汽車(chē)汽油機(jī)電子控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

普通內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，已逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和全面應(yīng)用現(xiàn)代高科技技術(shù)，達(dá)到很高的性能，在安全、環(huán)保、節(jié)能和低成本等方面均取得重大進(jìn)展。但是，隨著全球汽車(chē)擁有量的急劇提高，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)受到了能源日益枯竭、油價(jià)不斷上漲、全球變暖及與之相對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放的困擾。因此，對(duì)在滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求的前提下改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越迫切。由于汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性比柴油機(jī)差，所以降低汽油機(jī)的能耗已經(jīng)成為汽車(chē)界當(dāng)前必須要解決的一個(gè)問(wèn)題。

汽車(chē)產(chǎn)量持續(xù)增加引發(fā)系列問(wèn)題

全球汽車(chē)總保有量將從目前的約8億輛增加到2020年的12億輛，21世紀(jì)中葉，將達(dá)38億輛，其中，發(fā)展中國(guó)家汽車(chē)保有量將增長(zhǎng)15倍以上。目前全球每年新生產(chǎn)的各種汽車(chē)約6400萬(wàn)輛，按平均每輛車(chē)年消耗10到15桶石油及石油制品計(jì)算，汽車(chē)的石油消耗量每年達(dá)85至127億桶，約占世界石油產(chǎn)量的一半。石油資源的開(kāi)采每年達(dá)幾十億噸，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的現(xiàn)代化大規(guī)模開(kāi)采，石油資源日漸枯竭，按科學(xué)家預(yù)測(cè)，地球上的石油資源如果按目前的開(kāi)采水平，僅僅可以維持60到100年左右。2007年我國(guó)進(jìn)口石油1.9億噸，預(yù)計(jì)到2020年前后我國(guó)的石油進(jìn)口量有可能超過(guò)日本，成為亞太地區(qū)第一大石油進(jìn)口國(guó)。國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2010年和2020年，我國(guó)汽車(chē)消耗石油為1.38億噸和2.56億噸，約占全國(guó)石油總消耗量的43%和67％。因此能源危機(jī)是我們必需面對(duì)的重要問(wèn)題。

汽車(chē)擁有量的增長(zhǎng)帶來(lái)了許多問(wèn)題，如健康威脅、環(huán)境污染、氣候變化、能源短缺和交通擁擠等。目前空氣污染在城區(qū)已經(jīng)成為非常嚴(yán)重的問(wèn)題，汽車(chē)的有害物排放對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境形成了一種公害性的破壞，據(jù)資料顯示，市區(qū)的大氣污染物60%來(lái)自于汽車(chē)尾氣。全球變暖、氣候變化正在吸引人們更大的注意力，與之相對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放將成為汽車(chē)制造商要解決的主要問(wèn)題。2010年左右，發(fā)展中國(guó)家能源的供需平衡問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致世界石油價(jià)格的波動(dòng)，在保證環(huán)保的同時(shí)，使用替代能源的汽車(chē)將成為汽車(chē)制造商開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

2008年，歐盟要求轎車(chē)CO2排放達(dá)到140克/公里，對(duì)于汽油車(chē)，對(duì)應(yīng)油耗將達(dá)到6升/100公里以下；2012年，CO2排放要求達(dá)到120克/公里。因此，降低油耗、降低排放將是汽車(chē)行業(yè)目前急需解決的問(wèn)題。

汽油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由于汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性比柴油機(jī)差，所以降低汽油機(jī)的能耗已經(jīng)成為汽車(chē)界當(dāng)前必須要解決的一個(gè)問(wèn)題。具有理論空燃比的均質(zhì)混合氣的燃燒理論在火化點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)上被廣泛使用，它的最大優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)用三效催化器來(lái)降低CO、HC和NOx等廢氣的排放。不足之處是不能獲得較高的燃油經(jīng)濟(jì)性，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和降低廢氣排放，燃燒技術(shù)在不斷地發(fā)展。汽油機(jī)經(jīng)歷了由完全機(jī)械控制的化油器供油為主到采用電控噴射、缸內(nèi)直噴、電輔助增壓和電動(dòng)氣門(mén)、可變壓縮比、停缸等技術(shù)的變化，汽油機(jī)發(fā)展的最終方案將采用綜合汽油機(jī)和柴油機(jī)優(yōu)點(diǎn)的燃燒控制技術(shù)。

目前最有代表性的三大汽油機(jī)技術(shù)是：

a. 汽油直噴技術(shù)。開(kāi)發(fā)車(chē)用具有汽油機(jī)優(yōu)點(diǎn)同時(shí)具有柴油機(jī)部分負(fù)荷高燃油經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)是主要的研究目標(biāo)。汽油缸內(nèi)直噴是提高汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要手段，近些年來(lái)，以缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(Gasoliine Direct Injection, GDI)為代表的新型混合氣形成模式的研究和應(yīng)用，極大地提高了汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。以日本為代表的非均質(zhì)直噴技術(shù)面臨燃燒穩(wěn)定性和后處理等問(wèn)題，同時(shí)以歐洲為代表的均質(zhì)直噴技術(shù)正在興起。

b. 電動(dòng)氣門(mén)與無(wú)凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)(Variable Valve Timing, VVT)是針對(duì)在常規(guī)車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)中,因氣門(mén)定時(shí)固定不變而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)某些重要性能在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)不能很好的滿(mǎn)足需要而提出的。VVT技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況范圍內(nèi)提供最佳的配氣正時(shí)，較好地解決了高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速，大負(fù)荷與小負(fù)荷下動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾，同時(shí)在一定程度在一定程度上改善了排放性能。隨著環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的要求，低能耗和低污染已成為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展目標(biāo)。VVT技術(shù)由于自身的優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們重視，尤其是當(dāng)今電子技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了VVT技術(shù)從研究階段向?qū)嵱秒A段發(fā)展。電動(dòng)氣門(mén)具有與電控噴射同等重要的意義，它將給發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)控制和循環(huán)過(guò)程管理帶來(lái)一系列技術(shù)變革，如取消節(jié)氣門(mén)、可變壓縮比、部分停缸等。

c. 燃燒方式的混合。傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程在火焰?zhèn)鞑ブ校鹧媲颁h的溫度比未燃混合氣高很多。所以這種燃燒過(guò)程雖然混合氣時(shí)均勻的，但是溫度分布仍是不均勻，局部的高溫會(huì)導(dǎo)致在火焰經(jīng)過(guò)的區(qū)域形成NOx。柴油機(jī)的燃燒過(guò)程是擴(kuò)散型的，燃燒過(guò)程中燃燒速率由混合速率決定，點(diǎn)火在許多點(diǎn)發(fā)生，這種類(lèi)型的燃燒過(guò)程混合和燃燒都是不均勻的，NOx在燃燒較稀的高溫區(qū)產(chǎn)生，固體微粒在燃料較濃的高溫區(qū)產(chǎn)生。在均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)過(guò)程中，理論上是均勻的混合氣和殘余氣體，在整個(gè)混合氣體中由壓縮點(diǎn)燃，燃燒是自發(fā)的、均勻的并且沒(méi)有火焰?zhèn)鞑?，這樣可以阻止NOx和微粒的形成。這種汽油機(jī)均質(zhì)與柴油機(jī)壓燃混合的燃燒方式，以燃料技術(shù)和控制技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合汽油機(jī)和柴油機(jī)兩種燃燒方式優(yōu)點(diǎn)的均質(zhì)壓燃HCCI內(nèi)燃機(jī)技術(shù)正在興起。

英飛凌汽油機(jī)燃燒控制解決方案

混合氣形成策略不同是氣門(mén)口噴射PFI(Port-fuel-injection PFI)發(fā)動(dòng)機(jī)與GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別。PFI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中噴嘴20%裝在缸蓋上，在進(jìn)氣門(mén)的背面，80%安裝在進(jìn)氣歧管上靠近缸蓋位置，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，會(huì)在進(jìn)氣門(mén)附近形成瞬時(shí)的液態(tài)油膜，這些燃油會(huì)在每次進(jìn)氣過(guò)程逐漸蒸發(fā)進(jìn)入氣缸燃燒。因此進(jìn)氣口處的油膜如同電容，具有積分的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)的供油量不能通過(guò)噴油器實(shí)現(xiàn)精確控制。由于部分蒸發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致油量控制延遲和計(jì)量偏差，冷機(jī)起動(dòng)時(shí)由于燃油蒸發(fā)困難，使得實(shí)際供油量遠(yuǎn)大于需求空燃比的供油量，這樣會(huì)導(dǎo)致冷起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有4到10個(gè)循環(huán)的不穩(wěn)定燃燒，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)未燃HC的排放。如圖所示，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油直接噴射在氣缸內(nèi)，可以避免氣門(mén)口燃油濕壁現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)燃燒各階段燃準(zhǔn)確供油，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更稀薄燃燒，并且降低缸與缸之間、循環(huán)與循環(huán)之間的變動(dòng)，冷起動(dòng)首循環(huán)不需加濃控制，降低瞬態(tài)工況HC 的排放。然而GDI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油蒸發(fā)和混合物形成有更嚴(yán)格的要求，需要通過(guò)更高的噴油壓力提高燃油的霧化率，同時(shí)需要更加復(fù)雜的控制策略，這對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

英飛凌公司是全球領(lǐng)先的動(dòng)力系統(tǒng)電控單元芯片級(jí)解決方案提供商，在博世、大陸、德?tīng)柛５裙镜陌l(fā)動(dòng)機(jī)電噴控制器中有廣泛的應(yīng)用，可以提供在動(dòng)力系統(tǒng)電控單元中從主控單片機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)、傳感器、通訊、ASIC等一系列完善的產(chǎn)品。英飛凌公司可提供完備的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)解決方案

其中主控制芯片采用了TriCore，它是一個(gè)32位的集成了微控制器、DSP處理器構(gòu)架的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，它擁有快速的中斷響應(yīng)，對(duì)于成本敏感的實(shí)時(shí)嵌入性系統(tǒng)作了優(yōu)化，是性?xún)r(jià)比非常好的下一代車(chē)用控制器，其主要特點(diǎn)如下：

1. 32位高性能CPU：集成了乘法加法運(yùn)算器、浮點(diǎn)運(yùn)算器、高性能片內(nèi)外設(shè)總線(xiàn)、位控制能力和靈活的電源管理；

2. 豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)單元：1.5~2M的PFLASH、16K的SPRAM、56K的LDRAM、32K的DFLASH，此外，還有TriCore獨(dú)有的PCP存儲(chǔ)區(qū)；

3. 豐富的中斷資源：256級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)、103個(gè)中斷節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求、CPU和PCP具有獨(dú)立的中斷服務(wù)器；

4. 具有PCP(peripheral control processor外設(shè)處理器)功能：可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、中斷服務(wù)和基本運(yùn)算等功能；

5. DMA：具有8獨(dú)立的DMA通道、32bit尋址，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)；

6. 通用時(shí)鐘陣列GPTA：可以基于GPTA產(chǎn)生的并行高速PWM，可以通過(guò)MSC來(lái)直接管理功率驅(qū)動(dòng)器件，不需要軟件參與。

英飛凌公司在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)解決方案中還提供了高集成度智能功率驅(qū)動(dòng)芯片：

1. 在電子節(jié)氣門(mén)和EGR(廢氣再循環(huán))閥門(mén)控制中，提供了智能H-Bridege驅(qū)動(dòng)芯片TLE8209，芯片集成了過(guò)流保護(hù)、故障診斷和SPI接口等功能；

2. 在直噴汽油機(jī)噴嘴驅(qū)動(dòng)電路中提供了能夠?qū)崿F(xiàn)峰值/保持反饋控制的芯片TLE6270；

3. 在VVT和電磁閥的驅(qū)動(dòng)芯片中提供了具有英飛凌公司獨(dú)有的微秒技術(shù)的高集成度智能功率驅(qū)動(dòng)片F(xiàn)LEX 10/12芯片，可以實(shí)現(xiàn)多端口的驅(qū)動(dòng)和診斷功能；

4. 電源管理方面，提供了集成硬件看門(mén)狗、3個(gè)DC/DC模塊和多個(gè)傳感器電源的智能電源芯片TLE7368；

5. 在通信方面提供了CAN接口芯片TLE6251DS和LIN接口芯片TLE7259G。

本文小結(jié)

汽車(chē)產(chǎn)量持續(xù)的發(fā)展面臨著許多問(wèn)題，降低燃油消耗量和二氧化碳排放將成為汽車(chē)制造商要解決的主要問(wèn)題。汽油機(jī)將采用缸內(nèi)直噴、電輔助增壓、電動(dòng)氣門(mén)、可變壓縮比、停缸等技術(shù)，并最終方案將采用綜合汽油機(jī)和柴油機(jī)優(yōu)點(diǎn)的燃燒控制技術(shù)。這對(duì)汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。英飛凌公司提供了完備的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)解決方案，不僅提供高性能的32位處理芯片TriCore，還提供了高集成度智能功率驅(qū)動(dòng)芯片和通信息片，以達(dá)到汽車(chē)制造未來(lái)的需求。