汽車汽油機(jī)電子控制技術(shù)發(fā)展趨勢分析

普通內(nèi)燃機(jī)汽車經(jīng)過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，隨著全球汽車擁有量的急劇提高，汽車產(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應(yīng)的二氧化碳排放的困擾。因此，對在滿足發(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)成為汽車界當(dāng)前必須要解決的一個(gè)問題。

汽車產(chǎn)量持續(xù)增加引發(fā)系列問題

全球汽車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)展中國家汽車保有量將增長15倍以上。目前全球每年新生產(chǎn)的各種汽車約6400萬輛，按平均每輛車年消耗10到15桶石油及石油制品計(jì)算，汽車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。石油資源的開采每年達(dá)幾十億噸，經(jīng)過長期的現(xiàn)代化大規(guī)模開采，石油資源日漸枯竭，按科學(xué)家預(yù)測，地球上的石油資源如果按目前的開采水平，僅僅可以維持60到100年左右。2007年我國進(jìn)口石油1.9億噸，預(yù)計(jì)到2020年前后我國的石油進(jìn)口量有可能超過日本，成為亞太地區(qū)第一大石油進(jìn)口國。國務(wù)院發(fā)展研究中心預(yù)測，預(yù)計(jì)到2010年和2020年，我國汽車消耗石油為1.38億噸和2.56億噸，約占全國石油總消耗量的43%和67％。因此能源危機(jī)是我們必需面對的重要問題。

汽車擁有量的增長帶來了許多問題，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)重的問題，汽車的有害物排放對人類的生存環(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%來自于汽車尾氣。全球變暖、氣候變化正在吸引人們更大的注意力，與之相對應(yīng)的二氧化碳排放將成為汽車制造商要解決的主要問題。2010年左右，發(fā)展中國家能源的供需平衡問題將會導(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將成為汽車制造商開發(fā)的重點(diǎn)。

2008年，歐盟要求轎車CO2排放達(dá)到140克/公里，對于汽油車，對應(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、降低排放將是汽車行業(yè)目前急需解決的問題。

汽油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢

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)成為汽車界當(dāng)前必須要解決的一個(gè)問題。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、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)。開發(fā)車用具有汽油機(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)性優(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，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)氣門與無凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)(Variable Valve Timing, VVT)是針對在常規(guī)車用發(fā)動(dòng)機(jī)中,因氣門定時(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)和人類可持續(xù)發(fā)展的要求，低能耗和低污染已成為汽車發(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)過程管理帶來一系列技術(shù)變革，如取消節(jié)氣門、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，局部的高溫會導(dǎo)致在火焰經(jīng)過的區(qū)域形成NOx。柴油機(jī)的燃燒過程是擴(kuò)散型的，燃燒過程中燃燒速率由混合速率決定，點(diǎn)火在許多點(diǎn)發(fā)生，這種類型的燃燒過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)，會在進(jìn)氣門附近形成瞬時(shí)的液態(tài)油膜，這些燃油會在每次進(jìn)氣過程逐漸蒸發(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)對燃油蒸發(fā)和混合物形成有更嚴(yán)格的要求，需要通過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)電控單元芯片級解決方案提供商，在博世、大陸、德爾福等公司的發(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)，對于成本敏感的實(shí)時(shí)嵌入性系統(tǒng)作了優(yōu)化，是性價(jià)比非常好的下一代車用控制器，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、位控制能力和靈活的電源管理；

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

3. 豐富的中斷資源：256級中斷優(yōu)先級、103個(gè)中斷節(jié)點(diǎn)請求、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MSC來直接管理功率驅(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)氣門和EGR(廢氣再循環(huán))閥門控制中，提供了智能H-Bridege驅(qū)動(dòng)芯片TLE8209，芯片集成了過流保護(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)

汽車產(chǎn)量持續(xù)的發(fā)展面臨著許多問題，降低燃油消耗量和二氧化碳排放將成為汽車制造商要解決的主要問題。汽油機(jī)將采用缸內(nèi)直噴、電輔助增壓、電動(dòng)氣門、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)到汽車制造未來的需求。