賽車電控系統設計與優化

李赫

摘 要：文章根據大學生方程式賽車組委會相關賽事規程，對賽車的發動機電子控制系統進行了重新設計和標定試驗，通過對試驗數據的分析，我們確定了進一步優化電子控制系統的方案，即使用電子節氣門來進行分段控制。

關鍵詞：電控系統;標定;優化;電子節氣門

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）20-22-03

Abstract： In this paper， according to the rules of the college formula racing organizing committee， the electronic engine control system of the racing car is redesigned and calibrated. Through the analysis of the test data， we have determined a scheme to further optimize the electronic control system， that is， to use the electronic throttle to carry out subsection control.

Keywords： Electronic control system; Calibration; Optimization; ETC

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-22-03

1 引言

中國汽車工程學會大學生方程式賽車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，如在發動機進氣部分安裝一段限流閥。直徑為20mm的限流閥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。這就需要我們對發動機電子控制系統進行重新設計并進行標定試驗，通過對試驗數據的分析，確定優化方案，以提高賽車的性能并在比賽中取得優異的成績。

2 電控系統組成及標定試驗

2.1 電控系統組成

從雙渦流燃燒室能夠達到較大的峰值扭矩和良好的經濟性方面考慮，我們選用鈴木的GSX_R600發動機，它在比賽時的最大功率已經突破60kW，經過一定的改進還會有提升的空間。MoTeC系列M84型ECU廣泛應用于賽車領域，其在使用性能、成本、傳感器接入口等方面都非常符合本賽車的設計要求，因此我們選用其作為賽車發動機的控制單元。本發動機電子控制系統還包括了很多用于檢測數據的傳感器，如進氣溫度傳感器等。基于賽事規程和ECU的電路圖，我們對賽車整車的電路圖進行了重新繪制，并制作了相應的線束。我們還根據所使用的傳感器在發動機電路中添加傳感器電路以及賽車的一些其他功能電路。車身電路部分添加了GPS、懸架線位移、輪速采集等電路，所有電路與ECU進行的通訊都是通過CAN總線完成的。

2.2 標定試驗

2.2.1 發動機標定控制參數

發動機的四個主要標定控制參數是：噴油占空比;噴油提前角;點火線圈充電時間;點火提前角。它們的控制方法是：MoTeC_M84將其標準參數儲存在一個55×35表格里，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進行控制。

2.2.2 傳感器標定

我們選用MoTeC ECU Manager管理軟件來標定傳感器。根據發動機的工作狀況和賽場的環境溫度，確定負溫度系數熱敏電阻式（NTC）進氣溫度傳感器的測量范圍為-40℃～130℃，經過標定的溫度參數為一條非線性曲線。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作為發動機進氣壓力傳感器， LSU4.9型寬域傳感器作為氧傳感器，它們的標定值可直接引用。因可變阻式傳感器的輸出電壓與節氣門開度成正比的線性特性，通過確定節氣門全關和全開時的兩個電壓值便可標定該傳感器。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。

3 標定試驗數據分析

我們使用了簡單對比法和正交法來進行試驗。

3.1 噴油控制

3.1.2 噴油占空比

根據試驗，我們可知在噴油占空比與轉速曲線的關系中，隨著轉速的升高，噴油占空比整體不斷升高，當達到一定程度后，其升高的幅度逐漸變小甚至會下降。這是因為中低負荷在高轉速區域內需要兼顧燃油經濟性，并且在這一區域發動機還沒有發揮其極限性能。

在噴油占空比與負荷率曲線的關系中，它們是成正比的，即隨著負荷的增大，噴油占空比整體變化趨勢不斷增大，當達到一定程度后，其增大的幅度逐漸減緩，甚至出現下降趨勢。這是因為大負荷在低轉速區域內需要顧燃油經濟性，而且大負荷在此區域的使用率極低造成的。

3.2.2 噴油提前角

從試驗結果能夠看出，在中低轉速區域內的噴油提前角逐漸增大，發動機扭矩成反比的減小;但在高轉速區域內，噴油提前角的變化對發動機扭矩影響不大。

可以發現隨著轉速升高，噴油提前角開始升高，當達到一定程度后，其升高的在噴油提前角與轉速曲線的關系中，幅度逐漸減緩。在噴油提前角與負荷曲線的關系中，可以發現隨著負荷變化噴油提前角變化曲線趨勢平緩。

3.2 點火控制

根據試驗得出，發動機扭矩先是隨著點火提前角的增大而增大，當達到曲線峰值后再隨著點火提前角的增大而減小。在點火提前角與轉速曲線的關系中，隨著轉速的升高，點火提前角先增加再減少，在高轉速區域內，點火提前角減小的幅度很小。在點火提前角與負荷曲線的關系中，隨著負荷的增加點火提前角不斷減小，中大負荷時的點火提前角變化平不大。

3.3 發動機速度特性

經過試驗我們能夠看出，從節氣門全關到節氣門打開一半的這段時間內，功率、扭矩曲線較均勻，即節氣門開度在很大程度上影響著發動機功率、扭矩，有利于發動機的快速響應。從節氣門打開一半開始，發動機的功率、扭矩曲線開始出現重合，隨著節氣門開度不斷增大曲線幾乎完全重合，說明由于大賽要求安裝的20mm 限流閥作用，它限制了發動機的性能，發動機工況在此期間幾乎達到極限狀態。

4 優化方案

由發動機速度特性可知，從節氣門全關到節氣門打開一半的這段時間內，功率、扭矩曲線較均勻，說明發動機動力性能對中低負荷有較高的靈敏度;當節氣門開度打開一半以上時，發動機的功率、扭矩曲線開始出現重合直至完全重合，此時發動機的動力性能提升不大。前后靈敏度出現較大的差異，需要我們采取有效措施來進行改進，此問題可通過使用電子節氣門來進行分段控制。我們選用博世公司出品的0280750148型直徑為32mm的電子節氣門。其結構和實物如圖1、圖2所示。

根據本賽車電子節氣門控制系統設計方案，油門踏板信號只作為電子節氣門的輸入信號，ECU則依靠接收節氣門位置傳感器的信號進行工作。

根據試驗所得發動機速度特性曲線，我們重新調整了電子節氣門開度信號與油門踏板的對應關系，如圖3所示，具體為節氣門全關到節氣門打開一半開度對應油門踏板前70%行程，節氣門打開一半開度到80%開度對應油門踏板70%～90%行程，節氣門80%開度到全開對應油門踏板最后10%行程。也就是增加了節氣門前段50%開度對油門踏板的影響，降低了節氣門后段50%開度對油門踏板的響應。實現了對靈敏度特性的調整，提高了賽車的操控性能。

5 結論

本文主要闡述了所設計賽車的電控系統組成，進行了標定試驗并對試驗數據進行分析。得出噴油控制中的點火提前角、噴油占空比、噴油提前角的整體趨勢與轉速和發動機扭矩的關系。在發動機速度特性中，我們采取有效措施即使用電子節氣門來改進前后靈敏度的差異，調整油門踏板與節氣門開度的對應關系，提高了賽車的操控性能。

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