拉力赛车整车电子控制系统的开发

李赫

摘要：按照大赛规程要求，节气门后安装的限流阀造成发动机与原机自带ECU不匹配导致发动机无法正常工作。针对此问题，我们重新设计了赛车的发动机电子控制系统，提出了标定匹配控制策略，通过试验发现我们选用的MoTeC_M84型号EUC作为发动机核心控制器并经过标定使赛车在发动机输出功率和扭矩方面有了明显提升，动力性得到提高，完全能够满足比赛要求。

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.

关键词：电控系统;发动机;传感器;标定

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

0  引言

随着科学技术的不断发展，汽车电子控制技术也在不断进步，主要体现在汽车发动机电子控制系统的开发与优化方面。发动机电子制控系统作为拉力赛车动力总成的重要组成部分，更是对其动力性能有着重要影响。因此，一些赛事组委会出于对比赛安全性的考虑而对赛车动力输出设计与制作方面做出某些强制性规定，如要求在发动机进气部分安装一段直径为20 mm的限流阀等。限流阀的安装会降低发动机的进气效率，更严重的影响是导致发动机自带ECU因参数不匹配而无法正常工作。鉴于以上原因，我们需要对发动机电子控制系统进行重新设计，来消除大赛限制条件对发动机动力性能产生的影响。

1  电控系统组成

1.1 发动机

本文选用铃木的GSX_R600发动机，双涡流燃烧室是其颇具特色的一个设计，使其能够达到较大的峰值扭矩，并且经济性也很不错。齿轮比方面，R600介于雅马哈的R6发动机和本田的CBR600的风格之间，比较折中，还是很可取的。现在，许多成绩优秀车队都使用了GSX_R600 发动机，它在比赛时的最大功率已经突破60kW，并且经过改进还有提升的空间。

1.2 ECU

发动机控制单元（简称ECU）从各传感器获取信号参数，并与预先储存的标准参数进行比较，根据比较结果按照设定好的控制方案向执行器发出操作指令，控制发动机在各工况下进行工作。综合ECU的使用性能、成本、传感器接入口等因素，我们选用了广泛应用于赛车领域的MoTeC系列M84型ECU，以及其配套的其他设备。

1.3 传感器

本发动机电子控制系统包括进气温度传感器、进气压力传感器、位置传感器（节气门、曲轴、凸轮轴）、氧传感器等。

1.4 电路连接

结合赛事组委会公布的电气设计规程及MoTeC_M84自带的电路图，我们需要重新绘制赛车整车的电路图，并根据电路图制作线束。我们需在发动机电路中添加各传感器电路以及一些其他功能电路。车身电路部分添加了GPS、悬架线位移、轮速采集等电路，它们通过CAN总线和ECU进行通讯。

2  发动机参数及传感器标定

2.1 發动机标定控制参数

发动机的四个主要标定控制参数是：控制喷油量的喷油占空比;控制喷油时间的喷油提前角;控制点火能量的点火线圈充电时间;控制点火时间的点火提前角。以点火提前角为例，MoTeC_M84将点火提前角的方式储存在一个55×35表格里，这个表格的横坐标是转速，纵坐标是节气门位置，当发动机运行至某一时刻，ECU会按照发动机工况对应于表中的具体数值来控制点火。其它三个控制参数也使用相同的控制方法。

接下来，我们将选用MoTeC ECU Manager这款管理软件来标定发动机所用传感器。

2.2 进气温度传感器标定

如图1两种热敏电阻式温度传感器输出曲线所示，因负温度系数热敏电阻（NTC）线性度更好，我们选用其测量进气温度。综合发动机工况和比赛时的环境温度，确定进气温度传感器的测量范围为-40～130℃。经过传感器标定，温度参数为如图2所示的一条非线性曲线。

2.3 进气压力传感器标定

发动机控制单元根据进气压力传感器检测的进气歧管绝对压力值换算出进气质量流量。我们选用市场上较为常用的博世公司出品的膜片电阻式压力传感器，可直接引用其标定值，标定结果如图3所示。

2.4 节气门位置传感器标定

我们选用输出特性如图4所示的可变阻式传感器作为节气门位置传感器，其输出电压与节气门开度是成正比的线性关系。当我们通过确定两个电压值（节气门处于全关位置时的电压值和全开位置时的电压值）便可标定该传感器，具体标定参数见表2。

2.5 曲轴/凸轮轴位置传感器标定

我们选用的曲轴/凸轮轴位置传感器是电磁感应式传感器，标定时选用相应的工作模式，标定好曲轴或凸轮轴索引位置，ECU即可获得正确的位置信号。每个曲轴循环两次缺失两齿，齿圈齿数为24。齿率的数值可以不予考虑，曲轴索引位置标定为472°。具体标定参数见表3。

2.6 氧传感器标定

我们选用博世出品的内置加热装置LSU4.9型宽域氧传感器，其优点是能在极短时间内加热并保持传感器处于工作温度，并且该传感器测量量程较广，在过量空气系数为0.7～1.3的范围内的准确率很高，尤其是在空燃比较大的情况下有很高的测量精度。标定曲线如图5所示。

3  标定试验研究

对于喷油、点火控制参数范围，我们可以使用简单对比试验法来确定，而用正交试验来筛选最优控制参数组合。经过试验，我们得到关于发动机功率和扭矩的速度特性曲线，如图6（横坐标表示转速/rpm，纵坐标表示功率/kW）和图7（横坐标表示转速/rpm，纵坐标表示扭矩/Nm）所示。从节气门全关到节气门打开一半这段时间的功率、扭矩曲线呈现较好的均匀性，即节气门开度对发动机功率、扭矩有很大的影响，有利于发动机的快速响应。当节气门开度处于全开的一半以上时，发动机的功率、扭矩曲线开始重合，而从节气门开度达到80%到节气门全开这段时间的速度特性曲线几乎完全重合，说明发动机工况几乎达到极限状态。这是由于大赛要求安装的20mm限流阀作用，它限制了发动机达到极限性能。我们发现将MoTeC_M84型ECU作为发动机控制单元并进行标定，无论在发动机的输出功率还是扭矩方面都有了明显提升，完全能够满足比赛要求。

4  结论

本文通过选取发动机、ECU和传感器的型号，借助管理软件MoTeC ECU Manager来对发动机所用传感器的特性曲线进行标定。使用简单对比试验法和正交试验法相结合，得到关于发动机功率和扭矩的速度特性曲线。经过数据分析，使用MoTeC_M84型ECU作为发动机核心控制器的发动机电子控制系统，在发动机输出功率和扭矩方面都得到明显提升。

参考文献：

[1]沈鹏飞，范昌易，毕凤荣.基于FSC赛车的电控系统开发研究[J].小型内燃机与车辆技术，2019（5）：1-7.

[2]方天文.FSC赛车发动机电控系统标定研究[D].长安大学，2018.

[3]谭正平.基于FSC赛车行驶工况的发动机匹配标定研究[D].西华大学，2014.

[4]梁毅，陈元华.对基于FSC赛车行驶工况的发動机匹配标定分析[J].山东工业技术，2019（7）：9.

[5]宋年秀，刘超，杜彦蕊.怎样检测汽车传感器[M].北京：中国电力出版社，2007.

[6]宋福昌，赵万军.电控柴油机维修技术[M].北京：电子工业出版社，2008.