汽车汽油机电子控制技术发展趋势分析

2009-01-22 17:48:19来源: 上海英恒电子有限公司

  普通内燃机汽车经过100多年的发展,已逐步实现机电一体化和全面应用现代高科技技术,达到很高的性能,在安全、环保、节能和低成本等方面均取得重大进展。但是,随着全球汽车拥有量的急剧提高,汽车产业受到了能源日益枯竭、油价不断上涨、全球变暖及与之相对应的二氧化碳排放的困扰。因此,对在满足发动机排放要求的前提下改善发动机燃油经济性的要求越来越迫切。由于汽油机的燃油经济性比柴油机差,所以降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。

  汽车产量持续增加引发系列问题

  全球汽车总保有量将从目前的约8亿辆增加到2020年的12亿辆,21世纪中叶,将达38亿辆,其中,发展中国家汽车保有量将增长15倍以上。目前全球每年新生产的各种汽车约6400万辆,按平均每辆车年消耗10到15桶石油及石油制品计算,汽车的石油消耗量每年达85至127亿桶,约占世界石油产量的一半。石油资源的开采每年达几十亿吨,经过长期的现代化大规模开采,石油资源日渐枯竭,按科学家预测,地球上的石油资源如果按目前的开采水平,仅仅可以维持60到100年左右。2007年我国进口石油1.9亿吨,预计到2020年前后我国的石油进口量有可能超过日本,成为亚太地区第一大石油进口国。国务院发展研究中心预测,预计到2010年和2020年,我国汽车消耗石油为1.38亿吨和2.56亿吨,约占全国石油总消耗量的43%和67%。因此能源危机是我们必需面对的重要问题。

  汽车拥有量的增长带来了许多问题,如健康威胁、环境污染、气候变化、能源短缺和交通拥挤等。目前空气污染在城区已经成为非常严重的问题,汽车的有害物排放对人类的生存环境形成了一种公害性的破坏,据资料显示,市区的大气污染物60%来自于汽车尾气。全球变暖、气候变化正在吸引人们更大的注意力,与之相对应的二氧化碳排放将成为汽车制造商要解决的主要问题。2010年左右,发展中国家能源的供需平衡问题将会导致世界石油价格的波动,在保证环保的同时,使用替代能源的汽车将成为汽车制造商开发的重点。

  2008年,欧盟要求轿车CO2排放达到140克/公里,对于汽油车,对应油耗将达到6升/100公里以下;2012年,CO2排放要求达到120克/公里。因此,降低油耗、降低排放将是汽车行业目前急需解决的问题。

  汽油机技术的发展趋势

  由于汽油机的燃油经济性比柴油机差,所以降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。具有理论空燃比的均质混合气的燃烧理论在火化点火发动机上被广泛使用,它的最大优点是可以实用三效催化器来降低CO、HC和NOx等废气的排放。不足之处是不能获得较高的燃油经济性,为了提高发动机的热效率和降低废气排放,燃烧技术在不断地发展。汽油机经历了由完全机械控制的化油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、可变压缩比、停缸等技术的变化,汽油机发展的最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。

  目前最有代表性的三大汽油机技术是:

  a. 汽油直喷技术。开发车用具有汽油机优点同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。汽油缸内直喷是提高汽油机燃油经济性的重要手段,近些年来,以缸内直喷汽油机(Gasoliine Direct Injection, GDI)为代表的新型混合气形成模式的研究和应用,极大地提高了汽油机的燃油经济性。以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理等问题,同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。

  b. 电动气门与无凸轮发动机。发动机可变气门正时技术(Variable Valve Timing, VVT)是针对在常规车用发动机中,因气门定时固定不变而导致发动机某些重要性能在整个运行范围内不能很好的满足需要而提出的。VVT技术在发动机运行工况范围内提供最佳的配气正时,较好地解决了高转速与低转速,大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾,同时在一定程度在一定程度上改善了排放性能。随着环境保护和人类可持续发展的要求,低能耗和低污染已成为汽车发动机的发展目标。VVT技术由于自身的优点,日益受到人们重视,尤其是当今电子技术的飞速发展,促进了VVT技术从研究阶段向实用阶段发展。电动气门具有与电控喷射同等重要的意义,它将给发动机空气系统控制和循环过程管理带来一系列技术变革,如取消节气门、可变压缩比、部分停缸等。

  c. 燃烧方式的混合。传统的火花点火发动机的燃烧过程在火焰传播中,火焰前锋的温度比未燃混合气高很多。所以这种燃烧过程虽然混合气时均匀的,但是温度分布仍是不均匀,局部的高温会导致在火焰经过的区域形成NOx。柴油机的燃烧过程是扩散型的,燃烧过程中燃烧速率由混合速率决定,点火在许多点发生,这种类型的燃烧过程混合和燃烧都是不均匀的,NOx在燃烧较稀的高温区产生,固体微粒在燃料较浓的高温区产生。在均质充量压缩点燃(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)过程中,理论上是均匀的混合气和残余气体,在整个混合气体中由压缩点燃,燃烧是自发的、均匀的并且没有火焰传播,这样可以阻止NOx和微粒的形成。这种汽油机均质与柴油机压燃混合的燃烧方式,以燃料技术和控制技术为基础,综合汽油机和柴油机两种燃烧方式优点的均质压燃HCCI内燃机技术正在兴起。

      英飞凌汽油机燃烧控制解决方案

  混合气形成策略不同是气门口喷射PFI(Port-fuel-injection PFI)发动机与GDI发动机的主要区别。PFI发动机产品中喷嘴20%装在缸盖上,在进气门的背面,80%安装在进气歧管上靠近缸盖位置,在发动机起动时,会在进气门附近形成瞬时的液态油膜,这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。因此进气口处的油膜如同电容,具有积分的作用,发动机瞬时的供油量不能通过喷油器实现精确控制。由于部分蒸发现象导致油量控制延迟和计量偏差,冷机起动时由于燃油蒸发困难,使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量,这样会导致冷起动时发动机有4到10个循环的不稳定燃烧,显著提高发动机未燃HC的排放。如图所示,GDI发动机燃油直接喷射在气缸内,可以避免气门口燃油湿壁现象,实现燃烧各阶段燃准确供油,因此能够实现更稀薄燃烧,并且降低缸与缸之间、循环与循环之间的变动,冷起动首循环不需加浓控制,降低瞬态工况HC的排放。然而GDI发动机对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求,需要通过更高的喷油压力提高燃油的雾化率,同时需要更加复杂的控制策略,这对GDI发动机的电子控制系统提出了更高的要求。
 GDI发动机控制系统原理图。

  英飞凌公司是全球领先的动力系统电控单元芯片级解决方案提供商,在博世、大陆、德尔福等公司的发动机电喷控制器中有广泛的应用,可以提供在动力系统电控单元中从主控单片机、功率驱动、传感器、通讯、ASIC等一系列完善的产品。英飞凌公司可提供完备的GDI发动机控制系统解决方案

  其中主控制芯片采用了TriCore,它是一个32位的集成了微控制器DSP处理器构架的超标量体系结构,它拥有快速的中断响应,对于成本敏感的实时嵌入性系统作了优化,是性价比非常好的下一代车用控制器,其主要特点如下:
  1. 32位高性能CPU:集成了乘法加法运算器、浮点运算器、高性能片内外设总线、位控制能力和灵活的电源管理
  2. 丰富的片内存储单元:1.5~2M的PFLASH、16K的SPRAM、56K的LDRAM、32K的DFLASH,此外,还有TriCore独有的PCP存储区;
  3. 丰富的中断资源:256级中断优先级、103个中断节点请求、CPU和PCP具有独立的中断服务器;
  4. 具有PCP(peripheral control processor外设处理器)功能:可以实现数据传送、中断服务和基本运算等功能;
  5. DMA:具有8独立的DMA通道、32bit寻址,减轻了CPU的负担;
  6. 通用时钟阵列GPTA:可以基于GPTA产生的并行高速PWM,可以通过MSC来直接管理功率驱动器件,不需要软件参与。

  英飞凌公司在GDI发动机解决方案中还提供了高集成度智能功率驱动芯片:
  1. 在电子节气门和EGR(废气再循环)阀门控制中,提供了智能H-Bridege驱动芯片TLE8209,芯片集成了过流保护、故障诊断和SPI接口等功能;
  2. 在直喷汽油机喷嘴驱动电路中提供了能够实现峰值/保持反馈控制的芯片TLE6270;
  3. 在VVT和电磁阀的驱动芯片中提供了具有英飞凌公司独有的微秒技术的高集成度智能功率驱动片FLEX 10/12芯片,可以实现多端口的驱动和诊断功能;
  4. 电源管理方面,提供了集成硬件看门狗、3个DC/DC模块和多个传感器电源的智能电源芯片TLE7368;
  5. 在通信方面提供了CAN接口芯片TLE6251DS和LIN接口芯片TLE7259G。

  本文小结

  汽车产量持续的发展面临着许多问题,降低燃油消耗量和二氧化碳排放将成为汽车制造商要解决的主要问题。汽油机将采用缸内直喷、电辅助增压、电动气门、可变压缩比、停缸等技术,并最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。这对汽油机电子控制系统性能提出了更高的要求。英飞凌公司提供了完备的GDI发动机控制系统解决方案,不仅提供高性能的32位处理芯片TriCore,还提供了高集成度智能功率驱动芯片和通信息片,以达到汽车制造未来的需求。

 

关键字:汽油机  燃油经济性  汽油直喷技术  VVT  HCCI

编辑:汉东升 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2009/0122/article_683.html
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