（动力机械及工程专业论文）多缸柴油机主——从ecu分布式控制系统研究.pdf

江苏大学博十学位论文 摘要 柴油发动机由于具有油耗低、功率大、扭矩大等特性，越来越广泛地应用于 交通运输中。随着社会的进步，车用发动机这一传统的动力装置出现了许多新的 挑战，表现为动力性、经济性、耐久性和排放等方面必须满足更高的要求，而现 代科技的飞速发展，使电子控制技术成为改善发动机性能的重要手段。因此，研 究开发出具有自主知识产权且符合国情的柴油机控制系统，对提高我国车用柴油 机自主开发能力和市场竞争能力，保证车用动力产业持续、稳定和健康发展具有 重要意义。 作为车用柴油机的重要应用领域，内燃机车由于牵引功率较大，不受电力系 统故障的影响，具有稳定发展的潜力。论文针对1 6 缸柴油发动机电控系统研究了 基于车载网络c a n 总线的分布式结构、控制策略和系统的软硬件，进行了详细设 计，并经发动机台架实验获得验证。为了进一步提高车载网络通信速度、提高网 络容错和纠错能力，论文还研究了高速f l e x r a y 通信网络，并设计各节点的硬件 和软件，最终整合成高速分布式控制系统。论文在对车用电控系统发展现状、关 键技术及未来趋势的基础上，展歼了下述研究工作： ( 1 ) 研究多缸柴油机分布式系统构架。通过分析现有车载网络结构特点、 柴油机对电控系统的需求，针对机车多缸柴油发动机提出了基于c a n 总线的主一 从电控单元( e c u ) 的系统构架，创造性的采用两个具有完全相同软、硬件结构 的e c u ，研制成主一从e c u 的发动机分布式控制系统，通过设置e c u 所在物理位 置相应i o 口线电平高低，自动识别e c u 的主一从身份。 ( 2 ) 分布式控制系统软件和硬件设计。分析了1 6 缸柴油机分布式控制系统 硬件工作原理，研究了主要器件的选型并设计了主要硬件电路，设计了c a n 网 络通信接口和网络通信协议，对系统软件做了整体规划。 ( 3 ) 分布式发动机控制策略的研究。根据机车柴油机工作特性，设计了整 体控制策略和分模块控制策略，主要控制包括转速采集、工况判别、转速控制、 励磁控制和故障诊断五大模块。基于发动机硬件系统对分布式主从发动机电控 单元控制软件底层和应用层设计做了详细分析，包括主一从e c u 位置确定、喷油 时问同步原理、主e c u 的系统软件流程、从e c u 的系统软件流程、发动机控制 的数据和指令通信协议设计。设计了转速计算、最大油量限制、供油触发参数计 算、故障诊断设计、排放控制等算法。 ( 4 ) 基于高速f l e x r a y 网络的分布式控制系统的研究。为适应下一代高速 车载网络的需求，特别是实现车联网技术与发动机系统的接入，论文进一步研究 多缸柴油机主从e c u 分布式控制系统研究 了高速f l e x r a y 总线网络的发动机分布式控制系统，包括f l e x r a y 网络系统的特 点，数据帧结构定义，时间同步机制，f l e x r a y 系统的主一从e c u 的同步机制。 更新设计了带有f l e x r a y 总线控制器和总线驱动器的电控单元，研究了通信协 议，并实现了分布式控制系统。 ( 5 ) 分布式控制系统试验研究。对基于c a n 网络的主一从发动机控制系统 做了分项测试和台架测试实验，通过对主一从e c u 系统进行实验标定，得到实验 数据。测试表明，主一从e c u 控制系统可稳定实施对多缸柴油机的联合控制，发 动机在预定的各实验工况转速比较稳定，误差可控制在0 5 以内，通过进一步 优化标定可以实现更好的效果。 搭建了两个节点的f l e x r a y 控制系统试验平台。实验表明，在两个或更多时 槽中，实现了比c a n 速度更高和信息量更多的实时数据交换，系统最高通信速 度可以达到1 0m b i t s 。同时采用f l e x r a y 定时高速发送曲轴位置同步信号，可取 消基于c a n 总线分布式系统中的同步信号专递专用接口线，进一步简化系统， 提高了系统的可靠性，并为新一代车载网络提供了一种可资借鉴的解决方案。 关键词：分布式，发动机控制系统，车载总线，c a n 总线，多缸柴油机 江苏大学博士学位论文 a b s t r a c t f o rt h e a d v a n t a g eo fl o wf u e lc o n s u m p t i o n ，l o we m i s s i o n s ，h i g h p o w e r , h i g h t o r q u e ，d i e s e le n g i n e sb e c o m em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt r a n s p o r t a t i o n e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi sw i d e l yu s e dt og e tb e t t e re n g i n ep e r f o r m a n c e ，t h r o u g ht h e d i e s e le n g i n e se l e c t r o n i cc o n t r o lt om e e tv a r i o u sa p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a le n g i n eo ft h el o c o m o t i v e p o w e ru n i ti sf a c i n gi n c r e a c i n gc h a l l e n g e s ，s u c ha st h el o c o m o t i v ee n g i n ep o w e r , e c o n o m y i ta l s o h a sah i g h e rd e m a n do nd u r a b i l i t ya n de m i s s i o n s ，t h u st h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cd i e s e le n g i n ec o n t r o ls y s t e mw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l r i g h t sa n dc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n sa r ev e r yi m p o r t a n t ，w h i c hw o u l di m p r o v et h e c a p a c i t y o fi n d e p e n d e n t d e v e l o p m e n ta n dm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so fc h i n a s a u t o m o b i l e ，a n de n s u r es u s t a i n e d ，s t a b l ea n dh e a l t h yd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a ld i e s e l e n g i n e s a st h el a r g e rt r a c t i o np o w e r , l o c o m o t i v e sg e n e r a l l yu s e dm o r et h a ne i g h t c y l i n d e r d i e s e l e n g i n ew i t he l e c t r o n i c f u e li n j e c t i o n s y s t e m i n t h i s p a p e r , c a n b a s e d d i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r ed e s i g ni su s e di n16 - c y l i n d e rd i e s e le n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m ，d e t a i l e dd e s c r i p t i o n so fe n g i n ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h es o f t w a r ew e r em a d e ， a n da l s ot h er e s u l t so ft h ee n g i n eb e n c ht e s tw e r ea n a l y z e d t of u r t h e re n h a n c et h e c o m m u n i c a t i o ns p e e d ，t h i sp a p e rh a ss t u d i e dh i g h - s p e e df l e x r a yc o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k ，a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ed e s i g n e df o rt h et w on e tn o d e s t h e m a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r ef o rm u l t i c y l i n d e rd i e s e le n g i n eh a sb e e nr e s e a r c h e d a n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r kb o a r da sw e l la sd i e s e le n g i n ew o r k p r i n c i p l ew e r ea n a l y z e di n t h ep a p e r i nv i e w i n go fm u l t i c y l i n d e r e n g i n ew i t h h i g h - s p e e dc o n t r o l ，c a n - b a s e dm a s t e r - s l a v ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tf e c u ) s y s t e m a r c h i t e c t u r ew a sp r o p o s e d t h et w oe c u sh a v et h es o d t l eh a r d w a r e a r c h i t e c t u r e ， w h i c hc a ni d e n t i f ym a s t e r - s l a v es t a t u so ft h ee c u s b ys e t t i n gt h ei op o r tl i n el e v e l ( 2 ) t h es y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r eh a v eb e e nd e s i g n e di nt h ep a p e r b y a n a l y z i n gt h eh a r d w a r ew o r kp r i n c i p l eo f16 c y l i n d e rd i e s e le n g i n ed i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，t h em a i nh a r d w a r ec i r c u i t sw e r ed e s i g n t h ee c uh a sc a nc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，w h i c hc a na c h i e v et h er e a l t i m ed a t ae x c h a n g ev i at h ec a nb u s t h e s y s t e m s o f t w a r e m a i n l y i n c l u d e st h e m o d u l e s ：s p e e da c q u i s i t i o n c o n d i t i o n i d e n t i f i c a t i o n ，s p e e dc o n t r o l ，e x c i t a t i o nc o n t r o la n df a u l td i a g n o s i s ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h ee n g i n ec o n t r o lp r o c e s s ，t h ep a p e rd e s c r i b e dt h e d e t a i l d e s i g n s o fc o n t r o ls o f t w a r ei n f r a s t r u c t u r ea n d a p p l i c a t i o n 1 a y e r f o rt h e d i s t r i b u t e dm a s t e r - s l a v ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t s w h i c hi n c l u d e st h em a s t e r - s l a v ee c u l o c a t i o nd e t e r m i n a t i o n ，f u e l 锄e c t i o nt i m es y n c h r o n i z a t i o n ，t h em a s t e r - e c u so v e r a l l 多缸柴油机主- 从e c u 分布式控制系统研究 s o f t w a r ep r o c e s s ，t h es l a v e e c u so v e r a l ls o f t w a r ep r o c e s s ，e n g i n ec o n t r o ld a t aa n d i n s t r u c t i o nc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c 0 1 i ta l s oh a sad e s i g no ft h em a i ne n g i n ec o n t r o l s t r a t e g i e s ，s u c ha ss p e e dc a l c u l a t i o n ，t h em a x i m u mf u e ll i m i t ，f u e lt r i g g e rp a r a m e t e r c a l c u l a t i o n ，e m i s s i o nc o n t r o la n df a u l td i a g n o s i s ( 4 ) i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o ns p e e da n dm e e tr e a l t i m e e x c h a n g e o f l a r g e v o l u m e so fd a t a , h i g h s p e e d f l e x r a yn e t w o r k b a s e do n t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga p p r o a c h w e r eu s e d t h e p a p e ra n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e f l e x r a yb u s ，t h e f r a m es t r u c t u r ed e f i n i t i o n ，t i m e s y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s ma n dt h es y s t e mm a s t e r - s l a v es y n c h r o n i z a t i o np r i n c i p l e t h ef l e x r a yb u sc o n t r o l l e ra n dd r i v e r sw e r ea d d e di n t ot h ee c u so nt h eb a s eo ft h e o r i g i n a lh a r d w a r e ，w h i c h h a sa c h i e v e dt h eh a r d w a r ea n dn o d e d e s i g n t h e i n i t i a l i z a t i o no ff l e x r a yw a sd e s i g n e d ，a n dt w on o d ef l e x r a yc o m m u n i c a t i o n d e s i g n w a si m p l e m e n t e d f i n a l l y , t ov e r i f yt h ed e s i g no ft h es y s t e m ，t h es u b t e s t sa n db e n c ht e s t sw e r e c o m p l e t e do nt h em a s t e r s l a v ee n g i n ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec a nn e t w o r ka n d t h e e x p e r i m e n t a l d a t aw e r eo b t a i n e d t h r o u g h c a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t s o ft h e m a s t e r - s l a v ee c us y s t e m t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em a s t e r - s l a v e e c uc o n t r o ls y s t e mc a ns t a b l yi m p l e m e n tt h em u l t i c y l i n d e rd i e s e l e n g i n ej o i n t c o n t r o la n dt h ee n g i n eh a st h es t a b l es p e e da tp r e d e t e r m i n e de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ， a sw e l la st h ee r r o rc o u l db el i m i t e di n0 5 c a l i b r a t i o n sc a nb ea c h i e v e db yf u r t h e r o p t i m i z a t i o nf o rb e t t e rr e s u l t s t h et w on o d ef l e x r a yi n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o nw a sb u i l ti nt h ep a p e r , a n dd a t a e x c h a n g ew a ss i m u l a t e da se n g i n e n er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a ti nt w o s l o t s ，s e n d e ra n dr e c e i v e rc a na c h i e v er e a l t i m ed a t ae x c h a n g ea n dt h em a x i m u m o p e r a t i n gs p e e dc a nu pt o l0 m b i t s ，w h i c hp r o v i d e sas o l u t i o nf o rt h e f o l l o w u p r e p l a c e m e n to ft h ec a n k e y w o r d s ： e n g i n ec o n t r o l ，d i s t r i b u t e ds y s t e m ，v e h i c l eb u s ，c a nb u s ， m u l t i - c y l i n d e rd i e s e le n g i n e i v 江苏大学博 j 学位论文 1 1 课题研究背景 1 绪论 自1 8 9 7 年德国人鲁道夫狄塞尔( r u d o l fd i e s e l ) 成功发明第一台柴油发动 机开始的一百多年历史中，直到最近的几十年柴油机才有了突飞猛进的进步，其 得益于包括材料科学、加工技术、计算技术等在内的整个工业界技术进步，尤其 是计算机的发明与普及，给工业界带来了划时代的革命。计算机辅助设计与制造 技术大大提高了柴油机设计制造手段，使柴油机强化程度或功率重量比越来越高 n 3 1 ；计算机在柴油机电控领域的成功应用，促进柴油机进一步的轻量化、更节 能、达到更高的排放标准1 。 发动机被广泛应用于汽车、内燃机车和船舶等交通运输工具的动力源，同时 在工程机械和发电站等工业领域也占有重要位置。发动机的最大应用市场在汽车 领域，而机车、船舶上的发动机及其电控技术发展的先导也主要源于汽车发动机， 并在其自身的应用领域获得应用、改进和推广。因此，首先以汽车领域为主线展 丌对本文所涉及技术的背景研究。 在应用最广的汽车工业中，各种电子技术j 下越来越成为其发展的主导，汽车 电子化、网络化是当前汽车技术发展的必然趋，势必有更多的汽车电控装置被应 用到汽车中。国内汽车市场总量持续快速增长，产业规模迅速扩大， 2 0 1 0 年在 国家扩大内需、调整产业结构等一系列政策措施的影响下，我国的汽车市场发展 更为迅猛。据中国汽车工业协会统计，全年累计生产汽车1 ，8 2 6 4 7 万辆，同比 增长3 2 4 。汽车产业总体规模的扩大，是由于我国国民经济持续高速发展，汽 车需求大量增加的直接结果，同时，汽车产业的快速发展和国民经济的持续增长 又是互相促进，相得益彰的。但与日本、德国、美国等汽车强国还存在较大的差 距，“量”的赶超并没有带来“质”的飞跃。2 0 1 1 年我国汽车产销量出现前所未 有的下滑，特别是自主品牌产销量较大降幅，更说明我国汽车及相关产业需要研 发和掌握先进的技术。 车辆是由多个子系统构成的一个复杂系统，其整体性能的发挥和安全可靠性 的保障均取决于各子系统的协同工作。采用基于总线分布式控制网络是实现众多 子系统协同控制的一种理想途径，而且分布式控制网络可以缩短控制对象和控制 模块的距离，例如车辆中各模块之i 日j 采用l l n 、c a n 、f l e x r a y 等多种总线形式 来实现通信，可以简化布线，使系统结构更清晰。此外采用分布式系统结构还可 多缸柴油机主从e c u 分布式控制系统研究 以增加系统的灵活性，方便地增减各控制节点，实现灵活的功能组合与切换。 柴油发动机作为车辆的核心部件，是一个集机械、气动、热力、电子等为一 体的复杂机构，它的工作过程是复杂的热力学过程且工作环境多变，因此发动机 控制系统成为车辆控制中技术难度最高的一个子系统。发动机电子控制技术是提 高燃油效率、实现低碳节能、降低尾气污染物排放等的重要手段。随着全社会对 车辆节能与环保的要求越来越高，发动机电子控制系统的各种控制参数越来越 多，电子控制自动化程度也越来越高，尤其在控制精度、控制范围、智能化和网 络化等多方面有了较大突破，现在汽车电子控制技术的优劣已成为衡量现代汽车 发展水平的一个重要标志。 车辆电子控制技术，尤其是核心部件电子控制单元( e c u ) 技术，主要被德 国博世、日本电装、美国德尔福等国外大公司垄断，并对我国企业进行技术封锁， 这也是我国汽车电子行业发展所面临的严峻挑战。 ( 1 ) 汽车电子行业发展状况 近年来，全球汽车电子行业以每年2 0 至3 0 的速度持续增长，远远超过 汽车行业的发展速度。据统计，汽车电子产品占整车的价值比例已上升到2 5 ， 并且中高档轿车已占3 0 以上。有关市场调查报告分析，这一比例还在不断增 长，预计在部分高档车中电子产品的价值比例将高达5 0 。 作为全球最具潜力和成长性的汽车市场之一，近年来我国汽车电子产品市场 也保持了高速增长态势。国际汽车电子巨头也在中国加强联合，以期获得更大的 经济利益。根据国务院发展研究中心产业经济研究部于2 0 1 0 年7 月出版的( ( 2 0 1 0 中国汽车产业发展报告数据显示，“十二五 期间中国汽车市场仍将处于高速 发展阶段，全球汽车产销中心将逐渐向中国转移。我国的汽车业已进入快速发展 阶段，国产汽车产品的升级步伐越来越快，消费者对汽车电子产品的需求持续升 温，汽车电子产品市场规模达到近2 0 0 0 亿元。 由于电子信息技术的快速发展和汽车制造业的不断变革，汽车产业与电子信 息技术的结合也日益密切。汽车电子技术的应用和创新推动了汽车工业的进步与 发展，对提高汽车的动力性、经济性、安全性，改善汽车行驶稳定性、舒适性， 降低汽车燃料消耗、排放污染等方面起到了关键的作用。 现在汽车电子技术已广泛应用于汽车的底盘控制、发动机控制、安全性控制、 车身控制等多个领域，未来汽车技术方面的竞争也将更多地体现在汽车电子技术 的竞争上。为了加快我国电子信息产业与汽车产业的融合，早在几年前，政府有 关部门就已经开始利用电子信息产业发展基金“倍增计划”专项，对汽车电子重 点项目进行大力支持。 ( 2 ) 汽车电子产品分类 江苏大学博士学位论文 汽车电子技术朝着集成化、智能化、网络化、模块化的方向发展，常见的汽 车电子产品可以分为两类晦1 ：一类是汽车电子控制设备，和车上机械系统进行配 合使用，主要包括发动机及变速器电控系统、车身电控系统、底盘电控系统、新 能源电控系统、集中综合控制系统、网络总线、车用集成电子及元器件、智能汽 车与智能交通等。一类是车载电子设备，是独立使用的电子设备，它和汽车本身 的性能并无直接关系。主要包括汽车信息系统、导航系统、汽车音响与影视娱乐 系统、车载通信系统及上网设备等。 控制类车载电子产品均是由传感器、电控单元( e c u ) 和执行机构三部分组 成。传感器是用于感知和监测各种工作状态和参数的元件和装置，e c u 用于接 收和处理传感器的信号，按照控制策略运算，驱动执行器以达到所需的控制目标； 执行器用来接收e c u 传来的指令，完成控制任务。一款控制类车载电子产品的 开发不仅需要各种零部件结构设计技术、性能测试技术、匹配标定技术等支持， 也需要元器件开发和生产、执行器机械加工等一系列技术的支撑。因此这种电子 产品的开发难度和生产难度较大，需要更多的技术积累和更多的工业领域支撑， 也更能代表一个国家的科技与工业实力。 ( 3 ) 汽车电子市场规模 根据s t r a t e g ya n a l y t i c s 统计数据，2 0 0 9 年全球汽车电子产品销售额约 l ，2 6 0 亿美元，全球汽车电子市场复合年均增长率为8 9 5 ，整体增长较为平稳。 由于北美、欧洲、f 1 本等发达地区的汽车市场较为成熟，汽车电子的主要增长动 力来自中国、印度、南美等发展中国家。 最近几年，中国汽车工业的蓬勃发展带动了汽车电子行业的技术进步，汽车 电子行业的发展又推动了汽车工业的发展，两者发展相辅相成。2 0 0 9 年，中国 汽车市场规模已经是全球第一，但是汽车电子厂商并未从中受益。北美、欧洲和 日韩等传统汽车市场的平均每辆汽车半导体成分是中国汽车的2 倍。中国汽车半 导体成分较低的一个原因是本土汽车制造商及全球o e m 品牌针对的是嵌入较少 电子功能的较低端汽车市场。2 0 1 0 年，本土品牌汽车制造商也开始逐步积累技 术推出中、高档车型，这其中的标志性事件是吉利收购沃尔沃，随着本土车逐步 走向高端，电子化需求也会进一步加大哺1 。 2 0 1 0 年3 月，全国汽车生产1 7 3 4 4 万辆，环比增长4 3 7 9 ，同比增长5 7 6 9 ； 销售1 7 3 5 1 万辆，环比增长4 1 3 4 ，同比增长7 2 1 9 。目前中国新车汽车电子 的成本在整车成本中的平均比重为1 0 ，国外汽车电子产品占整车成本的比例约 为2 0 - 2 5 盯3 ，我国汽车电子与国际平均水平相比还有较大差距，新车电子成本 在新车成本中的比重还有较大的提高空间。 另一方面，我国汽车电子应用规模还不大，但是增长速度却惊人，发展空问 多缸柴油机主从e c u 分布式控制系统研究 巨大。在中国汽车产量快速增长、汽车产品持续升级的带动下，2 0 0 7 年中国汽 车电子产品销售额达到1 ，2 1 5 7 亿元，同比增长超过4 0 ，预计到2 0 1 2 年，中 国汽车电子市场规模将超过3 ，2 0 0 亿元砸1 ( 4 ) 中国汽车电子市场竞争状况 近几年，我国汽车工业的飞速发展为国内汽车电子行业发展注入了活力，但 汽车核心电子产品尤其是电子控制系统产品依赖国外供应商的状况并没有改变， 我国汽车电子产业的发展严重滞后于整车行业的发展。 经过近2 0 年的发展，德国博世集团、美国德尔福、日本电装等跨国汽车电 子厂商不断加大在中国的投资，核心产品不仅实现了国内生产，而且已经开始在 国内建立独立的研发体系，其产品已与国内外资品牌汽车形成了成熟的配套体 系。 为了打破跨国汽车电子企业在中国市场的垄断，提高产品竞争力，扩大市场 竞争力，减轻对国外企业的依赖，我国政府不断加强对汽车电子行业的支持力度， 加大了众多汽车企业对汽车电子尤其是车用动力电子控制的研发力度，使汽车电 子产品的性能、可靠性和匹配标定技术等方面取得了较快的进步。 汽车是重要的交通与运输工具之一，而与汽车，特别发动机有着同源技术的 铁路内燃机车是我国铁路运输车辆的重要牵引动力源。尽管一段时期，铁路牵引 动力倾向于大规模电气化，但随着2 0 0 8 年我国南方电网因大规模冰冻灾害导致 部分线路电网瘫痪，基于电力机车系统不能运行，国家重新凋整了铁路牵引动力 的配置，大大推动了内燃机车的需求。内燃机车发动机从总量远小于汽车发动机， 从技术研发上难以自成体系，主要是借鉴汽车发动机技术发展成果，因此将汽车 发动机控制技术应用于内燃机车是合理和必然的选择。中国南北车两大集团分别 引进了美国g e 公司和e m d 公司的大功率重载内燃机车发动机技术，但美国 g e 和e m d 在技术转让中拒绝向我国转让关键技术一一发动机控制技术，使得引 进技术后的整车国产化和技术再创新遇到了困难。这一案例说明，开发出具有我 国自主知识产权发动机控制技术的紧迫性和有重大的战略意义。 1 2 研究现状及发展趋势 ( 1 ) 发动机控制 车辆电子控制包括动力传动装置控制、车辆控制以及车身控制p 1 。其中动力 传动控制包括发动机控制、变速器控制等；车辆控制包括制动控制、转向控制以 及悬架控制等；车身控制包括安全性控制、方便性控制以及舒适性控制。 发动机是车辆的核心部件，发动机电子控制技术的发展，解决了汽车工业发 展过程中带来的众多负面影响，其中发动机电喷系统的贡献最大n 们。发动机电予 4 江苏大学博上学位论文 控制技术是依靠各种传感器监控发动机的运转工况1 ，包括转速、进气流量、进 气温度、燃烧状态等参数，各数据经电子控制单元运算处理后，精确地控制喷油 时刻、喷油量以及点火时刻，从而使发动机在各工况下都具有最佳动力性、经济 性及环保性，进一步扩展成发动机管理系统。发动机管理系统包括：空燃比控制、 点火正时控制、废气再循环控制、爆震控制、怠速控制、冷起动和加速加浓控制、 排气后处理控制以及在线自诊断等控制功能。 ( 2 ) 车载网络和分布式控制 现在车用电子设备不断增加新功能，集中式控制方式已无法满足更多的需 求，基于车载网络技术的分布式控制与管理系统已越来越多地应用于各种车辆 中，成为一个主流的发展趋势。例如基于c a n 总线的汽车发动机测控系统，就是 利用c a n 总线的通信优势，将发动机的各种参数通过分模块子控制器提取、预处 理后传输到主控制器和车辆控制器等设备，方便综合车辆整体性能与操控性的优 化，实现对发动机状态实时监控与管理，并作为实现整车智能化操控的一个重要 环节。此外由于车辆中电磁干扰强、温度高、环境恶劣等特点，网络技术实现的 可靠性变得更加重要。这需要车载网络结构自身具有强大的容错、纠错能力和抗 干扰能力。为此车载网络一般都采用同步串行传输方式，数据信号多采用p w m 和 n r z 编码，通常位速率高于1 0 0 k b s 采用n r z 编码，位速率低于1 0 0 k b s 采用p w m 编码。 目前，世界上有十多种车辆网络标准，主要有控制器局域网c a n 总线，局 部互联协议l i n ( l o c a l t e rc o n n e c tp r o t o c 0 1 ) ，车辆多媒体网络i d b l 3 9 4 等。值得 注意的是具有高速率和容错功能的f l e x r a y 车载网络，己在高端车辆上获得成功 的商业应用，其发展非常迅速。f l e x r a y 标准联盟的出现，以及面向对象的 c a n o p e n 标准的广泛应用预示着汽车电子技术向智能化迈出了重要一步，其大 规模商业应用指日可待。 1 2 1 发动机控制技术发展 汽车发动机电子控制系统技术属于汽车电子领域的关键技术，与汽车的节 能、环保、安全性能直接相关并占据汽车电子市场的主要份额。2 0 0 8 年，汽车动 力总成系统( 即发动机和变速器一体化集成控制系统) 在汽车电子产品总价值中 所占比例为4 0 5 3 0 ，远高于居第二位的便利和舒适系统的2 5 4 0 ，2 0 1 5 年将提高 1 1 1 4 3 1 0 。图1 1 是汽车电子控制子系统所占比例关系。 多缸柴油机主从e c u 分布式控制系统研究 俊争l ，留 透象境 t 2 4 4 4 f , ； 1 动力总 i 成系统 ? 4 0 s 3 图1 1 汽车控制系统比例 f i g1 1p r o p o r t i o no fa u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m ( 1 ) 我国动力电子控制系统市场的特点 1 ) 汽油机电控系统广泛应用，柴油机电控系统尚处于发展阶段。 汽车排放法规的颁布和实施推动了我国汽油机电控系统的应用和发展，从 2 0 0 0 年的“国i ”排放标准到最新的“国”排放标准，每一次新的排放标准都 推动了发动机电控技术的进步。到目前为止，我国的汽油机电控系统市场己十分 成熟，汽油机电控系统己获得广泛应用，但核心技术产品一直被跨国公司垄断。 目前，国际上发达国家以高压共轨燃油喷射系统为主流的柴油电控系统已经 普及。随着对柴油机排放限制的同益严格，我国柴油机电控系统的开发和应用进 入以跨国公司产品为主导的发展阶段。 2 ) 汽油机电控系统市场被外资品牌垄断，国内企业市场竞争力较弱。 据2 0 0 9 年国家信息中心中国汽车零部件产业调查研究，汽油机电控系统 国内产量居前四名的企业为联合汽车电子有限公司、同本电装、西门子威迪欧和 德尔福万源发动机管理有限公司，均为外资背景，而外资背景的整车生产企业基 本沿用了合资外方的原有汽油机电控配套系统。 现在国内出现了一些以发动机电控单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 研发 为主，通过集成传感器、执行器零部组成系统的企业。这些企业主要面向改装汽 车、代用燃料汽车等低端市场，为某些自主品牌汽车配套，竞争力比较弱。可以 预期，随着国内企业对发动机电控系统中部分零部件设计、生产和制造能力的提 高，市场份额将不断加大。 ( 2 ) 我国车用动力电控系统的研发状况 我国车用电子系统的研究起步较晚，主要集中在清华大学、吉林大学、北京 理工大学、上海交通大学等高校以及一汽、二汽等大型汽车企业集团，其水平还 6 总统力系垆动成4 ， 江苏大学博上学位论文 落后于美国、德国、日本等汽车强国，应用面也不宽。国内企业在汽车电子市场 占的份额较低，只在电控燃油喷射系统( e f i ) 、a b s 系统( 自动防抱死控制系统) 方面得到了一定应用。 与国外相比，我国的发动机电子控制系统装置的设计应用尚存在几个方面的 问题：控制用的单片机运算速度较低；电控系数固定，参数设计不能适应车型的 变化以及维修所造成的汽车部件及其性能变化的需要；系统通用性与冗余备用的 问题。 我国发动机电控技术具有以下特点n2 i ： 1 ) 基础能力已经具备，核心能力欠缺 随着发动机电控系统相关产品的生产和技术的引进，外资企业在我国本土的 研发推进，“技术溢出效应 、“人才溢出效应”明显，本土企业已经培养了一 大批技术人才，对发动机电控系统e c u 构成、控制功能、控制策略、数据规模、 匹配标定等技术的认识也不断深化。但在产品产业化方面，我国尚处于消化吸收 和模仿阶段，加快实现电控单元e c u 和执行器开发与生产核心技术的突破更加急 迫，尤其是自主e c u 产品的发展对提高我国汽车电子产业的国际竞争力意义十分 重大。 电控单元e c u 的软、硬件设计和匹配标定是发动机电控系统的关键技术，由 于e c u 的芯片、外围等硬件属于外购件，可直接从市场采购，因此电控单元e c u 开发的难点主要在于软件设计和匹配标定。提高e c u 技术水平有赖于主机厂、系 统开发商在架构确定、底层软件( 平台) 丌发、应用软件( 控制策略) 开发和集 成、匹配标定等工作上的协作和分工，有赖于知识和经验的长期积累和在使用过 程中对性能和功能的不断完善和提高。现代开发工具和开发手段虽然为e c u 开发 提供了便利，但这些开发工具和开发手段的使用本身也是高技术，由于经验不足， 中国对这些工具和手段的应用水平与国外仍有较大的差距。 2 ) 本土企业自主开发能力不断提高，仍受外资供应商的制约 电控系统的应用开发离不开系统供货商的支持，目前多数情况下主机厂为了 获得跨图公司系统供货商的配合和支持，必须为每款产品支付3 0 0 万一5 0 0 万美元 费用，加大了研发成本。 当主机厂为了适应市场变化和客户需求需要增加或删减控制功能，或修改某 个控制数据时，需要另外支付高额费用。如果交给供应商修改功能还需经历长达 三个月的修改流程：如果主机厂自行修改则必须获得供应商的相关认证，否则将 得不到供货商提供的售后服务和质保服务，这些现状大大地削弱了我国主机厂的 市场快速响应能力。 多缸柴油机主从e c u 分布式控制系统研究 1 2 2 车载网络发展 随着车辆上的电子设备不断增加，使得电子系统组成了一个复杂的大系统。 如从发动机控制发展到传动系统控制，从行驶、转向、制动控制到安全系统和仪 表报警系统，从一般的电源管理到为提高便捷性和舒适性而做的各项改进，复杂 的电子系统对车辆的综合布线和信息交换提出了更高的要求，电子装置之间的通 信技术也越来越先进，大量的控制功能都集中到了驾驶室附近。为了提高信号的 利用率，要求各种数据能在不同的电控单元中共享，并且大量的控制信号实现实 时交换，人们设计了基于数据通信的车载网络，通过总线将车辆上的各种电子装 置和设备连成一个网络n 引，实现相互之间的信息共享，可以减少连接导线的数量 和重量，简化系统的布线，同时也增加了信息传送的可靠性和可维护性，使布线 简单、设计简化、成本降低。车载网络实现了信息共享，提高了车辆性能，满足 了现代车辆电子化的要求。此外，以网络通信为基础的线控技术将在车辆上普遍 应用，车辆的网络时代正日新月异。 ( 1 ) 车载网络发展 ， 1 ) 传统布线技术 传统的电子系统大多采用点对点连接架构，相互之间较少有联系，每一个车 辆e c u 都需要与相关的多个传感器或执行器发生通信，并且各e c u 之间也需要进 行各种数据交换。当电子系统较少时，e c u 数量不多且功能比较简单，使用点对 点连接方式可以较好地满足需求；当e c u 数量逐渐增加时，每个消息仍采用各自 独立的数据线进行传输必然造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方 法的高档汽车中，其导线长度可达2 0 0 0 m ，电子节点个数高达1 5 0 0 个，而且该数 字大约每1 0 年增长1 倍，从而加剧了粗大的线束与车辆有限空间之间的矛盾。同 时各个子系统无法对车辆公共数据实时共享。无论是从整车电子系统的制造成本 还是从系统的工作效率来看，传统布线技术己不能适应现代电子技术的发展，采 用先进的车载总线技术势在必行。 图1 2 是传统的点对点的通信方式框图，节点之间的连接线仅表示节点之间 存在信息交换，并没有表示线束的多少。 江苏人学博