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                                     文章主題: 單晶片與引擎控制(六) -- 噴油系統概念篇
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  (2006/9/2)前言 :

            其實,噴油系統相較於點火系統來說:有稍微偏離了電子電機的範疇,應該說它是少了一點電子電機,多了那麼一點機械燃燒的領域。怕這內容說起來會許多作電子電機的朋友們,看得昏昏欲睡。

            以前在學校唸書時,全班最痛苦的課就是『熱力學』!這還只是燃燒學、熱傳學的基礎課程而已。除了必修以外,學分還很重。我們的教授雖不老,但是一副老學究的樣子,上課不坐在前兩排根本聽不到他說什麼,然後,也不管學生要不要來上課,他就一副他講他的,反正,許多內容,上完課之後,若不複習或花心思考的話。您根本不知道這門學問在講什麼?!平心而論,這門課不好應付,但卻很好用∼除了那些看懂非懂得理論外,還可以建立許多邏輯思考的訓練!舉個例來說:什麼是溫度?!...人類有沒有可能有所謂的『永動機』存在?還有一個大家都聽過的:系統趨向於『最低能量,最大亂度』!什麼是最大亂度?!亂度就是Entropy(熵)∼光是這個字,就考倒所有人,看不到也摸不到,也很難體會得到,他卻主導著全人類的生活。科學有很多東西都還不敢說它是最終的理論,像牛頓先生說的運動定律: F= ma 這個公式,幾百年後竟然被天才的愛因斯坦給推翻了,(不是推翻啊∼是被找到例外的,就是在光速下,牛頓的這公式是不成立的!)但是熱力學上的三大定律(如果您把溫度的第零定律也算進去的話)。目前還沒被推翻呢。Entropy 這個觀念可以用來解釋許多科學或工程理論。....講到這裡,大家一定開始昏昏欲睡了∼∼哈∼哈∼就簡單講兩個很好玩的東西來給大家提提神:在天文學中,大家如何知道某個星系是在遠離我們呢?還是接近我們呢?!天文學家(愛因斯坦理論也可證明)就是以星雲的顏色來判斷,這個東西就是 Entropy 表現。唉∼大家可能還是不懂。換個東西講好了,大家對天氣或環境最能感受了,也知道吹冷氣會很舒服,所謂舒服,指的不是溫度,而是濕度+溫度的問題。這個東西也是熱力學的範疇。...反正,只要 Entropy 這個東西一顛倒,人類的歷史就得改寫了。好了,講一個簡單的結論我們就可以切入主題了:在夏天我們都覺得天氣熱得讓人都快要窒息了,甚至有些地方還號稱攝氏 四十幾度,對於引擎燃燒來說:他還是屬於比較涼的,所以還是可以完成引擎冷卻效果的,這也是熱力學他的魅力所在!若是您還是很難理解的話,您可以買一本熱力學回家催眠.. Z..z...(不知道有多少念機械的人會出來打我?)

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        現在的引擎控制都已經提升到所謂引擎管理系統(EMS, Engine Management System)了,反正,現在的電子系統這麼厲害,就讓他忙一點,也是應該的。反正,人類的理論基礎一大堆,就可以全擺進來了。所謂EMS 就是:

(這些資料是版主近十年前整理的,還到各個相關公司演講過的呢!只是與其要放在腦袋裡,還不講一講,清一清一下Memory !唉∼年紀大了,腦筋就不行了,就趕快寫下來吧!)

點火系統有稍微提過了,就不講了,至於噴油系統呢?先看歷史演進:

(PS: Bendix 這家公司已經不在了,若要嚴格的說,他就是現在的Siemens!反正賣來賣去的,但也不知道,現在的Siemens 又變成怎麼樣子了!?還有一個很好玩的現象,好像每一大洲都至少有一家喔!?)

        上述的這張圖表示以BOSCH 的系統為主的,至少它是一家老字號的公司。以前版主還聽說過:其實他們早期真正在寫噴油單晶片程式的也是在外面的小小一家公司。不過無法證實,或許是吧∼反正以前微軟也是這樣子。所以一點也不意外吧。要寫程式也得先看系統的操作模式:

這樣寫,大家可能還是看不太懂,換個方式吧。

            反正,大家都是常開車的,想必大家稍微留意一下就可以體會得到的。反正不管是哪一種方式,最終無非就是要算出引擎所需的噴油量吧:下表所示的就是所謂的函數關係。

        其實,其中的『油門位置』指的就是引擎負壓,還要經過氣體方程式來求得空氣流量。引擎轉速的東西,就跟我們作電子電機的比較容易體會得到,反正有些馬達控制也用得到。因為引擎燃燒的重要要素就是所謂的 空燃比(A/F,空氣與燃油比)。在程式裡是事先設定每個操作點所需的空燃比,然後依據量到的空氣量,在反推所需的燃油量,在經由單晶片微控器送控制脈波,每次噴油量,就是一組脈波寬度!所以,空氣流量的量測就很重要了:

        版主認為 BOSCH 的 Hot-Wire 的量測最好了,他算是第一種的質量流方法,它是利用進器歧管中的一根加熱線來量的,因為不同的空氣流量會有不同的熱傳結果,而在熱傳理論中,熱傳量的空氣值,就是重量值,而空燃比要的就是重量值,其他一些引擎控制系統所用的大部分是壓力感測器,量到的是壓力,在依據溫度與氣體方程式再推算出空氣重量。 另外一點是:您要量引擎進氣管壓力的話,就必須保證壓力能穩定的可以量測,所以這種量測方法往往需要一個比較大的Surge tank,就是大家打開引擎蓋可以看到在引擎進氣端濾清氣的那個大大的黑盒子啊!那個可不是裝好看的喔。我是不知道現在的機車噴油系統是採用哪一種方法啊?!以前我個人覺得機車是比較難作到這點。有知道的,也可以提供給版主『聞香』一下。採用速度密度法(就是量壓力的)的程式會比較複雜一點。不過,前兩天還有朋友打電話跟我說:現在又有新的感測器了∼唉∼關我什麼事?我已經不作這一行很久了囉。

        再來推計算公式:

        反正,大家就看一看吧∼人家推這個公式可不推好玩的,人家可真的寫進程式裡耶,所以,不要以為大家會寫單晶片韌體就可以了,您還得有一點數學底子。其中有個『噴嘴規格修正值』稍後在稍微解釋一下,因為他跟我們作電子電機有關的。

        上面的公式我們利用兩家(GM 的 Delphi 與Simens )的例子來說明好了,大家發現其實也蠻容易的。反正,數學嘛∼就是工程上的工具嘛!

        美國人就是『落落長地』寫了一大堆,不過,也蠻容易看出他的道理,但版主覺得以寫程式來說的話,法國人那個公式就厲害多了。所謂LOAD 指的就是我們上述的空氣量(負載負壓)。整個公式被三個常數給限制住: K1, K2 及K3 。不知大家的線性代數好不好?版主認為應該還可啦∼因為這麼像這麼駑鈍的版主都可以悟到,想必大家也可以。K1 是位移量。就是所謂的 Offset ,這個比較簡單。至於K2 與K3 就是一組相乘關係,尤其K2 是一大串的數學函數,還是乘以Load 的乘數。所以,式子的基本精神就是負載越大,噴油量就越大的線性關係。這點是絕對符合引擎控制的基本概念,但是,每具引擎也不太可能都同一個樣子或特性,也不可能是線性度那麼好,所以,才會有這幾個未定義的 K1, K2 及 K3 。若 K2 是常數(Constant) ,這個式子就是一次線性。若 K2 = f(LOAD) 的話,他就是二次函數 ... 以此類推,所以您要幾階的幾次的線性代數,您就重新定義K2 就可以了。不知大家有沒有聽過數學上的一個名詞:Curve fitting ?!他的意思就是說:在線性代數中,無論您的函數曲線有多複雜,就是可以用幾元幾次的方程式可以表示出來的(或是說『逼近』出來的)!!這就是這個方程式厲害的地方。所以,只要K2 是用查表的,而且查表的方式是跟LOAD 有關的,那他就是多元方程式了!所以,在引擎控制理論中為什麼會常用到所謂查表功能,也絕對不是隨隨便便查表的,人家真的是有數學理論基礎的。這樣子懂了嗎?!

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            好啦∼講完簡單的基本概念外,來講一個跟電子電機有關的:燃油噴嘴。

            燃油噴油嘴基本上為一電磁閥(solenoid),但其基本操作線性範圍與操作反應時間,都與其繞線或鐵粉芯基本材質有密切關係。若缺乏此基本數據,於電子控制單元中的程式或參數查表上就無法找出依據(就是版主上述文章中的那個『噴嘴規格修正值』)。譬如下面兩張圖來看:噴嘴線圈的驅動方式可分成Peak and Hold Saturation 兩種方式,在電子電路及控制韌體程式上,基本上都是送一組控制脈波,但反應到線圈上的電流特性卻是完全不同的,所造成的噴油量也不同,而這些數據均屬於各EMS方案提供者的核心知識,此外,EMS系統也是要搭配噴嘴零組件銷售的。所以,您們知道嗎?早期我們還不容易買到這一顆專用的功率晶體呢(以前是Motorola的零件)!!人家是搭配他的機械噴嘴在賣的呢!您們要說要作車用電子?!您們有看到這一塊嗎?

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          好了,要寫個小結論了:以作電子技術的觀點來看燃油噴射系統來說:是比較辛苦的,因為真的要稍微跨一下領域的。而且,控制噴油系統也不如控制點火系統來得顯而易見,因為從噴嘴把油送出後,還要一段距離才會到達汽缸內,這過程還是得考慮所謂燃油 Wall Wetting 的問題。所以,人家全球才會想發展所謂『缸內直噴技術』,這一點柴油引擎就作得比較快,因為柴油引擎的需求比汽油引擎來得強烈,所以投入的研究也相對比較大也比較早,當然,若柴油引擎可以克服的話,汽油引擎的問題就可迎刃而解。『缸內直噴技術』有什麼技術困難點?!簡單來說:就是高溫高壓的問題。噴嘴必須承受更高的背壓(才可以把燃油很漂亮的霧化)與汽缸內的高溫。所以,人家有興趣搞引擎的就有所謂人生目標了吧!

            那各位看官,您的興趣想搞什麼啊?!那您的目標又是什麼啊?!而這個目標對於國家社會,乃至於人類的影響程度為何啊?

謝謝各位。 (09/02/2006)

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