寶馬車(chē)電子控制基礎(chǔ)知識(shí)(四)

◆文/山東 劉春暉

(4)發(fā)電機(jī)

每輛車(chē)都有自己的發(fā)電站——發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的任務(wù)是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為用電器提供電能同時(shí)為蓄電池充電。

寶馬車(chē)輛使用發(fā)電機(jī)的歷史已超過(guò)70年，最早的發(fā)電機(jī)用于為照明裝置供電。發(fā)電機(jī)(圖52)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機(jī)由內(nèi)燃機(jī)通過(guò)多楔帶驅(qū)動(dòng)。發(fā)電機(jī)以固定方式安裝。

①發(fā)電機(jī)原理

如圖53所示，發(fā)電機(jī)工作原理與電機(jī)工作原理相反。發(fā)電機(jī)的功能也以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)。通過(guò)磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)，促使轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈回路內(nèi)的電子移動(dòng)。此時(shí)產(chǎn)生電壓和電流流動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)180°，所產(chǎn)生的電壓就改變一次方向(極性)。這樣就產(chǎn)生了交流電壓(圖54)。車(chē)內(nèi)用電器、蓄電池和點(diǎn)火系需要直流電壓。因此必須將所產(chǎn)生的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。交流發(fā)電機(jī)的部件結(jié)構(gòu)如圖55所示。

②交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

交流發(fā)電機(jī)的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖56所示，定子內(nèi)有三個(gè)以“星形”方式連接的線(xiàn)圈。線(xiàn)圈的起始點(diǎn)分別標(biāo)有字母U、V、W，星形交叉點(diǎn)以字母N標(biāo)出。線(xiàn)圈接頭與整流器電路連接。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(電磁鐵)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)定子線(xiàn)圈內(nèi)都產(chǎn)生交流電壓。

交流電流在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度和方向連續(xù)變化的磁場(chǎng)。這三個(gè)磁場(chǎng)的共同作用形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。線(xiàn)圈在定子內(nèi)的這種布置使所產(chǎn)生的三個(gè)交流電壓彼此錯(cuò)開(kāi)120°(圖57)。然后由九個(gè)二極管組成的電路將交流電壓整流形成直流電壓(圖58)。

這個(gè)直流電壓還取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。即怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓較低，滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)電壓較高。因此安裝一個(gè)調(diào)節(jié)器以使電壓保持恒定。調(diào)節(jié)器不斷將車(chē)載網(wǎng)絡(luò)電壓與發(fā)電機(jī)電壓進(jìn)行比較。

通過(guò)改變勵(lì)磁電流強(qiáng)度調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓。只要發(fā)電機(jī)電壓保持在14V，則不再改變勵(lì)磁電流強(qiáng)度。車(chē)載網(wǎng)絡(luò)電壓降低時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)的勵(lì)磁電流升高且電壓上升。但是，為使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)也必然消耗更多的功率。發(fā)電機(jī)電壓超過(guò)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)電壓時(shí)，則中斷勵(lì)磁電流。

③智能化發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)功能

在新款寶馬車(chē)輛內(nèi)使用了智能化發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)功能IGR。在滑行模式下IGR利用以前未利用的動(dòng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。因此無(wú)需消耗發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和燃油即可產(chǎn)生電流并提供給車(chē)載網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)不能使蓄電池保持電量充滿(mǎn)狀態(tài)，而是必須確保蓄電池電量在規(guī)定限值以?xún)?nèi)。電量充滿(mǎn)的蓄電池?zé)o法吸收能量。因此由IGR來(lái)防止達(dá)到這種充電狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)IGR功能，車(chē)輛蓄電池的負(fù)極接線(xiàn)柱上需要安裝一個(gè)智能型傳感器且發(fā)電機(jī)上需要帶有一個(gè)通信接口。發(fā)電機(jī)的電路符號(hào)如圖59所示，常見(jiàn)發(fā)電機(jī)電路如圖60所示。

(5)交流電動(dòng)機(jī)

電機(jī)中還有一個(gè)重要類(lèi)別是交流電動(dòng)，一般在工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛，寶馬除了有部分油泵采用交流電機(jī)之外，目前在車(chē)上應(yīng)用較少。但是隨著混合動(dòng)力車(chē)型的推廣，交流電機(jī)在車(chē)輛上也得到越來(lái)越多的應(yīng)用。以寶馬使用的交流電機(jī)為例進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

在混合動(dòng)力的車(chē)上使用的交流電機(jī)，既可作為交流發(fā)電機(jī)使用，也可作為交流電動(dòng)機(jī)使用。圖61突出顯示電動(dòng)機(jī)的主動(dòng)變速器剖面圖。如圖62所示，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的內(nèi)部主要是由定子和轉(zhuǎn)子組成的，應(yīng)用的是電磁感應(yīng)原理(圖63)。

①定子

定子即定子繞組或電樞繞組，由三組繞組組成，連接方式跟常規(guī)車(chē)用交流發(fā)電機(jī)一致。

②轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子有兩種形式，一種是線(xiàn)圈即勵(lì)磁繞組，線(xiàn)圈通入直流電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，其有效勵(lì)磁磁通與靜止的電樞繞組相交鏈。還有一種是永磁式的，即寶馬目前使用的形式。

作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場(chǎng)切割定子線(xiàn)圈，每一組定子線(xiàn)圈內(nèi)都會(huì)生成交流電動(dòng)勢(shì)，三組線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生三相交流電，工作原理和常規(guī)的交流發(fā)電機(jī)相同。

作為電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，控制系統(tǒng)將直流電源經(jīng)過(guò)逆變電路變成三相交流電，并通過(guò)三相電纜加載在定子線(xiàn)圈上，每一組定子線(xiàn)圈上都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交替變換的磁場(chǎng)，就可以在起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與定子的磁場(chǎng)交互作用，就可以推動(dòng)定子按預(yù)設(shè)的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，于是電機(jī)就變成了起電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。

在作為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)需要知道轉(zhuǎn)子的位置和角度，以確定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向(比如E72)，通過(guò)控制三相繞組交流電通電的順序控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。通過(guò)控制三相繞組內(nèi)電流的大小控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小，即控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.繼電器

簡(jiǎn)而言之，繼電器是一個(gè)遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)。繼電器是使用歷史最長(zhǎng)的電工學(xué)元件。盡管如此在現(xiàn)代車(chē)輛上仍廣泛應(yīng)用。繼電器主要用于利用控制電路內(nèi)較低的功率控制功率較高的電路。利用一個(gè)控制電路同時(shí)控制多個(gè)負(fù)荷電路，從電氣角度將控制電路與待切換的電路分開(kāi)。

如圖64所示，機(jī)械式繼電器通常依據(jù)電磁鐵工作原理工作。線(xiàn)圈內(nèi)的電流產(chǎn)生通過(guò)鐵磁芯的磁流。電樞也由鐵磁材料制成且受磁力吸引。因此使電氣觸點(diǎn)閉合，電流在負(fù)荷電路中流動(dòng)。

如圖65所示以燈泡電路為例對(duì)繼電器的工作原理加以說(shuō)明。如果線(xiàn)圈未受控制電流的激勵(lì)作用(開(kāi)關(guān)2未閉合)，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)且白熾燈泡不亮起?？刂齐娏鹘油?開(kāi)關(guān)2閉合)時(shí)激勵(lì)線(xiàn)圈。從而形成一個(gè)吸引電樞的磁場(chǎng)并使工作觸點(diǎn)閉合。因此負(fù)荷電路接通，白熾燈泡亮起。

工作時(shí)通過(guò)控制電流使負(fù)荷電路閉合的繼電器稱(chēng)為常開(kāi)繼電器。工作時(shí)通過(guò)控制電流使負(fù)荷電路斷開(kāi)的繼電器稱(chēng)為常閉繼電器。還有一種將兩種繼電器類(lèi)型結(jié)合在一起的切換繼電器，即工作時(shí)使一側(cè)工作觸點(diǎn)斷開(kāi)，另一側(cè)工作觸點(diǎn)閉合。為能夠區(qū)分插頭線(xiàn)腳上的連接點(diǎn)，繼電器蓋罩上帶有針腳說(shuō)明(圖66)。

3.壓電式噴射器

與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，HPI缸內(nèi)直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于燃油系統(tǒng)卻有著較高的要求。寶馬采用的缸內(nèi)直噴的系統(tǒng)使用了兩種噴油器，一種使用電磁閥式(N55，N73)高壓噴射閥，結(jié)構(gòu)在很大程度上與傳統(tǒng)的噴射閥相似(圖67)。如圖68所示，還有一種是壓電式噴射器(N43，N53，N54，N63，N74使用)，其安裝位置如圖69所示。

對(duì)于缸內(nèi)直噴的噴油器，必須要精確控制噴束導(dǎo)方向，確保噴入的燃油錐束保持穩(wěn)定，即使燃燒室內(nèi)受壓力和溫度的影響。

壓電噴射器可產(chǎn)生最高200bar(1bar=100kPa)的噴射壓力并使噴嘴針以極快的速度打開(kāi)。這樣可擺脫受氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)間限制的工作循環(huán)而向燃燒室內(nèi)噴射燃油。

壓電噴射器與火花塞一起集成在進(jìn)氣門(mén)與排氣門(mén)中間的汽缸蓋內(nèi)。安裝在此處可避免噴入的燃油沾濕汽缸壁或活塞頂。通過(guò)汽體在燃燒室內(nèi)的移動(dòng)以及穩(wěn)定的燃油錐束可均勻形成均勻的燃油空氣混合氣。氣體移動(dòng)一方面受進(jìn)氣通道幾何形狀的影響，另一方面也受活塞頂形狀的影響。噴入燃燒室內(nèi)的燃油通過(guò)增壓空氣形成渦旋，直至點(diǎn)火時(shí)刻前在整個(gè)壓縮室內(nèi)形成均勻的混合氣。

(1)壓電噴射器的結(jié)構(gòu)

如圖70所示，壓電噴射器主要由向外打開(kāi)式噴嘴針、壓電元件和熱補(bǔ)償器三個(gè)總成組成。壓電元件通電后膨脹使噴嘴針向外伸出閥座。為了能夠承受相應(yīng)閥門(mén)開(kāi)啟升程的不同運(yùn)行溫度，噴射器裝有一個(gè)熱補(bǔ)償元件。

向外開(kāi)啟式噴嘴針如圖71所示，噴嘴針從其錐形針閥座內(nèi)向外壓出。因此形成一個(gè)環(huán)狀間隙。加壓后的燃油經(jīng)過(guò)該環(huán)狀間隙形成空心錐束，其噴射角度與燃燒室內(nèi)的背壓無(wú)關(guān)。

如圖72所示，噴射過(guò)程中壓電噴射器的噴射錐束(1)可能會(huì)擴(kuò)大(2)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部會(huì)形成炭煙，因此這種現(xiàn)象在一定程度內(nèi)是允許出現(xiàn)的且很常見(jiàn)。但是，如果噴射角度擴(kuò)大后噴射到火花塞上，則會(huì)導(dǎo)致火花塞損壞。

(2)壓電元件

噴射器內(nèi)不再通過(guò)電磁線(xiàn)圈，而是通過(guò)一個(gè)壓電元件使噴嘴針移動(dòng)。如圖73所示，壓電元件是一個(gè)電氣機(jī)械式轉(zhuǎn)換器，由一種陶瓷材料制成，可將電能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能(作用力/行程)。壓電式打火機(jī)是大家熟悉的一種壓電應(yīng)用形式：向一個(gè)壓電晶體施加壓力產(chǎn)生電壓，直至產(chǎn)生火花并點(diǎn)燃?xì)怏w。采用壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)施加電壓使晶體膨脹。

為了達(dá)到較大的行程，壓電元件可以采用多層結(jié)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊由機(jī)械串聯(lián)、電氣并聯(lián)的多個(gè)壓電陶瓷材料層組成。壓電晶體的偏移程度取決于所施加的電壓，最多可達(dá)到晶體的最大偏移量；電壓越高行程越大。

(全文完)