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                             未来汽车发动机中的电子技术

未来汽车发动机中的电子技术当您听到一些讨论说汽车未来的能源形式将是燃料电池时,您或许会认为火花点火式内燃机最终将会被废弃,那您就错了。这种情况绝对不会发生,因为人们正在利用新的电子系统对活塞式发动机的基本原理进行着更深层次的理解与研究。

  在过去的 20
年的长时间里,电子技术在发动机设计中或多或少地发挥着它的作用。更确切地说,汽缸体、曲柄和活塞的基本功能没有变化,而燃油和点火系统则实现了电控。其结果是极大地改进了车辆的排放性能、燃油经济性和耐用性。而本文将介绍一些新近设计、目前正在投入生产的发动机技术,这种发动机将电子技术更进一步地结合到发动机的基本功能之中。

  日本本田汽车公司为它的一款混合动力车辆推出了新型动力装置: i-DSI 稀混合气发动机。 i-DSI 的意思是 Intensive combustion
engine with Dual and Sequential Ignition (强化双列顺序点火内燃机)。它是 4 缸 1.3L
的,并在加速时接通电机以增大启动转矩。发动机自身在 5700 转时能产生 80hp (约 60kW )的功率,当载客 5 人时每加仑 (4.546L)
燃油可以行驶 60 英里( 1.61km )以上。

  这种发动机的特点是有两个彼此间相位相差 180 °的火花塞。它与曾用在 Ford Ranger (福特
巡逻骑兵)双火花塞发动机不一样,这里的火花塞可以彼此独立地点火。一种获得更好的燃油经济性的方法是使用更稀薄空燃比的混合气,借助工作在非化学计量空燃比下的宽量程氧传感器,实时电子系统能对每个内燃机冲程所使用的燃油量进行量化控制。由于我们只使用所需数量的能量,从而减少了燃油的消耗。

  使用比化学计量还要稀薄的燃气混合气的问题在于它很难用单火花塞实现点火。本田的工程师使用大容量计算机来建模并计算出汽缸上部实现旋涡和气流的形成情况。这里火花塞的点火是根据发动机转速和载荷随机确定的。使用计算机对燃烧过程建模,本田公司可以开发出确保完全燃烧的双重点火定时设计方案。

  i-DSI 发动机的另一个独到之处是摇臂的安装方式允许它们正常打开或者关闭气门。例如,在减速过程中,电子信号会通知同步活塞脱离气门。这就有效地将 4
个汽缸减少了 3 个,降低了 50%
以上的发动机摩擦损失。这一点在混合动力应用中非常重要,因为它极大地增加了电机的再生能力。这些节省下来的能量由电机(此时用作发电机)转换为电能或者存储于电池中。

  i-DSI 并非本田公司的唯一一款新型发动机,他们将其原有 VTEC 发动机进行技术改进为 i-VTEC 。 VTEC
是首批采用变气门进行定时和工作的发动机。在新的系统中,气门的提升部件仍由机械控制,但其定时功能现在由 VTC ( variable timing control
变时控制)电磁阀控制,而 VTC 又由发动机管理系统所控制。这样气门的定时就可以同时对发动机载荷和转速作出响应。

  同时,我的一位宝马汽车公司的朋友也提出一种称为 Valvetronic 的新型系统。最初它被用于 1.8L 4 缸、 118hp 的发动机。但 BMW
计划在后续的 8 缸和 12 缸发动机中也将使用这一系统。 Valvetronic
的特点在于它没有节气门,已经得到证明,影响车辆燃油经济性的几个因素之一就是节气门自身。在部分载荷和部分节气门开度的情况下,发动机总试图通过节门口吸气,这消耗掉了能量并且增加了燃油消耗量。

  解决这一问题的方案是利用进气阀控制吸入汽缸内的空气量。所有这些事情都发生在汽缸内,从而避免了无谓的损失。这项技术一度曾被称为电磁阀驱动系统。雷诺公司几年前生产的赛车用发动机声称在电磁阀控制的情况下,转速能达到
17000r/min 。迄今为止,电磁阀由于所需电量过多而仍不适于装备于实车上。

  宝马公司的解决方案是采用带有悬臂式转轴铰链的机械系统。 ECU
控制的电机通过改变杠杆的支点决定转臂的有效长度,阀的开度随着转臂加长而增加。它的关键之处在于电机要足够快,以便对每个燃烧循环的需求做出反应和相应的改变。

  由于没有节流板,加速完全由电子控制,即实现了所谓的“线驱动”( drive-by-wire )。

  车辆的主 ECU 使用频率为 40MHz 的计算机芯片。一个单独的 CPU 专用于控制 Valvetronic 单元。此发动机也使用双 Vanos
系统,它可以同时为进气和排气阀设定不同的定时时间。

  而通用汽车公司也有一款被称作 VORTEC 的全新发动机,它是该公司 15 年以来首款采用新型串列式 6 缸技术的发动机,所以机构中没有采用“
stovebolt ”。它的每个汽缸有 4 个阀,有两个上置式凸轮和两个变定时排气阀。

  正如在许多其它发动机中已经提及的,您在这款发动机中能见到的趋势之一是它们以更高的压缩比( 10:1
)和常规无铅汽油运转。更高的压缩比使发动机高速性能得到提高,改善了燃烧稳定性和热效率,而这些最终促成了发动机获得更佳的燃油经济性。

  利用计算机对火花塞散热通道建模,通用公司能将这款新型 6
缸发动机的压缩比进一步提高,使火花塞间隙区域的温度处于比较低的状态可以消除点火爆震。另外,通用还计划设计这一系列 4 缸和 5 缸的发动机。

  柴油机的新品种

  美国发动机市场还有一个家伙,它就是柴油机。您将不得不想到,在美国我们再次开始看到批量生产这种“烧油机器”不过是个时间的问题。在欧洲它们早已为人们所接受,因为在那里柴油要比汽油便宜得多。这些新型柴油机电控、加速性良好、气味不浓也不产生烟尘、行程大并且耐用,它们和美国人所知的柴油机动力装置简直格格不入。

  这些新型柴油机能获得如此优良性能要归功于两项技术:电控直接喷射和共轨燃油系统。在通常的柴油机中,喷油泵在同一时间射出所有燃油,其结果就是产生柴油机标志性的乓乓的敲击声。在直接喷射时,燃料射入之前先有一小部分先行射入,这样当燃料射入时产生的敲击声会变得柔和。与此同时也可以降低燃烧温度,减少
NOx (氮氧化物)的排放量。

  共轨燃油系统的作用则在于它可以更好地控制燃油数量和喷射定时。共轨系统有一个高压泵,以前的系统在某些发动机转速下工作得不是很好,这是因为它们的泵不能足够快地适应工作情况。当喷油嘴开启时,高压使燃油产生很好的薄雾使得燃烧更加充分,同时还减少了尾气排放。

  当前由 Robert Bosch (罗伯特
博世)公司制造的计算机控制系统使用嵌入式微处理器技术实时监测发动机运转情况,确保喷射燃油量恰到好处。您在装备柴油机的卡车上见到的黑烟表示燃油供给方面出了问题,使燃油喷射量刚好满足要求对清洁这些发动机大有帮助。

  如果我们把计算机看作战争中的将军,那么执行机构就是执行他们命令的皇家步兵了。 Siemens
(西门子公司)有一种新型“步兵”——采用压电技术的柴油机喷油嘴。您可能还没意识到,压电技术已经应用到其它产品中相当长的一段时间了。计算机配备的打印机采用压电控制阀喷射墨滴,而您家里后院的煤气灶的点火器也是一个压电装置。

  西门子公司喷油嘴使用两片压电圆盘,它们在有电荷时会由扁平状变为薯片状。把它们像品客薯片一样叠起来,转轴运动的角度被加大并且更加精确。这种喷油嘴的真正优点在于它迅速而准确。
 

 

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