|
1 引 言 隨著技術的進步，汽車的數字化程度越來越高。目前汽車電子信息產品已經平均占到汽車總成本的1/3，并且這個比率還在不斷提高，有專家認為，未來10年內，這個比率將達到40%。例如像寶來這樣的中檔轎車至少擁有十幾個汽車電子控制單元（ECU）。所謂ECU，實際上就是一部帶單片機的嵌入式系統，有自己的處理器、I/O設備和存儲器，能獨立控制汽車的某一系統，例如發動機管理系統EMS和ABS系統等。至于高檔轎車，往往擁有幾十個甚至上百個 ECU，這些ECU通過數字總線結構連接在一起，形成一個復雜的計算機局域網。 2 汽車ECU開發流程 汽車ECU開發流程見圖1。 2.1 汽車ECU開發的V循環方法 2.1.1 設計計算 發動機匹配項目設計計算的目的是根據汽車要求的性能確定發動機和變速器等部件的類型和參數。它分為以下3種方法。 （1）手工計算 主要是根據汽車驅動力與行使阻力的平衡圖來確定汽車在不同檔位情況下的最高車速、加速能力和爬坡能力，從而評價變速器的不同傳動比對汽車性能的影響，確定發動機和變速器的參數。這種方法計算繁瑣，結果不夠準確。 （2）仿真計算 在設計汽車和各部件模型的基礎上，輸入發動機和變速器等汽車部件和整車的性能參數，指定要求的行駛循環，最后計算出汽車的動力性、經濟性、排放性能和制動性能。它可以在計算機上顯示和打印各種分析報告和圖表結果，計算快速準確，能反映汽車系統中任何參數的變化對整車性能的影響。目前國內常見的車輛仿真商業軟件有奧地利李斯特內燃機及測試設備公司（AVLLIST GmbH）開發的汽車性能仿真分析軟件CRUISE。 （3）參數優化 將汽車的動力性、經濟性、排放性能和制動性能作為目標函數，將發動機功率、汽車重量和變速器的各檔傳動比等參數作為優化變量，在一定范圍內，尋求最優匹配組合，使汽車達到最佳性能價格比。 2.1.2 發動機和變速器的布置 在完成發動機匹配設計計算后，根據初步確定的計算參數和汽車布置形式，可以從市場上選擇一款或多款發動機和變速器，然后選擇和開發相應制動、轉向和空調系統等部件，在發動機艙和車身上試布置。也可以通過建立汽車和部件的CAD數字模型，在CAD軟件環境中試裝配，檢查干涉情況，并進行調整。在確定汽車主要部件的位置后，可以進行后續工作。 2.2 發動機附件系統的開發 通常汽車發動機供應商只提供基礎發動機或發動機基體，它缺少部分外圍附件系統，因此需要汽車制造商開發這些系統。這些附件系統包括：風扇及風扇離合器、進排氣管道、空氣過濾器、發動機油泵、發動機懸置、動力轉向泵、三元催化器、空調壓縮機、燃油供應系統。 2.3 設計與分析 2.3.1 CAD設計 在現代汽車的開發過程中，需要應用CAD軟件來設計汽車和部件的數字模型。 主要的汽車設計CAD軟件有：美國Unigraphics Solutions公司的Unigraphics、美國Parametric Technology Corp公司的Pro/ENGINEER、法國Dassauh Systems（達索）公司的CATIA。 主要的CAD建模方法有：特征造型、用三坐標測量機進行逆向掃描。 2.3.2 CAE分析 主要的汽車CAE分析軟件有：ANSYS（安世）股份公司的ANSYS系列軟件、MSC Software公司的Adams、Nastran和Patran等系列軟件、LMS公司的Sysnoise、Falancs和Test.lab等系列噪聲分析軟件。 發動機匹配項目中的CAE分析項目有：發動機的噪聲與振動分析、發動機支撐的分析、發動機熱力學分析、汽車碰撞分析、計算流體力學分析（驗證散熱器的尺寸和發動機進氣流動特性）。 2.4 主要試驗項目 主要試驗項目包括：發動機和汽車臺架試驗、發動機噪聲與振動試驗、發動機懸置的振動頻率測量試驗、排氣系統的耐久性試驗、發動機過濾器和冷卻系統的壓力和流動試驗。 3 發動機的電氣匹配技術 3.1 發動機管理系統及其開發技術 3.1.1 發動機管理系統 發動機管理系統（EMS）是在發動機電子點火和電控汽油噴射系統的基礎上，發展起來的集電子控制噴射、排放控制、電子點火、起動、防盜、診斷等功能于一體的集成電路系統。EMS能實現對發動機各系統的精確和靈活控制，是改善發動機各項性能指標和排放的主要手段。發動機管理系統由微處理器、各種傳感器、執行器組成，通過傳感器檢測各種工作狀態和參數，然后由微處理器經過計算、分析、判斷后發出指令給各執行器完成各種動作，使發動機在各種工作狀況下都能以最佳狀態工作。 3.1.2 發動機管理系統開發技術 發動機管理系統開發技術涉及到計算機技術、自動控制、嵌入式系統、發動機技術等多個領域，是汽車電氣控制系統中最復雜的系統。目前汽車制造商在匹配發動機系統的過程中，不需要進行EMS的開發工作。這是因為通常由發動機供應商提供的基礎發動機上，已經配有現成的EMS，汽車制造商僅需要聯系相應的EMS開發商進行標定工作。 目前流行的EMS開發過程是，在MATLAB Simulink仿真計算平臺上，采用可視化和模塊化的方法，建立發動機控制模型，待調試成功后，編譯成機器執行代碼，然后下載到汽車ECU中。例如英國 Pi技術公司推出的發動機和汽車控制系統OpenECU開發工具，提供了一種自動代碼生成和快速原型的解決方案，它的應用范圍包括發動機、變速器、底盤和混合動力控制系統以及汽車批量生產系統。OpenECU平臺能夠在MATLAB Simulink環境中自動生成控制代碼，然后在汽車ECU中運行。 3.2 發動機的標定技術 3.2.1 發動機標定 發動機的標定試驗，是指在汽車不同的工作狀態和氣候環境下，對發動機管理系統的參數進行不斷調試，找到發動機最佳工作狀態下一組參數的測試技術。它通常分為室內臺架試驗和室外道路試驗，室外道路試驗要求在汽車試車場進行，另外還要進行“高寒、高溫和高海拔”的“三高”試驗。發動機標定試驗的主要工具是發動機標定軟件和發動機標定設備。 通常某一型號的發動機ECU內部的控制算法軟件是固定的，但其包含的數千個自由參數是可調的，對于不同的車型這些參數都需要通過發動機匹配標定進行調試優化，使得整車通過各種排放與駕駛性能指標。 匹配標定是一個復雜的系統工程。它包括臺架試驗、可控環境實驗室試驗、基于數學模型的標定計算、排放試驗、功能驗證試驗等。在整個工程過程中，必須將各種先進的標定工具（硬件設備和計算機軟件）組成無縫連接標定系統，其中包括ECU的通訊、軟件燒寫、標定參數管理、在線標定、溫度采集系統、模擬數據采集系統等。 3.2.2 發動機標定軟件 發動機標定軟件具有從發動機傳感器采集試驗數據，經過技術處理后，再將其寫入（或下載）到汽車ECU中，同時由于在標定試驗中需要處理大量試驗數據，發動機標定軟件具有強大的數據庫管理功能。由于現代發動機的功能越來越復雜，控制參數也由最初的十幾個急劇上升到目前的上千個，這導致試驗次數呈幾何級數上升。要求對每一個標定參數的所有工況都進行排列組合的試驗，是不可能實現的。因此，現在也出現了基于試驗優化技術的標定軟件，例如 MathWorks公司推出的MATLAB基于模型的標定工具箱（MBC），它可以優化試驗方案，減少標定試驗的次數，降低試驗費用，縮短試驗周期。 3.2.3 發動機標定設備 在發動機標定試驗中，需要測量發動機的轉速、溫度和壓力等多種物理量，另外需要將標定軟件生成的標定數據寫入汽車ECU中，發動機標定設備可以實現這些功能。 3.2.4 發動機標定試驗 發動機臺架標定試驗項目包括：發動機實際充氣效率、空燃比、點火正時、基本發動機熱機標定；整車標定試驗項目包括：整車廢氣排放控制、整車駕駛性、熱帶環境、高原環境、寒帶環境、車輛零部件故障診斷系統標定、系統驗證。 4 結 語 目前發動機匹配領域的很多開發技術仍然需要借助國外公司來協助完成，部分技術概念在汽車教材中也是空白，例如發動機管理系統的開發和標定技術。作者希望本文能起到拋磚引玉的作用，為國內汽車制造商開發新車型提供參考。 |
