汽車動(dòng)力系統(tǒng)的電控技術(shù)

1、汽車動(dòng)力系統(tǒng)的電控技術(shù)1 前言 汽車已經(jīng)成為普及到家庭的大眾交通工具。迄今為止，發(fā)動(dòng)機(jī)(內(nèi)燃機(jī))是汽車動(dòng)力的源泉，但是，隨著能源和大氣環(huán)境問題越來越受到關(guān)注，新的汽車動(dòng)力也不斷出現(xiàn)，特別是存在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車等技術(shù)，近幾年得到了很快發(fā)展。 無論汽車采取什么動(dòng)力，提高經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及降低排放污染是不變的主題，采用電子控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的重要途徑。而在這些方面國內(nèi)目前在經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上都有相當(dāng)?shù)牟罹唷? 發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù) 汽車普遍使用四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。轎車多用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，商用車多用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力來自于兩個(gè)方面：一是用戶對經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性越來越高的追求，

2、一方面是來自政府的對排放污染物越來越嚴(yán)的要求。為了達(dá)到這些要求，過去十幾年發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有了很大的發(fā)展，圖1是汽油機(jī)的電控系統(tǒng)示意圖，集中體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的內(nèi)容。圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng) 2.1 可變配氣正時(shí)技術(shù)VVT（Variable Valve Timing） 可變配氣正時(shí)控制系統(tǒng)就是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)控制凸輪軸，通過調(diào)整凸輪軸轉(zhuǎn)角對配氣時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最佳的配氣正時(shí)，提高進(jìn)氣充量，使充量系數(shù)增加，從而在所有速度范圍內(nèi)提高扭矩，并能改善燃油經(jīng)濟(jì)性，有效提高汽車的功率與性能，減少油耗和廢氣排放。圖2 VVT基本原理圖 一般都采用頂置雙凸輪軸機(jī)構(gòu)，如圖2所示。一種是僅配置在進(jìn)氣凸輪軸上的；另一種

3、是進(jìn)、排氣凸輪軸上都進(jìn)行配置。像BMW的雙可變配氣相位系統(tǒng)（Double Vanos system），就能同時(shí)改變進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸的相位角，從而獲得與轉(zhuǎn)速更匹配的氣門疊加角，因此其擁有更高的配氣效率。這就是為什么BMW M3 3.2發(fā)動(dòng)機(jī)（升功率為100匹） 擁有比前一代僅配備了進(jìn)氣門可變相位系統(tǒng)的M3 3.0發(fā)動(dòng)機(jī)（升功率為95匹）更高的性能。 可變配氣技術(shù)，從大類上分，包括可變氣門正時(shí)和可變氣門行程兩大類。發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門行程是受凸輪軸轉(zhuǎn)角長度控制的，在普通的發(fā)動(dòng)機(jī)上，凸輪軸的轉(zhuǎn)角長度固定，氣門行程也是固定不變的。而采用可變行程技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，氣門行程能隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。在高轉(zhuǎn)速時(shí)

4、，采用長行程來提高進(jìn)氣效率，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的呼吸更順暢，在低速時(shí)，采用短行程，能產(chǎn)生更大的進(jìn)氣負(fù)壓及更多的渦流，讓空氣和燃油充分混合，因而提高低轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)力性能。本田的VTEC和豐田的VVT-i是同時(shí)具有可變氣門正時(shí)和可變氣門行程的電子控制系統(tǒng)。 目前，正在開發(fā)的新一類VVT系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸被徹底的拋棄了，每個(gè)氣門，或每幾個(gè)氣門的動(dòng)作直接由專門的電磁系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，ECU需要它們怎么動(dòng)，它們就怎么動(dòng)，這也正是VVT技術(shù)追求的最高境界！ 2.2 廢氣渦輪增壓技術(shù)VNT 渦輪增壓技術(shù)是在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)本體基本尺寸的情況下，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的有效技術(shù)手段。早期使用的機(jī)械增壓是將增壓裝置安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上并

5、由皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連接，從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸獲得動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)增壓器的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而將空氣增壓吹到進(jìn)氣岐管里。其優(yōu)點(diǎn)是渦輪轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)相同，因此沒有滯后現(xiàn)象，動(dòng)力輸出非常流暢。但是由于裝在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸里面，還是消耗了部分動(dòng)力，增壓出來的效果并不高。因此，被廣泛應(yīng)用的是廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，其基本原理如圖3所示。 （1）電磁閥、（2）氣缸燃燒室、（3）中冷器、（4）空氣濾清器、（5）葉輪 （6）渦輪、（7）排氣旁通閥圖3 渦輪增壓原理圖 其增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)無任何機(jī)械聯(lián)系，它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

6、速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩要增大20%30%。增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣一側(cè)，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)。 一般說來，這種渦輪只在中轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生效用，在低速時(shí)渦輪增壓的效能并不明顯，這種現(xiàn)象被稱為渦輪遲滯。為解決這一問題，產(chǎn)生了可變渦輪增壓技術(shù)VNT，其基本原理如圖4所示。圖4 可變截面渦輪增壓原理 可變渦輪截面技術(shù)的心臟是可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)

7、轉(zhuǎn)狀況，給出控制信號調(diào)整可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)引葉片的角度，將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的氣體通過導(dǎo)引葉片導(dǎo)送至渦輪上。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，廢氣壓力較低，導(dǎo)流葉片成小角度打開，增大到達(dá)廢氣渦輪的氣壓壓強(qiáng)，推動(dòng)渦輪敏銳的轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)引擎轉(zhuǎn)速上升，廢氣壓力逐漸變大，導(dǎo)流葉片的角度也隨之變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)全負(fù)載的情況下，導(dǎo)流葉片全開，與主體的渦輪葉片形成一個(gè)更大型的葉片，將最大的廢氣量接收，達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速而達(dá)到一般大渦輪的高輸出效果。 但是，如何根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀況調(diào)整導(dǎo)引葉片的角度，以改善低轉(zhuǎn)速時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和加速能力，從而達(dá)到全面提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的目的，則需要正確有效的控制策略、標(biāo)定技術(shù)和長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累。 迄今為止，可變渦輪截面技術(shù)一直

8、用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用可變渦輪截面技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率均明顯高于目前采用的標(biāo)準(zhǔn)放氣閥式的渦輪增壓器。相應(yīng)地，在各個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的節(jié)油性能也更上一層樓。 2006年博格華納的可變渦輪截面技術(shù)（稱為VTG）成功應(yīng)用于第六代保時(shí)捷 911Turbo 后，博格華納預(yù)計(jì)在未來十年內(nèi)該技術(shù)將更廣泛地應(yīng)用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。“采用渦輪增壓加上燃油直噴技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)像柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣成功”。博格華納、霍尼韋爾和霍爾塞特等外資企業(yè)以技術(shù)和資本優(yōu)勢，乘我國排放要求的越來越嚴(yán)格，迅速擴(kuò)大了在中國的市場份額，幾乎壟斷了高端產(chǎn)品市場。 2.3 廢氣再循環(huán)技術(shù)EGR 采用廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)的目的是為了降

9、低廢氣中的氧化氮(NOX)的排出量。氮和氧只有在高溫高壓條件下才會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的溫度和壓力滿足了上述條件，在強(qiáng)制加速期間更是如此。圖5 廢氣再循環(huán)（EGR）原理 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，EGR閥開啟，使少量的廢氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管，與可燃混合氣一起進(jìn)入燃燒室。怠速時(shí)EGR閥關(guān)閉，幾乎沒有廢氣再循環(huán)至發(fā)動(dòng)機(jī)。汽車廢氣是一種不可燃?xì)怏w(不含燃料和氧化劑)，在燃燒室內(nèi)不參與燃燒。 它通過吸收燃燒產(chǎn)生的部分熱量來降低燃燒溫度和壓力，以減少氧化氮的生成量。進(jìn)入燃燒室的廢氣量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而增加。 柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)一般有兩種方式：一種是將渦輪前的排氣引入中冷器之后，稱為高壓廢氣反

10、向。采用可變截面渦輪增壓器，可以擴(kuò)大廢氣再循環(huán)有效工作范圍，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT），燃油耗也不升高，這可能是將高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)用于增壓中冷柴油機(jī)的最好方法。另一種是將渦輪后的排氣引入壓氣機(jī)之前，稱為低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，它可有效降低氮氧化物，而廢氣循環(huán)工作范圍較大，與柴油機(jī)匹配能有效地發(fā)揮其功能?，F(xiàn)在運(yùn)用得最多的是低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其系統(tǒng)的主要元件是數(shù)控式EGR閥。數(shù)控式EGR閥安裝在右排氣管上，作用是獨(dú)立地對再循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。 目前采用的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)還有一種類型，日野汽車公司開發(fā)的脈沖式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在柴油機(jī)進(jìn)氣過程中，排氣門稍有提升，使部分高壓廢氣回流

11、到汽缸內(nèi)。排氣門的這個(gè)作用是通過修改排氣門凸輪的形狀和將廢氣再循環(huán)系統(tǒng)微升來實(shí)現(xiàn)的。這樣一種技術(shù)利用汽油機(jī)中的VVT技術(shù)也可以類似的實(shí)現(xiàn)。 發(fā)動(dòng)機(jī)控制ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷(節(jié)氣門開度)、溫度、進(jìn)氣流量、排氣溫度控制電磁閥適時(shí)地打開，使排氣中的少部分廢氣經(jīng)EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，與混合氣混合后進(jìn)入氣缸參與燃燒。少部分廢氣進(jìn)入氣缸參與混合氣的燃燒，降低了燃燒時(shí)氣缸中的溫度，因NOX是在高溫富氧的條件下生成的，故抑制了NOX的生成，從而降低了廢氣中的NOX的含量。但是，過度的廢氣參與再循環(huán)，將會(huì)影響混合氣的著火、性能，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。因此，EGR的控制策略和標(biāo)定經(jīng)驗(yàn)就變的很關(guān)鍵，成為發(fā)

12、動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 斯堪尼亞集團(tuán)在2007年1月份宣布：公司將在2007年開始推出其新的符合歐標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)。在這些新的發(fā)動(dòng)機(jī)上，斯堪尼亞采用了EGR（廢氣再循環(huán)）技術(shù)，無需任何后續(xù)處理裝置即可達(dá)到歐排放標(biāo)準(zhǔn)。盡管斯堪尼亞尚未披露這一新的EGR技術(shù)的細(xì)節(jié)，但是，EGR在降低排放方面的重要性是顯而易見的。 2.4 汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)GDI 缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與一般汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別在于汽油噴射的位置，目前一般汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上所用的汽油電控噴射系統(tǒng)是將汽油噴入進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣管道上，與空氣混合成混合氣后再通過進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸燃燒室內(nèi)被點(diǎn)燃作功；而缸內(nèi)直噴汽油機(jī)是在氣缸內(nèi)噴射汽油，它將噴油嘴安

13、裝在燃燒室內(nèi)，將汽油直接噴注在氣缸燃燒室內(nèi)，空氣則通過進(jìn)氣門進(jìn)入燃燒室與汽油混合成混合氣被點(diǎn)燃作功，這種形式與直噴式柴油機(jī)相似，因此有人認(rèn)為缸內(nèi)直噴汽油機(jī)是將柴油機(jī)的形式移植到汽油機(jī)上的一種創(chuàng)舉。 直噴汽油機(jī)的構(gòu)造改變，使供油動(dòng)作完全獨(dú)立于進(jìn)門與活塞系統(tǒng)之外。在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)或低負(fù)載狀態(tài)下，采用缸內(nèi)直噴設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)得以進(jìn)入U(xiǎn)ltra lean（精實(shí)）模式，發(fā)動(dòng)機(jī)于進(jìn)氣行程時(shí)只能吸進(jìn)空氣，至于噴油嘴則在壓縮行程才供給燃料，ECU也因而擁有更多的主導(dǎo)權(quán)。超乎傳統(tǒng)噴射理論的稀薄燃燒與更多元的混合比便得以實(shí)現(xiàn)，使經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放特性都得到了進(jìn)一步的提升。 缸內(nèi)直噴技術(shù)產(chǎn)生了2個(gè)新的概念：均勻燃燒和分層燃

14、燒。圖6 缸內(nèi)直噴示意圖 均勻燃燒：在全負(fù)荷時(shí)，燃油噴射與進(jìn)氣同步，燃油得到完全霧化，使混合汽均勻地充滿燃燒室，自然會(huì)得到充分的燃燒，有著和傳統(tǒng)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)相同的空氣與燃油混合比，即空燃比是14.71。而燃油的蒸發(fā)又使混合汽降溫，去除了爆震的產(chǎn)生。也就是說在均勻燃燒情況下，在獲得高動(dòng)力輸出和扭矩值的同時(shí)付出了較低的燃油消耗。 其出色的經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在部分負(fù)荷時(shí)的分層燃燒?？扇蓟旌衔锒喾植荚诨鸹ㄈ車?，換句話說，空燃比是14.71的混合氣集中在火花塞周圍，之外會(huì)漸次稀薄。分層燃燒時(shí)總的空然比可達(dá)理論空然比的4倍，可見發(fā)動(dòng)機(jī)在中、低速時(shí)燃油是多么節(jié)省。 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比達(dá)到12：1，比以往發(fā)動(dòng)

15、機(jī)高出1/4左右。壓縮比提高了，缸內(nèi)溫度必然也隨之提高，有助于稀燃。壓縮比高，輸出功率增大，這樣也就彌補(bǔ)了稀燃帶來的功率損失。壓縮比提高缸內(nèi)壓力也會(huì)提高，與之配合的是高壓燃料泵，用高壓方式將汽油送進(jìn)燃燒室內(nèi)。但是，汽油的性質(zhì)決定壓縮比只能局限于一定的限度內(nèi)，否則就會(huì)出現(xiàn)爆燃，為了避免這一現(xiàn)象，缸內(nèi)直噴分兩步噴射的過程，第一步在進(jìn)氣沖程中噴射汽油以降低氣體溫度，適應(yīng)高壓縮比；第二步在壓縮沖程后期噴射汽油，形成上面闡述過的層狀混合氣形態(tài)。這一技術(shù)的實(shí)施環(huán)環(huán)相扣，相輔相成，缺一不可。 總之，缸內(nèi)直噴技術(shù)的優(yōu)勢就在于利用自主性極高的噴油系統(tǒng)，來創(chuàng)造出低速節(jié)能、中速減污與高速強(qiáng)悍三者兼具的高性價(jià)比的汽油

16、發(fā)動(dòng)機(jī)。 缸內(nèi)直噴的原創(chuàng)是日本三菱汽車。該公司在1996年便曾以代號4G93的直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為藍(lán)本，使用了副名為GDI（Gasoline direct injection）的動(dòng)力系統(tǒng)，并裝置于該廠Galant/Legnum車系上，隨后成功銷往歐洲，并出售技術(shù)予PSA集團(tuán)。 到了2001年時(shí)，大眾集團(tuán)也發(fā)展出獨(dú)有的FSI（Fuel Stratified Injection）缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。近些年，美國的通用、福特以及日本豐田、日產(chǎn)等廠家，也都陸續(xù)有相關(guān)作品問世，讓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的普遍性日漸提高。 2.5 基于扭矩的控制策略 達(dá)到歐、歐排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的控制策略需要矩控制。根據(jù)油門踏板位置傳感器

17、信號獲取駕駛者的基本動(dòng)力需求，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的特征參數(shù)和目前狀態(tài)下的限制因素，由ECU計(jì)算出最終發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提供的扭矩，需要噴多少油、供給多少空氣，并實(shí)施控制。在扭矩模式下一般都使用電子節(jié)氣門或電子油門。 實(shí)際上，使汽車行駛的是發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，速度僅是驅(qū)動(dòng)力的體現(xiàn)。另一方面，駕駛者的意愿直接反映的是對驅(qū)動(dòng)力大小的需求。因此扭矩控制是發(fā)動(dòng)機(jī)控制的最貼切的模式，在這種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU完全主動(dòng)地控制著噴油和進(jìn)氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性都會(huì)有所提高。下圖是博世公司柴油機(jī)扭矩控制原理的局部，最上面是計(jì)算得到的扭矩需求，考慮了各種扭矩限制之后，通過FMTC模塊實(shí)現(xiàn)從扭矩到噴油量的轉(zhuǎn)換，其中的F

18、BC模塊實(shí)現(xiàn)燃油平衡計(jì)算。圖7 基于扭矩的控制策略的部分邏輯 基于扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)控制首先是在柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，在汽油機(jī)上實(shí)現(xiàn)扭矩控制是排放要求強(qiáng)化的結(jié)果。與以往的電噴系統(tǒng)相比，滿足歐4、歐5的電噴系統(tǒng)引入了以扭矩為中心的控制策略和混合氣協(xié)調(diào)機(jī)制、建立了具有各種功能的物理模型和子系統(tǒng)，如：充氣模型、扭矩模型、過渡工況模型、排溫保護(hù)模型等。過去的控制策略主要是基于經(jīng)驗(yàn)的，而扭矩的控制策略則是基于理論的，這樣在發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的匹配標(biāo)定上，從補(bǔ)丁式變成現(xiàn)在的系統(tǒng)式，是發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的一個(gè)進(jìn)步，是新的技術(shù)方向。 圖8是扭矩控制策略及匹配內(nèi)容的一個(gè)概要框圖，從中可以看出其特征及其和以往的區(qū)別之處。圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)扭

19、矩控制的功能 在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制技術(shù)上，日本的電裝、德國的博世、西門子及美國的德爾福走在了前面，其技術(shù)已經(jīng)在我國推廣使用。需要指出，在混合動(dòng)力汽車中，使用扭矩控制的發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)基本的技術(shù)前提。 2.6 柴油機(jī)高壓共軌 越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展。對于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，由于技術(shù)相對成熟且有后處理，因此滿足目前排放國3和國5標(biāo)準(zhǔn)難度不大。對于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，降低顆粒PM和氮氧化合物NOx而達(dá)到歐4、歐5的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要在技術(shù)上有所突破，柴油機(jī)高壓共軌電控直噴系統(tǒng)是最為有效的途徑之一。 高壓共軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓力建立和噴射過程的分離，從而使控制過程更具有柔性，能更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)小油量的精確控制，更好地

20、實(shí)現(xiàn)多次噴射。目前的共軌壓力已經(jīng)由160Mpa向200Mpa進(jìn)步，由于采用了高壓噴射促進(jìn)了噴油的微?；?，對因NOx降低對策（如EGR）而惡化的性能和PM的減少極為有效。圖9 柴油機(jī)高壓共軌示意圖 柴油共軌系統(tǒng)已開發(fā)了3代。第2代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)和很高的燃油溫度。第3代可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)需求而改變輸出壓力，并具有預(yù)噴射和后噴射功能。早期噴射實(shí)現(xiàn)稀薄預(yù)混合對降低NOx和PM做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，與主噴射前的噴射相結(jié)合，可縮短滯燃期、抑制壓力升高以及降低振動(dòng)噪聲；主噴之后的后噴射活躍了后期燃燒，促進(jìn)了PM的再燃燒，這一后噴射的目的是向排氣中供給未燃燃油，以便后處理裝置發(fā)揮其功能。 由

21、于其強(qiáng)大的技術(shù)潛力和應(yīng)用前景，今天各制造商已經(jīng)把目光定在了共軌系統(tǒng)第3代壓電式(piezo)共軌系統(tǒng)，壓電執(zhí)行器代替了電磁閥，于是得到了更加精確的噴射控制。沒有了回油管，在結(jié)構(gòu)上更簡單。壓力從2002000巴彈性調(diào)節(jié)。最小噴射量可控制在0.5mm3，減小了煙度和NOX的排放。 國外燃油系統(tǒng)制造商紛紛投入巨額資金和人力開發(fā)共軌系統(tǒng)。日本電裝公司在1991年研究開發(fā)出的ECD-U2第一代產(chǎn)品，并于1995年匹配Hino的J08C柴油機(jī)、五十鈴的6HK1柴油機(jī)。博世公司于1995年發(fā)表了用于轎車的高壓共軌系統(tǒng)，采用徑向柱塞轉(zhuǎn)子式供油泵，噴油器電磁閥采用球閥結(jié)構(gòu)。目前博世公司共軌系統(tǒng)在歐洲乘用車和輕型

22、車柴油機(jī)上已得到普通應(yīng)用，德爾福與西門子分別在1998年和2000年推出轎車MultecDCR1400共軌系統(tǒng)，采用徑向柱塞轉(zhuǎn)子式供油泵，德爾福公司的噴油器電磁閥設(shè)計(jì)在噴油器內(nèi)，使得噴油器體積更小巧；西門子噴油器采用壓電執(zhí)行器，響應(yīng)時(shí)間更短。3 電動(dòng)汽車的控制技術(shù) 人們習(xí)慣上將電動(dòng)汽車分為三類：純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車。但是，從驅(qū)動(dòng)方式上劃分可以分為兩類：純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，因?yàn)椋剂想姵仄囈彩怯眉冸娏︱?qū)動(dòng)的。 3.1 純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng) 電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，有其自身的許多特點(diǎn)，下面表中給出了電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車性能和用途方面的比較。 電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車性能和用

23、途比較見表1。表1 電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車性能和用途比較 注：好（適用）；一般；差（不適用） 純電動(dòng)汽車由于具有效率高、能源不依賴燃料、在使用地點(diǎn)“零排放”等特點(diǎn)，成為最具競爭力的技術(shù)。而比較3種電動(dòng)汽車，純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢更加明顯。純電動(dòng)汽車以電動(dòng)機(jī)代替燃油機(jī)，噪音低、無污染，電動(dòng)機(jī)、油料及傳動(dòng)系統(tǒng)少占的空間和重量可用以補(bǔ)償電池的需求；同時(shí)因使用單一的電能源，電控系統(tǒng)相比混合電動(dòng)車大為簡化。純電動(dòng)汽車的價(jià)格比內(nèi)燃機(jī)汽車高，決定了電動(dòng)汽車的初期投入大、費(fèi)用支出多，原因跟目前的電池和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)水平有關(guān)，更重要的和生產(chǎn)量偏小關(guān)系更大，隨著電池等關(guān)鍵技術(shù)的解決，相信 會(huì)低于內(nèi)燃機(jī)汽車使用成本。 電動(dòng)

24、汽車的組成包括電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電源和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制裝置等組成。電動(dòng)汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。 主要技術(shù)方向是輪轂驅(qū)動(dòng)（或電動(dòng)輪）技術(shù)。它直接將電動(dòng)機(jī)安裝在車輪輪轂中，省略了傳統(tǒng)的離合器、變速器、主減速器及差速器等部件，大大簡化了整車結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率，并且能通過控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)輪的電子差速控制。因而，電動(dòng)輪成為未來電動(dòng)汽車的發(fā)展方向。 圖10 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)及馬達(dá)驅(qū)動(dòng)輪轂示意圖 電動(dòng)汽車四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用四個(gè)獨(dú)立控制的電動(dòng)機(jī)

25、分別驅(qū)動(dòng)汽車的四個(gè)車輪，車輪之間沒有機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。典型四輪驅(qū)動(dòng)布置型式如圖1，其電動(dòng)機(jī)與車輪之間可以是軸式聯(lián)接也可以將電動(dòng)機(jī)嵌入車輪成為輪式電機(jī)，車輪一般帶有輪邊減速器。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比有以下特點(diǎn)： （1）傳動(dòng)系統(tǒng)得到減化，整車質(zhì)量大大減輕。由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪甚至兩者集成為一體。這樣省掉了離合器、變速器及傳動(dòng)軸等傳動(dòng)環(huán)節(jié)，傳動(dòng)效率得到提高，也更便于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。傳動(dòng)系質(zhì)量在汽車整車質(zhì)量中占有很大比重，機(jī)械傳動(dòng)系的消失，使汽車很好的實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。另外，由于動(dòng)力傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)減少，傳動(dòng)系的振動(dòng)及噪聲得到改善。 （2）與傳統(tǒng)汽車相比，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可通過電動(dòng)機(jī)來完成驅(qū)動(dòng)力

26、的控制而不需要其他附件，容易實(shí)現(xiàn)性能更好的、成本更低的牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）及動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)（VDC）。 （3）對各車輪采用制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，則可大大提高汽車能量利用效率，且與采用單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車相比，其能量回收效率也獲得顯著增加。這對提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程是很重要的。 （4）實(shí)現(xiàn)汽車底盤系統(tǒng)的電子化、主動(dòng)化?，F(xiàn)代汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置分為前驅(qū)動(dòng)、后驅(qū)動(dòng)或全驅(qū)動(dòng)。這兩種驅(qū)動(dòng)型式各有優(yōu)缺點(diǎn)，汽車采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，汽車采用前驅(qū)動(dòng)、后驅(qū)動(dòng)或全輪驅(qū)動(dòng)可根據(jù)汽車行駛工況由控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與轉(zhuǎn)換。且各車輪的驅(qū)動(dòng)力可根據(jù)汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，真正實(shí)現(xiàn)汽車的“電子主動(dòng)底盤

27、”。 目前日本在純電動(dòng)汽車的研究處于領(lǐng)先地位，慶應(yīng)義塾大學(xué)的八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車最高時(shí)速達(dá)到了370km/h；充電3個(gè)小時(shí)，可以走行400公里。 在商業(yè)產(chǎn)品層次上，美國和歐洲略占上風(fēng)。 3.2 混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng) 汽車的行駛過程特別是在城市工況下，走走停停，怠速、加速、減速、勻速等幾個(gè)工況頻繁轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)、怠速及加速過程多是發(fā)動(dòng)機(jī)排放最差的狀況，而減速是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，存在能量的無端損失。 混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力源同時(shí)存在的系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來源于燃油，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力則來源于電池。電機(jī)通常在三種情況下使用：啟動(dòng)、加速和減速過程。在啟動(dòng)和加速過程中，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用提供

28、輔助動(dòng)力，減少尾氣排放；減速時(shí)使電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，通過輔助制動(dòng)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到電池中。因此，混合動(dòng)力汽車可以在降低能耗和減少排放方面有所貢獻(xiàn)。 混合動(dòng)力汽車的基本結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式： 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車 Series Hybrid Electric Vehicle (SHEV) SHEV是由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三大動(dòng)力總成組成，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用串聯(lián)的方式組成SHEV的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。SHEV用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組均衡地發(fā)電，電能供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或動(dòng)力電池組，使SHEV的行駛里程得到延長。實(shí)際上SHEV的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組只能看作一種電能供應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)并不直接參與SHEV的

29、驅(qū)動(dòng)。 SHEV的發(fā)動(dòng)機(jī)，可采用四沖程內(nèi)燃機(jī)、二沖程內(nèi)燃機(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在一定范圍內(nèi)，不受SHEV運(yùn)行工況的影響，經(jīng)常保持在低能耗、高效率和低污染的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率都要求等于或接近于SHEV的最大驅(qū)動(dòng)功率，在熱能電能機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換過程中，總效率低于內(nèi)燃機(jī)汽車。 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 Parallel Hybrid Electric Vehicle (PHEV) PHEV是由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)兩大動(dòng)力總成組成，發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用并聯(lián)的方式組成PHEV的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。從PHEV的動(dòng)力系統(tǒng)組成，可

30、大致分為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（變速器和驅(qū)動(dòng)橋）驅(qū)動(dòng)輪等，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力要與車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相組合，可以：在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸處進(jìn)行組合；在變速器（包括驅(qū)動(dòng)橋）處進(jìn)行組合；在驅(qū)動(dòng)輪處進(jìn)行組合。如圖是其中的一種組合模式。 混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 Split Hybrid Electric Vehicle (PSHEV) 混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PSHEV）是綜合串聯(lián)式和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)組成的，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三大動(dòng)力總成組成。由于電動(dòng)/發(fā)電機(jī)必然是裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸上，才能起發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪和起動(dòng)機(jī)的作用，也才能保持發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)并進(jìn)行發(fā)電。因此電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力要與車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相組合，只有：在變速器（包括驅(qū)動(dòng)

31、橋）處進(jìn)行組合；在驅(qū)動(dòng)輪處進(jìn)行組合。 混合動(dòng)力汽車的原創(chuàng)是日本豐田汽車，并將其推向市場。近幾年的美國通用、福特，德國的大眾、寶馬等也紛紛進(jìn)入這一領(lǐng)域。與純電動(dòng)汽車類似的，混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)在動(dòng)力電池和控制策略方面。 3.3 動(dòng)力電池 電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車用電池的主要性能指標(biāo)是比能量、能量密度、比功率、循環(huán)壽命和成本等。要使電動(dòng)汽車具有競爭力，就要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。目前面臨最關(guān)鍵的電池技術(shù)問題是： (1)能量密度過低。汽油的能量密度是1.2萬Wh/kg，而目前通常使用的鉛酸電池能量密度不足40Wh/kg。近年來，

32、其他類型電池，如空氣電池等的開發(fā)雖有進(jìn)展，但是在價(jià)格、性能、工藝性等方面欠成熟，近期無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 (2)續(xù)駛歷程過短。因?yàn)槟芰棵芏容^低，使電池組質(zhì)量過重。盡管在車身設(shè)計(jì)方面采取了諸如玻璃鋼車身等技術(shù)以盡可能減輕整車質(zhì)量，但是，電池過重的自身質(zhì)量仍會(huì)使一部電動(dòng)汽車的總質(zhì)量較同樣大小的內(nèi)燃機(jī)汽車重。因此，即使電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的效率很高，使用鉛酸電池的電動(dòng)汽車一次充電的續(xù)駛里程也只有l(wèi)00km左右。 (3)電池組昂貴的價(jià)格及有限的循環(huán)壽命。為了提高續(xù)駛歷程可以采用高密度電池，例如鎳氫電池，但是其昂貴的價(jià)格阻礙著它的商業(yè)化道路；再者，以現(xiàn)有電池的循環(huán)壽命(假定為500次充放電循環(huán))計(jì)算，電動(dòng)汽車行駛

33、4萬km就需更換電池。 (4)汽車附件的使用受到限制。由于電動(dòng)汽車所能攜帶的電能有限，所以在車上對電能的使用必須注意節(jié)省，車內(nèi)空調(diào)和暖風(fēng)的選用必須充分考慮其對電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響。除此之外，動(dòng)力轉(zhuǎn)向、真空助力器、主動(dòng)(半主動(dòng))懸架以及其他一些車載電器的使用也受到限制。因此，乘員的舒適性受到影響。 到目前為止，電動(dòng)汽車車用動(dòng)力蓄電池經(jīng)過3代的發(fā)展，已取得了突破性的進(jìn)展。第1代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池(VRLA)，由于其比能量較高、價(jià)格低和能高倍率放電，因此是目前唯一能大批量生產(chǎn)的電動(dòng)汽車用電池。第2代是堿性電池，主要有鎳鎘、鎳氫、鈉硫、鋰離子和鋅空氣等多種電池，其比能量和比功率都比鉛

34、酸電池高，因此大大提高了電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程，但其價(jià)格卻比鉛酸電池高。只要能采用廉價(jià)材料，電動(dòng)汽車用鋰離子電池將獲得長足的發(fā)展，目前關(guān)鍵是要降低批量化生產(chǎn)的成本，提高電池的可靠性、一致性及壽命。第3代是以燃料電池為主的電池。燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能量轉(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應(yīng)過程，能量轉(zhuǎn)化過程可以連續(xù)進(jìn)行，因此是理想的汽車用電池。表2為各種車用電池的性能比較。表2 各種車用電池的性能比較 從目前車用電池的發(fā)展來看，鎳氫電池是電動(dòng)汽車動(dòng)力能源的首選電池，它已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，其質(zhì)量比、體積比功率、電池壽命和重復(fù)充放電次數(shù)方面均已達(dá)到USABC(

35、美國先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì))性能指標(biāo)，但是原材料價(jià)格的過渡上漲，抑制了它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用；而從產(chǎn)品規(guī)模化、生產(chǎn)程度和發(fā)展前景看，鋰離子電池有可能成為電動(dòng)汽車車用電池的潛在競爭者，其容量大、體積質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)正符合現(xiàn)代電動(dòng)汽車的要求；另外，燃料電池的應(yīng)用前景樂觀。隨著電化學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，燃料電池可能成為電動(dòng)汽車的主要能源之一。其他尚在實(shí)驗(yàn)階段的電池如飛輪電池、太陽能電池，有著壽命長、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在未來的車用電池中也有可能占有一席之地。4 我國汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀 在汽車自主開發(fā)已提升到戰(zhàn)略高度的時(shí)日，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)自主品牌缺失的現(xiàn)狀令人憂慮。汽車市場表面繁榮的背后隱藏著核心技術(shù)缺失的“黑洞”，這也成

36、為國內(nèi)汽車業(yè)心頭永遠(yuǎn)的痛。這是由于合資公司轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)都在國外，國內(nèi)往往只作國產(chǎn)化生產(chǎn)，長此以往，國內(nèi)失去了創(chuàng)造自主品牌的載體。目前，國內(nèi)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力很弱，需要迎頭趕上。 4.1 汽車動(dòng)力核心發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU領(lǐng)域，中國市場上銷售的發(fā)動(dòng)機(jī)控制ECU模塊等關(guān)鍵汽車電子產(chǎn)品，基本被幾家跨國公司壟斷，國內(nèi)自主品牌整車面對的是一個(gè)強(qiáng)勢到近乎壟斷的配套市場。在國家大力提倡自主創(chuàng)新的今天，整車廠商的自主開發(fā)意識(shí)不斷增強(qiáng)，加大了產(chǎn)品開發(fā)的投入，國內(nèi)高校、科研院所也在發(fā)揮各自的優(yōu)勢，選擇關(guān)鍵技術(shù)問題開展研究開發(fā)。目前國內(nèi)陽光泰克、成都威特、比亞迪、中順電子等ECU開發(fā)商在開發(fā)領(lǐng)域都取得了不錯(cuò)的進(jìn)