未来汽车发动机中的电子技术

战神

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。  
6 i0 P$ I2 k8 q+ l( S   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。h
' r  D' u- F' Q. |    曰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。  
7 L' S9 L, m- p: d8 E. y   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。  
( a7 i6 F% D$ g! F/ _$ F* Z    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。Y0]
5 s' a0 b; e( e$ Y$ m    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。  
) v: U" W4 v/ O    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。车
8 }, T2 e* p6 Q0 l    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。