汽车发动机ECU开发流程

随着技术的进步，汽车的数字化程度越来越高。目前汽车电子信息产品已经平均占到汽车总成本的1/3，并且这个比率还在不断提高，有专家认为，未来10年内，这个比率将达到40%。例如像宝来这样的中档轿车至少拥有十几个汽车电子控制单元（ECU）。所谓ECU，实际上就是一部带单片机的嵌入式系统，有自己的处理器、I/O设备和存储器，能独立控制汽车的某一系统，例如发动机管理系统EMS和ABS系统等。至于高档轿车，往往拥有几十个甚至上百个ECU，这些ECU通过数字总线结构连接在一起，形成一个复杂的计算机局域网。



1、汽车ECU开发流程
1.1汽车ECU开发的V循环方法
1.1.1设计计算
发动机匹配项目设计计算的目的是根据汽车要求的性能确定发动机和变速器等部件的类型和参数。它分为以下3种方法。

（1）手工计算

主要是根据汽车驱动力与行使阻力的平衡图来确定汽车在不同档位情况下的最高车速、加速能力和爬坡能力，从而评价变速器的不同传动比对汽车性能的影响，确定发动机和变速器的参数。这种方法计算繁琐，结果不够准确。

（2）仿真计算

在设计汽车和各部件模型的基础上，输入发动机和变速器等汽车部件和整车的性能参数，指定要求的行驶循环，最后计算出汽车的动力性、经济性、排放性能和制动性能。它可以在计算机上显示和打印各种分析报告和图表结果，计算快速准确，能反映汽车系统中任何参数的变化对整车性能的影响。目前国内常见的车辆仿真商业软件有奥地利李斯特内燃机及测试设备公司（AVLLISTGmbH）开发的汽车性能仿真分析软件CRUISE。

（3）参数优化

将汽车的动力性、经济性、排放性能和制动性能作为目标函数，将发动机功率、汽车重量和变速器的各档传动比等参数作为优化变量，在一定范围内，寻求最优匹配组合，使汽车达到最佳性能价格比。

1.1.2发动机和变速器的布置

在完成发动机匹配设计计算后，根据初步确定的计算参数和汽车布置形式，可以从市场上选择一款或多款发动机和变速器，然后选择和开发相应制动、转向和空调系统等部件，在发动机舱和车身上试布置。也可以通过建立汽车和部件的CAD数字模型，在CAD软件环境中试装配，检查干涉情况，并进行调整。在确定汽车主要部件的位置后，可以进行后续工作。

1.2发动机附件系统的开发

通常汽车发动机供应商只提供基础发动机或发动机基体，它缺少部分外围附件系统，因此需要汽车制造商开发这些系统。这些附件系统包括：风扇及风扇离合器、进排气管道、空气过滤器、发动机油泵、发动机悬置、动力转向泵、三元催化器、空调压缩机、燃油供应系统。

1.3设计与分析
1.3.1CAD设计

在现代汽车的开发过程中，需要应用CAD软件来设计汽车和部件的数字模型。

主要的汽车设计CAD软件有：美国UnigraphicsSolutions公司的Unigraphics、美国ParametricTechnologyCorp公司的Pro/ENGINEER、法国DassauhSystems（达索）公司的CATIA。

主要的CAD建模方法有：特征造型、用三坐标测量机进行逆向扫描。

1.3.2CAE分析

主要的汽车CAE分析软件有：ANSYS（安世）股份公司的ANSYS系列软件、MSCSoftware公司的Adams、Nastran和Patran等系列软件、LMS公司的Sysnoise、Falancs和Test.lab等系列噪声分析软件。

发动机匹配项目中的CAE分析项目有：发动机的噪声与振动分析、发动机支撑的分析、发动机热力学分析、汽车碰撞分析、计算流体力学分析（验证散热器的尺寸和发动机进气流动特性）。

1.4主要试验项目

主要试验项目包括：发动机和汽车台架试验、发动机噪声与振动试验、发动机悬置的振动频率测量试验、排气系统的耐久性试验、发动机过滤器和冷却系统的压力和流动试验。

2、发动机的电气匹配技术

2.1发动机管理系统及其开发技术

2.1.1发动机管理系统

发动机管理系统（EMS）是在发动机电子点火和电控汽油喷射系统的基础上，发展起来的集电子控制喷射、排放控制、电子点火、起动、防盗、诊断等功能于一体的集成电路系统。EMS能实现对发动机各系统的精确和灵活控制，是改善发动机各项性能指标和排放的主要手段。发动机管理系统由微处理器、各种传感器、执行器组成，通过传感器检测各种工作状态和参数，然后由微处理器经过计算、分析、判断后发出指令给各执行器完成各种动作，使发动机在各种工作状况下都能以最佳状态工作。

2.1.2发动机管理系统开发技术

发动机管理系统开发技术涉及到计算机技术、自动控制、嵌入式系统、发动机技术等多个领域，是汽车电气控制系统中最复杂的系统。目前汽车制造商在匹配发动机系统的过程中，不需要进行EMS的开发工作。这是因为通常由发动机供应商提供的基础发动机上，已经配有现成的EMS，汽车制造商仅需要联系相应的EMS开发商进行标定工作。

目前流行的EMS开发过程是，在MATLABSimulink仿真计算平台上，采用可视化和模块化的方法，建立发动机控制模型，待调试成功后，编译成机器执行代码，然后下载到汽车ECU中。例如英国Pi技术公司推出的发动机和汽车控制系统OpenECU开发工具，提供了一种自动代码生成和快速原型的解决方案，它的应用范围包括发动机、变速器、底盘和混合动力控制系统以及汽车批量生产系统。OpenECU平台能够在MATLABSimulink环境中自动生成控制代码，然后在汽车ECU中运行。

2.2发动机的标定技术

2.2.1发动机标定

发动机的标定试验，是指在汽车不同的工作状态和气候环境下，对发动机管理系统的参数进行不断调试，找到发动机最佳工作状态下一组参数的测试技术。它通常分为室内台架试验和室外道路试验，室外道路试验要求在汽车试车场进行，另外还要进行“高寒、高温和高海拔”的“三高”试验。发动机标定试验的主要工具是发动机标定软件和发动机标定设备。

通常某一型号的发动机ECU内部的控制算法软件是固定的，但其包含的数千个自由参数是可调的，对于不同的车型这些参数都需要通过发动机匹配标定进行调试优化，使得整车通过各种排放与驾驶性能指标。

匹配标定是一个复杂的系统工程。它包括台架试验、可控环境实验室试验、基于数学模型的标定计算、排放试验、功能验证试验等。在整个工程过程中，必须将各种先进的标定工具（硬件设备和计算机软件）组成无缝连接标定系统，其中包括ECU的通讯、软件烧写、标定参数管理、在线标定、温度采集系统、模拟数据采集系统等。

2.2.2发动机标定软件

发动机标定软件具有从发动机传感器采集试验数据，经过技术处理后，再将其写入（或下载）到汽车ECU中，同时由于在标定试验中需要处理大量试验数据，发动机标定软件具有强大的数据库管理功能。由于现代发动机的功能越来越复杂，控制参数也由最初的十几个急剧上升到目前的上千个，这导致试验次数呈几何级数上升。要求对每一个标定参数的所有工况都进行排列组合的试验，是不可能实现的。因此，现在也出现了基于试验优化技术的标定软件，例如MathWorks公司推出的MATLAB基于模型的标定工具箱（MBC），它可以优化试验方案，减少标定试验的次数，降低试验费用，缩短试验周期。

2.2.3发动机标定设备

在发动机标定试验中，需要测量发动机的转速、温度和压力等多种物理量，另外需要将标定软件生成的标定数据写入汽车ECU中，发动机标定设备可以实现这些功能。

2.2.4发动机标定试验

发动机台架标定试验项目包括：发动机实际充气效率、空燃比、点火正时、基本发动机热机标定；整车标定试验项目包括：整车废气排放控制、整车驾驶性、热带环境、高原环境、寒带环境、车辆零部件故障诊断系统标定、系统验证。

目前发动机匹配领域的很多开发技术仍然需要借助国外公司来协助完成，部分技术概念在汽车教材中也是空白，例如发动机管理系统的开发和标定技术。作者希望本文能起到抛砖引玉的作用，为国内汽车制造商开发新车型提供参考。

什么是ECU

ECU（Electronic Control Unit）电子控制单元，又称“行车电脑”、“车载电脑”等。从用途上讲则是汽车专用微机控制器。它和普通的电脑一样,由微处理器（CPU）、存储器（ROM、、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。用一句简单的话来形容就是“ECU就是汽车的大脑”。




ECU改装是什么？
改装ECU，就是通过改变处理问题的方法（原先设定好的ECU程序），来达到改变发动机运行的目的。所谓的“ECU程序”，其实就是一套运算法则，它存放在储存器内，对从输入设备经控制器转化而来的信号，处理生成对应的指令信号，从输出设备传输出去。于是，我们对于ECU参数的修改，实际上就是在修改运算法则。





然而这时问题就出现了，当输入信号超过ECU内默认的正常值（过多或过少），不仅调校无效，更加有可能亮起故障信号灯。这时我们能做的，是让这个信号不超出正常值；要么干脆放弃这个原装设定的法则，当然就是不用原装电脑；又或者狡猾地用另外一套电脑实现你的运算法则，而同时让它“骗”原厂ECU。

ECU改装的方式
这就引入到三种ECU改装的方式了。ECU改装只是一个笼统的说法，这当中又可以分为直接改变ECU运算器硬件的改装与改变内部程序的改装。“行骗”的方式主要有三种。

1 替换式





直接改变ECU运算器硬件，就是我们在赛车场非常常见的“替换式电脑”，用“全职替换式ECU”控制发动机，例如Motec、Haltech等品牌，就是较为著名的全取代式电脑，这种改装通常都是搭配重度的发动机硬件改装使用，由于改装后发动机的工作温度、进气量、喷油量、压缩比等数据大大超出原厂设定范围，也就是说发动机经过了非常大的改装作业后，原厂ECU完全无法满足硬件的需求时，这种竞技型产品是最合适的选择。

替换式电脑完全无需考虑到原厂数据的局限性，所有数据任由技师随意设定。虽说替换式电脑有着无比强大的可调性，但这种电脑也正因没有固定的形式与规格，一切需要从头开始。使得对技师的要求非常之高。至于多困难，光是让车辆正常启动后怠速稳定，一两天的调校时间一点也不稀奇，所以这种替换式电脑多用于不计成本的职业车队。

2 写入式
而写入式改装ECU则保留了原厂ECU硬件部分，采用将新的运行管理程序写入ECU程序的方法，因为改变了原厂设定程序，写入式ECU又称改写ECU或民间常说的刷电脑。这种改装方式虽然受原厂ECU与传感器所限，可调整范围相对较小，但由于不会破坏原厂其他功能的使用以及更为稳定安全的特点，近年来受到了更多改装玩家的青睐。



许多品牌都会推出对应特定车型的ECU程序，目前较为流行的一些写入式ECU改装品牌更是宣传其设定的ECU程序会针对当地油品、气候等因素，亦可选择低扭增强型、峰值马力增高型甚至是比原厂更省油的ECU改装程序。

3 外挂式
外挂式改装ECU，简单说就是通过将信号“偷偷”更换，欺骗带有保护程序的ECU来达到改变执行程序的目的。首先，外挂ECU将各个传感器所反馈回ECU的信号进行拦截，针对需要调整的信号进行修改（可以理解为作弊，目的是骗过原厂ECU），将本来超过原厂ECU认可上限的信号变成正常信号输入原厂ECU，ECU接收到“正常信号”后将原厂设定的执行程序输出至外挂ECU，这时外挂ECU再将信号进行修改（这时原厂ECU发出的指令并不适合执行元件进行工作）。



在上述一系列动作之后，一次成功的欺骗算是完成了。外挂式改装ECU可调范围介于其他两种方式之间。但由于现代汽车ECU的性能越来越强大，自我保护程度更高，外挂式电脑的操作难度也越来越大。

总的来说，三种方式各自有自己的优缺点，替代式适合重度改装甚至竞技改装，刷写式适合原装ECU保护性较强以及轻度改装，外挂式的电脑则适合轻度至中度的改装，并且对应较为容易修改数据的原装ECU。

发动机ECU的控制理论：

我们还是有必要了解一下发动机ECU的控制原理：首先，我们的发动机工作状态是一个闭环控制：通过固定的程序（不同工况下的空燃比以及点火正时）设定好发动机的工作规律。然后在排气管加入氧传感器，用氧传感器判断发动机的工作状态，油量多了还是少了；在汽缸加入爆震传感器，判断点火正时是提前了还是延后了；水温传感器，可以判断发动机燃烧室温度是否正常来修正供油量，保护发动机，等等。将这些情况发送到ECU，然后ECU就会根据它们的反馈，不断地调整喷油量以及点火正时。

ECU通过各种传感器（包括温度传感器、压力传感器、旋转传感器、流量传感器、位置传感器、氧气传感器、爆震传感器等）收集发动机的各部分工作状态信息，由负责传输的线路发送至ECU。在ECU接收了这些信号之后，就会对各种信号进行分析，便会得知发动机各部件功能处于什么样的状态，运作情况如何的信息，然后根据事先写好的程序自动运算，在这个状态下应该让哪些执行元件做哪些事情，继而将指令发送到执行元件，命令执行元件工作。



『这是临时制作的闭环控制示意图。如果“氧残余量反馈”去掉，那就是不带反馈的开环控制。目前所有的ECU都采用闭环控制，使得发动机管理更精确。』



做个简单的比喻：整个过程就好像一根绒毛，轻轻的触碰到你的鼻孔，鼻毛（传感器)便会把触控的信息传至大脑（ECU），然后大脑就对信息进行分析，确实有异物进入鼻孔了，接着便会对鼻孔的各部分发出指令，命令鼻孔进行气体喷射，然后达到清理异物的目的，如果异物造成的影响超出了系统可以承受的范围，随之会伴随着各种巨大的喷嚏响声（信号警报，故障码爆出）。

ECU改装原理



我们已经了解到发动机的控制系统简单来说是由三部分组成的，即传感器Sensor、中央控制单元ECU以及执行元件，理论上只要这三大系统都在正常工作，发动机就可以正常运转（其他硬件正常状态时），但正常工作只是内燃机工作的最低要求。抛开发动机排量、零部件强度、精度、进排气系统、点火、供油系统、冷却系统等部件的性能不说，单就ECU程序设定而言，原厂车型设定的ECU程序会顾虑到车辆的尾气排放性能、燃油经济性、耐用性等问题，甚至会顾及到是否适用于城市道路行驶（动力输出特性，强调低扭输出）。

原装电脑会根据发动机不同负载以及转速，设定一个最为稳定的喷油以及点火参数，既不会使得燃烧温度过高，也不会使混合气过浓或过稀，同时考虑到不同地区的燃油品质差异（点火时间控制保守）。但是既然是广泛适用，那么这个设定一定是较为保守的。通过改变ECU程序来更加精确化的控制喷油量、点火正时等就可以提升发动机的燃烧效率或者动力性能。亦或是两者兼顾。



我们首先要明白一个道理，内燃机是通过燃烧燃料，爆炸而产生动力的，那么燃料与空气之间的配比就非常重要。稀薄的混合气（空燃比大于14.7）能省油，浓混合气（空燃比小于14.7）可以提供更大的动力。当然，所谓的浓或者稀，一定是在保证发动机在正常工作状态之下，过低或者过高的混合比例，都不能得到好的工况，不同发动机工况下的空燃比调校也会有所不同，一切要视具体情况而定。



拿空燃比举例，性能改装必定不是单纯一个方面的改变，往往需要搭配其他部件一同变化，比如供油系统等，而往往是因为加大马力之后，为了减少爆震和和更好的为发动机散发热量便会会调多喷油量，所以涉及动力性能的提升往往都会较未改装前费油，而提升动力性能后为什么会出现喷黑烟甚至是喷火的现象那就不难理解了。

改装ECU会影响发动机寿命吗？

我想这一定是大家最为关心的一个问题了，没错，经过ECU的改装，我们可以得到更加强劲的动力，但这是我们同样会担心发动机是否会吃的消。其实这个问题并不难解决，首先，对于动力提升不大的改装来说，原厂发动机结构、材质设计完全可以承受所增加的功率输出，通过对空燃比与点火正时的精确调整来提高输出，对于油品的要求会更高，只要不乱用劣质汽油与辛烷值不够的汽油，就没有问题。另外对于调校与改装幅度比较大的车来说，需要另外追加冷却系统来帮助发动机降温，重度改装的话当然要强化（更换）发动机内胆，所以耐用度是一个相对而言的问题，无法给出绝对的答案。

为什么涡轮增压发动机的ECU经升级后，功率和扭矩的提升会比自然吸气发动机要大那么多？
其实这个不难理解，涡轮增压器的增压值是可以调节的，增压值增大，带来的结果是进气密度增加，同等体积下氧分子含量会增加，只要供油点火部分进行跟进，马力自然提升明显，但相对于自然进气发动机，对油品、温度等要求也更加苛刻与敏感，大马力当然对发动机硬件部分的强度要求也更高。