摘要：通过对电喷系统原理的分析与学习，对CRF450x进行一定的电喷化改造使其性能得到提升，适合FSAE比赛的使用。
一、 研究背景
首先先介绍一下什么是FSAE（Formula SAE），Formula SAE (FSAE) 由国际汽车工程师学会(SAE International)于1978年开办，其概念源于一家虚拟制作工厂，向所有大学生设计团队征集设计制造一辆小型的类似于标准方程式的赛车，要求赛车在加速、制动、操控性方面都有优异的表现并且足够稳定耐久。开办30多年来，FSAE已发展成为每年由15个国家举办的20场赛事、并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。
比赛分为静态比赛和动态比赛，其中动态比赛包括直线加速、8字绕环、高速避障、耐久赛、燃油经济性【1】。由比赛项目看得出来FSAE比赛对发动机的性能还是有比较高的要求的，比如功率、响应性等。为完成比赛必然要对能买到的量产发动机进行一定的改造才能用于FSAE赛车使用。发动机的化油器改电喷，是最常见的改装方式，在电喷系统改装匹配之 中单缸发动机的电喷化改装难度又大于四缸发动机的改装，因为单缸机的循环变动更大，转速波动更大这给电喷系统的匹配造成了很大的困难。
发动机选型
FSAE比赛的基本规则中包括以下两条：使用排量不超过610cc的四冲程汽油机、安装内径20mm的进气限流阀。首先排量上的限制就使得发动机选型有了较大的局限，一般的乘用车发动机都不符合股则要求，而大部分摩托车使用的四冲程汽油机成为了首选。其中既有四缸机也有单杠机，四缸机在功率上更具有优势，如CBR600的功率能达到50KW，而单缸机如CRF450的功率最大也只能达到40KW左右。不过单缸机的在轻量化上占有很大优势，CRF450湿重为32KG，CBR600湿重为59KG。另外结合实际比赛来看，以2010和2011年FSAE中国赛的赛道来看（图1），很显然，一圈里面，车手用于大油门的路程不到25%。也就是说只有在这个25%的路程里面，更大马力才可能会有一点优势。而这个优势并不明显。比赛大部分时间，赛车都在小油门转弯，所以提高赛车弯道速度才是重点。一台马力大的四缸车相比一台单缸车的优势在比赛中的优势只有25%。而其余75%的赛道，更轻必定更快，出弯速度大了，直道上的劣势也就小了。因此单缸机功率上的劣势不会过于明显，
可是使用单缸机的车辆能大幅减轻车重，使车辆的操纵性更好这弥补了单缸机的缺点。所以最终选择CRF450X发动机，不过该发动机为化油器型发动机。
图1；绿部分为油门开度大于60%的路段
电喷发动机优势所在
电喷发动机由进气系统、燃油系统、电控系统等组成。它是根据安装在发动机进气系统及机体上的传感器所感知的信息，提供给计算机控制系统，精确计算出发动机在各种工况下
所需的供油量，并向喷油器提供所需脉冲频宽，然后将有一定压力的燃油通过喷油器喷入进气歧管或气缸。 燃油电喷控制系统控制的核心是计算机系统，以计算空气流量和发动机转速为基础，以喷油器、点火器等为控制重点，使发动机在各种工况下都能获得最佳混合气，达到最佳工作状态，产生最大动力输出。其最大优点是：解决了混合气在进气歧管中的分配和燃油雾化等问题，并能精确准时地供给发动机工作时所需的最佳混合气。而化油器最大的问题是不能将同等量混合气均匀地分配给各个气缸。
电喷控制系统比化油器优越，它使汽油燃烧得更充分，更彻底，一般可提高发动机输出功率约5%，节省燃油5%～20%。此外发动机的起动性能和加速性能也都得到改善。
所以从性能上看FSAE的比赛即要求发动机有一定的功率、加速性要好、响应要迅速、油耗也不能太大，所以进行电喷改造十分有必要。
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二、总体方案的确定
进气量测量方式的确定
汽油机电控系统的控制目标之一是将空燃比控制在所要求范围内，ECU根据发动机每一循环的进气量来计算所需喷油量来控制发动机空燃比。因此，ECU对进气量的计量是否准确直接决定了空燃比控制的精确性。电控系统测量进气流量的方法有速度-密度法（MAP）、速度-开度法（TPS）以及质量流量法（MAF）。速度密度法也叫D型电喷，以进气压力作为负荷指标；质量流量法也叫L型叶特朗尼电喷，以空气质量流量作为负荷指标；速度-开度法也叫Alpha-N，以节气门开度作为负荷指标。一般认为TPS油门响应好，但是准确程度差；MAP鲁棒性好进气阻力小但是准确程度稍差；MAF最准确但是可能有进气阻力而且响应差点。针对单缸摩托车发动机的特点，本系统选用速度-开度法。
机燃油喷射系统确定
汽油机电控系统按照喷油位置的不同可以分为缸内直喷（GDI）和进气道喷射。为了节约成本减少原化油器发动机的机械改动，本系统采用进气道喷射，进气道喷射根据油路的不同可以分为有回油燃油供给系统和无回油的燃油供给系统，有回油燃油供给系统原理如图2所示【2】。
有回油的燃油供给系统在电控系统早期的应用过程中使用较多，系统中的燃油压力调节器
根据进气管的进气压力调节油路中的燃油压力，确保喷油器前后两端的压力是一定的（进气道喷射一般为250MPa-400MPa），使喷油器的喷油量只与喷油时间有关系，因此电子控制系统可以精确的控制其喷油量。但是这种结构的供油系统会造成回油被油泵加热，进而导致油箱里的油温升高，高温的燃油继续循环会导致油箱里的燃油压力过高，影响发动机的性能等问题。因而现在的趋势是使用无回油的燃油供给系统。
无回油的燃油供给系统取消了从压力调节器到油箱的回油管，把燃油压力调节器、油泵组合在一起，其原理如图3所示，与有回油的燃油供给系统相比其不同点如下：
1) 参考压力不同：有回油系统参考压力为进气管压力；无回油系统参考压力并非恒定，在实际应用过程中必须根据进气管压力实时的对喷油量进行修正。
2) 无回油系统整体成本低：无回油系统没有回油管从发动机引回，油管长度减小，造价降低。
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3) 无回油排放更加容易控制：对有回油系统，回油从发动机引回，温度较高，同时回油管长，表面积增加，都促使汽油蒸发气化，使排放中油蒸汽含量增加。
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4) 无回油系统有利于油泵工作：有回油系统回油为热油，容易产生气泡，使同等条件下油泵的吸油量降低。
图2：有回油的燃油供给系统原理图 图3：无回油的燃油供给系统原理图
通过分析两种供油系统的优缺点，并考虑到摩托车本身零部件安装的紧凑性，这里采用无回油的燃油供给系统。
电控系统方案确定
根据以上分析，本电控系统采用电喷闭环控制的技术方案。进气量测量方式采用速度开度
法；供油方式为进气道喷射并且采用无回油的燃油供给系统；点火方式采用ECU-CDI 点火。系统中所使用的传感器有：转速传感器（原化油器摩托车点火触发线圈）、发动机温度传感器、节气门位置传感器以及氧传感器；执行器有：喷油器、电动燃油泵以及点火器。电控系统以ECU 为核心，利用不同传感器测得发动机各种工作参数，按照由ECU中事先设定的控制程序和参数，精确地控制喷油点火，使发动机在各种工况下都能以最佳状态工作。
CRF450电喷改造工作
针对CRF450所做的具体改造有：
(1)、重新制作曲轴信号盘，原装的发动机曲轴信号盘只有两个触发齿无法为喷油和点火提供较为准确的基准信号，因此重新制作了齿数更多，分度更小的曲轴信号盘，重新制造的信号盘为36齿缺1齿的信号盘。 （2）、更换曲轴信号盘后第二项工作是加装凸轮轴位置传感器，凸轮轴位置传感器是电喷发动机重要的点火和喷油的基准信号，ECU必须借助凸轮轴位置信号来判断气缸的压缩上
止点，从而计算喷油和点火提前角，我们利用进气门凸轮作为凸轮轴位置的信号盘，在缸盖上正对凸轮的位置打了一个φ20mm的通孔，用我们自行设计的传感器安装座将霍尔式传感器固定在缸盖上正对着进气门凸轮以此采集凸轮轴位置信号。
（3）、拆除原化油器机的进气管，加装带稳压腔的进气管，在歧管上加装燃油喷射总成。拆除原化油器机的化油器，加装节气门体控制进气量。在发动机冷却液循环管路上，加装冷却液温度传感器。冷却剂温度传感器是发动机管理系统中表征发动机实际工作状态的重要元件。采用快速响应特性的负温度系数(NT℃)热敏电阻作为其核心温度传感元件。
在排气总管加装氧传感器，为ECU提供混合气的浓稀信号实现闭环控制。氧传感器，在现代发动机管理系统的配置机构中，被用于探测汽车发动机所排出的燃烧废气中氧的含量，借以判定发动机实时燃油供给空气燃料混合比的实际状态，并通过自身产生的电器反应信号，反馈给发动机电子控制模块，以作为系统燃油管理系统的闭环燃油修正补偿控制的重要依据，使燃油管理子系统能够更加精确地控制调整发动机各种工作状态下的空气燃料混合比。
（4）、电控单元使用MoTeC公司的M400作为发动机电控管理系统，通过接收在发动机及
车身不同位置的传感器信号及工作请求开关信号，对发动机的工作状态进行分析计算后，按照预先设定好的程序，通过发动机及车身上的执行器，对发动机的油、火、气及相应的机构进行精确的控制。
三、重新标定
1、MoTeC软件的标定界面如图7
图7：MoTeC界面
2、初始MAP图的获取
电控系统需要初始喷油点火数据才能正常工作，喷油初始MAP图的获取可以通过仿真得到，也可以通过原化油器发动机获取，根据厂家提供的原化油器发动机数据得到有限工况下的喷油脉宽，进行线性差值以获得完整初始喷油MAP图，如图8：
图8：初始喷油MAP图
3、基本控制参数的标定
（1）基本喷油脉宽的标定
基本喷油量是所有喷油量计算的基础，应该最先进行标定。基本喷油量标定的精度也非常重要：对开环控制，基本喷油量直接关系到最终进入燃烧室的可燃混合气的空燃比并进而影响燃烧过程；对闭环控制，基本喷油量对闭环偏移量也有很大影响，如果基本喷油量准确，闭环偏移量也会减小。在ECU 中，喷油量一般用喷油脉宽即喷油器开启时间(ms)来代替，而闭环偏移量是指基本喷油脉宽到获得预期空燃比的喷油脉宽之间的变化量。
基本喷油脉宽的标定分为几个阶段来进行：
首先，在发动机的工作范围内，以节气门开度和发动机转速构成发动机的整个工况平面。按比例划分节气门开度和发动机转速，一定的节气门开度和转速就对应一个工况点。在试验中，就以这有限的工况点来代替发动机的全部工况，两点之间的工况由软件通过线性插值计算出来。CRF450发动机而言，节气门开度在0～100% 之间，转速在3000～10000r/min 之间，调节发动机使节气门开度每次增加 5%，转速每次增加 500r/min，将发动机工况划分为 315 个工况点(21×15)。
然后对发动机的基本喷油脉宽进行标定，标定前将燃油修正屏蔽。将发动机预热至正常工作温度后，调节测功机和发动机节气门开度，使发动机稳定运行在3000r/min。从最低的节
感温元件
气门开度开始，先维持该开度不变，再手动调节喷油脉宽，通过空燃比分析仪测量λ 。当测功机测得功率最大时记录此时的喷油脉宽，即为该工况点的基本喷油脉宽。增加节气门开度，按以上的步骤就可以完成全部压力下的喷油脉宽测量。当完成转速为2500r/min 时的基本喷油脉宽标定后，将测量到的值按进气歧管绝对压力的不同分别赋给其它转速，就得到了全部的基本喷油脉宽的标定数据。
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