汽车发动机电子控制技术应用浅析

2014-08-15东北大学郑智勇

电子世界 2014年9期

东北大学郑智勇郑忠赵云郑洋

1.引言

发动机是汽车的心脏，新技术在发动机上的应用，对提高汽车的整车性能有重要意义。尽管现代发动机技术已相当成熟，特别是电子技术的应用已相当广泛，但仍存在一些空白，而且已有技术有些仍存在缺陷。不断完善发动机电子控制技术，开发电子控制技术在发动机上的应用新领域，通过汽车内部网络或无线传输技术的信息通信完成系统之间的各种必要的信息传送与接收，实现高度集中控制及故障诊断的“整车控制技术”将是汽车发动机技术发展的必然趋势。

2.汽车发动机电控系统（EEC）

2.1 燃油缸内直喷技术（GDI）

GDI工作过程：电子控制单元根据传感器测得的参数计算所需供给的油量，并及时向喷油嘴发出喷油的指令，使燃油直接喷入气缸，而不是像传统的发动机那样喷入进气歧管进行预先混合，这是GDI的最大特点。GDI装置引进了柴油机直接将柴油喷入缸内的理念直接在缸内喷射汽油，利用缸内气体流动与空气混合组织形成分层燃烧。汽油直喷入缸内有利于汽油的雾化，使汽油和空气更好地混合，燃烧更为完全。GDI发动机瞬态响应好，可以实现精确的空燃比控制，具有快速的冷起动和减速断油能力及潜在的系统进一步优化能力，这些方面都显示了它比进气道喷射汽油机的优越性。采用先进的电子控制技术，早期直喷发动机的控制和排放等方面的许多问题都能得到解决。

大众FSI发动机目前是唯一引入到我国量产的GDI发动机。缸内直喷技术对汽油的品质是个严格考验，正是基于这些原因的考虑，大众在中国的FSI发动机上取消了分层燃烧技术，只保留了均匀燃烧模式。由于在排放、燃烧稳定性、燃油品质、性能及可靠性等方面的问题限制了GDI发动机普及，使GDI技术完全替代PFI（气门口喷射）技术目前能存在一些技术难题。

2.2 柴油机电控高压共轨燃油喷射技术

随着世界能源危机和环境污染的日益严重，节约能源、保护生态环境、减少污染已是当今世界各国的共识。大量研究结果表明，柴油机是日益产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能、有害废气排放量较少的一种机型。世界上最先进的柴油机技术CDRI（高压共轨柴油直喷技术）可使发动机更节能、排放更环保。

柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。高压共轨式电控燃油喷射系统主要由ECU、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至燃烧室的油量，从而保证达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点燃时间、足够的点火能量和最少的污染排放。

2.3 发动机均质充量压缩燃烧技术（HCCI）

HCCI是一种全新的内燃机燃烧概念，既不同于柴油机（非均质充量压缩点燃），又不同于汽油机（均质充量火花点燃），是一种火花点燃式发动机和压缩点燃式发动机概念的混合体。它是一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧方式：在进气过程形成均质的混合气，当压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火。由于不受燃油和氧化物分里面处混合比的限制，也没有点火式燃烧的局部高温反应区，使得和微粒（PM）排放很低，而且具有较高的热效率。同时，HCCI面临3个主要问题，运用工况范围窄、燃烧进程难以控制和均匀混合气的制备比较困难。

完全意义的HCCI方式发动机投入使用的时间很难预测，但采用两种燃烧模式的发动机可以较快的投入使用，在启动和大负荷时使用点燃或压燃，在中的负荷时换为HCCI方式，使发动机在中低负荷有良好的经济性和较低的排放。未来的排放法规对提出了越来越严格的要求，所以在柴油机上使用HCCI方式将会受到越来越广泛的关注。

2.4 无空转控制系统

发动机处于怠速工况下，不仅白白浪费燃油，而且其废气中的有害物质的排放甚至比车辆正常行驶时还要多。发动机无空转系统在等车等待红灯的情况下可以自动关闭发动机，以节省燃油并减少尾气污染。在驾驶采用无空转系统的汽车中，当车辆减速停止，换挡杆位于空挡，且离合器踏板被松开时，发动机将立即熄火，发动机进入零油耗、零排放和零噪声的深度“休眠”状态。随后，一旦驾驶者踏踩离合器踏板，发动机将迅速平稳地自动恢复运转。Bosch的研究表明，无空转系统节省的燃料远远大于其再次启动发动机所需的能耗。目前，雪铁龙C3、丰田公司欧版威姿汽车均采用了无空转系统。

2.5 空燃比反馈控制系统（AFC）

在电喷发动机汽车上，仅仅利用空气流量传感器和发动机转速传感器信号来计算确定喷油量，很难将空燃比控制在理论空燃比（14.7）附近。配备空燃比反馈控制系统后，利用氧传感器反馈的空燃比信号对喷油脉冲宽度进行反馈控制，即可将空燃比控制在理论空燃比附近，再利用三元催化转换器将排气中的三种有害物质HC/CO/转化为无害成分，从而节约燃油和净化空气，满足油耗法规和排放法规的要求。国内外电喷发动机汽车都已配装空燃比反馈控制系统。

2.6 自适应巡航控制系统（ACC）

ACC是将自动巡航控制系统（CCS）和车辆前向撞击报警系统（FCWS）有机地结合起来，既有自动巡航功能，又有防止前向撞击功能。

沃尔沃最新推出了ACC系统，装备于V60 Sport Wagon，该系统在车辆行驶过程中，安装在车辆前部的车距传感器（雷达）持续扫描车辆前方道路，同时轮速传感器采集车速信号。当与前车的距离过小时，ACC控制单元可以通过与ABS、发动机控制系统协调动作，使车轮适当制动，并使发动机输出功率下降，使车辆与前方车辆始终保持安全距离。ACC在控制车辆制动时，通常会将制动减速度限制在不影响舒适度的程度，当需要更大的减速度时，ACC控制单元会发出声光信号通知驾驶者主动采取制动操作。当与前车之间的距离增加到安全距离时，ACC控制单元控制车辆按照设定的车速行驶。