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1 引 言 隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，汽車(chē)的數字化程度越來(lái)越高。目前汽車(chē)電子信息產(chǎn)品已經(jīng)平均占到汽車(chē)總成本的1/3，并且這個(gè)比率還在不斷提高，有專(zhuān)家認為，未來(lái)10年內，這個(gè)比率將達到40%。例如像寶來(lái)這樣的中檔轎車(chē)至少擁有十幾個(gè)汽車(chē)電子控制單元（ECU）。所謂ECU，實(shí)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(chē)的某一系統，例如發(fā)動(dòng)機管理系統EMS和ABS系統等。至于高檔轎車(chē)，往往擁有幾十個(gè)甚至上百個(gè) ECU，這些ECU通過(guò)數字總線(xiàn)結構連接在一起，形成一個(gè)復雜的計算機局域網(wǎng)。 2 汽車(chē)ECU開(kāi)發(fā)流程 汽車(chē)ECU開(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖1。 2.1 汽車(chē)ECU開(kāi)發(fā)的V循環(huán)方法 2.1.1 設計計算 發(fā)動(dòng)機匹配項目設計計算的目的是根據汽車(chē)要求的性能確定發(fā)動(dòng)機和變速器等部件的類(lèi)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(chē)驅動(dòng)力與行使阻力的平衡圖來(lái)確定汽車(chē)在不同檔位情況下的最高車(chē)速、加速能力和爬坡能力，從而評價(jià)變速器的不同傳動(dòng)比對汽車(chē)性能的影響，確定發(fā)動(dòng)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(chē)和各部件模型的基礎上，輸入發(fā)動(dòng)機和變速器等汽車(chē)部件和整車(chē)的性能參數，指定要求的行駛循環(huán)，最后計算出汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、排放性能和制動(dòng)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(chē)系統中任何參數的變化對整車(chē)性能的影響。目前國內常見(jiàn)的車(chē)輛仿真商業(yè)軟件有奧地利李斯特內燃機及測試設備公司（AVLLIST GmbH）開(kāi)發(fā)的汽車(chē)性能仿真分析軟件CRUISE。 （3）參數優(yōu)化 將汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、排放性能和制動(dòng)性能作為目標函數，將發(fā)動(dòng)機功率、汽車(chē)重量和變速器的各檔傳動(dòng)比等參數作為優(yōu)化變量，在一定范圍內，尋求最優(yōu)匹配組合，使汽車(chē)達到最佳性能價(jià)格比。 2.1.2 發(fā)動(dòng)機和變速器的布置 在完成發(fā)動(dòng)機匹配設計計算后，根據初步確定的計算參數和汽車(chē)布置形式，可以從市場(chǎng)上選擇一款或多款發(fā)動(dòng)機和變速器，然后選擇和開(kāi)發(fā)相應制動(dòng)、轉向和空調系統等部件，在發(fā)動(dòng)機艙和車(chē)身上試布置。也可以通過(guò)建立汽車(chē)和部件的CAD數字模型，在CAD軟件環(huán)境中試裝配，檢查干涉情況，并進(jìn)行調整。在確定汽車(chē)主要部件的位置后，可以進(jìn)行后續工作。 2.2 發(fā)動(dòng)機附件系統的開(kāi)發(fā) 通常汽車(chē)發(fā)動(dòng)機供應商只提供基礎發(fā)動(dòng)機或發(fā)動(dòng)機基體，它缺少部分外圍附件系統，因此需要汽車(chē)制造商開(kāi)發(fā)這些系統。這些附件系統包括：風(fēng)扇及風(fēng)扇離合器、進(jìn)排氣管道、空氣過(guò)濾器、發(fā)動(dòng)機油泵、發(fā)動(dòng)機懸置、動(dòng)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(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要應用CAD軟件來(lái)設計汽車(chē)和部件的數字模型。 主要的汽車(chē)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(jìn)行逆向掃描。 2.3.2 CAE分析 主要的汽車(chē)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(fā)動(dòng)機匹配項目中的CAE分析項目有：發(fā)動(dòng)機的噪聲與振動(dòng)分析、發(fā)動(dòng)機支撐的分析、發(fā)動(dòng)機熱力學(xué)分析、汽車(chē)碰撞分析、計算流體力學(xué)分析（驗證散熱器的尺寸和發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣流動(dòng)特性）。 2.4 主要試驗項目 主要試驗項目包括：發(fā)動(dòng)機和汽車(chē)臺架試驗、發(fā)動(dòng)機噪聲與振動(dòng)試驗、發(fā)動(dòng)機懸置的振動(dòng)頻率測量試驗、排氣系統的耐久性試驗、發(fā)動(dòng)機過(guò)濾器和冷卻系統的壓力和流動(dòng)試驗。 3 發(fā)動(dòng)機的電氣匹配技術(shù) 3.1 發(fā)動(dòng)機管理系統及其開(kāi)發(fā)技術(shù) 3.1.1 發(fā)動(dòng)機管理系統 發(fā)動(dòng)機管理系統（EMS）是在發(fā)動(dòng)機電子點(diǎn)火和電控汽油噴射系統的基礎上，發(fā)展起來(lái)的集電子控制噴射、排放控制、電子點(diǎn)火、起動(dòng)、防盜、診斷等功能于一體的集成電路系統。EMS能實(shí)現對發(fā)動(dòng)機各系統的精確和靈活控制，是改善發(fā)動(dòng)機各項性能指標和排放的主要手段。發(fā)動(dòng)機管理系統由微處理器、各種傳感器、執行器組成，通過(guò)傳感器檢測各種工作狀態(tài)和參數，然后由微處理器經(jīng)過(guò)計算、分析、判斷后發(fā)出指令給各執行器完成各種動(dòng)作，使發(fā)動(dòng)機在各種工作狀況下都能以最佳狀態(tài)工作。 3.1.2 發(fā)動(dòng)機管理系統開(kāi)發(fā)技術(shù) 發(fā)動(dòng)機管理系統開(kāi)發(fā)技術(shù)涉及到計算機技術(shù)、自動(dòng)控制、嵌入式系統、發(fā)動(dòng)機技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，是汽車(chē)電氣控制系統中最復雜的系統。目前汽車(chē)制造商在匹配發(fā)動(dòng)機系統的過(guò)程中，不需要進(jìn)行EMS的開(kāi)發(fā)工作。這是因為通常由發(fā)動(dòng)機供應商提供的基礎發(fā)動(dòng)機上，已經(jīng)配有現成的EMS，汽車(chē)制造商僅需要聯(lián)系相應的EMS開(kāi)發(fā)商進(jìn)行標定工作。 目前流行的EMS開(kāi)發(fā)過(guò)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(fā)動(dòng)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(chē)ECU中。例如英國 Pi技術(shù)公司推出的發(fā)動(dòng)機和汽車(chē)控制系統OpenECU開(kāi)發(fā)工具，提供了一種自動(dòng)代碼生成和快速原型的解決方案，它的應用范圍包括發(fā)動(dòng)機、變速器、底盤(pán)和混合動(dòng)力控制系統以及汽車(chē)批量生產(chǎn)系統。OpenECU平臺能夠在MATLAB Simulink環(huán)境中自動(dòng)生成控制代碼，然后在汽車(chē)ECU中運行。 3.2 發(fā)動(dòng)機的標定技術(shù) 3.2.1 發(fā)動(dòng)機標定 發(fā)動(dòng)機的標定試驗，是指在汽車(chē)不同的工作狀態(tài)和氣候環(huán)境下，對發(fā)動(dòng)機管理系統的參數進(jìn)行不斷調試，找到發(fā)動(dòng)機最佳工作狀態(tài)下一組參數的測試技術(shù)。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(chē)試車(chē)場(chǎng)進(jìn)行，另外還要進(jìn)行“高寒、高溫和高海拔”的“三高”試驗。發(fā)動(dòng)機標定試驗的主要工具是發(fā)動(dòng)機標定軟件和發(fā)動(dòng)機標定設備。 通常某一型號的發(fā)動(dòng)機ECU內部的控制算法軟件是固定的，但其包含的數千個(gè)自由參數是可調的，對于不同的車(chē)型這些參數都需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機匹配標定進(jìn)行調試優(yōu)化，使得整車(chē)通過(guò)各種排放與駕駛性能指標。 匹配標定是一個(gè)復雜的系統工程。它包括臺架試驗、可控環(huán)境實(shí)驗室試驗、基于數學(xué)模型的標定計算、排放試驗、功能驗證試驗等。在整個(gè)工程過(guò)程中，必須將各種先進(jìn)的標定工具（硬件設備和計算機軟件）組成無(wú)縫連接標定系統，其中包括ECU的通訊、軟件燒寫(xiě)、標定參數管理、在線(xiàn)標定、溫度采集系統、模擬數據采集系統等。 3.2.2 發(fā)動(dòng)機標定軟件 發(fā)動(dòng)機標定軟件具有從發(fā)動(dòng)機傳感器采集試驗數據，經(jīng)過(guò)技術(shù)處理后，再將其寫(xiě)入（或下載）到汽車(chē)ECU中，同時(shí)由于在標定試驗中需要處理大量試驗數據，發(fā)動(dòng)機標定軟件具有強大的數據庫管理功能。由于現代發(fā)動(dòng)機的功能越來(lái)越復雜，控制參數也由最初的十幾個(gè)急劇上升到目前的上千個(gè)，這導致試驗次數呈幾何級數上升。要求對每一個(gè)標定參數的所有工況都進(jìn)行排列組合的試驗，是不可能實(shí)現的。因此，現在也出現了基于試驗優(yōu)化技術(shù)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?xún)?yōu)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(fā)動(dòng)機標定設備 在發(fā)動(dòng)機標定試驗中，需要測量發(fā)動(dòng)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(xiě)入汽車(chē)ECU中，發(fā)動(dòng)機標定設備可以實(shí)現這些功能。 3.2.4 發(fā)動(dòng)機標定試驗 發(fā)動(dòng)機臺架標定試驗項目包括：發(fā)動(dòng)機實(shí)際充氣效率、空燃比、點(diǎn)火正時(shí)、基本發(fā)動(dòng)機熱機標定；整車(chē)標定試驗項目包括：整車(chē)廢氣排放控制、整車(chē)駕駛性、熱帶環(huán)境、高原環(huán)境、寒帶環(huán)境、車(chē)輛零部件故障診斷系統標定、系統驗證。 4 結 語(yǔ) 目前發(fā)動(dòng)機匹配領(lǐng)域的很多開(kāi)發(fā)技術(shù)仍然需要借助國外公司來(lái)協(xié)助完成，部分技術(shù)概念在汽車(chē)教材中也是空白，例如發(fā)動(dòng)機管理系統的開(kāi)發(fā)和標定技術(shù)。作者希望本文能起到拋磚引玉的作用，為國內汽車(chē)制造商開(kāi)發(fā)新車(chē)型提供參考。 |
