电喷发动机的匹配标定

电喷发动机的匹配标定

一、概述

在一个电控系统软件和硬件模式基本确定的前提下，发动机能否发挥出最好的性能，基本上取决于电控系统与发动机的匹配是否成功。所谓匹配标定，就是通过对安装了电子控制系统的汽油机进行喷油特性、点火提前特性、怠速稳定性以及瞬态过度工况下各参数的综合试验，使电子控制系统在试验中获取最佳控制数据，从而使由该控制系统精确控制下的汽油机在动力性、经济性及排放性能等方面均获得令人满意的效果。

二、匹配标定试验系统

对电控汽油机进行匹配标定的实质是通过大量的试验来实现发动机工作过程的优化。为了保证匹配标定工作的顺利进行，要求标定试验系统能够实现在线修改，具有良好的精度、稳定性和重复性。因此，传统的试验设备及方法无法进行电控发动机的匹配标定试验。用于电喷发动机匹配试验的试验台架应具有以下特点：

1)能够根据标定需要，精确地设定发动机运行工况点，且稳定性好；

2)实时检测发动机的运行状态，可方便精确地获取发动机经济性、动力性及排放等性能指标；

3)通过应用特定的控制软件，能够实现对发动机电子控制单元控制参数的实时在线修改；整个试验系统由发动机、供开发用的ecu、计算机、测功机、排放测试分析仪、油耗仪及其它监控仪器等设备组成。

供开发用的ecu 写入发动机ecu内的eprom中的电控系统软件，主要包括控制程序和供程序使用的数据。在标定过程中，主要是对这些数据进行调整，最终达到发动机性能的最优化。产品ecu的存储器为只读存储器，无法对其内部数据进行修改。匹配标定过程中使用的ecu 是专门供匹配用的，该ecu的存储器为eeprom，可根据需要方便地改写数据。匹配标定专用ecu带一个udasys，它通过标定专用的接口与pc机相连，可将pc机中的数据实时传送给ecu中的eeprom，从而实现对发动机ecu参数的实时在线修改。

专用匹配标定软件cat pc机通过专用的接口与ecu相连，通过专用匹配标定软件，可以对发动机的运行状态参数，如转速、节气门开度、喷油脉宽、发动机温度和点火提前角等参数进行实时监测或标定。

λ分析仪此分析仪通过安装在排气管上的λ传感器，能够精确地对过量空气系数进行测量，并直接以数字方式显示测量结果，可直观地对λ进行实时监测。由于电控系统对发动机各工况下喷油量的精确控制就是对空燃比的控制，监测空燃比成为判断发动机工作情况的重要手段，同时，λ也是发动机优化实验时的重要参考量。

三、匹配标定试验方法及过程

汽油机的匹配标定是一个相当复杂的过程，所涉及的标定参数多达千余个。其中，点火提前角与空燃比（a/f）是影响汽油机性能和排放的两个最重要因素。在一定工况下，只有把点火提前角和a/f精确地控制在某个值，才能使发动机的动力性、经济性及排放达到最优。而在每种工况下所需要的最佳点火提前角及a/f等受多种因素的影响，其特性图在三维空间中表现为复杂的曲面（map）。此外，由于汽油机的动力性、经济性与排放三者之间往往表现为相互制约，使发动机的整个匹配过程十分复杂。

影响电控汽油机的喷油量及点火提前角的参数很多，与这两者相关的匹配参数多达上百个。要完成这些参数的标定，首先必须搞清他们各自控制模型的物理意义（控制策略），然后才能制定匹配方案来进行匹配。

3.1 试验条件

发动机的电控系统根据各传感器的测量信号随时对喷油脉宽和点火提前角进行修正，例如当发动机温度偏离设定的基准条件或发动机的工况变动时，都要进行修正。为了排除这些修正因素的干扰，在进行基本匹配标定时必须控制试验条件：

a.发动机应充分暖机，使冷却水温、油温都保持在设定的基准条件下。一般地，水温应大于85℃，油温控制在100℃左右。

b.对每一试验工况点，应在发动机转速充分稳定后再进行数据测量，同时，应尽可能地将发动机的工况点稳定在匹配标定所选定的节点上。存储在发动机ecu内的基本控制量（点火提前角和喷油脉宽）为map形式的二维图表，无论以怎样的间隔划分转速和负荷，它总是有限的离散量。对于工况节点以外的点，微机往往要采用4点插值法来确定基本量的值。

c.对电控系统的硬件和ecu数据区的数据进行必要的调整，例如，进行基本喷油量标定时，应将全负荷下功率增量修正系数清零，闭环控制开关断开等。

3.2 喷油特性map的制取方法

ecu对空燃比的控制是通过对燃油喷射量的控制来完成的。发动机工作时，ecu从传感器得到进气绝对压力的信息，通过若干计算之后决定喷油量，从而使混合气的空燃比达到预先设定的值。在整个过程中，ecu控制了喷油脉宽及时刻。

为了保证三元催化器对废气中的hc、co和no_x都具有较高的催化转化率，λ的变化范围必须精确控制在0.986～1.005之间。所以，发动机的大部分工况应采用λ闭环控制。在进行这些工况的匹配标定时，需使用λ分析仪对λ进行监测，同时调节与喷油脉宽相关的控制参数，最终实现λ=1的闭环控制。ecu中对喷油脉宽的计算为：喷油脉宽=（基本喷油脉宽×工况修正×气温修正×水温修正×闭环修正×自适应修正+气压修正+节气门加速加浓－节气门减速减稀）×调整因子+电瓶电压修正+自适应修正+喷油调整常数

其中，基本喷油脉宽是根据传感器测得的进气量，按照λ=1而计算得到的喷油脉宽；工况修正是指发动机在起动、暖机、节气门全开（wot）以及加速、减速等过渡工况下的喷油修正量；气温、水温是根据环境及发动机状态（冷机、暖机）进行的修正；闭环修正适应三元催化转化器（twc）的要求，进行λ=1的控制；自适应修正是当发动机的性能，如进气系统、供油系统等发生变化时，为了进一步提高空燃比的控制精度而进行的修正；气压修正是大气压力的修正。

喷油量的匹配标定过程所涉及的控制参数比较多，包括公式中所列出的基本量和所有修正量，必须按照控制模型逐个进行标定。完成了影响喷油脉宽的主要修正参数的标定以后，基本确定了λ值。此时，需将闭环控制开关闭合，让ecu进行λ=1的闭环控制。此时，观察λ分析仪，会发现在某些工况点上，λ值围绕1产生了较大的波动。这种现象的产生是由于与闭环控制的机量（pi控制）直接相关的map图尚未得到适当的标定。其中包括闭环控制的pid调节中的比例调节系数map，以及积分调节系数map。比例调节控制的优点是收敛快，瞬态响应性好，但其稳定性差；积分调节控制则用于消除稳态误差。如果增大积分调节系数，反馈系统的稳定性会得到改善，但这将导致反馈调节时间的增加。因此，要使λ的闭环控制得到较好的实现（波动范围小，反馈速度快），必须对它们进行合理的匹配。在实际的匹配过程中，这两个map主要是在整车试验时进行的。

3.3 点火特性map的制取方法

与喷油特性的匹配相比，点火特性的控制模型及相应的标定方法要简单得多，其控制原理简述如下：

点火提前角=基本工况提前角+爆震区修正+怠速稳定修正

其中，基本工况提前角是根据工况由基本map图查得。爆震区修正是在有爆震倾向的工作区工作时，分别按冷却水温、气温、大气压力等对点火提前角进行修正；怠速稳定修正是在怠速工况根据转速波动对点火提前角进行修正，以保证怠速稳定，当转速超过目标转速时减小点火提前角，低于目标转速时增大点火提前角。

由点火提前角公式的物理意义，可以分析出点火提前角控制参数的标定过程如下：

¨ 在发动机台架上，先忽略怠速稳定修正及爆震区修正，按确定的优化目标获取基本工况下理想的点火提前角map图。

¨ 进行爆震区试验，确定爆震区边界，并进行针对水温、气温、大气压力等参数稳态修正试验，确定修正曲线。

¨ 进行点火提前角对怠速稳定性影响的试验，确定怠速修正曲线。

值得注意的是，在制取易爆震区的基本点火map图时，随着负荷与转速的提高，发动机的爆震倾向性越来越大。进入这个区域后，点火提前角的优化除考虑动力性、经济性及排放等常规指标以外，还要进行爆震的监控。对于低速区发生的爆震（加速爆震），由于噪声小，可根据听觉来识别并防止较强烈的爆震。随着发动机转速的上升，噪声增大，此时发生的高速爆震已无法人为识别，必须应用仪器对爆震进行监测。在改变点火提前角的过程中，将爆震传感器和相位传感器的信号用多通道示波器输出，在调节点火提前角时监测发动机压缩上止点附近的爆震传感器发出的信号，如发生爆震，应适当的减小提前角，以消除爆震。此时，点火提前角的减小可能会导致排气温度升高，所以要适当增加喷油量以控制排温。在转速较高而负荷并不很大的区域，控制爆震的同时，还要注意经济指标。进入高负荷区后，动力性成为首要目标，此时应选取不发生爆震的最大点火提前角。

3.4 修正曲线的制取方法

由以上匹配过程得到的发动机的喷油量及点火map仅是基本量，当发动机处于起动、怠速、过渡工况时，基本的喷油量及点火提前角不能满足要求，此时需要对喷油量及点火提前角作即时修正。即便是稳态工况，由于各种因素的变化及影响，也需对喷油量及点火提前角进行修正。下面以电瓶电压修正为例说明标定过程中的修正曲线的制取方法。

喷油器无效喷油时间的长短受蓄电池电压的影响较大，电瓶电压升高时，无效喷油时间较小，喷射量增加；反之，电瓶电压降低，无效喷油时间增加，喷射量减小。为了消除电瓶电压变化时对喷射量的影响，常采用改变通电时间的方法予以修正，即电压低时适当延长喷射时间，电压高时适当缩短喷射时间。