蔡文遠(yuǎn)(1963—)
(北汽福田汽車(chē)股份有限公司,北京102206)男,碩士,畢業(yè)于北京科技大學(xué)自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè),長(zhǎng)期從事工程技術(shù)領(lǐng)域的動(dòng)力系統(tǒng)控制器的開(kāi)發(fā)工作。現(xiàn)任北汽福田汽車(chē)工程研究院電控所專(zhuān)業(yè)總師。
1 前言
汽車(chē)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(chē)動(dòng)力的源泉,但是,隨著能源和大氣環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注,新的汽車(chē)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(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)等技術(shù),近幾年得到了很快發(fā)展。
無(wú)論汽車(chē)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(guó)內(nèi)目前在經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上都有相當(dāng)?shù)牟罹唷?BR>
2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)
汽車(chē)普遍使用四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。轎車(chē)多用汽油發(fā)動(dòng)機(jī),商用車(chē)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(lái)自于兩個(gè)方面:一是用戶對(duì)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性越來(lái)越高的追求,一方面是來(lái)自政府的對(duì)排放污染物越來(lái)越嚴(yán)的要求。為了達(dá)到這些要求,過(guò)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(guò)調(diào)整凸輪軸轉(zhuǎn)角對(duì)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(chē)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(mén)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(mén)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(lèi)上分,包括可變氣門(mén)正時(shí)和可變氣門(mén)行程兩大類(lèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)行程是受凸輪軸轉(zhuǎn)角長(zhǎng)度控制的,在普通的發(fā)動(dòng)機(jī)上,凸輪軸的轉(zhuǎn)角長(zhǎng)度固定,氣門(mén)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(mén)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),采用長(zhǎng)行程來(lái)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(mén)正時(shí)和可變氣門(mén)行程的電子控制系統(tǒng)。
目前,正在開(kāi)發(fā)的新一類(lèi)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(mén),或每幾個(gè)氣門(mén)的動(dòng)作直接由專(zhuān)門(mén)的電磁系統(tǒng)驅(qū)動(dòng),ECU需要它們?cè)趺磩?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(lái)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(méi)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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)的空氣,使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(wàn)轉(zhuǎn)。
一般說(shuō)來(lái),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(chēng)為渦輪遲滯。為解決這一問(wèn)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)轉(zhuǎn)狀況,給出控制信號(hào)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(guò)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(kāi),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(kāi),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(zhǎng)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(chēng)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(lái)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(shì),乘我國(guó)排放要求的越來(lái)越嚴(yán)格,迅速擴(kuò)大了在中國(guó)的市場(chǎng)份額,幾乎壟斷了高端產(chǎn)品市場(chǎng)。
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(kāi)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(méi)有廢氣再循環(huán)至發(fā)動(dòng)機(jī)。汽車(chē)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(guò)吸收燃燒產(chǎn)生的部分熱量來(lái)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(chēng)為高壓廢氣反向。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(chēng)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。現(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(duì)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(lèi)型,日野汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的脈沖式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在柴油機(jī)進(jìn)氣過(guò)程中,排氣門(mén)稍有提升,使部分高壓廢氣回流到汽缸內(nèi)。排氣門(mén)的這個(gè)作用是通過(guò)修改排氣門(mén)凸輪的形狀和將廢氣再循環(huán)系統(tǒng)微升來(lái)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(lèi)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(mén)開(kāi)度)、溫度、進(jìn)氣流量、排氣溫度控制電磁閥適時(shí)地打開(kāi),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(guò)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)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(kāi)始推出其新的符合歐Ⅴ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(wú)需任何后續(xù)處理裝置即可達(dá)到歐Ⅴ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(jiàn)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(guò)進(jìn)氣門(mén)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(guò)進(jìn)氣門(mén)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(mén)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14.7∶1。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(shuō)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。可燃混合物多分布在火花塞周?chē)瑩Q句話說(shuō),空燃比是14.7∶1的混合氣集中在火花塞周?chē)鈺?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(jiàn)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)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(lái)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(guò)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(guò)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(shì)就在于利用自主性極高的噴油系統(tǒng),來(lái)創(chuàng)造出低速節(jié)能、中速減污與高速?gòu)?qiáng)悍三者兼具的高性價(jià)比的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。
缸內(nèi)直噴的原創(chuàng)是日本三菱汽車(chē)。該公司在1996年便曾以代號(hào)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(chē)系上,隨后成功銷(xiāo)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(guó)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(wèn)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Ⅳ、歐Ⅴ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(mén)踏板位置傳感器信號(hào)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(mén)或電子油門(mén)。
實(shí)際上,使汽車(chē)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(duì)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(guò)FMTC模塊實(shí)現(xiàn)從扭矩到噴油量的轉(zhuǎn)換,其中的FBC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(guò)渡工況模型、排溫保護(hù)模型等。過(guò)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(chē)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(guó)的博世、西門(mén)子及美國(guó)的德?tīng)柛W咴诹饲懊妫浼夹g(shù)已經(jīng)在我國(guó)推廣使用。需要指出,在混合動(dòng)力汽車(chē)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(lái)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(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī),由于技術(shù)相對(duì)成熟且有后處理,因此滿足目前排放國(guó)3和國(guó)5標(biāo)準(zhǔn)難度不大。對(duì)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(guò)程的分離,從而使控制過(guò)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)了噴油的微粒化,對(duì)因NOx降低對(duì)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(kāi)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(duì)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(méi)有了回油管,在結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)單。壓力從200~2000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(guó)外燃油系統(tǒng)制造商紛紛投入巨額資金和人力開(kāi)發(fā)共軌系統(tǒng)。日本電裝公司在1991年研究開(kāi)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(chē)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(chē)和輕型車(chē)柴油機(jī)上已得到普通應(yīng)用,德?tīng)柛Ec西門(mén)子分別在1998年和2000年推出轎車(chē)MultecDCR1400共軌系統(tǒng),采用徑向柱塞轉(zhuǎn)子式供油泵,德?tīng)柛9镜膰娪推麟姶砰y設(shè)計(jì)在噴油器內(nèi),使得噴油器體積更小巧;西門(mén)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(chē)的控制技術(shù)
人們習(xí)慣上將電動(dòng)汽車(chē)分為三類(lèi):純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)。但是,從驅(qū)動(dòng)方式上劃分可以分為兩類(lèi):純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē),因?yàn)椋剂想姵仄?chē)也是用純電力驅(qū)動(dòng)的。
3.1 純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)
電動(dòng)汽車(chē)與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比,有其自身的許多特點(diǎn),下面表中給出了電動(dòng)汽車(chē)與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)性能和用途方面的比較。
電動(dòng)汽車(chē)與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)性能和用途比較見(jiàn)表1。
表1 電動(dòng)汽車(chē)與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)性能和用途比較
注:○-好(適用);★-一般;☆-差(不適用)
純電動(dòng)汽車(chē)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(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。而比較3種電動(dòng)汽車(chē),純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。純電動(dòng)汽車(chē)以電動(dòng)機(jī)代替燃油機(jī),噪音低、無(wú)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(chē)大為簡(jiǎn)化。純電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格比內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)高,決定了電動(dòng)汽車(chē)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(chē)使用成本。
電動(dòng)汽車(chē)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(chē)的核心,也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)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(chē)的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)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(chē)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(jiǎn)化了整車(chē)結(jié)構(gòu),提高了傳動(dòng)效率,并且能通過(guò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)輪的電子差速控制。因而,電動(dòng)輪成為未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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)分別驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的四個(gè)車(chē)輪,車(chē)輪之間沒(méi)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(chē)輪之間可以是軸式聯(lián)接也可以將電動(dòng)機(jī)嵌入車(chē)輪成為輪式電機(jī),車(chē)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(chē)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(chē)質(zhì)量大大減輕。由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)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(chē)整車(chē)質(zhì)量中占有很大比重,機(jī)械傳動(dòng)系的消失,使汽車(chē)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(chē)相比,四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)完成驅(qū)動(dòng)力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(duì)各車(chē)輪采用制動(dòng)能量回收系統(tǒng),則可大大提高汽車(chē)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(chē)相比,其能量回收效率也獲得顯著增加。這對(duì)提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程是很重要的。
(4)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)的電子化、主動(dòng)化。現(xiàn)代汽車(chē)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(chē)采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)后,汽車(chē)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(chē)行駛工況由控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與轉(zhuǎn)換。且各車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力可根據(jù)汽車(chē)行駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,真正實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的“電子主動(dòng)底盤(pán)”。
目前日本在純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(guó)和歐洲略占上風(fēng)。
3.2 混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)
汽車(chē)的行駛過(guò)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(guò)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(wú)端損失。
混合動(dòng)力汽車(chē)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(lái)源于燃油,電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力則來(lái)源于電池。電機(jī)通常在三種情況下使用:?jiǎn)?dòng)、加速和減速過(guò)程。在啟動(dòng)和加速過(guò)程中,電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用提供輔助動(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(guò)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(chē)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(chē)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(chē) 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(zhǎng)。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(guò)程中,總效率低于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。
并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) 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(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相組合,可以:①在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸處進(jìn)行組合;②在變速器(包括驅(qū)動(dòng)橋)處進(jìn)行組合;③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(chē) Split Hybrid Electric Vehicle (PSHEV)
混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(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(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相組合,只有:①在變速器(包括驅(qū)動(dòng)橋)處進(jìn)行組合;②在驅(qū)動(dòng)輪處進(jìn)行組合。
混合動(dòng)力汽車(chē)的原創(chuàng)是日本豐田汽車(chē),并將其推向市場(chǎng)。近幾年的美國(guó)通用、福特,德國(guó)的大眾、寶馬等也紛紛進(jìn)入這一領(lǐng)域。與純電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)似的,混合動(dòng)力汽車(chē)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(chē)的動(dòng)力源泉,也是一直制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車(chē)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(chē)具有競(jìng)爭(zhēng)力,就要開(kāi)發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)的高效電池。目前面臨最關(guān)鍵的電池技術(shù)問(wèn)題是:
(1)能量密度過(guò)低。汽油的能量密度是1.2萬(wàn)W·h/kg,而目前通常使用的鉛酸電池能量密度不足40W·h/kg。近年來(lái),其他類(lèi)型電池,如空氣電池等的開(kāi)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(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
(2)續(xù)駛歷程過(guò)短。因?yàn)槟芰棵芏容^低,使電池組質(zhì)量過(guò)重。盡管在車(chē)身設(shè)計(jì)方面采取了諸如玻璃鋼車(chē)身等技術(shù)以盡可能減輕整車(chē)質(zhì)量,但是,電池過(guò)重的自身質(zhì)量仍會(huì)使一部電動(dòng)汽車(chē)的總質(zhì)量較同樣大小的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)重。因此,即使電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的效率很高,使用鉛酸電池的電動(dòng)汽車(chē)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(chē)行駛4萬(wàn)km就需更換電池。
(4)汽車(chē)附件的使用受到限制。由于電動(dòng)汽車(chē)所能攜帶的電能有限,所以在車(chē)上對(duì)電能的使用必須注意節(jié)省,車(chē)內(nèi)空調(diào)和暖風(fēng)的選用必須充分考慮其對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?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(chē)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(chē)車(chē)用動(dòng)力蓄電池經(jīng)過(guò)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(chē)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酸電池高,因此大大提高了電動(dòng)汽車(chē)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(chē)用鋰離子電池將獲得長(zhǎng)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)殡娔埽芰哭D(zhuǎn)變效率高,比能量和比功率都高,并且可以控制反應(yīng)過(guò)程,能量轉(zhuǎn)化過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行,因此是理想的汽車(chē)用電池。表2為各種車(chē)用電池的性能比較。
表2 各種車(chē)用電池的性能比較
從目前車(chē)用電池的發(fā)展來(lái)看,鎳氫電池是電動(dòng)汽車(chē)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(美國(guó)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(guò)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(chē)車(chē)用電池的潛在競(jìng)爭(zhēng)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(chē)的要求;另外,燃料電池的應(yīng)用前景樂(lè)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(chē)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(yáng)能電池,有著壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在未來(lái)的車(chē)用電池中也有可能占有一席之地。
4 我國(guó)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀
在汽車(chē)自主開(kāi)發(fā)已提升到戰(zhàn)略高度的時(shí)日,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)自主品牌缺失的現(xiàn)狀令人憂慮。汽車(chē)市場(chǎng)表面繁榮的背后隱藏著核心技術(shù)缺失的“黑洞”,這也成為國(guó)內(nèi)汽車(chē)業(yè)心頭永遠(yuǎn)的痛。這是由于合資公司轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)都在國(guó)外,國(guó)內(nèi)往往只作國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn),長(zhǎng)此以往,國(guó)內(nèi)失去了創(chuàng)造自主品牌的載體。目前,國(guó)內(nèi)汽車(chē)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(chē)動(dòng)力核心—發(fā)動(dòng)機(jī)ECU
發(fā)動(dòng)機(jī)ECU領(lǐng)域,中國(guó)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的發(fā)動(dòng)機(jī)控制ECU模塊等關(guān)鍵汽車(chē)電子產(chǎn)品,基本被幾家跨國(guó)公司壟斷,國(guó)內(nèi)自主品牌整車(chē)面對(duì)的是一個(gè)強(qiáng)勢(shì)到近乎壟斷的配套市場(chǎng)。在國(guó)家大力提倡自主創(chuàng)新的今天,整車(chē)廠商的自主開(kāi)發(fā)意識(shí)不斷增強(qiáng),加大了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的投入,國(guó)內(nèi)高校、科研院所也在發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),選擇關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展研究開(kāi)發(fā)。目前國(guó)內(nèi)陽(yáng)光泰克、成都威特、比亞迪、中順電子等ECU開(kāi)發(fā)商在開(kāi)發(fā)領(lǐng)域都取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。而奇瑞自主開(kāi)發(fā)的ACTECO發(fā)動(dòng)機(jī)的亮相,以及隨著一汽C301、上汽陸威、長(zhǎng)安CV7、吉利FC-1、華晨1.8T渦輪增壓的陸續(xù)上市,國(guó)內(nèi)在發(fā)動(dòng)機(jī)及其ECU技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)呈現(xiàn)新的競(jìng)爭(zhēng)力。
4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)——VVT、EGR、VNT、扭矩控制、柴油機(jī)共軌等
這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要制造加工技術(shù)和電子控制技術(shù)的緊密結(jié)合。在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的各控制策略,國(guó)內(nèi)已經(jīng)基本掌握。在VVT方面,國(guó)內(nèi)多家整車(chē)企業(yè)都已經(jīng)發(fā)表了相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品;部分大學(xué)、研究所和企業(yè)也通過(guò)合作在電控柴油機(jī)共軌方面已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)在,問(wèn)題是在關(guān)鍵器件上,如VVT用液壓控制閥、柴油機(jī)共軌的噴嘴等,還完全依賴國(guó)外產(chǎn)品,配套體系還不健全。盡管?chē)?guó)內(nèi)有研發(fā)產(chǎn)品,但是,批量產(chǎn)品的一致性尚有差距;不過(guò),從各方面的情況看,近一兩年可能會(huì)有所突破。
4.3 電動(dòng)汽車(chē)
十五期間國(guó)家加大了投入,企業(yè)、研究所和大學(xué)積極參與其中,解決了動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng)的眾多問(wèn)題;在電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和整車(chē)控制方面,已積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。天津清源的微型轎車(chē)、東風(fēng)的純電動(dòng)轎車(chē)、深圳五洲龍的混合動(dòng)力大巴都已經(jīng)可以進(jìn)入批量生產(chǎn)。
電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵是在電池方面。鉛酸、鎳氫、鋰離子及氫燃料等都是被選方案,但是鉛酸電池被代替的命運(yùn)是不可扭轉(zhuǎn)了。我國(guó)鎳氫和鋰離子動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)已經(jīng)顯有成效。春蘭集團(tuán)、湖南神舟科技、天津和平海灣等積極攻關(guān),用了5年左右的時(shí)間,從無(wú)到有,與國(guó)際先進(jìn)水平縮短了近10年的差距,主要性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。鋰離子電池的安全性和使用壽命與國(guó)際水平差距較大,但在國(guó)際范圍內(nèi)鋰離子電池在汽車(chē)上商業(yè)化也還有一段距離,人們對(duì)磷酸鐵鋰材料寄予很大希望,并預(yù)計(jì)近一兩年會(huì)有較大的進(jìn)展。燃料電池是理想的動(dòng)力源,從目前的情況看,距離商業(yè)化還要10年以上的時(shí)間。
5 結(jié)語(yǔ)
毫無(wú)疑問(wèn),我國(guó)現(xiàn)在有非常好的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)和國(guó)家鼓勵(lì)自主創(chuàng)新的政策,而全方位的開(kāi)放也使得我們?cè)谄?chē)動(dòng)力系統(tǒng)的電控技術(shù)上,獲得關(guān)鍵技術(shù)資源的途徑更加多樣。十五期間我國(guó)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)和電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)上取得的顯著進(jìn)展,也充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。因此,我們目前最需要的是一批埋頭苦干的工程技術(shù)人員,需要一批寧愿兩、三年內(nèi)可以不發(fā)表論文的學(xué)術(shù)研究人員。人們通常都認(rèn)為控制技術(shù)的核心在控制策略(或算法),但本文想強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)是:“作為工業(yè)產(chǎn)品,核心技術(shù)不在技術(shù)的核心”。有了先進(jìn)的控制算法并不能產(chǎn)生先進(jìn)的工業(yè)產(chǎn)品,工業(yè)產(chǎn)品首先要求的是可靠、安全和耐久性,而決定這些方面的往往不在算法,而在整個(gè)系統(tǒng)的周遍器件,如:ECU的硬件布線、常被認(rèn)為不關(guān)鍵的電阻、電容,噴嘴、點(diǎn)火線圈等驅(qū)動(dòng)器件,壓力、溫度和速度等傳感器器件,在電動(dòng)汽車(chē)中則主要表現(xiàn)在電池上。
有工程界和學(xué)術(shù)界的密切合作,有重視控制策略和更加重視周邊器件的觀點(diǎn),在如此形式大好的汽車(chē)市場(chǎng)形式下,積極響應(yīng)國(guó)家的自主創(chuàng)新號(hào)召,相信我國(guó)的汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的控制技術(shù)將會(huì)有一個(gè)大的發(fā)展。