汽車發動機電控系統新技術分析

◎孟慧琳

汽車的動力主要來源于發動機，發動機是汽車最重要的組成部件。發動機的良好運轉決定著整個汽車的駕駛舒適度和駕駛性能。1950年-1980年，當電子技術逐漸被引用到汽車發動機上時，原本的汽油發動機被電子發動機逐漸取代。上個世紀90年代，汽車電子化逐漸實現計算機控制，隨著汽車發動機電控系統的不斷改進，發動機的電控系統的重要性越來越凸顯出來：發動機燃油的經濟性越來越好，發動機排放污染狀況也越來越少等。總之，隨著電控系統新技術的不斷發展，汽車的性能也隨之提升到一個嶄新的高度。

一、汽車發動機電控系統組成與應用

發動機電控系統是由ECU、傳感器以及執行器組成。傳感器主要職責是對發動機的運行參數進行檢測，并將其參數輸送到固定的控制單元。傳感器的數量與精確度成正比，傳感器越多，檢測傳送的數據越準確。ECU主要是負責為傳感器提供電壓參考數據。當ECU接受到傳感器傳送的信號后，對這些數據進行計算分析，并將分析的結果數據傳送到執行器。執行器接收到控制單元輸出的信號時，產生相應的執行動作，從而實現對汽車的控制。當汽車在行駛狀態時，傳感器會傳遞給ECU不同的信號，ECU會根據收集到的不同信息進行計算并判斷發動機的運行情況，及時對發動機進行調整，與此同時向執行器傳遞相應的信號，從而使得汽車達到最佳的運行狀態。

二、汽車發動機電控系統新技術

1.渦輪增壓技術。在內燃機和混合動力車領域，發動機排量小型化的趨勢愈加明顯。渦輪增壓技術憑借其在降低油耗及節能減排方面的巨大優勢，迎來了極大的市場機遇。例如，博格華納首創的汽油機可變截面渦輪增壓器（VTG）通過改變廢氣渦輪的進氣截面，能大大提升渦輪增壓器的響應和增壓效率。該技術始于2002年與保時捷的合作，十年間，博格華納對汽油機VTG渦輪增壓技術進行了持續的革新，推出面向各類汽油發動機的VTG渦輪增壓器。2017年，博格華納成功研發出了基于第六代產品設計的汽油機VTG渦輪增壓器，在裝配和結構上進行了更新換代，進一步提高了空氣動力學效率和可靠性。預計該款VTG渦輪增壓器將于2019年年中廣泛投入市場。汽油機VTG渦輪增壓器可與米勒循環發動機組成最佳“黃金組合”，有利于未來搭配電機組成混合動力系統，為混合動力汽車大規模市場化做準備。通過VTG渦輪增壓器結合米勒循環工作模式，可兼顧低速和高功率兩端的性能要求，提高發動機高轉速下的整體效率。另外在較低發動機排放溫度下運行的米勒循環，使得汽油VTG采用更為經濟的核心調節系統材料變得更加可能，也進一步讓汽油VTG技術從原來高端汽車應用變成更具有普適性的技術。

2.可變配氣相位。可變配氣技術能夠根據發動機的轉速、負載和外界環境改變氣門升程和配氣相位，滿足各種工況的最佳配氣要求，對于提升發動機的有效轉矩、降低燃油消耗和減小污染物排放具有重要意義。目前，常用的可變配氣技術主要有BMW公司的Val-vetronic和 Vanos、Honda公司的VTEC、奧迪的AVS以及豐田的VVT-i等，然而這些技術或多或少的存在一些產品成本較高、調節復雜、可調范圍有限等缺點，因此可變配氣技術的發展仍然存在巨大的潛力。作為可變配氣技術中的一類，液壓可變配氣技術及系統發展迅速。有研究提出了一種全可變液壓氣門機構方案，研究了氣門落座的控制措施和壓力波動對氣門的影響規律。再有研究人研制了一種電液式可變配氣系統，利用仿真與實驗相結合的方法分析了氣門的運動規律。還有研究對電控液壓雙活塞配氣系統進行研究，利用仿真軟件搭建了氣門運動仿真平臺，并根據氣門運動控制要求對系統結構參數進行了優化。總結現有技術的發展狀況，在液壓可變配氣技術中，氣門運動主要與油壓波動、氣門彈簧參數、氣門落座緩沖性能等多個因素影響，情況比較復雜。因此，對氣門運動控制方法研究顯得尤為重要。新型液壓可變配氣系統通過容積調節實現氣門相位和升程連續可變，與現有的可變配氣系統相比，能夠更好地改善發動機性能。

3.缸內直噴技術。缸內直噴技術又稱燃料分層噴射技術，將燃油由噴油嘴直接噴入缸內，它實現了在同等排量下發動機動力性和燃油經濟性的完美結合，是直噴式汽油發動機領域的一項創新的革命性技術。該技術可以進一步提高汽油機熱效率與降低汽油機排放，尤其是低負荷下的燃油消耗降低、動力顯著提升。缸內直噴技術采用了兩種不同的燃燒模式，即均質燃燒模式和分層燃燒模式。均質燃燒模式是指在進氣行程后期向燃燒室內噴入燃油，在進氣行程與壓縮行程中完成與空氣的充分混合，并在點火時刻使缸內形成較為均勻的混合氣，確保穩定點火。分層燃燒模式是指在壓縮行程噴入燃油，隨著壓縮行程的進行，燃油與空氣混合，直至點火時刻，從火花塞處至缸壁，燃油濃度由濃到稀，保證有效點火，火焰傳播也正常，從而提高燃油經濟性。而傳統的汽油發動機是將汽油噴射到進氣管中，與空氣混合后再進入氣缸內燃燒，優化啟動時不穩定循化的排放和輸出。雖然有許多優點，也存在一些缺點。因為是新技術，研發成本很大，對于車主來講較傳統電噴車需要更加頻繁更換火花塞等零部件。對燃油質量要求比較高，需要使用更高標號的燃油，無形中增加了車主的用車成本。缸內直噴發動機比傳統電噴發動機更容易產生積碳，車主需要使用價格昂貴的缸內直噴發動機專用添加劑來解決積碳困擾。

三、汽車發動機電控技術發展趨勢

1.汽車發動機的驅動能力發展趨勢。傳統的汽車發動機的驅動執行器一般是電磁式以及電動式。其主要是以電作為主要能源驅使發動機的相應機構進行工作，為汽車發動機的迅速發展起到了極大的促進作用。但隨著時代的進步，其逐漸不能滿足汽車發動機的要求。伴隨著能源新工藝的不斷發展，液動式執行器很快取代了傳統的電磁式以及電動式執行器。尤其是隨著發動機的不斷更新換代，液動式執行器在汽車發動機電控系統中的驅動優勢不斷顯現。

2.ECU處理器的發展趨勢。汽車電子化進入新的發展階段，與微處理器處理器在汽車中的廣泛使用有著密切的關系。ECU被廣泛的運用于汽車的相關電控系統中，ECU的信息處理速度決定了汽車的信息處理性能。隨著汽車電子控制的國際復合化，高驅動，高效率的ECU處理器將成為汽車微處理的主流。ECU也將進一步的不斷發展。

3.發動機故障智能處理系統發展趨勢。隨著人工智能的不斷發展，汽車發動機電控系統也越來越智能。之前汽車發動機中經常會出現無法精準判斷的故障難題，導致發動機的廢棄。但隨著發動機電控技術的不斷發展，故障智能處理系統應運而生。其不僅能監測修復發動機零部件的故障，更進一步優化了發動機電控系統。