电控柴油机高海拔标定技术概述

伍赛特

1 总体概述

随着对汽车发动机动力性、经济性、排放性、驾驶性和舒适性等方面的要求不断严格，发动机电子控制技术不断得到应用。柴油机采用电控燃油喷射技术后，因其喷油参数灵活可控，在高原环境下能够对喷油参数进行修正，使柴油机更容易获得良好的空燃比，辅以喷油定时的大气压力修正或喷油压力的大气压力修正，能够改善高原下机械泵柴油机存在的空燃比偏离最佳值、有效热效率下降等问题，提高电控柴油机的动力性、经济性和可靠性等发动机性能。同时以高原环境下低温启动辅助设备的应用和标定，能够改善电控柴油机低气压低温启动性能，从而提高电控柴油机的高原环境适应性。

电控柴油机高原适应性的高低在很大程度上取决于其高原标定技术的成熟程度及标定试验的好坏。此外，电控柴油机燃油系统本身也受高原环境的影响，如高压共轨燃油喷射系统的低压回路、启动能力、系统压力控制／监控等均受到不同程度的影响，客观上也要求对电控柴油机进行高原标定。而随着发动机电子控制技术的发展，可变截面涡轮增压、双级涡轮增压和废气再循环等先进控制技术逐渐得到了应用。这些技术均需要考虑高原修正的问题，对电控柴油机的高原标定提出了新的挑战。

值得注意的是电控柴油机高海拔综合性能的提升是匹配和标定共同作用的结果，在进行电控柴油机标定之前必须进行对电控柴油机进行合理的硬件匹配工作。从狭义上讲，要为具有确定用途车型的发动机配用合适的电控系统。广义上还包括为实现整车的各种性能要求，而为整车、发动机和电控系统进行设计、选型、改造、适配和标定的整个过程。在进行电控柴油机高海拔标定之前，需要完成电控柴油机的燃烧室优化和增压器匹配等工作，不能将电控柴油机高海拔性能的提升完全寄希望于电控柴油机的标定工作，而应该将匹配和标定工作同时进行。

2 基本概念

常用的相关基本概念包括标定、“三高”标定、标定工况节点、脉谱和标定系统五个。

2.1 标定

标定是指根据整车的各种性能要求（动力性、经济性或排放性能等），调整、优化和确定电控系统软件的运行参数、控制参数和各控制模型的整个过程。其包括所有为此而进行发动机台架、整车转鼓、“三高（高温、高寒、高原）”试验和实际道路试验等过程。

2.2 “三高”标定

为了使车辆能够有更大的地域适应性，必须选择包括高寒、高温和高原在内的各种极端的气候条件对车辆进行试验和标定，以使车辆能够满足广泛的市场要求，在“高寒、高温和高原”条件下进行的标定试验，就是“三高”标定。图1是电控柴油机开发的基本流程，从该流程可以看出，“三高标定”是电控柴油车开发过程中必不可少的一环，整车在投向市场之前，必须完成柴油机高原环境适应性研究“三高标定”。其中高寒和高温标定主要是考虑进气温度的变化对整机性能的影响，高原标定需要同时考虑进气温度和进气压力的变化对整机性能的影响，并对相应的脉谱进行标定。

根据原机械工业部的调研结果表明：高原是对内燃机使用性能影响最为显著的环境，高原环境条件的变化造成柴油机整机性能的下降。柴油机在高原地区使用时，进气充量减小引起柴油机燃烧恶化，造成柴油机的动力性和燃油经济性下降、碳烟排放增加、热负荷增大、冷却性能降低和低温启动性能下降等问题。电控柴油机在开发过程中必须进行高原标定。

图1电控柴油机开发的基本流程

2.3 标定工况节点

标定工况节点是指为进行电控标定而确定的南发动机转矩、功率或平均有效压力和转速决定的离散工况点。对电控系统而言，由于转矩和功率不能直接控制，所以电控系统的控制软件一般用转速和功率的控制量，即绝对压力、进气流量、节气门位置（点燃式发动机）、油门位置或循环喷油量（压燃式发动机）来定义。

为了协调标定精度与标定工作量之间的矛盾，在保证节点范围能够覆盖发动机整个工作范围的前提下，在发动机性能变化大、使用频率高的区域或对使用有特殊要求的工况（如排放测试工况），标定工况节点密度应适当增大。常用工况可以通过发动机工况使用频率进行统计后确定，即调查各种工况在实际使用中出现的次数，在绘制工况频次统计图后得到。广西玉柴机器股份有限公司根据工况统计结果确定对公交柴油机进行公交循环的标定，其特征是提升其中低速燃油经济性，而对于其他柴油机可以根据需求采用高速公路循环进行标定，提升其中高转速性能。

2.4 脉谱

ECU是电控柴油机的“控制中枢”，发动机或整车标定也主要是对ECU中的脉谱数据进行优化，当发动机控制系统移植到不同机型上，特别是开发新型的电控柴油机时，一些关键的脉谱都需要重新进行标定。

ECU中有大量的数据表，有些代表了部件的固有特性，如压力传感器电压值与压力值之间的关系、燃油密度和温度的关系等；有些代表了发动机的稳态性能，如进气流量与进气压力和温度间的关系、喷油器油量与轨压和控制脉宽的关系等；有些则是控制策略不可缺少的部分，如启动油量与水温间的关系、基本油量与加速踏板和转速间的关系等，这些数据表统称为脉谱。脉谱的结构和不同脉谱之间的逻辑关系是电控柴油机控制系统开发的重要内容，是进行电控柴油机标定的前提和基础。

脉谱的节点数量和分布规律等要根据ECU容量和ECU运行的常用工况等因素考虑，如ECD-U2电控单元的喷油量脉谱、喷油定时脉谱和共轨压力脉谱采用密集的18×26矩阵。无锡威孚相应的喷油参数脉谱采用稀疏的11×26矩阵。

2.5 标定系统

一个功能完备的标定系统是进行电控柴油机标定的前提和基础。总的来说，国外标定系统开发和应用的时间早，技术成熟，开发了如ATI公司的VISION标定系统、ETAS公司的INCA标定系统、AVL公司的CAMEO标定系统和Vector公司的CANape标定系统等，这些标定系统已经形成成熟的产品，在国内外拥有大量的用户。国内部分高校也开发了各具特色的标定系统，如上海交通大学开发了具有脉谱数值和原始数值比较功能和权限设置功能标定系统；清华大学开发了发动机自动化性能试验系统和满足CCP协议的通用型标定系统；浙江大学和江苏大学等院校也开发了各自的标定系统。虽然上述标定系统在功能上和国外同类产品还存在差距，但自主开发标定系统能够降低开发成本，满足电控柴油机标定及其技术研究对研究平台的需求，并推动了标定技术的发展。

典型的标定系统主要由标定软件、接口硬件和测量模块组成，具有如下的基本功能：

（1）能实时监控和显示各种传感器和执行器信号以及脉谱的图形数据和发动机各种状态参数值，以便能及时确定被标定节点和应标定或修改的参数值；

（2）能对脉谱进行实时在线修改；

（3）能够具有软件编程和数据管理等功能，使修改后的脉谱能够顺利预置于ECU中；

（4）配套的发动机台架及测试设备应满足电控发动机试验或测试的各种基本要求。

此外，部分标定系统还集成了试验设计和数据优化等功能。

随着标定系统的不断发展，自动化标定系统逐渐得到了应用。自动化标定系统是在自动化试验台架的基础上，将试验过程和优化计算结合起来的系统，能够通过优化算法设计试验过程并自动完成试验和记录数据，同时能够对试验结果进行优化计算，并能根据试验结果得到最终的最优解。自动化标定系统一般分为自动化标定试验台架和标定软件。其中，自动化试验台架是自动化标定的试验基础，已经成为各种发动机研制和测试生产过程中必不可少的设备，其作用是自动完成发动机台架试验，并获得有效的试验数据。标定软件需要控制喷油参数并根据试验数据进行优化并确定控制系统中的控制参数。

AVL公司在1992年成功开发了一个可以实现自动标定的台架试验系统。据介绍，利用该系统，可以对电控增压柴油机的喷油定时和EGR进行自动优化，使得原来需要2周以上的试验标定工作可以在20小时以内完成，并最终形成了AVL的CAMEO标定系统。德国FEV公司和SCHENCK公司的VEGA标定系统也实现了类似的功能，自动化标定系统已经成为标定系统发展的重要方向，该系统的实现意味着测试设备和标定系统需要满足相同的通信协议，使得排放分析仪、燃烧分析仪和发动机测功系统可以直接同标定软件进行通信。

参考文献

[1] 刘瑞林. 柴油机高原环境适应性研究[M]. 北京：北京理工大学出版社, 2013.02.