赛车电控系统设计与优化

李赫

摘 要：文章根据大学生方程式赛车组委会相关赛事规程，对赛车的发动机电子控制系统进行了重新设计和标定试验，通过对试验数据的分析，我们确定了进一步优化电子控制系统的方案，即使用电子节气门来进行分段控制。

关键词：电控系统;标定;优化;电子节气门

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：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

中国汽车工程学会大学生方程式赛车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，如在发动机进气部分安装一段限流阀。直径为20mm的限流阀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。这就需要我们对发动机电子控制系统进行重新设计并进行标定试验，通过对试验数据的分析，确定优化方案，以提高赛车的性能并在比赛中取得优异的成绩。

2 电控系统组成及标定试验

2.1 电控系统组成

从双涡流燃烧室能够达到较大的峰值扭矩和良好的经济性方面考虑，我们选用铃木的GSX_R600发动机，它在比赛时的最大功率已经突破60kW，经过一定的改进还会有提升的空间。MoTeC系列M84型ECU广泛应用于赛车领域，其在使用性能、成本、传感器接入口等方面都非常符合本赛车的设计要求，因此我们选用其作为赛车发动机的控制单元。本发动机电子控制系统还包括了很多用于检测数据的传感器，如进气温度传感器等。基于赛事规程和ECU的电路图，我们对赛车整车的电路图进行了重新绘制，并制作了相应的线束。我们还根据所使用的传感器在发动机电路中添加传感器电路以及赛车的一些其他功能电路。车身电路部分添加了GPS、悬架线位移、轮速采集等电路，所有电路与ECU进行的通讯都是通过CAN总线完成的。

2.2 标定试验

2.2.1 发动机标定控制参数

发动机的四个主要标定控制参数是：喷油占空比;喷油提前角;点火线圈充电时间;点火提前角。它们的控制方法是：MoTeC_M84将其标准参数储存在一个55×35表格里，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进行控制。

2.2.2 传感器标定

我们选用MoTeC ECU Manager管理软件来标定传感器。根据发动机的工作状况和赛场的环境温度，确定负温度系数热敏电阻式（NTC）进气温度传感器的测量范围为-40℃～130℃，经过标定的温度参数为一条非线性曲线。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作为发动机进气压力传感器， LSU4.9型宽域传感器作为氧传感器，它们的标定值可直接引用。因可变阻式传感器的输出电压与节气门开度成正比的线性特性，通过确定节气门全关和全开时的两个电压值便可标定该传感器。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。

3 标定试验数据分析

我们使用了简单对比法和正交法来进行试验。

3.1 喷油控制

3.1.2 喷油占空比

根据试验，我们可知在喷油占空比与转速曲线的关系中，随着转速的升高，喷油占空比整体不断升高，当达到一定程度后，其升高的幅度逐渐变小甚至会下降。这是因为中低负荷在高转速区域内需要兼顾燃油经济性，并且在这一区域发动机还没有发挥其极限性能。

在喷油占空比与负荷率曲线的关系中，它们是成正比的，即随着负荷的增大，喷油占空比整体变化趋势不断增大，当达到一定程度后，其增大的幅度逐渐减缓，甚至出现下降趋势。这是因为大负荷在低转速区域内需要顾燃油经济性，而且大负荷在此区域的使用率极低造成的。

3.2.2 喷油提前角

从试验结果能够看出，在中低转速区域内的喷油提前角逐渐增大，发动机扭矩成反比的减小;但在高转速区域内，喷油提前角的变化对发动机扭矩影响不大。

可以发现随着转速升高，喷油提前角开始升高，当达到一定程度后，其升高的在喷油提前角与转速曲线的关系中，幅度逐渐减缓。在喷油提前角与负荷曲线的关系中，可以发现随着负荷变化喷油提前角变化曲线趋势平缓。

3.2 点火控制

根据试验得出，發动机扭矩先是随着点火提前角的增大而增大，当达到曲线峰值后再随着点火提前角的增大而减小。在点火提前角与转速曲线的关系中，随着转速的升高，点火提前角先增加再减少，在高转速区域内，点火提前角减小的幅度很小。在点火提前角与负荷曲线的关系中，随着负荷的增加点火提前角不断减小，中大负荷时的点火提前角变化平不大。

3.3 发动机速度特性

经过试验我们能够看出，从节气门全关到节气门打开一半的这段时间内，功率、扭矩曲线较均匀，即节气门开度在很大程度上影响着发动机功率、扭矩，有利于发动机的快速响应。从节气门打开一半开始，发动机的功率、扭矩曲线开始出现重合，随着节气门开度不断增大曲线几乎完全重合，说明由于大赛要求安装的20mm 限流阀作用，它限制了发动机的性能，发动机工况在此期间几乎达到极限状态。

4 优化方案

由发动机速度特性可知，从节气门全关到节气门打开一半的这段时间内，功率、扭矩曲线较均匀，说明发动机动力性能对中低负荷有较高的灵敏度;当节气门开度打开一半以上时，发动机的功率、扭矩曲线开始出现重合直至完全重合，此时发动机的动力性能提升不大。前后灵敏度出现较大的差异，需要我们采取有效措施来进行改进，此问题可通过使用电子节气门来进行分段控制。我们选用博世公司出品的0280750148型直径为32mm的电子节气门。其结构和实物如图1、图2所示。

根据本赛车电子节气门控制系统设计方案，油门踏板信号只作为电子节气门的输入信号，ECU则依靠接收节气门位置传感器的信号进行工作。

根据试验所得发动机速度特性曲线，我们重新调整了电子节气门开度信号与油门踏板的对应关系，如图3所示，具体为节气门全关到节气门打开一半开度对应油门踏板前70%行程，节气门打开一半开度到80%开度对应油门踏板70%～90%行程，节气门80%开度到全开对应油门踏板最后10%行程。也就是增加了节气门前段50%开度对油门踏板的影响，降低了节气门后段50%开度对油门踏板的响应。实现了对灵敏度特性的调整，提高了赛车的操控性能。

5 结论

本文主要阐述了所设计赛车的电控系统组成，进行了标定试验并对试验数据进行分析。得出喷油控制中的点火提前角、喷油占空比、喷油提前角的整体趋势与转速和发动机扭矩的关系。在发动机速度特性中，我们采取有效措施即使用电子节气门来改进前后灵敏度的差异，调整油门踏板与节气门开度的对应关系，提高了赛车的操控性能。

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