2008.4.30 第 17 期

引擎與控制系統
二低二高 引擎發展趨勢

文/黃巧逸

 

新世紀汽車的三大任務,分別是:安全、節能,以及環保。
其中,環保與節能主要表現在引擎與傳動系統的電子控制,以及燃料電池、CAN通訊及電子線圈操控(X-By-Wire)為代表的電動汽車、整車控制技術方面。行駛安全性則主要表現在防鎖死煞車系統(ABS)、牽引力控制系統(TCS,或稱ASR)、車輛動力學控制系統(VDC,也稱VSC、ESP)、四輪轉向系統(4WS)與輪胎壓力檢測系統(TPMS)等核心電子控制技術的發展上。
除此之外,還有為提高行駛舒適性而開發的電控懸架技術,以及為提高汽車智慧化而開發的自動避撞系統、車載導航系統等電子控制技術。
汽油引擎的電子控制技術已經日趨於完善,而國內外的柴油引擎電子控制技術則是發展迅速,新技術層出不窮。近年來,高壓燃油直噴系統(Common-Rail Systems)和高壓共軌噴射系統的發展,使得柴油引擎的燃油經濟性和排放性,都有了很大的改善。廢氣再迴圈(EGR)技術、氧化催化器,以及微粒捕捉器,也改善了柴油引擎的各項廢氣排放。


汽油引擎的電子控制技術已經日趨完善,國內外的柴油引擎電子控制技術則發展迅速,新技術日新月異。

每輛汽車所需半導體
2010年超過3百美元

引擎管理系統對噴油和進氣過程進行綜合控制,保證引擎能夠在保持良好動力性的基礎上,達到最佳的燃油經濟性和排放性,同時降低雜訊和振動。
引擎管理系統的核心技術是微控制器(MCU),它是為汽車動力傳動系統從機械系統向電子系統轉變,提供了更強的計算處理能力。而近幾年由於MCU功能的增強,智慧型感測器、智慧型功率IC的出現,也使得電子控制單元(ECU)硬體電路的設計,變得非常簡單,在工作上更為可靠。
燃油噴射系統使用的主要感測器,例如進氣歧管壓力感測器和曲軸轉速、曲軸位置感測器。而隨著半導體製程技術的提高,已經將感測元件及其輸出信號的處理電路,都整合在一塊晶片上面,感測器的輸出信號可以直接送給MCU。
此外,還增加了過電壓、電源極性反接和抗干擾輸出保護等功能。例如,噴油器驅動IC是一片四路低端開關智慧功率IC,可分別驅動4個獨立的噴油器,並且還具有負載開路檢測、電感性負載高電壓鉗位元、過熱、過電壓和過電流斷電保護,以及自動恢復等功能。
目前,MCU技術的發展趨勢是低電壓、低功耗、高速度與高整合度。Strategy Analytics的報告指出,受引擎管理系統上進行快速資料處理的32位元MCU,用於車身電路系統的8/16位元MCU需求將會增加,2010年每輛汽車所需的半導體將從2001年的200美元增加到超過300美元。
底盤系統電子控制自動變速器採用自動變速器,在駕駛的時候不需要踩離合器就可以自動換檔,且引擎不會熄火,從而可有效的提高駕駛方便性。而隨電子技術的發展,變速器的自動控制更加完善,在各種使用狀況之下均能讓引擎與傳動系統做最佳的搭配。
目前使用最為廣泛的自動變速器主要有3種類型:
一、液力機械式自動變速器(AT):由變矩器、自動變速器、液壓電子控制系統3部分組成,目前技術成熟,應用十分的廣泛。其電子液壓控制系統由感測器、電控單元、換檔電磁閥、油壓調節電磁閥、油泵和換檔閥等組成。
二、電控機械式自動變速器(AMT):是由傳統的離合器與手動齒輪變速器,採用電控來進行自動變速,目前則是在重型貨車上所使用的較多。
三、電控機械式自動變速箱(CVT):由V型鋼帶與可調半徑的帶輪,而得到無段自動變速,廣泛採用在兩公升以下的轎車上。CVT的主要優點是速比變化是無段的,在各種行駛狀況之下,都能夠選擇最佳的速比,而其動力性、經濟性和排放性與AT相比,大約可以改善有5%左右。


目前,汽車的懸架系統一般是彈簧剛度和減振器阻尼(Damping)特性不能改變的被動懸架,它不能夠根據所使用的狀況和路面輸入的變化,來進行控制和調整,所以,難以滿足汽車在平順性和操縱穩定性的更高要求。
而近年來,隨著電控和隨動液壓技術的發展,彈簧剛度和減振器阻尼特性參數可調電控主動和半主動懸架,在汽車上面逐步的得到應用和發展。

研發著重穩定性和安全性
操縱穩定性的電子控制系統,提高汽車的操縱穩定性,過去一直侷限於通過改進輪胎、懸架、轉向與傳動系統的性能來實現。而隨著電腦、感測器和執行機構的迅速發展,各個國家研發各種能夠顯著改善操縱穩定性和安全性的電子控制系統。例如防鎖死煞車系統、牽引力控制系統、四輪轉向系統、車輛動力學控制系統,以及輪胎壓力檢測系統等。
車輛動力學控制系統是在ABS和TCS的基礎上,增加汽車轉向行駛時橫擺運動的角速度感測器,通過ECU控制各個車輪的驅動力和制動力,確保汽車行駛的橫向穩定性,防止轉向時車輛被推離彎道或從彎道甩出。
它綜合了ABS和TCS的功能,用左右兩側車輪制動力之差產生的橫擺力矩,來防止出現難以控制的側滑現象。從而使汽車由被動改變性能進入主動進行控制,使駕駛員用正常操作方式,即可以順利地通過難以駕馭的危險路況。
四輪轉向系統是指使後輪與前輪一起轉向,是一種提高車輛反應性及穩定性的關鍵技術。使後輪與前輪同相位轉向,可以減小車輛轉向時的旋轉運動(橫擺),改善高速行駛的穩定性。使後輪與前輪逆相位轉向,能夠改善車輛中低速行駛的操縱性,提高快速轉向性。
輪胎壓力檢測系統是在每一個輪胎上面,安裝高靈敏度的感測器,在行車狀態之下,即時監視輪胎的各種資料,通過無線方式發射到接收器,並且在顯示器上顯示各種的資料,任何原因所導致的輪胎漏氣與溫度升高(如鐵釘扎入輪胎、氣門芯漏氣),系統都會自動的警示。
如此,也就可以確保汽車在行駛中的安全,並且延長了輪胎的使用壽命與降低燃油的消耗,是一種不同於ABS、安全帶,以及安全氣囊等,現有汽車安全裝備的「事前主動」型安全保護產品。

車身電控技術發展趨勢
滿足使用者個性化需求

而除此之外,汽車車身電子控制技術所涉及的內容則是有很多,例如汽車的視野性、方便性、舒適性、娛樂性,以及通信功能等。
視野性則是指駕駛員在駕駛過程中,不改變操作姿勢時對於道路及周圍環境觀察的可見範圍。視野控制技術所指的是對汽車照明燈(包括前照燈、鑰匙孔照明燈、車門燈和日光燈)和轉向信號燈的電子控制,以及對電動雨刷、洗滌器和除霜器等的電子控制。
方便性除了指駕駛員、乘員進出車廂和行李貨物裝卸方便之外,還包括了對汽車電動門窗、電動門鎖與點火鑰匙鎖、電動後視鏡、電動車頂(天窗)等的控制。車身電控設備主要包了括照明系統、自動座椅系統(如存儲式座椅)、自動空調系統、自動雨刷、車窗系統,以及多媒體系統等。
目前車身電控技術的發展趨勢,將進一步滿足使用者個性化的需求,更強調乘坐舒適性、安全性和環保性。先進的駕駛和乘坐資訊系統,如車輛遙控檢測、智慧型汽車防盜、乘坐適應性控制、42V電子系統與環保設計系統等。
X-By-Wire系統,主要是由3個部分組成,其中則是包括了控制系統、執行系統,以及通訊系統。
控制系統的功能是根據駕駛員的想法和車輛行駛的狀況,給予系統控制器預備執行的設定值。而執行系統的功能則是在控制系統的控制之下,執行具體的動作(如轉向、煞車等)。通訊系統的功能則是執行控制系統和執行系統內部,以及它們之間的資訊傳輸。
電子技術目前已經廣泛應用於汽車的各個領域,大大地改善了汽車的綜合性能,使汽車在安全、節能、環保與舒適等各方面都有更大的進步。
汽車電控技術發展的最新動向包括了:智慧型控制方法的導入(自適應控制、模糊控制、神經網路控制、魯棒控制與最佳控制等)。控制系統開發方式的革新(車載CAN網路的採用、現代開發工具dSPACE的運用、層次化系統結構和X-By-Wire控制方式開發等)。控制系統單元技術的發展(半導體、多重通訊FDI與故障診斷支援、 ECU軟體發展系統等)。
汽車電子所應用的範圍是愈來愈廣,將來類似多年前李麥克所駕駛的「夥計」,這一類超人性化的概念車,將不再會是夢想,而汽車也將成為人類親密的夥伴。