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Vol.1 电推动汽车进化 ~第一部分~ 电动机是提高燃油效率的幕后主角

人类与其他动物的最大区别是什么?对此,从过去到现在有过各种各样的说法。其中一个最具代表性的说法是“会不会使用工具”。但实际上有些动物也会使用石头、树枝等来获取食物,会对这些工具进行加工以方便使用,这样的例子已得到证实,因此,现在应该换种说法,“只有人类才能够制造用来制造工具的工具”。

不管怎么说,人类的文明社会因发明并改良工具而不断进步,这是不争的事实。而现在的许多“工具”,由于电子工程技术的引进与发展,实现了向更便利、更高功能、且更易于使用的方向转型。

汽车与电原本就是密不可分的关系

作为其代表,让我们以汽车为例来看一看。汽车本来就是没有电就无法成立的产品。汽油发动机如果没有火花塞放出电火花点燃燃料,就无法工作,而如果没有自启电机,连发动机的起动都将成为非常费力的工作。如果没有大灯和雨刷,夜间和雨天就无法行驶。没有刹车灯和方向指示灯(转向灯),必然会频繁发生撞车事故。暂且让我们把这些部件分类为"开动汽车所需要的电气设备"吧。

另一方面,由于空调、汽车音响、导航系统等提高汽车舒适度的电气设备变得更加丰富,汽车的商品价值在不断提高。最近,将发动机等各个部分的电子控制系统所需要的一部分传感器信息以司机便于理解的形式表示出来的系统也纷纷被投入使用,以助于实现更好的驾驶。

随时可以直观掌握燃料消耗量的“瞬时油耗表”对实现绿色驾驶非常有用,而通知我们何时换油等的系统则有助于维持汽车的状态。车外温度计的目的在于提醒“气温降至3度以下时要注意路面冻结情况”,而近来部分厂家开始在汽车上安装“驾驶诊断系统”,则可指导我们做到安全、绿色的驾驶。

此外还有胎压警告、防抱死制动系统(ABS)以及防侧滑系统(ESC)、碰撞防止系统等可积极实现安全放心驾驶的系统也越来越多地成为标准配置。这些可以归类为“舒适安全所需的电气设备”。

最近约二十年来,新电子工程技术的重要性在不断提高。从地球环境、资源保护的观点出发,提高燃料效率成为最重要的课题,因此,能够直接促进汽车性能提高的汽车电子工程技术备受关注。该领域首先始于20世纪70年代中期以后点火系统和燃料系统的电子控制化。以往只能依靠机械机构控制的点火系统和燃料系统实现电子控制后,送入发动机的燃料量和发动机点火时间的自由度得到了飞跃性的提高,从而成功做到发动机输出性能与尾气清洁度兼顾。

即便如此,燃油效率一直到大约10年前,像排气量为2,000cc级的普通轿车在市区行驶时,每升汽油也就能跑10km左右,而现在同级别汽车行驶15~20km也不足为奇。燃油效率得到如此程度的提高,最大的原因是世界各地即将开始实施CAFE(Corporate Average Fuel Efficiency:企业平均油耗)等油耗管制。

CAFE是一种对所销售的所有汽车的油耗平均值达不到标准的厂家予以曝光并处以罚款金、限制汽车销售数量的制度。高油耗的大型汽车、高级汽车销售量越大,对该厂家就越不利,所以改进全线汽车的燃油效率就成了当务之急。

支持燃油效率提高的电子工程技术

要提高燃油效率,方法大致可分为4类。首先是提高发动机自身的燃油效率;第二是通过某些装置来弥补发动机的薄弱环节;第三是减少行驶中的阻力;第四是使车体轻量化。而这里的前两种方法都与电子工程技术有着密切的关系。

首先是提高发动机自身的燃油效率。为了实现这个目标可做的事情并不多。具体来说,也就“改善燃烧”“减少阻力”“降低损失”这三项。而对于这其中的任何一项,电子工程技术都是最为有效的解决对策。

“改善燃烧”最为有效的代表性技术是“可变气门升程与正时系统”。发动机将混合了空气和燃料的“混合气”送入内部的“气缸”中压缩后点燃,释放出力(运动能量),燃烧完毕的气体排到外部,这一行程不断重复。压缩、燃烧时气缸必须密闭,送入空气时打开“进气门”,排出气体时打开“排气门”。可进出的空气量由开闭气门的时间(正时)与打开的量(升程)决定,且最佳气门开关时间和升程量会因汽车的行驶条件不同而发生很大变化。

大约20年前的发动机,气门的开关时间仅由机械结构决定。因此,如果按多用于日常行驶且发动机转速较低的领域设定最佳气门开关量和时间,那就无法使发动机高转速运转,从而被打上“发动机乏力”的烙印。

消除这种制约的是能够根据发动机转速改变气门开关时间的“可变气门正时”系统。最早采用的是液压系统两级切换的简单方式,在可变机构中加入电动机等连续化系统、从而能够更加细致地改变阀门开关时间的“连续可变气门正时系统”也在不断普及。毫不夸张地说,现代动力强大且燃油效率良好的发动机如果没有这个系统就无从谈起。

不仅可改变开关时间、还可改变气门升程量的系统也已问世。这种系统称作“连续可变气门正时与升程机构”等,虽然其结构会根据不同的制造厂家而有所不同,但用进步电机等控制的、称作"摆动凸轮"的系统成为了主流。

另外,为保持在最佳时间开关气门,持续对发动机各部位的状态进行准确监控也非常重要。为此,发动机的各个部位安装有大量温度、压力等传感器,帮助可变系统在最佳时间工作。这些信息也用于点火时间及喷油时间的设定,通过ECU进行集成控制。由于这些传感器的高功能化和控制系统的高功能化,现在发动机已成功实现高输出和低油耗。

其次是“减少阻力”。要减少阻力,最为有效的方法是提高组成发动机的零部件的精度,用发动机驱动的“辅助装置”的电动化也是非常有效的手段。其代表是使冷却水在发动机与热交换器之间循环的水泵。以往该装置利用消耗发动机的部分输出来驱动,实现电动化后,减少了发动机工作时的阻力。

辅助装置的电动化还有一个优点,它使“定制化”成为可能,即仅在必要时驱动,这对于“降低损耗”非常有效。机械式水泵本身不具备流量调节功能,需要一边工作一边通过恒温器对水温进行调节。而电动水泵只在需要调节水温时工作即可,可以避免热量过多地被冷却水带走。另外,配备怠速熄火系统的汽车装有专用的电动油泵,可在发动机停止时产生需要的液压,这也有助于提高燃油效率。

以混合动力实现智能化

最后,我们来看看发动机以外的装置是如何帮助提高燃油效率的。通常汽车在停止状态下启动时以及突然加速时需要很大的力,但在除此以外的状态下,特别是以一定速度连续行驶的状态下,只要有30kW左右的动力就足够了。于是“混合动力汽车”应运而生,这种系统的发动机排气量小于传统汽车,基本油耗降低,仅在需要较大动力时才利用电动机的输出得到辅助,获得需要的加速动力。

一直到前段时间,混合动力系统大致分为“使用电动机使发动机保持在高效率领域运转”的系统和“在发动机输出较弱的领域使用电动机进行辅助”的系统。最近又出现了方式更为复杂的混合动力系统。不过,通过电动机与发动机之间的协调配合来提高燃油效率这一点并没有改变。另外,“减速能量回收”、“怠速熄火”“EV行驶”也是混合动力汽车燃油效率提高的原因所在。

可以预见,不久的将来会诞生结构更为简单的混合动力汽车。特别是发动机横置、用两个前轮驱动这种类型的汽车,在最终减速装置部分加入电动机输出系统的混合动力系统将会普及。这种系统有很多优点,如比较容易在价格较低的车型推广,能将重量增加控制在最小限度等。

无疑汽车发动机今后与电动机的合作将会越来越深入。譬如,顶级的汽车运动F1发动机也将从2014年开始采用被称作MGU-H(Motor Genarator Unit-Heat)的系统。MGU-H是涡轮增压器与电动机兼发电机组合而成的系统,在发动机转速低、排气小的状态下用作电动机以快速提高涡轮转速,当涡轮转速充分提高后便开始发电,为驱动动力辅助电池充电。这种方式能否得到更低的油耗和更高的动力、能否成为新一代赛车发动机?全世界都在关注着。

如今汽车的进化离开电动机、传感器、微型计算机就无从谈起。而且,这些设备协调运转的状态实质上已经达到了堪称“机器人”的水平。正是汽车电子工程技术的不断进步在推动汽车的智能化和知性化,并成为向新领域迈进的原动力。

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