生爆震。

3.爆震功能诊断（约2 天）

测试在故障状态和正常工作状态下传感器的输出，存储在控制器中用于诊断传感器的开路和短路

四.热车性能匹配（约40工作日）

1.氧传感器闭环控制（约10 天）

氧传感器用于测定废气中的过量空气系数λ。

λ表示实际混合气空燃比与理论值（14.7:1）的偏离程度。

λ =吸入空气量/化学当量燃烧所需空气量

λ =1：表示吸入空气量相当于理论要求量。

三元催化器在λ =1附近对HC，NOx和CO的转化效率最高。

氧传感器闭环控制的目标就是把λ精确控制在1±0.03，保证三元催化器有最高的催化转化效率，补偿λ预控偏差，补偿混合气浓度的动态偏移。

通过λ自学习，消除由于零件制造和燃油品质等造成的λ偏移。

若有下游传感器，其作用a)对KAT老化进行监测，b)提高氧传感器闭环控制的精度。匹配时间也相应增加约10天。

2.排气温度模型和三元催化器保护（约10 天）

排气温度模型用于模拟氧传感器周围（催化器前后）和催化器内部的温度在不同环境和发动机工作条件下随发动机负荷和转速变化而变化的情况。通过实际测量，建立各工况点的排气系统温度模型。

高速大负荷，如发现三元催化器温度大于其温度限值，通过加浓混合气降低排气温度，保护三元催化器不受损坏。

同时与氧传感器加热控制结合，模拟排气系统露点阶段结束的条件，以保护氧传感器。

3.氧传感器加热控制（约5天）

主要是为了防止氧传感器陶瓷体裂碎。发动机起动后，排气系统管壁和氧传感器护套上会有水珠形成，这些水珠有可能随着废气而飞

溅到氧传感器的陶瓷体上，如果氧传感器陶瓷体温度过高，则容易发生裂碎。因此，此试验的要求是在排气管壁面温度达到60度时，氧传感器陶瓷体温度不能超过350度。

下图是20度起动试验，起动后43s, 排气管壁面温度60度时，氧传感器温度是280度。

4.过渡工况（约10天）

当节气门开度变动时，由于负荷测量和相应的喷油量计算与实际的喷油时刻不同步，导致实际的空燃比过浓或过稀，严重地影响了发动机的排放性能和驾驶性能。这种现象可以通过在不同负荷情况下在进气歧管上形成的不同燃油膜厚度来得到很好的解释，过渡工况匹配

的目的就是要补偿这些变化，使得空燃比控制在一个合理的范围之内。匹配的基本原则：加速加浓，减速减稀。

先在转鼓台上用踏板位置模拟器改变负荷。模拟加速和减速的情况，增加和减少喷油以使得空燃比在一个合理的范围内（主要考虑排放和驾驶舒适性）。然后在实际道路上进行加减速试验，进行匹配数据修正。

5.炭罐控制（10—30 天）

由上图可见：汽油产生的污染物，除了排气排放以外，最主要的是油箱蒸发排放。

炭罐控制的匹配目的：为防止燃油蒸汽从油箱逸出造成污染，要使炭罐有足够的通风，同时维持λ的偏差在最小值。

在不同的工况点，设定炭罐开启时间（TEP），通过控制λ反馈控制，对喷油量进行修正。在炭罐工作时，λ自学习停止。

五.起动怠速匹配（约40工作日）

1.怠速控制（约10 天）

匹配目的：控制λ=1，发动机转速稳定在怠速±20转。在突加电器负载，空调开关以及动力转向机工作时，不允许出现明显的转速震荡和发动机抖动。

通常在怠速情况下不把点火提前角调节到最大，为了有一定的扭矩储备。突加负载通过调节点火提前角（快速）和增加进气量（慢速）来维持怠速稳定。

2.冷起动（-30度—40度）

冷起动是指当发动机和车辆经过较长时间的停放，给部件与所处的环境温度达到一致情况下进行的起动，其温度范围大约从-30度到+40度。

造成冷起动困难的原因主要有：1低温下燃油不易蒸发，雾化不良，导致不易点火；2 一部分喷油附着在进气管壁和阀门上；3 发动机的润滑尚未形成以及润滑油的粘度增加导致发动机阻力增大等等。

匹配目的：1确保安全起动，在各种燃油品质，温度及海拔情况下，确保发动机能够安全起动；2 舒适的起动，发动机能够快速安静地起动；3 低排放的起动，起动过程中HC和CO的排放需要得到优化，尤其是在20度和-7度附近。

试验温度：从-30度到10度，每5度进行一次试验。试验用油必须覆盖整个中国的汽油品质。（燃油蒸发压力40—80 kpa）

3.热起动（>95度）

匹配目的：由于高温汽油蒸汽出现在燃油管内，或由于喷油嘴温度过高，喷出的不是汽油是汽油蒸汽（气阻）而造成混合气过稀，必须进行加浓补偿。

此试验在40度高温室进行。

六.排放匹配（约30工作日）

1.标定三元催化转化器窗口（5 天）

通常每个三元催化器都有转化效率最佳的点，通常是在λ=1附近。

匹配目标就是寻找三元催化转化器最佳转化效率的区域，调节λ控制闭环修正系数，尽可能把λ控制在这个工作区域。如下图：

2.优化起动、怠速、暖机和过渡工况（>20度）（5天）

为了满足排放要求，使λ尽可能控制在1附近。

3.标定三元催化转化器加热功能（10 天）

起动后通过推迟点火提前角，让混合气在排气管内燃烧，让三元催化转化器尽快达到工作温度。

4.新鲜、快速老化和实车老化催化器排放测试（10 天）

分别用新的三元催化器、炉子高温老化后的三元催化器及八万公里耐久车上的三元催化器进行试验，都必须满足排放要求。

七.道路试验（约37工作日）

1.高原试验（约8天）（高达4700米）

高原地区气压较低，空气稀薄，燃烧所需要的燃油量和平原不同。必须让控制器能够识别进行修正。在高原地区系统考核的重点是：对

高度修正因子的调节，断油转速，冷起动、热起动和暖机起动，热怠速，混合气预调节，行驶性能，爆震控制，在高负荷通过推迟点火提前角调节排气温度和催化器温度，炭罐控制。

2.夏季试验（约15 天）（40℃）

在炎热地区系统考核的重点是：热起动和重复热起动，热怠速，混合气预调节，冷机行驶，行驶性能，爆震控制及其自学习，对差的燃油品质切换到中国特定的点火提前角区域，在高负荷通过喷油加浓调节排气温度和催化器温度，炭罐控制。

3.冬季试验（15 天）（最低-30℃）

主要试验重点是冷起动和冷行驶性能。

（1）冷起动：低温下汽油蒸发恶化，必须进行起动加浓。试验分别在-30℃、-25℃、-20℃等不同温度下进行起动。

（2）冷行驶性能：由于低温下机油的黏度变大影响润滑，汽油雾化变差，冷态行驶要克服更大的阻力。

八.驾驶性匹配（约30工作日）

1.优化加速性能,减速性能，优化断油和恢复供油（约20 天）

防止加速抖动，通过调节点火角，使转速平稳上升，避免波动。

防止减气太快造成减速抖动，在驾驶员松油门后让节气门持续打开一段时间。然后进入断油阶段，在接近怠速时为了平稳过渡到怠速，在1400rpm左右时恢复喷油。（恢复喷油的转速点各个车型上是不同的。）

2.标定发动机和整车限速功能（约5 天）

为了保护发动机，在接近最高转速时通过推迟点火提前角和断油的方式限制转速。（E-GAS通过关节气门）

整车限速是为了保护轮胎等车辆零部件，控制方法同上。

3.优化动态怠速：（约5天）

怠速点踩油门、带档滑行看转速控制。

九.OBD诊断功能（40—60工作日）和监控功能匹配（40工作日）

电喷发动机的控制系统十分复杂，系统中的任何一个元件出现了故障，或者出现导线折断、引脚松脱或接触不良等，都会导致整个系统出现故障。车载故障诊断（On Board Diagnosis,缩写为OBD）系统的功能有两个：一是不断检测系统的异常之处，在需要时以故障代码的行驶记录下出现的故障，便于进行检修；二是采取临时补救措施，使车辆勉强跑到维修站点。

1.合理性检查

合理性检查功能用于对电控系统的硬件进行监测，包括监测各种传感器和执行器是否有故障，传感器信号是否可信，是否有电路短路、开路等现象。此功能的开发必须为每个传感器和执行器设置合理的故障判断阀值，要避免由于误判断造成发动机不能正常工作。

2.ECU驱动级监视

用于检测ECU本身工作的是否正常。

3.紧急回家功能

使车辆在发生某些故障后勉强地把车开到维修站去，主要是争取两项最基本的控制功能即燃油定量和点火正时能够实施。

故障应急分为两大部分：ECU的输入部分故障和输出部分故障。

输入部分故障可用信号替代法、信号设定法、程序切换法进行处理。输出部分故障则应针对不同问题采取特定的应急措施，如某缸喷油器驱动电路发生故障时，应使该缸喷油器关闭，停止喷油。

紧急回家功能的实现必须对所有传感器发生故障时的处理方式进行考虑。

4.故障代码管理

故障代码管理的实质是进行FMEA分析，即设定故障代码产生的条件，完善的故障代码管理便于ECU根据情况采取措施，也便于用户在车辆发生问题时快速地找到问题产生的原因。

5.检查诊断仪通讯

用户通常通过VAG1552、VAS5051等发动机诊断仪读取电喷系统故障信息及工况信息，检查诊断仪通讯的工作即首先设定各个诊断块的输出的定义，然后对诊断仪与ECU的通讯情况进行检查。

6.电子油门监控

电子油门监控包括性能监控和安全性监控，监控对象包括油门踏板和电子节气门体。首先必须确保油门踏板输出的信号如实地反映了驾驶员的要求，然后要保证电子节气门体正确地执行了油门开度的要求。当信号不可信时必须进行断油控制以保证车辆行驶的安全性能。

十.在部分车型上还存在的匹配项目

1.EGR匹配

废气再循环通过使混合气稀释降低了最高燃烧温度，由此在优化燃烧过程降低油耗的同时降低了NOx排放的产生。进气管与排气管中CO2浓度之比称为排气再循环率（EGR率）。EGR一般在中高转速中等负荷时工作，起动和怠速不工作。在大负荷区域工作受到限制。

2.二次空气泵的匹配

二次空气就是在每缸排气门后面紧挨着排气门的地方输入空气，一方面，可使高温废气中所含的HC和CO在排气管补氧燃烧；另一方面，废气中的HC和CO燃烧产生的热量又使催化转化器升温到工作温度。二次空气泵一般在冷起动，发动机水温小于60度时工作。

3.长短进气管切换的匹配（约10工作日）

进气管切换的基本概念是在发动机高速运转时用短进气管、低速运转时用长进气管的方式来利用进气波动效应提高各种工况下的充气效率。长短进气管切换的匹配工作主要是指确定各种负荷时长短管切换的发动机转速。其进行的方法是在某一负荷下分别拉仅使用长管或短管时的速度特性，分析数据选择合理的转速切换点保证较好的扭矩线型。

4.定速巡航的匹配

对于使用E-GAS系统的车辆由于节气门开度可由发动机控制器直接进行控制，因此可以较方便地实现定速巡航控制。其匹配的重点与怠速控制相似，主要是保证负荷变化时候发动机转速变化的稳定性。

5.可变气门系统的匹配

进排气系统的控制决定了发动机充量的交换过程。对于可变气门系统，需匹配的参数包括：气门开启相位、气门开启持续角度和气门升程。可变气门系统根据可调节的气门数量、可调节自由度等可以分成很多种类，对于一定的工况点，必须进行多次正交试验后才能确定该点气门系统的匹配参数，如果在全工况内进行标定，工作量十分浩大。

另.相关更改对匹配的影响

与发动机燃烧有关的零件：如缸体、缸盖、活塞，进气歧管、排气歧管等原则上不允许改变，更改结构将导致所有项目重新匹配。风阻、车重等因素对匹配工作基本无影响，但会影响整车的动力性和经济性指标。此外，以下零部件的更改也会对匹配造成不同程度的影响：

1.三元催化转化器

2.排气消音器、空气滤清器等

3.发动机附件：如空调压缩机、动力转向泵等

4.传动系统：如变速箱、车桥、轮胎规格等。

5.空调压缩机支架和发电机支架。

6.发动机和变速箱支撑。