拉力賽車整車電子控制系統的開發

李赫

摘要：按照大賽規程要求，節氣門后安裝的限流閥造成發動機與原機自帶ECU不匹配導致發動機無法正常工作。針對此問題，我們重新設計了賽車的發動機電子控制系統，提出了標定匹配控制策略，通過試驗發現我們選用的MoTeC_M84型號EUC作為發動機核心控制器并經過標定使賽車在發動機輸出功率和扭矩方面有了明顯提升，動力性得到提高，完全能夠滿足比賽要求。

Abstract： According to the requirements of the competition regulations， the restriction valve installed behind the throttle causes the engine and the ECU of the original engine to be mismatched， resulting in the engine unable to work normally. To solve this problem， we redesigned the engine electronic control system of the racing car， put forward the calibration matching control strategy， and found the MOTEC we selected through the test_ As the core controller of the engine， M84 EUC has been calibrated to improve the output power and torque of the engine， improve the power performance， and fully meet the requirements of the competition.

關鍵詞：電控系統;發動機;傳感器;標定

Key words： electronic control system;engine;sensor;calibration

0 ?引言

隨著科學技術的不斷發展，汽車電子控制技術也在不斷進步，主要體現在汽車發動機電子控制系統的開發與優化方面。發動機電子制控系統作為拉力賽車動力總成的重要組成部分，更是對其動力性能有著重要影響。因此，一些賽事組委會出于對比賽安全性的考慮而對賽車動力輸出設計與制作方面做出某些強制性規定，如要求在發動機進氣部分安裝一段直徑為20 mm的限流閥等。限流閥的安裝會降低發動機的進氣效率，更嚴重的影響是導致發動機自帶ECU因參數不匹配而無法正常工作。鑒于以上原因，我們需要對發動機電子控制系統進行重新設計，來消除大賽限制條件對發動機動力性能產生的影響。

1 ?電控系統組成

1.1 發動機

本文選用鈴木的GSX_R600發動機，雙渦流燃燒室是其頗具特色的一個設計，使其能夠達到較大的峰值扭矩，并且經濟性也很不錯。齒輪比方面，R600介于雅馬哈的R6發動機和本田的CBR600的風格之間，比較折中，還是很可取的。現在，許多成績優秀車隊都使用了GSX_R600 發動機，它在比賽時的最大功率已經突破60kW，并且經過改進還有提升的空間。

1.2 ECU

發動機控制單元（簡稱ECU）從各傳感器獲取信號參數，并與預先儲存的標準參數進行比較，根據比較結果按照設定好的控制方案向執行器發出操作指令，控制發動機在各工況下進行工作。綜合ECU的使用性能、成本、傳感器接入口等因素，我們選用了廣泛應用于賽車領域的MoTeC系列M84型ECU，以及其配套的其他設備。

1.3 傳感器

本發動機電子控制系統包括進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、位置傳感器（節氣門、曲軸、凸輪軸）、氧傳感器等。

1.4 電路連接

結合賽事組委會公布的電氣設計規程及MoTeC_M84自帶的電路圖，我們需要重新繪制賽車整車的電路圖，并根據電路圖制作線束。我們需在發動機電路中添加各傳感器電路以及一些其他功能電路。車身電路部分添加了GPS、懸架線位移、輪速采集等電路，它們通過CAN總線和ECU進行通訊。

2 ?發動機參數及傳感器標定

2.1 發動機標定控制參數

發動機的四個主要標定控制參數是：控制噴油量的噴油占空比;控制噴油時間的噴油提前角;控制點火能量的點火線圈充電時間;控制點火時間的點火提前角。以點火提前角為例，MoTeC_M84將點火提前角的方式儲存在一個55×35表格里，這個表格的橫坐標是轉速，縱坐標是節氣門位置，當發動機運行至某一時刻，ECU會按照發動機工況對應于表中的具體數值來控制點火。其它三個控制參數也使用相同的控制方法。

接下來，我們將選用MoTeC ECU Manager這款管理軟件來標定發動機所用傳感器。

2.2 進氣溫度傳感器標定

如圖1兩種熱敏電阻式溫度傳感器輸出曲線所示，因負溫度系數熱敏電阻（NTC）線性度更好，我們選用其測量進氣溫度。綜合發動機工況和比賽時的環境溫度，確定進氣溫度傳感器的測量范圍為-40～130℃。經過傳感器標定，溫度參數為如圖2所示的一條非線性曲線。

2.3 進氣壓力傳感器標定

發動機控制單元根據進氣壓力傳感器檢測的進氣歧管絕對壓力值換算出進氣質量流量。我們選用市場上較為常用的博世公司出品的膜片電阻式壓力傳感器，可直接引用其標定值，標定結果如圖3所示。

2.4 節氣門位置傳感器標定

我們選用輸出特性如圖4所示的可變阻式傳感器作為節氣門位置傳感器，其輸出電壓與節氣門開度是成正比的線性關系。當我們通過確定兩個電壓值（節氣門處于全關位置時的電壓值和全開位置時的電壓值）便可標定該傳感器，具體標定參數見表2。

2.5 曲軸/凸輪軸位置傳感器標定

我們選用的曲軸/凸輪軸位置傳感器是電磁感應式傳感器，標定時選用相應的工作模式，標定好曲軸或凸輪軸索引位置，ECU即可獲得正確的位置信號。每個曲軸循環兩次缺失兩齒，齒圈齒數為24。齒率的數值可以不予考慮，曲軸索引位置標定為472°。具體標定參數見表3。

2.6 氧傳感器標定

我們選用博世出品的內置加熱裝置LSU4.9型寬域氧傳感器，其優點是能在極短時間內加熱并保持傳感器處于工作溫度，并且該傳感器測量量程較廣，在過量空氣系數為0.7～1.3的范圍內的準確率很高，尤其是在空燃比較大的情況下有很高的測量精度。標定曲線如圖5所示。

3 ?標定試驗研究

對于噴油、點火控制參數范圍，我們可以使用簡單對比試驗法來確定，而用正交試驗來篩選最優控制參數組合。經過試驗，我們得到關于發動機功率和扭矩的速度特性曲線，如圖6（橫坐標表示轉速/rpm，縱坐標表示功率/kW）和圖7（橫坐標表示轉速/rpm，縱坐標表示扭矩/Nm）所示。從節氣門全關到節氣門打開一半這段時間的功率、扭矩曲線呈現較好的均勻性，即節氣門開度對發動機功率、扭矩有很大的影響，有利于發動機的快速響應。當節氣門開度處于全開的一半以上時，發動機的功率、扭矩曲線開始重合，而從節氣門開度達到80%到節氣門全開這段時間的速度特性曲線幾乎完全重合，說明發動機工況幾乎達到極限狀態。這是由于大賽要求安裝的20mm限流閥作用，它限制了發動機達到極限性能。我們發現將MoTeC_M84型ECU作為發動機控制單元并進行標定，無論在發動機的輸出功率還是扭矩方面都有了明顯提升，完全能夠滿足比賽要求。

4 ?結論

本文通過選取發動機、ECU和傳感器的型號，借助管理軟件MoTeC ECU Manager來對發動機所用傳感器的特性曲線進行標定。使用簡單對比試驗法和正交試驗法相結合，得到關于發動機功率和扭矩的速度特性曲線。經過數據分析，使用MoTeC_M84型ECU作為發動機核心控制器的發動機電子控制系統，在發動機輸出功率和扭矩方面都得到明顯提升。

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