賽車電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李赫

摘 要：文章根據(jù)大學(xué)生方程式賽車組委會(huì)相關(guān)賽事規(guī)程，對(duì)賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和標(biāo)定試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們確定了進(jìn)一步優(yōu)化電子控制系統(tǒng)的方案，即使用電子節(jié)氣門來進(jìn)行分段控制。

關(guān)鍵詞：電控系統(tǒng);標(biāo)定;優(yōu)化;電子節(jié)氣門

中圖分類號(hào)：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(xué)會(huì)大學(xué)生方程式賽車賽事組委會(huì)出于對(duì)比賽安全性的考慮而對(duì)賽車動(dòng)力輸出設(shè)計(jì)與制作方面做出某些強(qiáng)制性規(guī)定，如在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣部分安裝一段限流閥。直徑為20mm的限流閥會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率，更嚴(yán)重的影響是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)自帶ECU因參數(shù)不匹配而無法正常工作。這就需要我們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定優(yōu)化方案，以提高賽車的性能并在比賽中取得優(yōu)異的成績(jī)。

2 電控系統(tǒng)組成及標(biāo)定試驗(yàn)

2.1 電控系統(tǒng)組成

從雙渦流燃燒室能夠達(dá)到較大的峰值扭矩和良好的經(jīng)濟(jì)性方面考慮，我們選用鈴木的GSX_R600發(fā)動(dòng)機(jī)，它在比賽時(shí)的最大功率已經(jīng)突破60kW，經(jīng)過一定的改進(jìn)還會(huì)有提升的空間。MoTeC系列M84型ECU廣泛應(yīng)用于賽車領(lǐng)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(shè)計(jì)要求，因此我們選用其作為賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的控制單元。本發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)還包括了很多用于檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳感器，如進(jìn)氣溫度傳感器等。基于賽事規(guī)程和ECU的電路圖，我們對(duì)賽車整車的電路圖進(jìn)行了重新繪制，并制作了相應(yīng)的線束。我們還根據(jù)所使用的傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行的通訊都是通過CAN總線完成的。

2.2 標(biāo)定試驗(yàn)

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定控制參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)主要標(biāo)定控制參數(shù)是：噴油占空比;噴油提前角;點(diǎn)火線圈充電時(shí)間;點(diǎn)火提前角。它們的控制方法是：MoTeC_M84將其標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)儲(chǔ)存在一個(gè)55×35表格里，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至某一時(shí)刻，ECU會(huì)按照發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)應(yīng)于表中的具體數(shù)值來進(jìn)行控制。

2.2.2 傳感器標(biāo)定

我們選用MoTeC ECU Manager管理軟件來標(biāo)定傳感器。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況和賽場(chǎng)的環(huán)境溫度，確定負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻式（NTC）進(jìn)氣溫度傳感器的測(cè)量范圍為-40℃～130℃，經(jīng)過標(biāo)定的溫度參數(shù)為一條非線性曲線。我們選用市場(chǎng)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(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器， LSU4.9型寬域傳感器作為氧傳感器，它們的標(biāo)定值可直接引用。因可變阻式傳感器的輸出電壓與節(jié)氣門開度成正比的線性特性，通過確定節(jié)氣門全關(guān)和全開時(shí)的兩個(gè)電壓值便可標(biāo)定該傳感器。曲軸/凸輪軸位置傳感器是電磁感應(yīng)式傳感器，標(biāo)定時(shí)選用相應(yīng)的工作模式，標(biāo)定好曲軸或凸輪軸索引位置，ECU即可獲得正確的位置信號(hào)。

3 標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

我們使用了簡(jiǎn)單對(duì)比法和正交法來進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 噴油控制

3.1.2 噴油占空比

根據(jù)試驗(yàn)，我們可知在噴油占空比與轉(zhuǎn)速曲線的關(guān)系中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，噴油占空比整體不斷升高，當(dāng)達(dá)到一定程度后，其升高的幅度逐漸變小甚至?xí)陆?。這是因?yàn)橹械拓?fù)荷在高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)需要兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性，并且在這一區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)還沒有發(fā)揮其極限性能。

在噴油占空比與負(fù)荷率曲線的關(guān)系中，它們是成正比的，即隨著負(fù)荷的增大，噴油占空比整體變化趨勢(shì)不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定程度后，其增大的幅度逐漸減緩，甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)榇筘?fù)荷在低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)需要顧燃油經(jīng)濟(jì)性，而且大負(fù)荷在此區(qū)域的使用率極低造成的。

3.2.2 噴油提前角

從試驗(yàn)結(jié)果能夠看出，在中低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)的噴油提前角逐漸增大，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩成反比的減小;但在高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，噴油提前角的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩影響不大。

可以發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速升高，噴油提前角開始升高，當(dāng)達(dá)到一定程度后，其升高的在噴油提前角與轉(zhuǎn)速曲線的關(guān)系中，幅度逐漸減緩。在噴油提前角與負(fù)荷曲線的關(guān)系中，可以發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)荷變化噴油提前角變化曲線趨勢(shì)平緩。

3.2 點(diǎn)火控制

根據(jù)試驗(yàn)得出，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩先是隨著點(diǎn)火提前角的增大而增大，當(dāng)達(dá)到曲線峰值后再隨著點(diǎn)火提前角的增大而減小。在點(diǎn)火提前角與轉(zhuǎn)速曲線的關(guān)系中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，點(diǎn)火提前角先增加再減少，在高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，點(diǎn)火提前角減小的幅度很小。在點(diǎn)火提前角與負(fù)荷曲線的關(guān)系中，隨著負(fù)荷的增加點(diǎn)火提前角不斷減小，中大負(fù)荷時(shí)的點(diǎn)火提前角變化平不大。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性

經(jīng)過試驗(yàn)我們能夠看出，從節(jié)氣門全關(guān)到節(jié)氣門打開一半的這段時(shí)間內(nèi)，功率、扭矩曲線較均勻，即節(jié)氣門開度在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)。從節(jié)氣門打開一半開始，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩曲線開始出現(xiàn)重合，隨著節(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)的性能，發(fā)動(dòng)機(jī)工況在此期間幾乎達(dá)到極限狀態(tài)。

4 優(yōu)化方案

由發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性可知，從節(jié)氣門全關(guān)到節(jié)氣門打開一半的這段時(shí)間內(nèi)，功率、扭矩曲線較均勻，說明發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能對(duì)中低負(fù)荷有較高的靈敏度;當(dāng)節(jié)氣門開度打開一半以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩曲線開始出現(xiàn)重合直至完全重合，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能提升不大。前后靈敏度出現(xiàn)較大的差異，需要我們采取有效措施來進(jìn)行改進(jìn)，此問題可通過使用電子節(jié)氣門來進(jìn)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(jié)氣門。其結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖1、圖2所示。

根據(jù)本賽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，油門踏板信號(hào)只作為電子節(jié)氣門的輸入信號(hào)，ECU則依靠接收節(jié)氣門位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行工作。

根據(jù)試驗(yàn)所得發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線，我們重新調(diào)整了電子節(jié)氣門開度信號(hào)與油門踏板的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示，具體為節(jié)氣門全關(guān)到節(jié)氣門打開一半開度對(duì)應(yīng)油門踏板前70%行程，節(jié)氣門打開一半開度到80%開度對(duì)應(yīng)油門踏板70%～90%行程，節(jié)氣門80%開度到全開對(duì)應(yīng)油門踏板最后10%行程。也就是增加了節(jié)氣門前段50%開度對(duì)油門踏板的影響，降低了節(jié)氣門后段50%開度對(duì)油門踏板的響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)靈敏度特性的調(diào)整，提高了賽車的操控性能。

5 結(jié)論

本文主要闡述了所設(shè)計(jì)賽車的電控系統(tǒng)組成，進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。得出噴油控制中的點(diǎn)火提前角、噴油占空比、噴油提前角的整體趨勢(shì)與轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的關(guān)系。在發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性中，我們采取有效措施即使用電子節(jié)氣門來改進(jìn)前后靈敏度的差異，調(diào)整油門踏板與節(jié)氣門開度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高了賽車的操控性能。

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