标定工程师为什么不建议随便改发动机?

2019-04-18 来源:互联网

随着汽车走进千家万户,改装成了一个很多车友津津乐道的话题。可是大部分(看清楚,我说的是大部分)车友的专业水平堪忧,这也就是电商平台上各种电扇涡轮大行其道、各种奸商赚得盆满钵满的原因。今天,我从我自己的角度(发动机制造领域)来谈一谈——为什么不建议大家改装发动机。

说到改装发动机,大部分改装者第一目的是为了获得更多的动力,但实际情况是——

先说点初级的——电商平台上的“电扇涡轮”,我想大部分人都知道涡轮增压这个名词。而且都知道涡轮增压器能增加进气量从而提高发动机的动力。而涡轮的匹配和安装需要很高的专业技能,一些奸商正好的抓住了这个切入点,各种长得像涡轮压气机的吹风机、甚至机箱风扇一样的轴流式小风扇被包装成了所谓的“电子增压器”,有的奸商声称他的吹风机能吹灭十多米外的蜡烛,口口声声说能增加发动机多少动力什么的。

但我从未见过一个商家写明他所卖的那种吹风机的最大流量以及最大增压压力。想必大家也都听说奥迪在搞电子增压,我正好也有一点了解,奥迪的电子涡轮增压器,带动压气机工作的电动机功率是4kw左右,与之搭配的是48V的电子控制系统。我们目前的轿车全部都是12V的系统,想要实现这个功率需要300安左右的电流,往小一点说,哪怕是1200瓦也需要100安左右的电流,试问,什么车的发电机有这么大的发电量?还有,羊毛出在羊身上,发电机与曲轴相连,发电机本身要吃掉发动机曲轴上这么多功率才能产生这样的压气能力,而这个1200瓦的压气机能起到多大的增压作用呢?

明确告诉大家,在大负荷的时候,那些所谓的吹风机不阻挡进气就烧高香了,至于增压,更是想都别想。

再有的就是空滤。我工作这些年做过的项目里,空滤处的压降一般在2kpa到4kpa左右,那些所谓赛车用高流量风格,也许真能降低1~2kpa的进气阻力,对于自然吸气发动机来说,在全油门节气门全开时,可能会带来0.8%~1.5%左右的动力提升,但对于现在的增压发动机就无效了,因为增压压力控制是闭环控制,达到了ECU中设定的增压压力就不会再往上走了。

一般来说,那种称之为“冬菇”的空滤过滤效果会比原厂的空滤差很多,为了降低这么一点点进气阻力,搭上的是发动机的寿命,划算吗?

下面说点高级的。近些年市面上销售的汽油车里,除了部分低端车型,大部分采用的都是电子节气门,带增压器的车更是百分之百的电子节气门。采用ETC(电子节气门)的好处我就不多说了,这次我来简单说说电子节气门的发动机控制。一般来说,有ETC的发动机都采用扭矩模型控制。油门踏板和节气门阀片不是简单的对应关系,而是一张可标定的map图,简单称之为pedal to torque map。这张表可以做成各种形状来适应不同的车型。同一台发动机,调整这张表就可以调校出完全不同的特性。发动机ECU内部的简单计算流程是这样的:

涉及机密我不能说太多,不过各家公司的控制原理都类似。精细化完成的台架精度可以很高,达到100牛以内±10牛米,100牛以上±10%的精度(这是个最基本的要求,其实我们通常的控制结果会比这个要求更高),下图是我手中的一个项目的台架精度报告。

采用扭矩模型的发动机控制需要严格控制边界条件,更换进排气系统不仅会造成扭矩预估的偏差,还会导致燃油控制的偏差,排放差点是小事,烧了涡轮那可是白花花的银子啊。

这么说吧,但凡有更换进排气系统的项目,我们一律重新上台架校核充气效率。扭矩模型的偏差对于手动挡车型来说,问题可能不大,因为换挡是驾驶员决定的,但对于自动挡车型来说(包括AT, DCT以及CVT),变速器对于EMS的扭矩精度要求极其变态,每个自动挡项目都会因为扭矩精度的问题和变速器的供应商打得焦头烂额。这一点,做EMS标定的同行们一定深有感触吧。

所有一旦涉及与扭矩预估相关的改动,带来的只能是换挡品质恶化,升降挡时机怪异等。如果这样依然不能阻挡你改装的脚步,那就接着往下看。

更高级的改装,那就是改ECU了。有外挂式,原厂ECU刷标定。外加一些所谓的改装套件,包括加大的中冷、油冷、大号增压器等等。

在拉线节气门时代,ECU运算很简单就是根据进气量去算喷油,那个时代的发动机诊断逻辑也少,这样做无可厚非,但现在的ECU诊断功能很多,比如增压压力超限值,就会报Over boost故障,所以外挂电脑越来越少。而我有幸见过几次所谓的什么高阶标定,无非是放开了增压诊断的限值,提高了增压压力以及增加点火角,无他。

先说点火角,点火角是发动机台架标定的重中之重,每个台架最开始的标定就是基础点火角以及点火效率的标定。获得系统执行不同点火角对输出扭矩和平均有效压力的影响规律是基于扭矩模型策略的一个重要试验。许多实际工况下,系统需要推迟点火角以防止爆震发生。在这些工况下,系统需要考虑到点火效率损失来预估实际扭矩输出。

我拿我一个项目来举例,下图显示的是点火效率与百分之五十放热率(CA50)之间的关系,此发动机在CA50约为8.1左右时,点火效率最高。

改动点火角对扭矩预估的影响会比改进排气系统更大。而且,点火角不仅影响扭矩,对发动机的寿命也会有极大的影响。

在标定完基础点火角以后,是各种热力学模型以及扭矩模型的标定,最后要标定爆震。在标定基础点火角时,为了油耗我们一般会把点火角标得比较激进,一般都在爆震的临界点,做爆震时要人为制造爆震,然后标定爆震控制逻辑把点火角退回来。

下图中的绿线是示波器中爆震传感器的原始信号,白圈处是明显的爆震。

当点火角主表改太大,超过爆震控制逻辑能退下来的点火角极限时,爆震就会不可避免的发生,损坏发动机。

除了扭矩控制之外,由于现代发动机强化程度较高,我们还会进行进排气系统温度预估的标定。进气温预估主要是为了修正扭矩控制,排气系统温度预估主要是为了保护排气系统,如排气歧管、涡轮以及催化器不被烧毁。不同的发动机,哪怕排量一样,燃烧室设计不同就会导致点火角巨大的差别,排气温度也会千差万别,基本上没有可以借鉴的地方。随便从我手里的项目里,拿出两个2.0T发动机的涡轮温度预估当例子(纵坐标为转速,横坐标为负荷)。至于排温高好还是排温低好,大家自己思考一下。

有朋友曾经问我,我们是怎么设置最大增压压力的,我的回答是——达到主机厂设计要求,保证排气系统不超温,能过全速全负荷试验和冷热冲击试验后发动机的最大增压压力(各主机厂要求不同,比如有主机厂要求200小时全速全负荷,200小时冷热冲击)。

还有的改装会通过换大一号的涡轮来达到更大的增压压力,增压值过大带来的后果,轻则拉缸,烧涡轮烧排气系统,重则抱瓦,连杆弯曲然后断裂敲破缸体飞出来,这种改装对发动机的伤害可就不仅仅限于驾驶性了。

最后,我们再来看一组改装发动机后活生生的例子——

先来个火花塞烧熔、气门被卡断、整个气门掉进气缸的:

再来一个爆缸的:

我们的标定,是装着进排气热偶、催化器热偶、涡轮热偶、涡轮转速传感器以及宽域氧传感器随时监控着发动机运行工况做出来的,我们的排温控制是能稳定控制在排气系统各个零部件的热力性能要求之内的。我不相信外面的改装店能有这样的实力和经费去做高温试验,去做高原验证,我不相信改装店会做的比我们更细致。

我承认我们有自己的局限性,我们做的项目都是民用车,没有接触过赛车领域,我们侧重点不同,我们做出来的项目,也许不是性能最好的,但也是我们尽最大努力在保证可靠性的前提下性能最好的。

驾仕总结:

所有的发动机设计工程师都想让自己的发动机性能更好一点,所有的标定工程师都在用自己最大的努力想把自己标定的发动机发挥出最大的性能。很多时候,我们甚至会为了0.5°的点火角和自己较劲半天。所以,在没有原始数据,没有台架的情况下,大家最好还是别改了。

发动机是种很有趣的机械,什么都要刚刚好,才能最好。水温太低了性能不够高,太高了拉缸;点火角太小了动力损失排温升高热效率下降,太大了爆震损坏机械结构;空燃比太稀了燃烧不好排放出NOx,太浓了积碳、机油稀释排放出CO以及HC;机油太浓了摩擦阻力太大性能下降,太稀了油膜建立不起来拉缸抱瓦。

改装不是大家想的那么简单,原厂的标定是权衡了经济性,动力性以及可靠性的最优方案,要改装,请三思。