毕业论文-梦想4.0号赛车动力匹配设计.pdf

毕业设计说明书 中北大学“梦想 4.0 号”赛车动力匹配 设计 学生姓名：学号： 学院： 专业： 指导教师： 2017 年6 月 冯鹏垚 1302064223 机械与动力工程学院 车辆工程 尉庆国 中北大学 2017 届毕业设计说明书 中北大学“梦想 4.0 号”赛车动力匹配设计 摘要 FSAE 中国大学生方程式汽车大赛是一项由中国高等院校汽车专业在校学生组队参 加的汽车设计、制造比赛。由于赛事规则对发动机进气系统进行了限流，在按照规则要 求改制进排气系统之后充气效率下降导致发动机与原机电控系统之间不匹配， 发动机动 力性能下降，影响了比赛成绩的正常发挥。因此，如何解决发动机进排气系统改制后发 动机动力性能下降的问题已成为各比赛车队所面临的课题之一。 本文以 JH-600 发动机作为研究对象，在系统分析了电控汽油喷射式发动机结构组 成和控制原理的基础上，详细研究了该发动机的基本参数及其电控系统的结构特点，根 据赛事规则和整车设计的要求对进排气系统进行了重新设计改制， 提出采用了全替换式 ECUMoTec M84 取代原机 ECU 的方案；根据试验要求设计了标定试验台方案，完成了 发动机与测功机的机械连接，测试仪器的配备，MoTec M84 替换原机 ECU 后的电路系 统线路改制及线束制作， 并完成了台架的搭建； 研究了台架标定试验的基本方法及 MoTec 的标定方法，通过 MoTec M84 Manager 标定软件对 ECU 进行参数的初始化设置，使得 替换 ECU 的发动机可以正常工作；利用 MoTec M84 ECU 对进排气系统改制后的发动机 以动力性为目标进行了重新的匹配标定，完成了替换 ECU 后发动机喷油 MAP 图、点火 提前角 MAP 图和环境参数对喷油脉宽以及点火提前角补偿 MAP 图的标定试验。 标定试 验完成后，对改制进排气系统后的发动机分别使用原机 ECU 和 MoTec M84 ECU 在发动 机台架上进行外特性对比试验，试验结果表明，重新匹配标定后发动机扭矩平均提升约 21%，功率平均提升约 13%。重新匹配标定后的发动机动力性相对原机得到了显著的提 高，达到了预期目的。 关键词：赛车发动机动力匹配，标定试验，ECU 中北大学 2017 届毕业设计说明书 中北大学“梦想 4.0 号”赛车动力匹配设计 Abstract FSAE is a kind of automobile design and manufacturing competition which participatedby Chinese college students majoring in vehicle engineering. Because of the game rules limitthe engine intake and exhaust systems, the re-design intake and exhaust systems has the lowcharge efficiency, lead the engine and the original configuration of the electronic controlsystem not match either. How to solve the reduction of engine power performance afterre-design the intake and exhaust systems has become one of the subjects of racing team. Aftercompletethecalibrationoftheengine,makingcomparisontestingfor full-loadcharacteristic by using engine original ECU and MoTec M84 ECU . the results show thatthrough re-matching and re-calibration, the torque has promoted 21%, and the powerpromoted 13%. Compared the original engine the power performance has been significantlyimproved, achieving the expected goal. Keywords: Matching of engine power,intake and exhaust system, Calibration test 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 I 页 共 44 页 目 录 1绪论.1 1.1 研究背景.1 1.2 国内外研究现状.2 1.3 本文的研究目的及意义.2 1.4 本文的研究内容技术路线.3 2电控发动机结构原理及进排气改制.4 2.1 电控发动机结构原理及组成.4 2.1.1 电控发动机原理.4 2.1.2 电控发动机基本组成.5 2.1.3 燃油供给系统.5 2.1.4 电子控制系统.6 2.2 JH-600 发动机电控系统特点7 2.2.1 JH-600 发动机主要参数如下表7 2.2.2 JH-600 发动机电控系统特点.7 2.3 进排气系统赛事规则.10 2.3.1 进气系统赛事规则10 2.4 进排气系统改制方案简介.11 2.4.1 进气系统改制方案.11 2.4.3 进排气系统改制后的发动机性能提升方案.12 3发动机标定 ECU13 3.1 标定用替换式 ECU 的选择.13 3.2 MoTec M84.15 4电控标定实验台架搭建.18 4.1 发动机实验台.18 4.1.1 实验台方案18 4.1.2 实验台设备19 4.2发动机与测功机的机械连接.20 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 II 页 共 44 页 4.2.1 联轴器设计.20 4.2.2 发动机支架设计.21 4.2.3 排气管布置.22 4.3 ECU 的替换.22 4.3.1 ECU 引脚分析22 4.3.2 传感器添加.26 4.4 试验前台架的调试.27 4.4.1 发动机一缸压缩上止点位置检查.27 4.4.2 检查机油与冷却水27 4.4.3 检查燃油供给系统27 4.4.4 线束检查27 5发动机匹配标定试验分析.29 5.1 标定方法及内容.29 5.1.1 匹配标定的概念29 5.1.2 标定方案29 5.2 匹配标定试验31 5.2.1 工况点的选择31 5.2.2 基本喷油脉宽的标定32 5.2.3 点火提前角的标定33 5.2.4 更换新进气系统发动机标定前后外特性比较35 结论.36 参考文献.37 致谢.39 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 1 页 共 44 页 1 1绪论绪论 1.11.1 研究背景研究背景 大学生方程式汽车大赛，由 SAE（society of Automobile Engineering， 美国汽车工程学会），在 1979 年开始主办后经多年发展，目前该项赛事在美国，中国， 德国，英国，日本等众多国家举办，成为培养各国汽车工程师的摇篮。在 全球也已成 为影响力巨大的世界性大学生工程设计竞赛。 FSAE 赛事在规则上开放度很高， 为充分发挥学生的创新能力， 在做赛车设计、 制造、 加工、结构等方面提供了很高的自由度静态部分为赛车设计制作，成本管理，营销模式 答辩，综合对比得出成绩得分排名。动态部分包括直线加速，8 字绕环，高速避障和耐 久赛，依据所耗时间长短得出排名。 FSAE 赛事出于安全等方面的考量，组委会作出一些强制性规定。涉及本文研究内容 的如在动力性方面，除对整车发动机排量有限制外，根据 2017 年规则，第二章第八节 明确要求发动机进气必须通过截面直径为 20mm 的限流阀。限流阀安装在发动机节气门 后，限流阀的加装，使发动机进气量变少使发动机充气效率下降，导致原机 ECU 与进排 气系统改装后不匹配。这样的发动机会工作在不正常的状态下，从而使发动机动力性降 低，导致比赛成绩下降。为使改装后的发动机正常工作，将限流阀的影响降至最小除对 进排气系统进行优化设计外，有必要对发动机控制系统重新匹配标定。由于无法对发动 机原机 ECU 进行直接刷写， 采用技术成熟且系统开放的 ECU 并对其控制数据进行重新匹 配和标定。 2014 年中北大学首次参与了此项大赛，并且于 2016 年首次完赛并获得三等奖。在 动力性方面，我们依然沿用 JH-600 发动机参赛，选用 MoTec M84 ECU 进行替换，并进 行动力匹配标定。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 2 页 共 44 页 图 1.1 中北大学 2016 年参赛图片 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 对于发动机标定系统开展实验，往往工作繁琐。因此，将数学模型和自动测试技术 接合起来的自动标定技术是标定实验的发展方向。 国外电控技术标定的研究发展方向主要集中在先进的标定系统开发技术， 标定设计， 基于模型的标定技术等方面的研究。 但国内标定开发在平台的兼容性和通用性方面不够 强，功能相对少，标定系统尚未有成熟的产品面向市场。 全替换 ECU 研究现状， 此项研究在国外发展较为迅速， 在发动机发展电喷系统之初， 就有关于全替换 ECU 的研究与应用。近年国外已有很多专为全替换 ECU 服务的厂家。他 们生产各种类型的 ECU，拥有较为通用的接口，提供原厂数据，拥有很不错的软件界面， 便于进行发动机匹配数据写入及修改。 国内关于此项的研究依然处于起步阶段，该环节注重应用，在公开发表的文献资料 中对这方面的探讨较少主要原因在于国内对于改装车法律要求较为严格。 严禁改装动力 系统。在赛车运动方面，国内仍然处于起步阶段，民众参与度不高。大多数赛道上的赛 车动力单元不是完全没有修改就是完全来源于国外。 对全替换 ECU 基本没有较为深入的 研究。 1.31.3 本文的研究目的及意义本文的研究目的及意义 本课题以中北大学行知车队将于 2017 年参赛的 “梦想 4.0” 赛车选用的 JH-600 发动 机作为研究对象， 根据规则要求对进气与排气系统进行改制。 在进排气改制后， 原机 ECU 已不能很好的匹配发动机动力性等各项参数下降严重。出现怠速不稳，不易启动，不正 常燃烧等各类问题。为解决这些问题，我们采用全替换式 ECU 并进行标定试验，以动力 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 3 页 共 44 页 性为目标，通过台架实验对发动机进行标定。使进排气系统改制后，发动机动力性能相 对原机得到有效的提高，并解决不匹配产生的各类问题。 经过重新的匹配标定，不仅能对车队比赛成绩提升，同时也为赛车用发动机标定方 法进行有意义的探索。因此，研究结果将具有一定的理论研究及实际的意义。 1.41.4 本文的研究内容技术路线本文的研究内容技术路线 FSAE 赛车用发动机的动力匹配及标定是较为复杂的系统工程， 涉及信号采集、 数据 分析、性能试验等大量工作。本文主要研究内容具体如下图 1.2： 图 1.2 技术路线 阐述课题背景，了解国内外现状。确定 研究内容及路线 系统分析研究 JH-600 发动机参数，根 据规则对进排气进行优化。 根据对比分析选定课题采用的 ECU， 并 对标定软件进行详细了解 对标定实验台进行搭建及调试 对标定试验结果进行分析并对实验数 据进行优化，分析。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 4 页 共 44 页 2 2电控发动机结构原理及进排气改制电控发动机结构原理及进排气改制 对于本论文所使用的嘉陵 JH-600 发动机的基本参数，电控系统结构原理及特点。 同时结合比赛规则及发动机布置需要，对发动机的进排气系统进行重新设计改制。 图 2.1 发动机改制后装配图 2.12.1 电控发动机结构原理及组成电控发动机结构原理及组成 2.1.1 电控发动机原理 汽油电控发动机根据发动机转速和负荷作为实际工况的信号， 参照由发动机各工况 相对应的喷油量和喷油 MAP 图来确定基本的喷油量和喷油定时，之后根据水温、油温、 大气压力等影响因素对其进行各种补偿，从而得到最佳的喷油量和点火定时，然后通过 执行器进行控制输出。其系统工作原理如图 2.2 所示。 图 2.2 电控发动机系统工作原理 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 5 页 共 44 页 2.1.2 电控发动机基本组成 其组成主要有空气供给系统、燃油供给系统、电子控制系统。 空气供给系统主要由空气滤清器、空气流量计、节气门、进气总管和进气歧管等组 成。 空滤的作用是在空气流进发动机之前，除去空气中所含的杂志，以减轻对发动机的 磨损，且减少对空气流量计的不良影响。空气流量计主要是用来测量流入发动机的空气 量，并把测量的信号送给电控单元。并把测量信号输入电控单元。节气门总成主要是对 进入发动机的空气量进行控制。它主要由节气门、怠速旁通气道、怠速控制阀以及感知 节气门位置的节气门位置传感器等组成。 图 2.3 空气供给系统工作过程 2.1.3 燃油供给系统 燃油供给系统的作用是供给发动机工作所需燃油，且将燃油雾化与空气混合形成发 动机所需的混合气。燃油供给系统主要由油箱、油泵、燃油滤清器、燃油压力调节器以 及喷油器等组成。油泵从油箱中吸油并加压，经过滤清器过滤后，经压力调节器调压， 一般调整到比进气压力高出约 250-300kPa，然后经供油管路分配给各喷油器。电动汽 油泵所供给的燃油量一般是发动机工作所需燃油量的 6-8 倍，其余的燃油在压力调节 器的作用下，经回油管路流回油箱。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 6 页 共 44 页 图 2.4 燃油供给系统工作过程 2.1.4 电子控制系统 作为控制系统，它是发动机的核心，其作用是在不同工况下，根据不同传感器传送 的信号，决定喷油量，喷油时刻，喷油持续时间等，以期得到最佳空燃比，最佳点火时 刻， 对怠速进行控制。 控制系统同时检测系统故障， 检测故障以代码形式存储在 ECU 中， 供检修时调用。 电子控制系统有很多形式，根据功能不同，分以下三个部分：电控单元（ECU）、 传感器和执行器。 1）ECU 是电控系统的大脑。它接收各种传感器输入的信号，经分析和处理，向各执 行器发出动作指令，指示执行器完成各种功能，从而实现对空燃比、点火正时以及怠速 等的控制。ECU 还拥有存储功能，它可以存储发动机工作时所需要的数据资料，也可以 把发动机的故障以代码的形式存储起来。 2）执行器是根据 ECU 的指令完成一定动作的装置。主要的执行器有:汽油泵、喷油 器、怠速阀、EGR 阀以及点火器等。 3）传感器是根据各自功能的不同，分布于发动机的各个不同部位。它们用于检测 反映发动机工作状态的各种参数，并把这些参数转换成 ECU 所能接受的电信号，为 ECU 提供所需的信息。主要传感器与各传感器功能简介如下表。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 7 页 共 44 页 表 2.1 传感器与传感器功能表 2.22.2 JH-600JH-600 发动机电控系统特点发动机电控系统特点 2.2.1 JH-600 发动机主要参数如下表 表 2.2 JH-600 发动机参数 2.2.2 JH-600 发动机电控系统特点 JH-600 发动机具有转速高，压缩比大，结构紧凑等一系列特点。因此这类型的发动 机非常适合竞速类比赛。以下对其特点进行介绍。 1.发动机控制单元 JH-600 发动机采用的 ECU 为博世生产的 ECU。 其内置 SH7054F 单片机， 可刷写空间 传感器传感器功能 曲轴位置传感器采集曲轴角度与发动机速度信号，为 ECU 提供点火和喷油基准位置信号。 凸轮轴位置传感器采集凸轮轴上下止点位置，控制喷油点火时刻。 氧传感器检测发动机排气中氧含量，判断合理空燃比。 节气门位置传感器检测发动机负载条件，ECU 根据信号决定节气门开度。 进气压力传感器测量进气歧管绝对压力，用于间接计算进气量。 进气温度传感器测量进气温度，与压力传感器配合得到进气量。 空气流量传感器检测空气流量，ECU 根据信号计算基本喷油脉宽。 冷却液温度传感器测定发动机冷却液温度，用于修正点火喷油控制。 项目参数 发动机形式单缸水冷电控汽油喷射式发动机 总排量598cc 缸径行程94x85mm 最大功率30kW/6000 最大扭矩51Nm/4500 rmin-1 压缩比9.7：1 怠速转速800100 rmin-1 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 8 页 共 44 页 有 384K。内部存在多种控制策略，根据用户不同的需求调整控制策略。整车所有传感器 参数均内置于 ECU 只读 ROM 内部，导致用户无法自行更改。采集到的传感器信号数据 通过 SH7054F 内置程序进行处理计算后用于判断发动机当前工况。 图 2.5 JH-600 发动机 ECU 2.燃油喷射系统 图 2.6 燃油喷射系统结构图 由图中可以看出， ECU 传递给喷油器的最终喷油脉宽信号决定发动机的单个循环 喷油量。而最终喷油脉宽则是由两部分组成：基础与补偿喷油脉宽。其中基本喷油脉宽 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 9 页 共 44 页 由进气压力传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器的信号决定。在节气门开度低 于 10%时，采用速度-密度法计算空气流量从而计算基础喷油脉宽。当节气门开度高于 10%时，采用节流速度法计算空气流量，以节气门开度信号作为衡量发动机荷的标准， 同时曲轴位置传感器提供转速信号。其他传感器将信号输入至 ECU，ECU 通过计算确定 补偿喷油脉宽并与基础喷油脉宽相加，将最终的喷油脉宽信号传递给喷油器。 3.点火系统 JH-600 发动机拥有独立点火系统，原理下图 2.6 所示。ECU 通过曲轴位置传感器 和凸轮轴位置传感器信号联合判断做功气缸。另外本校使用发动机为开环控制（通过生 产年份判断）。最终点火提前角由初始、基本点火提前角以及点火提前角修正量组成。 初始点火提前角为恒定值，通过 ECU 曲轴位置传感器信号判断一缸上止点位置得到。基 本点火提前角与计算喷油脉宽方法类似，在节气门开度低于 10%时，采用进气压力传感 器信号作为衡量发动机负荷的标准，曲轴位置传感器提供转速信号，从 ECU 中读取该 转速及该负荷工况下基本点火提前角。当节气门开度高于 10%时，使用节气门开度信号 作为衡量发动机负荷的标准，曲轴位置传感器提供转速信号从 ECU 中读取该转速及该 负荷工况下基本点火提前角。同时 ECU 采集档位传感器以及水温传感器信号，对点火 提前角进行修正，最终将初始点火提前角、基本点火提前角以及点火提前角修正值相加 获得最终点火提前角，之后 ECU 将点火信号传送至点火放大器。最终点火放大器驱动 点火线圈完成点火过程。 图 2.7 点火系统结构图 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 10 页 共 44 页 4. 空燃比控制方式 由于 JH-600 发动机并不带有氧传感器，因此开环控制为其空燃比的控制方式。通 过读取 ECU 中相关参数来控制发动机喷油系统以及点火系统工作，以达到发动机标定 时所预设的空燃比，但通过读取 ECU 内置参数对于外界环境变化并不敏感，因此控制的 精度相对较差，不能有效的控制混合气的浓度。 5. 空气流量的测量方法 JH-600 发动机计算空气流量方法是通过速度密度法与节流速度法相结合的方法来 计量的，通过 ECU 中采集的节气门位置传感器以及进气压力传感器信号计算得出空气 流量。在 ECU 内部控制程序中，判断空气流量的方法首先要获取节气门开度。当节气 门开度小于 10%时采用速度密度法，节气门开度大于等于 10%时采用节流速度法。这样 能够保证发动机在低转速时稳定运转，高转速时快速响应。 2.32.3 进排气系统赛事规则进排气系统赛事规则 2.3.1 进气系统赛事规则 （1）为控制发动机功率，一个內部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门 及发动机中间，并且所有发动机的进气气流都应流过该限流阀； （2）限流阀之后禁止使用任何装置改变吸入空气流量； （3）限流阀内部截面的最大直径为 20.0mm； （4）限流阀必须放置在容易测量位置，以方便技术检验； （5）在任何情况下，内部的横截面限制阀不能被改变（例如：限制节流阀不用 于可动件的一部分）； （6）如果使用一个或一个以上的发动机，所有发动机进气气流必须流经节流阀。 2.3.2 排气系统赛事规则 （1）排气出口要合理布置，使车辆在任何速度行驶时，驾驶员不会遭受排气污染； （2）排气口不得超过后轴中心线 450mm（17.7in）的位置，离地间隙不得超过 600mm （23.6in）； （3）如果排气系统的部件从主体的两侧延伸至主环之前，这些部件必须覆盖屏蔽，以 防止司机或其他人员烧伤。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 11 页 共 44 页 2.42.4 进排气系统改制方案简介进排气系统改制方案简介 2.4.1 进气系统改制方案 进气系统总布置为空气滤清器、节气门总成、限流阀、稳压腔、进气歧管组成，其 限流阀和稳压腔部分。进气系统改制部分包括限流阀、稳压腔以及进气歧管。 1.限流阀设计 根据 FSAE 中国大学生方程式进气系统限制规则，限流阀形状采用的是最常见也是 最有效的“文丘里管”。考虑入口、出口锥角等因素利用 ANSYS 的 Fluent 模块进行 优化分析。 2.稳压腔设计 对于民用车进气稳压腔设计容积一般是排量的 0.5-1.5 倍。由于 FSAE 发动机前 需加装 20mm 的限流阀，所以大学生方程式赛车采用 2-4 倍稳压腔体积。在稳压腔优化 中体积作为优化的目标。对于不同稳压腔体积分别模拟仿真。最终确定稳压腔的体积为 2L。在汽车设计中稳压腔的形状有多种形式，但是对于方程式赛车各学校采取的形式主 要有蘑菇型与升斗型两种形状， 我们在设计中参考其他高校历年来设计的稳压腔形状和 布置以及自身的经验，最终选择了圆柱型稳压腔模型，三维模型如图 2.8 所示。 图 2.8 进气总设计图 3.进气歧管设计 进气歧管的设计主要在于主要根据进气歧管的动态效应确定进气歧管的长度， 一般 动态效应分为惯性效应和波动效应两类。 空气入口管的惯性效应的定义是上半年的进气行程,活塞下行,消极的压力缸,新鲜 空气中的制冷剂入口管流,同时进门来,负压力波,气道沿着入口管向外传播,传播速度 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 12 页 共 44 页 是音速。当负压力波的开口端调节腔的腔,从汽缸的开口端到积极的方向压力波反射回 来,如果空气入口管的长度,负压波正压波返回发出摄入时间,与所需的进气阀打开,关 闭时间匹配,所以增加进气压力进气阀、压力的效果。进气管的波动效应意味着，当入 口阀门关闭时，进气管的空气柱会继续波动，这影响到每一个气缸的吸收。这被称为连 锁反应。 JH-600 为高转速发动机，比赛时常用的转速范围为 3000-8000 转，惯性效应与波 动效应主要考虑后者。最终确定了进气歧管长度。 2.4.3 进排气系统改制后的发动机性能提升方案 由于上述规则的限制，20mm 限流阀对发动机的进气进行了限流，充气效率下降，因 此发动机产生的功率下降，根据本课题之前对限流后发动机进行的台架试验数据可知： 限流后最大功率下降了大约 20%。基于此问题，可通过以下途径解决： 1.提高发动机的进气效率，降低限流阀对进气产生的不均匀度。可对发动机加装涡轮增 压系统，增加进气效率，但加装涡轮增压后，对原机机械部分产生热负荷，在不了解原 机机械安全系数的前提下，很有可能永久损坏发动机，过于冒险。以往的比赛中也有一 些高校采用涡轮增加技术，故障率很高。另一种方案是通过对进气进行 Fluent 仿真优 化分析，尽最大可能增大充气效率，但对于限流发动机很难从根本上解决问题，从最大 功率下降已经可以看出，即使对进排气系统进行优化，最大功率还是会下降约 40%。 2.改变发动机喷油脉宽，并且改变点火提前角。对发动机进气系统进行限流，必然产生 混合气过浓，点火提前角不匹配等问题，然而原机 ECU 不可读写性使得这一方案实现 有一定难度，需采用可刷写的 ECU 对发动机进行重新匹配和标定。本文采用第二种方 案对发动机性能进行提升， 通过改变原机的喷油脉宽和点火提前角使得其更能有效的达 到对发动机性能提升的目的。 本章小结本章小结 本章主要介绍了电控发动机系统的原理和基本结构； 试验用发动机的基本参数及其 电控系统的结构特点； 根据赛事规则和整车设计的要求对进排气系统进行了重新设计改 制；提出进排气系统改制后发动机功率下降的原因和解决方案。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 13 页 共 44 页 3 3发动机标定发动机标定 ECUECU 3.13.1 标定用替换式标定用替换式 ECUECU 的选择的选择 发动机替换 ECU 有两种形式：一种为与原车 ECU 共同工作的外挂式 ECU，另一种为 全替换式 ECU。 对于与原车 ECU 共同工作的外挂式 ECU 。发动机电喷系统同时将传感的信号传递 给原机与外挂 ECU，而执行器信号(喷油、点火)接线是原机 ECU 连接到外挂 ECU，经外 挂 ECU 优化后输出信号。通过外挂 ECU 的原理可以看出，在使用外挂式 ECU 标定时 可基于原装 ECU 的标定数据进行相应的调校，不会出现难启动、爆震、缺缸等问题， 大大缩短了调校周期，调教起点高。但在看到优点的同时，也注意到了选择外挂式 ECU 的缺点：线束较多，这会导致整个系统的可靠性较差，而且其不具备高级功能比如：牵 引力控制、数据采集。同时外挂式 ECU 调校的方式主要是在原装 ECU 输出的信号上进 行百分比调校，调校量较大，对于原机 ECU 来说较为粗糙。 对于全替换式 ECU ，其不需使用原机 ECU，并且全替换 ECU 还具有额外的一些高 级调教功能例如：快速换挡、涡轮增压器控制、二级喷射、牵引力控制、起步控制、数 据记录等。此类 ECU 调校起点几乎为 0，因此调校周期较长，同时在调校过程中可能会 出现启动困难、缺缸、发动机爆震等现象，但是在调校完成之后，从发动机的性能上优 于外挂式 ECU。 外挂式 ECU 主要成熟的产品有： Powercommander 动力司令、 Bazzaz ZFI、 AEM F/IC 等。Powercommander 动力司令（如图 3.1 所示）具有目前最成熟的技术、使用最广泛， 插头通用，接线可靠。支持速度-密度法和速度-开度法。软件界面友好。可选配广泛功 能（点火控制模块、快速换挡模块、二级喷油控制模块、数据记录仪、自动调校等）， 新的版本还支持起步控制。ZFI 也是专门为摩托车赛车设计的外挂式 ECU，和 Powercommander 非常类似，软件友好，支持快速换挡，支持牵引力控制。但是它的缺 点也明显，不能调节点火提前角，不能自定义传感器，不能以进气压力作为标定依据。 AEM F/IC 是国内改装界常用的外挂式 ECU，功能强大，支持 TPS、MAP 和 MAF 三种标 定，MAP 图规模适中，达 12000 rmin-1 也没问题。但是需要自己接线，比较麻烦。 F/IC 有两种，分别是 F/IC-6 和 F/IC-8。如图下图所示。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 14 页 共 44 页 图 3.1 动力司令图 3.2 F/IC 图 3.3AEM图 3.4 MOTEC 全替换式 ECU 主要的生产厂商产品有：MoTec、Haltech、AEM、marelli 等。MoTec 系列 ECU 主要有 M84、M400、M600、M800、M84 等，MoTec 系列 ECU 整体功能比较全， 快速换挡、增压控制、二级喷射、牵引力和起步控制、数据记录，从最高转速设置上看 可以支持高达 32760 r min-1。Haltech 比较适合的型号为 Sprint 500 具备增压控 制、快速换挡等功能，性价比较高，但是最大的缺点是只适合最大转速 10000 rmin-1 的发动机使用。Sport 1000 比较适合本次试验用发动机但是其不支持速度密度法的空 气流量计算方式，除了不支持牵引力控制外，其他功能与 M84 类似。AEM 公司的 EMS-4 支持高转速发动机，但是仅支持宽域氧传感器，而 AEM-EMS 是完整版本的 EMS，除了 不支持牵引力控制， 功能和 M84 基本一样。 MoTec M84ECU 如图 3.4； Haltech Sport 1000 如图 3.5 所示； 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 15 页 共 44 页 图 3.5 Haltech 对比以上所考虑的 ECU 产品，同时考虑方程式赛车比赛需求与功能，本文最终选择 了 MoTec M84 ECU 作为试验研究所使用的全替换式 ECU。 3.23.2 MoTecMoTec M84M84 在各种汽车赛事中，MoTec 品牌应用非常广泛，如：24 小时耐力赛（勒芒），美国耐 力赛，F1 方程式大奖赛，以及各类俱乐部比赛。此外，MoTec 系统还被应用军事及车辆 测试中，MoTec ECU 来自于澳大利亚的全球知名改装厂商。MoTec M84 是 MoTec 公司为 FSAE 大学生方程式比赛应用研发的全替换 ECU，它 M800（MOTEC 高端 ECU） 的简化版， 支持与宽域氧传感器以及一个 512kB 的行驶数据记录模块共同使用。 M84 包括 8 个引 脚用于喷油器输出，6 个引脚用于点火器输出信号以及 8 组辅助输出引脚（增压控制， 怠速电机控制等）。同时，M84 中也有节气门位置传感器、进气压力传感器、空气流量 计、燃油压力传感器、机油压力传感器、排气温度传感器、块传感器、进气温度传感器 和传感器输入和两个自定义传感器输入冷却液温度传感器，三模拟温度开关，两个氧传 感器输入和使用四连接到车轮速度传感器的数字量输入端子。如图 3.7 所示。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 16 页 共 44 页 图 3.7M84 引脚图 MoTec ECU 拥有一项特色功能即 Quick Lamada ，通过安装于排气歧管的氧传感器 传输至 ECU 的数据，自动调整喷油脉宽至目标空燃比附近，用户只需在标定过程中按下 电脑Q键即可实现， 使得发动机的标定过程大大简化。 该功能通过自动调节喷油脉宽 MAP 使当前工况点的过量空气系数满足设定值，重新修改喷油脉宽 MAP 同时 M84 能够通过修正由于环境因素以及燃油压力、 档位等不同参数的改变对发动 机当前工况所带来的影响设置相关的补偿参数， 在发动机受到外界环境因素影响带来的 变化时使发动机能够发挥最佳性能。 MoTec M84 还具有针对赛车调教实用功能，包括：发动机牵引力控制、涡轮增压控 制、电子水泵控制、散热风扇控制、油泵控制以及在赛车上常用的换挡断火、起步控制、 圈速限制及氧化亚氮加速等。这些高级功能的使用能够更好地将赛车性能发挥出来。 MoTecM84 与其他设备通信可以通过汽车用 CAN 总线和 RS232 协议，并且 M84 ECU 具有其配套的 Manager 管理软件，以及数据分析软件 MoTec I2 PRO，能够方便的 对 ECU 进行调试并对采集到的数据进行分析。M84 采用 CAN 总线与电脑进行通讯，通 过 MoTec UTC 与电脑端的 USB 接口连接并对 M84 ECU Manager 进行调试。UTC 连接方 式如图 3.8 所示。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 17 页 共 44 页 图 3.8 UTC 连接方式 本章小结本章小结 本章主要对比了全替换式 ECU 与外挂式 ECU 的优缺点， 通过对二者工作原理的分 析，全替换式 ECU 相对于外挂式 ECU 更加适合赛事用发动机。并通过对比各个厂家的 全替换式 ECU 的性能，选出了 MoTec M84 ECU 作为标定用 ECU。同时，介绍了 M84 的相关功能以及 M84 所配套的调试软件 M84 ECU Manager 的设置界面以及部分功能。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 18 页 共 44 页 4 4电控标定实验台架搭建电控标定实验台架搭建 4.14.1 发动机实验台发动机实验台 4.1.1 实验台方案 对于发动机动力匹配，台架试验的是整个发动机标定工作中最主要的一步，也是最 基础的一步，获取发动机电控参数台架实验是最重要的手段。通过发动机台架的大量标 定试验，进行优化选择控制参数，提高进排气改装后发动机的运转性能。对于一般的发 动机匹配标定实验，传统的实验设备预实验手法都比较落后，其无法精确控制，损耗时 间长，并且不能实现对实验数据的实时监测。发动机的状态参数不能积极监测获取。更 加无法精确获取与修改发动机喷油脉宽，点火提前角等参数。因此，为了更加精确的对 发动机进行动力匹配保证实验工作的顺利， 我们对发动机台架标定试验提出了更高的要 求，采用新的设计思路。要求实现在线获取与修改参数，有较高的精度、稳定性等。且 能够简单有效的进行匹配标定试验。本次实验搭建了 JH-600 电喷发动机专用台架。购 置 MoTec M84 电控 ECU，并且要求实验台架有如下功能： 1. 根据标定试验的要求，需较好的稳定性能，更准确的设定发动机的工况点。（2）在 标定试验工作中，能够监测电喷发动机的运转状态，获取准确的冷却液温度、油温、废 气温度、功率、扭矩、转速、等发动机参数 2. 通过 ECU 控制软件 Manager 实现全替换 ECU 参数的实时修改。 下图为标定试验中，台架总体布置框图。包括测功机，控制模块，发动机及台架附 属各个部件。 图 4.1 台架总体布置框图 发动机动力匹配标定系统台架分为两个系统， 测试系统及环境系统。 对于环境系统， 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 19 页 共 44 页 对于环境系统，其主要包括进气排气系统。试验测试系统包括负载，测量，空气供给， 冷却，数采与控制系统。 4.1.2 实验台设备 测试系统主要包括： 南峰 CW260 电涡流测功机、 南峰 FST2C 型发动机数控试验台、 WMZK-01 温度指示控制仪。具体系统仪器设备如表 4.1 所示。 表 4.1 实验系统设备 温控仪的作用是将发动机工作温度稳定在试验要求范围内， 示波器和万用表的选择 主要是发动机线束以及其他传感器采集信号的线路的工具。发动机数控系统如图 4.2 所示。 仪器名称型号用途产地与厂家 电涡流测功机及控制柜CW260测量发动机功率、扭矩等洛阳南峰 发动机数控试验台FST2C控制测功机洛阳南峰 数字存储示波器TDS3014B采集存储传感器波形美国泰克公司 数字式万用表VC9806电压、电阻的测量深圳胜利公司 油门执行器ZD-5改变发动机节气门置洛阳南峰 温控仪WMZK-01保持水温恒定上海将来试验设备有 限公司 标定软件M84 Manager 上位机软件澳大利亚 MoTec 公 司 替换式 ECUM84替换原机 ECU澳大利亚 MoTec 公 司 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 20 页 共 44 页 图 4.2 数字信息采集箱 4.24.2发动机与测功机的机械连接发动机与测功机的机械连接 4.2.1 联轴器设计 对于本论文所采用的 JH-600 电喷发动机，由于其最初装配在摩托车上使用。因此 为了使其结构较为紧凑，其变速箱与发动机缸体采用整体设计，并且其发动机输出轴方 式与普通汽车发动机飞轮不相同， 因此测功机与发动机联结的联轴器方式与普通发动机 存在较大差别。对于输出轴为外花键的 JH-600 发动机而言，由于其外径较小且变速箱 与输出轴相连。因此，对于联轴器，本论文所采用的解决方案是输出轴小链轮 柔性连接联轴器法兰轴端带。在测功机端法兰直接连接输入轴如下图所示 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 21 页 共 44 页 图 4.3 连接法兰结构图 图 4.4 装配图 4.2.2 发动机支架设计 在台架标定试验中，发动机机体需保持静止，并且需保证测功机输入轴与发动机输 出轴的同轴度， 因此在设计过程中需设计加工发动机支架且此支架应具有三向可调的功 能对发动机位置进行调节与定位，发动机支架如下图。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 22 页 共 44 页 为最大程度保证发动机与测功机的同轴度，在通过支架调节发动机位置之后（同一 高度）。我们通过联轴器将发动机与测功机相连。为保证柔性连接的要求，我们使用穿 绳连轴节保证。在连接完成后，我们使用圆度百分表対连接轴的圆跳进行测量与精确调 节。 在通过以上调节之后， 发动机曲轴变速箱输出的动力经过联轴器传递给测功机输入 轴的动力相对稳定。在发动机运转中附加冲击不会较大，同时不会影响测功机工作，标 定试验相对稳定。 4.2.3 排气管布置 在排气系统方面，由于原机排气系统处于发动机底部，从油底壳下通过，且长度较 短。因此排气系统在标定试验中需重新布置（进行延长反置式布置）在延长后由于震动 加大，因此除重新布置外，还需在排气的中部与尾部连接波纹管以减小震动。使之满足 实验室排放要求，排气布置如下图。 在电控线路、油箱与输油管路的布置中需尽量远离排气管道且蓄电池与油箱也需尽 量远离，避免发生危险保证安全。因为在发动机大负荷运转工况下，排气管温度相对较 高，由此会影响安全。 在安装所有装置完成后，仔细检查散热水路、供油系统的连接，确保布置无误安装 可靠后，将发动机与测功机联机。 4.34.3 ECUECU 的替换的替换 4.3.1 ECU 引脚分析 根据发动机电路图以及 MoTec M84 引脚图将原机线束与 MoTec M84 进行连接。如 下图所示。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 23 页 共 44 页 图 4.5 图 4.6 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 24 页 共 44 页 图 4.7 图 4.8 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 25 页 共 44 页 由上述引脚图对比得知，MoTec M84 ECU 与原机 ECU 插口并不匹配，为使 M84 ECU 在与 JH-600 发动机连接后能够正常控制发动机工作， 因此我们需将线束重新改制与 M84 引脚相对应。有两种解决方案。一 截断原机线束，重新制作控制线束与 M84 ECU 进行适配。二 采用自制线束的方法，将 M84 ECU 线束与原机线束进行链接。 对于第一种方案，它需破坏原厂线束，需重新购买插头，成本较高，且可靠性较低。 对于第二种方案，采用自制线束（在中间位置将两端线束相连），成本较低，可靠性高， 检修便利，且不破坏原机线束。因此对比两种方案，我们采用第二种方案，确保连接可 靠，便于调试，在完成线束制作后，至此我们完成 ECU 替换。 图 4.9ECU 引脚图 在控制线束连接完成后， 我们需将线束牢固固定于自行设计的台架上， 增强可靠性， 并且我们增加了启动与急停控制线路，以期能更加便利的控制发动机的运转。同时，将 M84 ECU 与控制电脑连接。检查传感器与线束工作情况与连接正确，下图为实验台架搭 建图。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 26 页 共 44 页 图 4.10 台架搭建图 4.3.2 传感器添加 为使 M84 ECU 在 JH-600 发动机发挥最佳工作状态，我们在不改动发动机原有电 控系统的基础上，我们增加了以下原机不具备的传感器，如下表 4.2 所示。 表 4.2 传感器与功用 润滑油压力传感器对于改装为赛用的 JH-600 发动机，原机所配置的润滑油压力传 感器，其仅能作为报警信号，但对于工况恶劣的比赛用发动机而言， 此传感器并不能很好满足工作与监测需要。因此，需在原来压力开 关位置上连接润滑油压力传感器。 排气温度传感器在标定试验中，温度的过高或过低都会影响发动机的工作状态。 在台架标定试验中，喷油量会受到排气温度的影响，在温度过高时， 适当加大浓度。 排气压力传感器排气压力数据在进行排气系统仿真中，提供支持数据。 宽域氧传感器在台架标定试验中，用于监测混合气浓度。在比赛中，组委会 不会对排放有要求。 因此为增加动力性， 赛用发动机混合气浓度较 1 0.03 这一民用车浓度范围较宽，因此使用宽域氧传感器监测混合 气浓度必不可少。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 27 页 共 44 页 4.4 试验前台架的调试试验前台架的调试 4.4.1 发动机一缸压缩上止点位置检查 拆下发动机的点火线圈并拆下火花塞并用手慢慢转动曲轴，将活塞留在顶部停止。然后 用百分表在顶部的运动检测发动机的活塞与曲轴，活塞上行，百分表指针的运动，然 后慢慢转动曲轴， 当突然的千分表指针向后移动， 这个时候把它放在一个缸的活塞止点。 另一方面，检查曲轴上的曲轴线是否与发动机缸体上的标记对齐。即如图 4.11 所示 A 与 B 对齐。 图 4.11 缸体标记对齐 4.4.2 检查机油与冷却水 测试前应检查机油和冷却水。检查发动机是否足够冷却；检查曲轴箱中的机油表面 是否符合要求。 4.4.3 检查燃油供给系统 检查燃料供应系统在正常工作条件的压力下满足是否达到发动机控制系统要求发 动机控制系统能通过电源在 10-20 秒，检查油轨压力的要求。然后断开电源，判断压力 值可以最后保持要求足够长时间。 检查燃油供给系统在正常工作时的压力是否达到发动机电控系统要求；接通电源 10-20 秒 后，检查油轨压力是否达到指定要求。然后断开电源，检查是否此压力值可以 保持足够长的时间。 4.4.4 线束检查 根据发动机电气控制线路的接线图，检查各执行机构和传感器终端的连接，以及相 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 28 页 共 44 页 应的 ECU 针脚，并检查发动机的完整性。 本章小结本章小结 本章主要介绍了设计要求的校准试验根据测试项目,并完成了发动机测功器试验仪 器配备机械连接,MoTec M84,替换原来的机器后 ECU 线电路系统改革和线束的生产,并建 造了板凳上,标定台架试验进行调试前检查。 中北大学 2017 届毕业设计说明书 第 29 页 共 44 页 5 5发动机匹配标定试验分析发动机匹配标定试验分析 5.15.1 标定方法及内容标定方法及内容 5.1.1 匹配标定的概念 在电子控制发动机的研发过程中，对电控发动机进行功率、扭矩传感器等的标定匹 配是必不可少的研发工序。 理论上的发动机标定匹配工作指为保证被研究车型的性能要 求。在汽车上加装了电子控制系统后对整车的电子控制系统进行再设计、改造、适配、 标定的整个过程。在实际操作过程中，发动机的动力匹配工作就是将 ECU 电控系统与发 动机进行匹配。 在匹配过程， 我们对安装电控系统的发动机进行喷油特性， 点火提前角， 怠速以及瞬态过渡工况等各参数的综合实验。从中获取最优动力数据，使得发动机各项 性能指标得到最佳结果。这就是动力匹配标定。在动力匹配标定试