电控发动机及整车标定方法资料.docx
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电控发动机及整车标定方法资料
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
第一章标定过程概述
§1．1发动机在测功器上的初步开发
§1．2车辆驱动性能的开发
§1．3开环标定—冷机和暖机
§1．4闭环标定
§1．5车辆排放试验
§1．6车辆排放试验整理
§1．7车辆排放认证试验
第二章发动机标定，稳态测功器试验
§2．1基本稳态标定
§2．2基本燃油标定
§2．3充气效率
§2．4开环方法
§2．5闭环方法
§2．6EGR补偿
§2．7基本点火标定
§2．8发动机控制表及EMS工作
第三章发动机标定，闭环燃油控制
§3．1暖机目标
§3．2热机和转换器起作用阶段的目标
§3．3燃油控制
§3．4闭环修正项
§3．5快学习值
第四章发动机标定，瞬态燃油控制值
§4．1加速加浓
§4．2减速断油
§4．3功率加浓
§4．4加速加浓的算法
§4．5减速减稀的算法
第五章发动机标定，冷态和热态驱动性能
§5．1冷态供油概念
§5．2拖动阶段
§5．3拖动到运转阶段
§5．4咬机阶段
§5．5脉宽计算公式
§5．6低温试验
§5．7高温环境试验
§5．8重新起动试验
§5．9热怠速稳定性试验
§5．10海拔高度补偿标定
第六章发动机标定，怠速控制
§6．1怠速控制及其评价
§6．2怠速空气控制（IAC）
§6．3闭环转速控制
§6．4目标怠速转速标定
§6．5闭环怠速控制算法
§6．6闭环转速控制限值
§6．7点火与供油相互作用
§6．7．1点火
§6．7．2喷油
§6．8怠速空气阀目标位置
§6．8．1冷机补偿
§6．8．2负荷补偿
§6．8．3A/C负荷补偿
§6．8．4冷却风扇标定
§6．8．5动力转向标定
§6．8．6失速补偿
§6．9辅助怠速空气算法
§6．10最恶劣条件下的标定
第七章开发工具
§7．1开发装置
§7．1．1系统硬件
§7．1．2系统软件
§7．2发动机工况空燃比记录仪
§7．2．1系统硬件
§7．2．1系统软件
附录．开发装置使用说明书
第一章标定过程概述
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
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
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
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
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。
§１．１ 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
—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。
—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
—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）。
§１．２ 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
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。
§１．３ 开环标定—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。
开环标定—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—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。
§１．４ 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
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。
§１．５ 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
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
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
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
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。
§１．６ 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
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：
—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（EMI）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（EMC）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。
§１．７ 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
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）。
第二章发动机标定，稳态测功器试验
§２．１ 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。
§２．２ 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。
§２．３ 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
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）
§２．４ 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
§２．５ 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。
§２．６ EGR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）
§２．７ 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EGRON/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。
EGRON（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EGRON（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。
§２．８ 发动机控制图表和EMS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
第三章发动机标定，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7A/F对发动机排放的影响
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。
§３．１ 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。
图8典型的催化剂工作图
§３．２ 热机和转换器起作用阶段的目标
（稳定阶段,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
§３．３ 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（C/L）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（C/L）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
§３．４ CORRCL（闭环修正）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）。
§３．５ 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
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
第四章发动机标定，瞬态燃油控制
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（AE）子程序实现的。
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MAP偏差值或LV8偏差值进行补偿。
图13TBI燃油供给系统
瞬态燃油补偿定义：
控制A/F比
根据工况由PCM计算的预定A/F比。
实际或排气A/F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。
§４．1 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（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。
§４．2 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。
§４．3 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
下面定义了一些术语，并附有图示说明，它们
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