汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)應(yīng)用淺析

東北大學(xué) 鄭智勇 鄭 忠 趙 云 鄭 洋

1.引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，新技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，對提高汽車的整車性能有重要意義。盡管現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已相當(dāng)成熟，特別是電子技術(shù)的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，但仍存在一些空白，而且已有技術(shù)有些仍存在缺陷。不斷完善發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)，開發(fā)電子控制技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用新領(lǐng)域，通過汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或無線傳輸技術(shù)的信息通信完成系統(tǒng)之間的各種必要的信息傳送與接收，實(shí)現(xiàn)高度集中控制及故障診斷的“整車控制技術(shù)”將是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

2.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)（EEC）

2.1 燃油缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）

GDI工作過程：電子控制單元根據(jù)傳感器測得的參數(shù)計(jì)算所需供給的油量，并及時(shí)向噴油嘴發(fā)出噴油的指令，使燃油直接噴入氣缸，而不是像傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)那樣噴入進(jìn)氣歧管進(jìn)行預(yù)先混合，這是GDI的最大特點(diǎn)。GDI裝置引進(jìn)了柴油機(jī)直接將柴油噴入缸內(nèi)的理念直接在缸內(nèi)噴射汽油，利用缸內(nèi)氣體流動(dòng)與空氣混合組織形成分層燃燒。汽油直噴入缸內(nèi)有利于汽油的霧化，使汽油和空氣更好地混合，燃燒更為完全。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)好，可以實(shí)現(xiàn)精確的空燃比控制，具有快速的冷起動(dòng)和減速斷油能力及潛在的系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化能力，這些方面都顯示了它比進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)的優(yōu)越性。采用先進(jìn)的電子控制技術(shù)，早期直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的控制和排放等方面的許多問題都能得到解決。

大眾FSI發(fā)動(dòng)機(jī)目前是唯一引入到我國量產(chǎn)的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。缸內(nèi)直噴技術(shù)對汽油的品質(zhì)是個(gè)嚴(yán)格考驗(yàn)，正是基于這些原因的考慮，大眾在中國的FSI發(fā)動(dòng)機(jī)上取消了分層燃燒技術(shù)，只保留了均勻燃燒模式。由于在排放、燃燒穩(wěn)定性、燃油品質(zhì)、性能及可靠性等方面的問題限制了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)普及，使GDI技術(shù)完全替代PFI（氣門口噴射）技術(shù)目前能存在一些技術(shù)難題。

2.2 柴油機(jī)電控高壓共軌燃油噴射技術(shù)

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少污染已是當(dāng)今世界各國的共識(shí)。大量研究結(jié)果表明，柴油機(jī)是日益產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能、有害廢氣排放量較少的一種機(jī)型。世界上最先進(jìn)的柴油機(jī)技術(shù)CDRI（高壓共軌柴油直噴技術(shù)）可使發(fā)動(dòng)機(jī)更節(jié)能、排放更環(huán)保。

柴油機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新的技術(shù)，它集成了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測技術(shù)以及先進(jìn)的噴油結(jié)構(gòu)于一身。高壓共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)主要由ECU、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成。共軌式電控燃油噴射技術(shù)通過共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個(gè)噴油器，并借助集成在每個(gè)噴油器上的高速電磁開關(guān)閥的開啟與閉合，定時(shí)、定量地控制噴油器噴射至燃燒室的油量，從而保證達(dá)到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的點(diǎn)燃時(shí)間、足夠的點(diǎn)火能量和最少的污染排放。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)充量壓縮燃燒技術(shù)（HCCI）

HCCI是一種全新的內(nèi)燃機(jī)燃燒概念，既不同于柴油機(jī)（非均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃），又不同于汽油機(jī)（均質(zhì)充量火花點(diǎn)燃），是一種火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)概念的混合體。它是一種預(yù)混合燃燒和低溫燃燒相結(jié)合的新型燃燒方式：在進(jìn)氣過程形成均質(zhì)的混合氣，當(dāng)壓縮到上止點(diǎn)附近時(shí)均質(zhì)混合氣自燃著火。由于不受燃油和氧化物分里面處混合比的限制，也沒有點(diǎn)火式燃燒的局部高溫反應(yīng)區(qū)，使得和微粒（PM）排放很低，而且具有較高的熱效率。同時(shí)，HCCI面臨3個(gè)主要問題，運(yùn)用工況范圍窄、燃燒進(jìn)程難以控制和均勻混合氣的制備比較困難。

完全意義的HCCI方式發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用的時(shí)間很難預(yù)測，但采用兩種燃燒模式的發(fā)動(dòng)機(jī)可以較快的投入使用，在啟動(dòng)和大負(fù)荷時(shí)使用點(diǎn)燃或壓燃，在中的負(fù)荷時(shí)換為HCCI方式，使發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷有良好的經(jīng)濟(jì)性和較低的排放。未來的排放法規(guī)對提出了越來越嚴(yán)格的要求，所以在柴油機(jī)上使用HCCI方式將會(huì)受到越來越廣泛的關(guān)注。

2.4 無空轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況下，不僅白白浪費(fèi)燃油，而且其廢氣中的有害物質(zhì)的排放甚至比車輛正常行駛時(shí)還要多。發(fā)動(dòng)機(jī)無空轉(zhuǎn)系統(tǒng)在等車等待紅燈的情況下可以自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以節(jié)省燃油并減少尾氣污染。在駕駛采用無空轉(zhuǎn)系統(tǒng)的汽車中，當(dāng)車輛減速停止，換擋桿位于空擋，且離合器踏板被松開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將立即熄火，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入零油耗、零排放和零噪聲的深度“休眠”狀態(tài)。隨后，一旦駕駛者踏踩離合器踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)將迅速平穩(wěn)地自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。Bosch的研究表明，無空轉(zhuǎn)系統(tǒng)節(jié)省的燃料遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其再次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的能耗。目前，雪鐵龍C3、豐田公司歐版威姿汽車均采用了無空轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

2.5 空燃比反饋控制系統(tǒng)（AFC）

在電噴發(fā)動(dòng)機(jī)汽車上，僅僅利用空氣流量傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)來計(jì)算確定噴油量，很難將空燃比控制在理論空燃比（14.7）附近。配備空燃比反饋控制系統(tǒng)后，利用氧傳感器反饋的空燃比信號(hào)對噴油脈沖寬度進(jìn)行反饋控制，即可將空燃比控制在理論空燃比附近，再利用三元催化轉(zhuǎn)換器將排氣中的三種有害物質(zhì)HC/CO/轉(zhuǎn)化為無害成分，從而節(jié)約燃油和凈化空氣，滿足油耗法規(guī)和排放法規(guī)的要求。國內(nèi)外電噴發(fā)動(dòng)機(jī)汽車都已配裝空燃比反饋控制系統(tǒng)。

2.6 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）

ACC是將自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)（CCS）和車輛前向撞擊報(bào)警系統(tǒng)（FCWS）有機(jī)地結(jié)合起來，既有自動(dòng)巡航功能，又有防止前向撞擊功能。

沃爾沃最新推出了ACC系統(tǒng)，裝備于V60 Sport Wagon，該系統(tǒng)在車輛行駛過程中，安裝在車輛前部的車距傳感器（雷達(dá)）持續(xù)掃描車輛前方道路，同時(shí)輪速傳感器采集車速信號(hào)。當(dāng)與前車的距離過小時(shí)，ACC控制單元可以通過與ABS、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，使車輪適當(dāng)制動(dòng)，并使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下降，使車輛與前方車輛始終保持安全距離。ACC在控制車輛制動(dòng)時(shí)，通常會(huì)將制動(dòng)減速度限制在不影響舒適度的程度，當(dāng)需要更大的減速度時(shí)，ACC控制單元會(huì)發(fā)出聲光信號(hào)通知駕駛者主動(dòng)采取制動(dòng)操作。當(dāng)與前車之間的距離增加到安全距離時(shí)，ACC控制單元控制車輛按照設(shè)定的車速行駛。

3.結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，未來幾年的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)多樣化的趨勢，其技術(shù)含量更高，性能更好。在能源危機(jī)不斷加劇和汽車尾氣排放法規(guī)越來越嚴(yán)格的形式下，未來車用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展關(guān)鍵是提高能量利用率、提高安全性和降低污染物的排放，安全、節(jié)能和環(huán)保將是未來發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的主旋律。

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