电控发动机及整车标定方法

电控发动机及整车 标定方法 清华大学 汽车系 电控组 2001 8 21 北京 2 目目 录录 第一章第一章标定过程概述标定过程概述 1 1 1 1发动机在测功器上的初步开发 1 1 2 2车辆驱动性能的开发 1 1 3 3开环标定 冷机和暖机 1 1 4 4闭环标定 1 1 5 5车辆排放试验 1 1 6 6车辆排放试验整理 1 1 7 7车辆排放认证试验 第二章第二章发动机标定 稳态测功器试验发动机标定 稳态测功器试验 2 2 1 1基本稳态标定 2 2 2 2基本燃油标定 2 2 3 3充气效率 2 2 4 4开环方法 2 2 5 5闭环方法 2 2 6 6EGR补偿 2 2 7 7基本点火标定 2 2 8 8发动机控制表及EMS工作 第三章第三章发动机标定 闭环燃油控制发动机标定 闭环燃油控制 3 3 1 1暖机目标 3 3 2 2热机和转换器起作用阶段的目标 3 3 3 3燃油控制 3 3 4 4闭环修正项 3 3 5 5快学习值 第四章第四章发动机标定 瞬态燃油控制值发动机标定 瞬态燃油控制值 4 4 1 1加速加浓 4 4 2 2减速断油 4 4 3 3功率加浓 4 4 4 4加速加浓的算法 4 4 5 5减速减稀的算法 第五章第五章发动机标定 冷态和热态驱动性能发动机标定 冷态和热态驱动性能 3 5 5 1 1冷态供油概念 5 5 2 2拖动阶段 5 5 3 3拖动到运转阶段 5 5 4 4咬机阶段 5 5 5 5脉宽计算公式 5 5 6 6低温试验 5 5 7 7高温环境试验 5 5 8 8重新起动试验 5 5 9 9热怠速稳定性试验 5 5 1010 海拔高度补偿标定 第六章第六章发动机标定 怠速控制发动机标定 怠速控制 6 6 1 1怠速控制及其评价 6 6 2 2怠速空气控制 IAC 6 6 3 3闭环转速控制 6 6 4 4目标怠速转速标定 6 6 5 5闭环怠速控制算法 6 6 6 6闭环转速控制限值 6 6 7 7点火与供油相互作用 6 6 7 7 1 1点火 6 6 7 7 2 2喷油 6 6 8 8怠速空气阀目标位置 6 6 8 8 1 1冷机补偿 6 6 8 8 2 2负荷补偿 6 6 8 8 3 3A C负荷补偿 6 6 8 8 4 4冷却风扇标定 6 6 8 8 5 5动力转向标定 6 6 8 8 6 6失速补偿 6 6 9 9辅助怠速空气算法 6 6 1010 最恶劣条件下的标定 第七章第七章开发工具开发工具 7 7 1 1开发装置 7 7 1 1 1 1系统硬件 7 7 1 1 2 2系统软件 7 7 2 2发动机工况空燃比记录仪 7 7 2 2 1 1系统硬件 7 7 2 2 1 1系统软件 附录 开发装置使用说明书附录 开发装置使用说明书 4 第一章第一章标定过程概述标定过程概述 动力传动系统的目标动力传动系统的目标 每个标定过程的第一步是确定动力传动系统标定的目标 典型情况应包括以 下几方面内容 发动机的功率和输出扭矩 驱动性能 不同温度下起动时间 加速和减速性能 期望的燃油特性 工作温度范围 硬件选择硬件选择 在性能指标确定后 为了达到这些目标 需要选择各种各样的系统硬件 节气门口的直径节气门口的直径 由发动机节气门全开时的最大空气流量决定 油泵流量和喷油器动态范围油泵流量和喷油器动态范围 由怠速和节气门全开时发动机燃油需要量决定 排放标准排放标准 排放标准可能要求使用外接EGR阀 防燃油蒸气污染系统 催化转换器的数 量和大小 暖机催化转换器和辅助空气阀 脉动空气 空气泵等 爆震控制爆震控制 如果需要用最大点火提角来满足功率和燃油经济性要求 或者车辆可能使用 不同辛烷值的汽油 那么可能需要安装爆震控制系统 发动机在测功器上的初步开发发动机在测功器上的初步开发 一旦系统硬件配置确定 就可以利用一或两台手工装配的发动机进行发动机 测功器初步开发 试验前 必须安排时间排除测功器硬件的故障 确认系统零部件达到技术要 求 并且实际上通讯系统已正常工作 发动机测功器用于评价发动机性能以及制定空燃比分布 所要求的点火提前 角和充气效率图 发动机性能发动机性能 在节气门部分开度和全开时测量空燃比分布 分析O2传感器对各缸的响应来确定混合气浓和稀情况下的最佳扭矩点影响 5 确定节气门部分开度和功率加浓的燃油精度 测定有效燃油消耗率 发动机控制参数图发动机控制参数图 部分负荷 节气门全开的MBT 点火界线与燃油辛烷值关系 点火与冷却水温的关系 点火与EGR的关系 EGR图与发动机排放关系 点火图与EGR和发动机排放的关系 燃油经济性 NOx与HC的折衷选择 充气效率 VE 图 速度密度系统 空气流量计校准 质量流量系统 车辆驱动性能的开发车辆驱动性能的开发 一旦可以得到足够数量的能够批量生产的零部件 就应马上着手组装一或两 辆试验车 作为一个典型的开发平台 进行早期的标定开发和车辆驱动性能评 价 最重要的一些标定工作包括以下几项 起动供油量 冷机和热机供油量 瞬态供油量 冷态试验冷态试验 在标定过程期间有两种类型冷机试验 第一种类型 称为冷机 适用于发动 机冷却水温等于或者接近于环境温度的情况 第二种类型 称为冷环境 适用于低温环境下进行性能实验 冷环境试验 可以用一个冷的或予热过的发动机进行 具体根据试验技术要求而定 即模拟整 夜停车后或再起动 燃油标定燃油标定 燃油标定分为两种主要类型 开环和闭环标定 开环标定可进一步分为三种 一种对于冷机和暖机运行是通用的 一种只能 用于冷机运行 一种只能用于暖机运行 开环标定开环标定 冷机和暖机冷机和暖机 起动燃油控制 起动后A F随时间衰减的控制 开环冷机 开环转速和负荷加浓 这阶段的目标是保持A F是理论混合比或在理论混合比附近 使催化转换器 效率最高 同时保证良好的驱动性能 6 开环标定开环标定 冷机冷机 开环冷机标定包括以下功能 功率 功率加浓 PE 加速加浓 AE 开发冷机开环标定时 工作重点应该是在保证良好全面的驱动性能的同时避 免过度供油 否则会导致火花塞积碳和产生黑烟 开环标定开环标定 暖机暖机 开环暖机标定包括下述功能 催化剂和发动机的保护 功率加浓 PE 加速加浓 AE 根据时间 转速和负荷的燃油加浓可用于保护催化剂 根据冷却液温度的加 浓可使动力传动系冷却 功率加浓 PE 供油可以提高发动机性能 防止爆震并降低活塞温度 闭环标定闭环标定 闭环燃油标定的目的是在下述情况下保持空燃比的精确控制 驱动性能加浓 减速减稀 DE 减速断油 DFCO 闭环A F比控制的主要目的是保持最优A F比使催化剂的转换效率最高 验证验证 初步标定的验证是通过在冷 热温度条件下进行的一系列大范围试验完成的 一旦完成了初始发动机控制图和驱动性能评价 就应开始车辆排放性能的开 发 这样在这一过程结束后便可确保达到排放认证要求 车辆排放试验车辆排放试验 在车辆排放试验阶段 为了获得最佳排放性能 应精细调整最初开环燃油标 定的数据 特别在以下几个方面 加速和功率加浓限制 起动供油量 点火 EGR 负荷和海拔高度对发动机排放的影响 怠速空气控制系统对总的排放的影响 7 在排放试验以后 车辆和控制系统现在的任务是在恶劣条件下进行一系列试 验来确定它的适应能力 包括温度极限和高海拔高度 低温室试验低温室试验 在低温室内试验阶段 要测量发动机的起动转速和燃油消耗量 以及蓄电池 电压下降条件下油泵输出的油量 还应该检查火花塞是否被淹 这表明起动混 合气是否过浓 冷机行车试验冷机行车试验 冷机行车试验是为了评价冷机车辆的起动 起步和在高海拔地区运行时的性 能 在高温情况下 即在高温室内或在高温行驶时也要评价车辆的驱动性能 这 种做法是为了确定热燃油输送的问题 象燃油蒸气 怠速不稳定或催化转换器 的温度过高等 如果需要应进行修正 高温室试验高温室试验 在高温室内试验期间 评价下述性能 起动供油量 在高温环境条件下加速加浓和减速减稀的功能 蒸发排放性能 热机行车试验热机行车试验 在热机行车试验期间 车辆经过一系列定量测试评价下列性能 热起动 热态供油 瞬态燃油响应 高海拔地区的性能 蒸发排放情况 在遇到类似于拖挂或爬陡坡时的大负荷情况下 测量催化转换器的温度 车辆排放试验整理车辆排放试验整理 进行一系列大量试验之后 车辆的硬件和软件标定结果应彻底地进行全面的 整理 在整个全部的标定过程中 为了在性能和排放两者之间都能很好地兼顾 应 不断地对各种燃油和怠速控制的标定进行精细的调整 在提交车辆进行系统和 标定试验或排放认证试验之前 冻结软件和硬件的进一步开发是很重要的 在整个驱动性能试验阶段 一定要保持燃油特性的一致 系统和标定试验系统和标定试验 发动机管理控制系统的性能和标定的精确性在系统和标定试验期间被验证 这些试验包括 8 冷机标定 行驶噪音水平 海拔高度标定 热机标定 试验还要评价发动机管理控制系统的电气性能 电磁干扰电磁干扰 EMI 试验试验 EMI试验可以确定系统对外部产生的电磁干扰是否敏感 电磁兼容性电磁兼容性 EMC 试验试验 EMC试验保证系统内部各种电子零部件不产生相互干扰的信号 车辆排放认证试验车辆排放认证试验 车辆排放认证试验是标定过程的最后一步 通常是最困难的一步 在认证试验期间 标定工程师们将看到他们所作的车辆标定开发究竟结果如 何 然而如果在开发期间利用了大量的发动机台架试验 获得好的试验结果应 当完全不足为怪 如果整个标定开发过程都是一步一步扎实地进行 那么在提 交车辆进行排放认证之前就可以精确地估计出最终的试验结果 为什么整车试验不同于发动机测功器试验为什么整车试验不同于发动机测功器试验 整车试验和发动机测功器试验在有些工况有着明显的差别 所以在完成初始 发动机测功器开发后 进行广泛的整车开发是很重要的 一些原因是 底盘动态特性 发动机测功器试验不能提供车辆的 驾驶感 对于许多参 数的标定来说这是很重要的 尤其在怠速和接近于怠速的工况 如不进行整 车标定 则许多简单的瞬态标定也不能有效地进行 进气系统 在测功器试验中精确地重现车辆进气系统的特性是困难的 车身 结构通常会对进气系统的性能有影响 温度 发动机测功器试验不能产生与整车相同的温度变化率 另外大多数的 测功器试验设备不能在极端温度状况下进行发动机试验 瞬态试验 在发动机测功器上进行瞬态试验很复杂并会花费大量时间 在车 辆上 道路试验或底盘测功器试验 则与开车一样简单 同时从车辆上获得的 瞬态试验数据更有价值 见底盘动态特性 9 第二章第二章发动机标定 稳态测功器试验发动机标定 稳态测功器试验 基本稳态标定基本稳态标定 定义发动机测功器试验的试验工况点 使之容易作为标定时的节点使用 利用发动机测功器试验得到的数据设定一个标定开始的基准 尽量减少在车上开发基本标定参数 燃油 EGR 补偿和点火 所需的时间 在车上验证初始测功器试验数据 在进气 燃烧或排气系统中有任何改变 均需对基本燃油 EGR 补偿和点火 表进行重新标定 基本燃油标定基本燃油标定 基本喷油脉宽公式中用到以下参数 基本脉宽常数 负荷变量 LV8 质量空气流量或歧管绝对压力 A F 比系数 海拔高度修正系数 EGR 补偿系数 AE 系数 DE 系数 块学习系数 蓄电池电压 闭环修正 点火 基本燃油标定下面主要是讨论基本脉宽计算中的充气效率和 EGR 的补偿 它们是发动机测功器试验中得到的基本数据 充气效率充气效率 充气效率 VE 针对泵气损失对基本喷油脉宽进行修正 在软件中 LV8 是以转 速和负荷为基础的三维表 它通常以和系数值相当的计数值格式来显示 对每 一个转速和负荷点从发动机测功器试验数据中选择 VE 值并将它装入相应的表 中 发动机测功器试验数据不能复盖整个表中所有的位置 所以必须进行插值 计算 负荷变化数据的验证负荷变化数据的验证 图 1 和图 2 是进行 18 循环 FTP 排放试验和公路燃油经济性试验得到的 在 x y 绘图机上监控转速和负荷点 以确定最高密度区域 这些区域表示要进一步标定开发的稳定工况点 在排放底盘测功器上按照最 10 初设定的转速 负荷点稳态运行 以确认和发动机测功器试验结果完全一致 图 1 发动机转速 负荷点 18 热循环 FTP 4 5L 图 2 发动机转速 负荷点 公路燃油经济性试验 4 5L 11 开环方法开环方法 在整个 FTP18 循环过程中 不断调整 A F 直到它变成 14 7 为止 这是通过 改变 LV8 值 负荷参数 来实现的 A F 比值用排放 A F 分析仪来获得 在完成 此项任务时必需禁止下列各项 以免相互影响 加速加浓 减速减稀 功率加浓 闭坏 块学习 碳罐净化 下游空气 EGR 整个过程要监测以下参数 RPM LV8 脉宽 排气背压 MAP 或 MAF 歧管绝对压力或质量空气流量 蓄电池电压 歧管空气温度 闭环方法闭环方法 除了在开环方法中相同的那些项外还监控闭坏积分项 从 VE 值和闭环积分 项中可以计算出使 A F 达到 14 7 的 VE 值 据此修改 VE 表的标定值 以适应 保持理论混合比的需要 在确定 VE 值时 歧管空气温度的修正将是主要因素 稳态运行时应小心保持工况点在排放测试范围内 在某些区域中可能希望发动机工作于非理论混合比状况 数据的改变需要逐 个进行标定和试验 以确定它们对排放的影响 为了怠速的稳定 在 MAP 和 RPM 低时将混合气加浓 为了减速时保护催化 转换器或为了 HC 的排放和断油瞬间平顺地减速 在 MAP 低时将混合气减稀 如果功率加浓供油不随转速或海拔高度变化 在 MAP 和 RPM 高的节气门全开 WOT 工况将混合气减稀 在高海拔高度地区需进行类似的排放底盘测功器试 验 EGR 补偿补偿 当 EGR 引入系统时 EGR 补偿改变基本的脉宽 当 EGR 起作用时燃油补 偿是渐增的 当禁止 EGR 时燃油补偿逐渐减少 在软件中 EGR 补偿是根据转 速和负荷的三维表 或 map 从发动机测功器试验得到 EGR 百分比数值可以 装入这个表中 假设 EGR 阀已选择好 在排放底盘测功器上发动机在主要转速 负荷点上稳态运行 以保证发动机测功器试验数据可在整车上复现 除了将修 12 改 EGR 补偿值以达到理论混合比外 其它的方法都与前文所述相同 这种形 式的验证试验在尽可能多的装有 普通 零件的车辆上进行 以得到平均 EGR 补偿值 修改 EGR 补偿表的标定值 以适应保持理论混合比的需要 在高海 拔地区需要进行类似的排放底盘测功器试验开发 EGR 率定义为 CO2 在进气道中 CO2 在排气道中 EGR 标定目标 2 5L 13 基本点火标定基本点火标定 总的点火提前角 EGR ON 通 或 OFF 断 查表值 大气压力补偿 冷却液温度补偿 冷却液过热补偿 怠速动态点火 初始点火提前角 图 4 点火正时与 EGR 的关系 1 3L 基本点火提前角的标定主要集中于总点火提前角计算中的 EGR ON OFF 通 断 项 EGR 通时 EGR 点火提前角加大 EGR 断时减小 如图 4 所示 注意 MBT 随发动机转速的增加和随负荷的减少 EGR ON 通 和 OFF 断 点火提前角被建立为一个以转速和负荷为座标的三 维表 典型的点火钩状曲线如图 5 所示 从发动机测功器试验数据中对应于每 一转速和负荷点选择 MBT 点火提前角值 并将它装入表中的相应位置 在可 能的情况下都应使用 EGR ON 通 或 OFF 断 的 MBT 点火提前角 在某些情 况下不能用 MBT 在怠速时为了保证怠速稳定性 为了减少 NOx排放 在爆震限制时 使用爆震传感器的车辆一般将点火表标定到接近 MBT 并追踪爆震值 通常 点火提前角应在 MBT 但不能超过比爆震界限小 3 度的安全界限 14 发动机控制图表和发动机控制图表和 EMS 工作工作 在 GM 发动机管理系统中使用许多标定常数和表 这些表提供了进行发动机 控制的基础 对于使用速度密度系统的发动机概括如下 充气效率 f 发动机转速 歧管压力 如图 6 所示 点火提前角 f 发动机转速 歧管压力 控制的 A F 比 f 冷却液温度 歧管压力 发动机运行时间 EGR 补偿 f 发动机转速 歧管压力 目标怠速 f 冷却液温度 喷油器补偿 f 蓄电池电压 燃油泵补偿 f 蓄电池电压 图 5 典型的点火 钩 状曲线 2400rpm 无 EGR 图 6 充气效率 map 15 第三章第三章发动机标定 闭环燃油控制发动机标定 闭环燃油控制 假设 如果 A F 被控制在理论混合比附近 排放将满足目标要求并具有良好的 驱动性能 典型的发动机排放如图 7 所示 图 7 A F 对发动机排放的影响 排放控制策略排放控制策略 车辆排放控制分两个基本阶段 1 暖机 冷机和催化转换器不起作用阶段 典型的是 FTP 的第一个 50 150 秒 美国联邦试验程序 排放试验 2 热机和催化转换器工作阶段 暖机目标暖机目标 尽可能快地使催化转换器达到工作温度 以减少排放 在催化剂起作用后排气 尾管中排放物浓度是低的 在暖机期间 由于催化效率低 A F 应调整到稍比理 论混合比稀 即 A F 16 如图 8 所示 用这种办法可以得出以下结果 1 混合气稀发动机输出 CO 和 HC 低 2 车辆运行于比 NOX最高点更稀的空燃比 相对冷的发动机也使得 NOX比较 低 3 排气温度接近最大值可缩短转换器开始工作所需的时间 4 为了保持良好驱动性能 稀的 A F 允许大的加速加浓 5 减速时 运行于理论空燃比或混合气稍浓情况下可避免因混合气过稀造成的 失火 16 图 8 典型的催化剂工作图 热机和转换器起作用阶段的目标热机和转换器起作用阶段的目标 稳定阶段稳定阶段 在催化转换器起作用后在催化转换器起作用后 以下目标用于热机和催化转换器起作用阶段 1 为了 HC CO 和 NOX的转换效率最高 将 A F 保持或接近理论混合比 如 图 9 所示 2 在催化转换器效率最高的 A F 混合气条件下运转 3 A F 值振荡的频率 O2值过零次数 最高 4 在节气门和转速变化期间 A F 偏离的幅度最小 5 在排放试验期间不允许功率加浓 6 为了保持催化转换器良好的性能和使用寿命 应保持 A F 接近理论混合比 图 9 三元催化剂转化效率 17 燃油控制燃油控制 车辆没有达到予定的工况时 进行开环燃油控制 当已经具备闭环控制条件 时 如机油 充气和冷却液温度达到最低要求时 系统将进入闭环方式运行 A F 将由排气中氧的含量来控制 速度密度系统闭环速度密度系统闭环 C L 燃油控制燃油控制 对速度密度系统由下面方法确定燃油输出量 每热力循环的质量 开环燃油输出量 PW I I BPC MAP CHARGE VE DE AE EGR CORRVOLT INJOFF 闭环燃油输出量 PW I I BPC MAP CHARGE VE CORRCL BLM PLM DE AE EGR CORRVOLT INJOFF 质量空气流量系统闭环质量空气流量系统闭环 C L 燃油控制燃油控制 对于质量空气流量系统用下面方法确定燃油输出量 每热力循环的质量 开环燃油输出量 DE AE CORRVOLT INJOFF 闭环燃油输出量 CORRCL BLM PLM DE AE CORRVOLT INJOFF CORRCL 闭环修正闭环修正 项项 CORRCL 系数包含两部分 一项是偏离理论空燃比的修正 称为积分项 另一项称为比例项 如图 10 所示 比例项使催化转换器维持高频的变化 它 可使 A F 在理论混合比附近振荡以改善催化剂的作用 通过使用未滤波的氧传 感器输出电压获得比例项 如图 11 所示 比例项阶跃变化强迫氧传感器向与 其上一读数相反的方向变化 CORRCL 项代表了 PCM 对供油量进行的短期修 正 是对氧传感器电压在 450mV 门槛值以上或以下所占时间多少的响应 如 果滤波后氧传感器电压主要是在 450mV 以下 表示 A F 混合气稀 燃油积分 值将增加 告诉 PCM 增加油量 如果氧传感器电压主要在门槛值以上 PCM 将通过积分项减少供油以校正混合气过浓的状况 标定目标是确定比例增益使 燃油从浓到稀的整个变化过程中 尾管输出的排放最低 典型值为 3 5 确 定积分增益的速度也是标定的目标 快的增益对排放通常是好的 但可能引起 发动机波动 由于扭矩变化引起 空气质量流量 控制A F RPM 空气质量流量 控制A F RPM 18 块学习值块学习值 燃油长期修正项 BLM 是从燃油短期修正项中导出的 用于供油的长期修 正 当数值为 128 表示供油量不需要补偿即可保持理论 A F 比 当数值低于 128 表示燃油系统太浓要减少供油量 减少喷油脉宽 当数值高于 128 表示混 合气稀 PCM 通过增加供油量 增加喷油脉宽 进行补偿 块学习是补偿系统固定 误差的有效方法 只有当热机 中等稳定负荷和闭环控制方式运行时才允许对 块学习值进行修改 如果闭环积分值指出混合气偏浓 块学习值将少量地减少 燃油量较少 在稀混合气情况下则相反 如图 12 所示 定义了 22 个单元存 储 BLM 值 这些单元是根据 BLM 滤波后的值 存放在掉电不丢失存储器 SAM 中 因此 SAM 较 BLM 修改得慢 BLM 有 4 个怠速单元 两个减速单 元 高转速一个 低转速一个 和 16 个按照负荷和转速存储部分节气门开度的单 元 块学习值的范围从 0 2 如果发动机在理论混合比条件下运行 块学习值 128 128 1 如果发动机在稀混合气条件下运行 块学习值 x 128 式中 128 x 256 如果发动机在浓混合气条件下运行 块学习值 x 128 式中 0 x 128 图 10 闭环 C L 燃油修正项 19 图 11 氧传感器输出 未滤波 图 12 对于浓 稀 A F 混合气的典型块学习值 20 第四章第四章发动机标定 瞬态燃油控制发动机标定 瞬态燃油控制 为什么瞬态燃油需要补偿为什么瞬态燃油需要补偿 1 因为传送延迟 PCM 必须用老的信息计算所需的燃油量 并是在发动机气 缸内最终充满空气之前供油 2 PCM 有在设计中固有的时间延迟 3 传感器有响应延迟 4 进气量的测量点与供油点不同 TBI 系统根据歧管压力和温度在进气歧管处用速度密度法测量空气流量 测量点在进气歧管 而供油点在节气门处 MPFI 系统用质量空气流量传感器在节气门处测量空气流量 而供油点 在进气门处 1 4 项需要短时间内立即修正 它是用节气门偏差值调用加速加浓项需要短时间内立即修正 它是用节气门偏差值调用加速加浓 AE 子程序子程序 实现的实现的 5 当采用 TBI 系统时 燃油在发动机进气歧管中移动得比空气慢 特别是附着 在进气歧管表面上的液态部分 6 留存在进气歧管中的燃油质量随歧管压力和转速而变化 歧管中压力较高时 壁面上液态燃油增多 7 基本燃油的标定是在稳态下进行的 在瞬态期间会有一些误差 5 8 项是较长时间变化的项 根据项是较长时间变化的项 根据 MAP 偏差值或偏差值或 LV8 偏差值进行补偿 偏差值进行补偿 图 13 TBI 燃油供给系统 瞬态燃油补偿定义 瞬态燃油补偿定义 控制控制 A F 比比 根据工况由 PCM 计算的预定 A F 比 21 实际或排气实际或排气 A F 比比 实际在燃烧室中的并可在排气中测量的 A F 比 在稳定工况期间 实际的和 控制的 A F 比接近于相等 1 加速加浓加速加浓 AE 在发动机负荷增加时提供附加燃料的软件算法 根据下列各项增加燃油量 1 节气门位置 TPS 偏差值 AE 2 负荷偏差值 MAP 偏差值或 LV8 偏差值 AE 减速减稀减速减稀 DE DE 是在发动机负荷减小时减少喷油量的软件算法 根据下列各项进行减稀 1 节气门位置 TPS 偏差值 DE 2 负荷 MAP 偏差值或 LV8 偏差值 AE 和 DE 的目的是保持排气 A F 比接近控制 A F 比 而不是加浓或减稀混 合气 2 减速断油减速断油 DFCO 喷油量为 0 汽车行驶反拖发动机转动 车辆滑行 的一种运行方式 3 功率加浓功率加浓 PE 发动机在高负荷时 控制 A F 比减小的一种运行方式 此时牺牲排放和燃油 经济性使功率最大 功率加浓还被用来降低发动机和排放系统中的温度 对于 性能来说最佳 A F 比是在 13 1 和 13 5 1 之间 这被称为 LBT PE 提高了在 节气门全开 WOT 时的动力性能 减小了节气门全开时爆震的倾向并可防止催 化剂过热 驱动性能术语驱动性能术语 下面定义了一些术语 并附有图示说明 它们将在本章和以后章节中被引用 滞后 节气门踩下后明显反应滞后 上面的曲线是 TPS 输出 图 14 滞后 22 下沉 汽车加速变慢 然后再加速 这时 节气门位置没有改变 图 15 下沉 波动 加速率缓慢地重复改变 图 16 波动 喘振 传动系统中扭矩快速变化 图 17 喘振 瞬态燃油控制概述瞬态燃油控制概述 为了计算瞬态燃油偏差 有两种瞬态燃油补偿的方法 加速加浓 AE 和减速减稀 DE 另外还有一种算法是减速断油 DFCO 在 发动机不需要燃油时停止供油来帮助改善燃油经济性 即急减速时使发动机制动 在这些算法中基于冷却液温度的算法是一个重要的修正项 因为燃油的蒸发特 性主要和温度有关 因此在温度低时需要进行更多的 AE 和 DE 23 4 加速加浓加速加浓 AE 算法算法 节气门打开过程和 PCM 的响应如表所示 情况变化情况变化操作操作 1 节气门开始打开 PCM 检测到 TPS 信号 2 流入进气歧管的空气量立即增加 实 际流量可能超过最大稳态流量 PCM 计算 AE 燃油量 3 歧管压力开始升高 燃油凝结在歧管 壁上 喷油量增加 4 较多空气和较少燃油进入燃烧室导致 A F 变稀 PCM 计算的基本喷油量增加 5 附加的燃油到达燃烧室 A F 达到正 常 AE 持续进行 但加浓量不断减少 表 1 节气门打开瞬间变化过程 注意下面定义的软件项会在以后的举例中使用 F21 实际 TPS 滤波后 TPS F22 实际 MAP 滤波后 MAP F34 冷却液温度 F35 实际 MAP 滤波后 MAP F37 冷却液温度 F38 转速 F210 TPS TPS 偏差值偏差值 AE 节气门位置信号要进行软件滤波 将实测值和滤波后数值进行比较 以检测 节气门开度增加的速率 如图 18 所示 TPS 偏差值 实际 TPS 滤波后 TPS TPS 偏差值 AE 在以下情况时起作用 发动机正在运行 不在高发动机转速或高车速断油方式下运行 TPS 偏差值 门槛值 TPS 偏差值 AE 公式 F21 TPS 偏差值 F38 rpm F210 TPS F37 冷却液温度 24 图 18 加速加浓 AE 模拟 负荷偏差值负荷偏差值 AE 此例使用此例使用 MAP 歧管压力信号要进行软件滤波 将实测值和滤波值比较检测歧管压力增加的 速率 MAP 偏差值 AE 的模拟如图 19 所示 MAP 偏差值 实际 MAP 滤波后 MAP MAP 偏差值 AE 在以下情况时起作用 发动机正在运行 不在高发动机转速或高车速断油方式下运行 MAP 偏差值 门槛值 MAP 偏差值 AE 公式 F22 MAP 偏差值 F38 rpm F37 冷却液温度 在图 20 中表示了两种不同加速加浓的响应 式中 F22 F37 F38 是可标 定项 MAP 偏差值 AE 计算公式包含在 PCM 的软件中 AE 燃油累加值燃油累加值 AE 燃油量规定为程序每循环一次 12 5ms 喷油脉宽增加几 ms 并以异步方式 供油 如果这个量太小不足以进行燃油精确计量的话 可将每次燃油累加直到 能被准确计量为止 在 MPFI 系统中 AE 燃油也可加到同步燃油脉宽中以正 常供油方式供油 25 图 19 MAP 偏差值 AE 模拟 图 20 TPS 偏差值与 MAP 偏差值 AE 对比的模拟 26 减速减稀减速减稀 DE 算法算法 TPS 偏差值 DE TPS 偏差值 DE 定义为 TPS 偏差值 TPS t n 1 TPS t n TPS 偏差值 DE 在以下情况时起作用 发动机正在运行 TPS 偏差值 标定门槛值 TPS 偏差值 DE 公式 TPS 偏差值 KDESCALE F34 冷却液温度 式中 KDESCALE 是标尺因子 TPS 偏差值 DE 定义为基本喷油量计算中减少的百分数 负荷偏差值负荷偏差值 DE 此例使用此例使用 MAP 歧管压力信号要进行软件滤波 将实际值和滤波值进行比较以检测压力减小 的速率 MAP 偏差值 滤波后 MAP 实际 MAP MAP 偏差值 DE 在以下情况时起作用 发动机正在运行 从 AE 逻辑得到 TPS 偏差值 标定门槛值 MAP 偏差值 标定的门槛值 DE 量 F35 MAP 偏差值 F32 冷却液温度 TPS 偏差值 DE 定义为基本喷油量计算中减少的百分数 最大喷油量减少量 是 100 TPS 偏差值偏差值 AE 的标定的标定 对幅度的大小进行标定 使得节气门快速打开的开始阶段 发动机响应良好 调整加浓的持续时间 使得节气门打开较慢时响应良好 为了满足排放要求 根据需要减少加浓油量 负荷 MAP 偏差值 AE 的标定 标定至中等节气门开度时响应良好 为了最好的排放性能调整加浓燃油量和持续时间 TPS 偏差值偏差值 DE 的标定的标定 标定至减少在节气门快速关闭时因混合气过浓而出现失火 负荷偏差值负荷偏差值 DE 的标定的标定 主要用于减少排放 标定至在各种节气门关闭速度下均保持实际 A F 接近于所要求的 A F 冷却液温度修正系数冷却液温度修正系数 调整至在所有温度情况下均保持良好响应 27 在冷态运行时由于燃油特性附加 AE 和 DE 油量的标定 TBI 和和 MPFI 标定策略标定策略 对于 TBI 和 MPFI 系统 瞬时燃油标定是相同的 但对不同的喷射方法 加 浓 减稀 的幅度和持续时间有明显的差别 同步供油同步供油 同步喷射在发动机循环中的特定点开始 同步喷射是以曲轴传感器提供的参考信号为基准开始的 异步供油异步供油 异步喷射在 PCM 程序循环中的特定点开始 从节气门改变瞬间到喷油开始的时间延迟要减到最小 在 MPFI 系统中 燃 油量在各气缸之间分配并不均匀 当节气门迅速打开时 为了使燃油迅速进入气缸以减轻下沉现象 由 TPS 偏差值 AE 决定的异步喷射起着很重要的作用 如图 21 所示 图 21 节气门瞬变过程 28 减速断油减速断油 DFCO DFCO 的目标的目标 使燃油消耗减至最低 避免发动机减速时失火 保护催化转换器 在装有催化转换器的车辆上使排气污染减至最低 增加发动机制动能力 可以进行可以进行 DFCO 的条件的条件 发动机运转 RPM 表中值 冷却液温度的函数 车速 标定值 节气门关闭 TPS 标定值 MAP 标定值 在使能 DFCO 前必须满足上述所有条件一段时 应避免在换档时进行 DFCO 进入进入 DFCO 在一段时间内周期将使燃油量逐渐减少到 0 使扭矩变化平稳 退出退出 DFCO 如果长时间 即下坡距离很长 进行 DFCO 进气歧管会变干并且发动机会变 冷 当退出 DFCO 时 应喷入额外的燃料以补偿残留在进气歧管壁面上的液 态燃油 额外增加的燃油量将根据冷却液温度 TPS 信号电压 rpm 和 DFCO 的时间而定 29 第五章第五章发动机标定 冷态和热态驱动性能发动机标定 冷态和热态驱动性能 1 冷态的供油概念冷态的供油概念 燃烧要求空气和燃油蒸气的比例在稀燃界限和浓燃界限之间 14 7 汽油蒸气的理论空燃比 稀燃和浓燃界限为 稀蒸气当量比 0 6或A F 24 浓蒸气当量比 4 0或A F 3 5 当量比 实际 14 7 发动机的实际界限并没有那么宽 冷机时 喷射燃油的大部分仍保持液态 液态汽油不会燃烧 仅蒸发为气态的那部分喷射燃油能用来达到稀燃界限 必须限制液态燃油的量 液态燃油过多会淹没火花塞 必须尽量提高气态 液态比以使冷起动性能和冷机驱动性能达到最佳 图22 显示了低温对起动时间的不利影响以及随着温度降低对浓混合气要求的变化 图22 蒸气当量比 30 冷态的供油概念冷态的供油概念 续续 燃油蒸气的产生量是下列参数的函数 温度 PCM输入 燃油特性 馏分 蒸气压力 歧管绝对压力 PCM输入 对蒸发的次要影响因素包括 液态燃油的暴露面积 空气流速 喷油器雾化 PFI 喷油器喷束 PFI 喷油器喷油正时 PFI 图23显示了蒸发对着火时间的重要影响 冷起动标定冷起动标定 冷起动包括三个阶段 1 拖动阶段拖动阶段 从开始拖动到第一个气缸着火 2 拖动到运转阶段拖动到运转阶段 第一个气缸着火到冷机转速上升 3 暖机阶段暖机阶段 冷机运转到稳定的暖机运转 图23 燃油蒸发特性 2 拖动阶段拖动阶段 拖动阶段从发动机开始转动 PCM探测到来自曲轴位置传感器的参考脉冲 到 由于燃烧使发动机转速上升时为止 图24为节气门体喷射 TBI 系统的空燃比 31 A F 在拖动阶段的控制规程 请注意其开始时为浓 逐渐减稀空燃比 请注意 系统是可以调节的 即变量A E都可以用标定工具来改变 拖动阶段的状况 拖动阶段的状况 由于有起动机负载 蓄电池电压低而且有波动 由于提供给电子燃油泵的电压不稳定 所以燃油压力低而且有波动 不可预测的拖动转速 不可预测的空气流速 拖动阶段的目标 拖动阶段的目标 尽快使发动机着火 避免供油过多和火花塞淹没 拖动阶段的标定策略 拖动阶段的标定策略 要有大的初始基本脉宽使进气歧管湿润并达到稀燃界限 在顺序喷射系统中 在识别出判缸信号 凸轮轴传感器 之前 所有喷油器 将同时工作 在继续拖动过程中减小基本脉宽以避免火花塞淹没 供油应比预期的量更浓些 以补偿由于蓄电池电压低造成的燃油压力低 和喷油器响应时间慢 图24 起动阶段TBI空燃比规程 3 拖动到运转阶段拖动到运转阶段 拖动到运转阶段始于发动机转速由于第一次燃烧而提高 至发动机转速在某 个经过标定的参考脉冲数 KERUNCNTR 时期内都超过某个经过标定的转速阈 值 KRPMUP 时为止 图25显示了空燃比在拖动到运转阶段中逐渐提高的过程 如果发动机在20个参考脉冲后仍未着火 则空燃比将保持在7 5 一旦发动机 着火 空燃比将迅速提高以防失速 32 拖动到运转阶段状况 拖动到运转阶段状况 发动机转速迅速提高 乘10倍 进气歧管绝对压力 MAP 下降使燃油蒸发加强 空气流速提高加强了燃烧室内的空气旋流 燃烧室温度上升 拖动到运转阶段的目标 拖动到运转阶段的目标 在这个严重不稳定的工况中提供适量的燃油 避免供油过多 它会导致失速或排放污染过量 拖动到运转阶段的标定策略 拖动到运转阶段的标定策略 随着发动机转速上升 迅速减小基本喷油脉宽 以清除进气歧管中积存的 液态燃油 图25 拖动到运转阶段TBI的空燃比规程 33 4 暖机阶段暖机阶段 暖机阶段从发动机转速在某个经过标定参考脉冲数 KERUNCNTR 时期内都 超过某个经过标定的转速阈值 KRPMUP 时开始 至能够进行闭环控制所要求 的条件满足时为止 图26显示了暖机阶段空燃比逐渐上升的过程 从中也可看 出系统参数可通过标定员进行调整 具有很大的灵活性 暖机阶段状况 暖机阶段状况 当车辆被开动时 发动机转速和歧管绝对压力 MAP 都有变化 冷却液温度不断上升 稳定工况下所需液态燃油量减少 过渡工况下所需供油量随冷却液温度上升而缓慢减少 暖机阶段的目标 暖机阶段的目标 在所有驾驶情况下保持良好的驱动性能 平稳性和响应性 保持空燃比稍稀于理论混合气以促使催化转换器进入工作状态 暖机过程的标定策略 暖机过程的标定策略 根据冷却液温度 MAP和发动机运转时间调整空燃比 通过很好地控制瞬态供油来满足驱动性能要求 而不是设定更浓的控制 空燃比 随着冷却液温度的升高逐渐停止瞬态供油 调整基本脉宽以防混合气偏浓以及排放污染过多 图26 TBI 暖机阶段的空燃比规程 34 脉宽公式脉宽公式 TBI BPW 常数 MAP T A F VE CLCF F33 速度密度法 BPW 常数 M空气 A F CLCF F33 空气质量流量法 常数 气缸容积 喷油器大小 废气再循环 EGR 补偿 速度密度 MAP歧管绝对压力 单位kPa T 歧管空气温度的倒数 A F 控制空燃比的倒数 VE充气效率项 根据转速和MAP查表 CLCF闭环修正系数 F33蓄电池电压燃油泵修正表 参见图27 M空气从空气质量流量计得到的空气质量 在节气门体喷射 TBI 系统中 此基础脉宽公式在起动和运转供油时都使用 在气道喷射 PFI 系统中 此公式在运转供油时使用 起动供油有时直接用相同形式的查表值 但替换了空燃比 图27 典型的燃油泵蓄电池修正系数 35 低温试验低温试验 冷起动标定工作通常在低温室中进行 低温驱动性能通常在冬天 温度低于 20 F 29 进行试验 并经过设于加拿大Kapuskasing的GM低温开发机构 验证 高温环境试验高温环境试验 高温试验通常在亚历桑那州Mesa的沙漠场地上进行 那里的环境温度会超 过100 F 38 热态静置和重新起动试验热态静置和重新起动试验 热态静置和重新起动试验是用来评价车辆长时间放置于热环境中以后重新起 动的能力和驱动性能 按时间表进行主动暖机 在环形试验场上 在防风木屋内热态静置5 60分钟 使喷油器达到最高温度 重新起动发动机 开车行驶 热怠速稳定性试验热怠速稳定性试验 热怠速稳定性试验在长时间怠速 15 30分钟 驻车于防风木屋内 过程中进 行 以判断发动机热怠速特性的平顺性和稳定性 海拔高度补偿标定海拔高度补偿标定 在各种海拔高度条件提供可以接受的驱动性能和排放性能 海拔高度会影 响到对点火正时的要求 高海拔环境状况 高海拔环境状况 空气密度较小 相同体积中所含质量较少 最大功率性能下降 发动机绝对背压下降 海拔每升高1000英尺 最大可能的歧管真空度下降约3 5kPa 高海拔补偿高海拔补偿 由于在高海拔时废气再循环 EGR 流量较小 故此时需要进行废气再循环 EGR 补偿 在高海拔时EGR阀两边的压差较小 参见图28 即当海拔 时 排气背压下降 MAP 由于EGR量较少 必须推迟点火提前角以防止爆燃 爆震 大气压力感测大气压力感测 进行海拔高度补偿需要某种形式的大气压力感测 36 专用的大气压力 Baro 传感器 选择歧管绝对压力 MAP 传感器的读数 在点火开关接通但还未起动发动机 时或者在低转速节气门全开时读取MAP电压 根据其它传感器 即TPS MAF和RPM 的信号预测大气压力 图28 背压型EGR 与海拔高度的关系 高海拔的标定高海拔的标定 供油 供油 空气质量流量法供油不需要稳定工况补偿 速度密度法供油要求限制充气效率 VE 补偿和废气再循环 EGR 补偿 对瞬态供油 空气质量流量法和速度密度法系统都可能需要补偿 取决于 供油技术 废气再循环废气再循环 EGR 随着海拔高度的提高 EGR阀两边的压差减小 导致EGR流量减少 排气背 压降低 真空度控制的EGR阀也会受到高海拔的影响 EGR阀必须开至足够大以满足高海拔受EGR影响的NOx排放 点火 点火 点火正时的需求随EGR浓度而改变 为了优化燃油经济性和排放性能 点火正时必须随着EGR浓度的增加而提 高 参见图29 没有高海拔补偿的车辆 没有高海拔补偿的车辆 由于需要满足高海拔时的排放要求 所以在低海拔时EGR浓度会比所需要 的更大一些 在低海拔时点火提前角会比最佳值偏小 以避免当高海拔时EGR流量减小 而出现爆燃 为避免高海拔时出现爆燃所作的折衷会使低海拔时车辆的驱动性能和燃油 经济性下降 37 图29 点火正时与海拔高度EGR修正的关系 38 第六章第六章发动机标定 怠速控制发动机标定 怠速控制 怠速控制怠速控制 怠速在控制系统中的功能是当节气门全闭后使发动机保持目标转速 在GM 的车辆中 使用两种怠速控制系统 怠速转速控制 ISC 系统 用步进电机调节节气门位置 见图30 怠速空气控制 IAC 系统 用步进电机调节进入发动机的旁通空气量 见 图31和图32 怠速质量评价怠速质量评价 已经建立了许多评价怠速质量的主观标准 然而 还没有一个关于发动机平 均怠速的顾客接受程度标准 当评价怠速质量时 需要考虑以下原则 系统应使怠速保持一定转速 而不使驾驶员觉察有异常 驾驶员不需了解怠速控制 系统应保持平稳的操作 系统应使由怠速控制而引起的干扰最小 怠速空气控制阀在目标转速附 近不应有动作 在稳定工况操作或瞬时负荷下不应有振荡或超调 转速转速 RPM 标准偏差标准偏差 提供对于怠速控制的客观标准 提供对于怠速质量或潜在怠速质量的定量标准 不包括发动机的安装与 隔振 对于比较硬件的改变或不同的标定尤其有用 图30 怠速控制系统 39 31 TBI怠速空气控制系统 怠速空气控制怠速空气控制 IAC 怠速期间 发动机负荷会由于动力转向 空调或其它电力的需求而有所变化 为了负担节气门全闭后出现的负荷 通过一个电子控制的阀提供额外的空气 即怠速空气控制阀 或IACV IACV安装在节气门体的管道中并与PCM相连 由PCM产生的一系列的电压 脉冲可使步进驱动枢轴 每个脉冲一步 从全开运动到全关 若要减少空气流量并降低发动机转速 则使枢轴伸向轴座 若要增加空气流 量并提高发动机转速 则使枢轴远离轴座 目标怠速转速通过对若干输入信息计算而得 其中一个输入信息是作冷却液 温度的函数的基本怠速转速 冷机时 PCM发出高怠速命令以帮助进行暖机 在某些状态下 需要在基本怠速转速上加上一些修正量 从停车或空档状态换档起步 或打开空调 会增加发动机的负荷 为了负担 增加了的负荷 PCM再额外打开IACV的枢轴若干步以保持稳定怠速转速 40 图32 MPFI 怠速空气控制 怠速空气控制系统功能怠速空气控制系统功能 在所有操作工况下保持目标怠速转速 补偿发动机负荷的变化 防止失速 通过标定最低怠速转速 怠速转速每降低100rpm 可提高0 5mile gallon 及降低减速期间空气流量 相应会降低供油量 来将燃油消耗率降为最低 使用学习功能 为由于老化及车辆之间的正常差异引起的变化提供补偿 消除需要周期进行的怠速调整 在节气门全闭减速时 通过向发动机内加额外的空气而减少排放 改善车辆的驾驶性能 在尽量减少对驾驶员的干扰情况下 完成这些功能 死区必须设置得足够宽 以避免系统在其自振频率附近发生振荡 闭环转速控制闭环转速控制 闭环转速控制用于在节气门全闭后对发动机转速进行控制 GM的大多数车 辆都是根据下列原则实现闭环转速控制 节气门全闭 TPS电压 标定阈值 车辆速度 0 KPH 标定阈值 或 RPM 目标怠速转速 仅自动变速器 根据使用情况 还有可能加入以下原则 冷起动时 为了使系统稳定而推迟怠速控制 负荷变化时 例如使用空调压缩机离合器或换档时 推迟怠速控制 41 目标怠速转速标定目标怠速转速标定 在进行怠速转速标定时 一定要考虑下列各项 避免将怠速转速控制在车身或变速器的共振范围内 对没电的蓄电池充电时需要较高的怠速转速 怠速转速应足够高以防止失速 尤其是冷机时 由IAC阀提供的空气量到底占发动机怠速空气需求量的百分之几 有些系统 被标定为热机时I