■ 汽车电子化

日文中訳;
モータは燃費向上の陰の立役者
马达是汽车省油的功臣

人類と他の動物との最大の違いは何か?について、過去から現在に至るまで、さまざまな見解が示されてきました。代表的なものの一つに、「道具を使うこと」があります。しかし、実際には動物の中にも石や木の枝などを使って餌を獲るものがいて、しかも使いやすいようにそれらを加工するケースも確認されたため、昨今では「道具を作るための道具を作れるのは人間だけ」などと言い換えられています。
人类和其它动物最大的区别是什么?对于这个问题,从古至今有各种各样的观点。其中具有代表性的一个观点就是“人会使用工具”。但是,实际上也有其它能使用石子儿或树枝来获取食物的动物。不过,只有人类会为了使用方便而对工具进行加工,也就是说,只有人类能制作出加工工具的工具。

ともあれ、人類の文明社会が道具の発明と改良によって進歩を遂げ続けてきたことに違いはありません。そして昨今の「道具」の多くは、エレクトロニクス技術の導入と発展によって、より便利に、より高機能に、そしてより使いやすいものへと変貌を遂げています。
不管怎样,人类文明社会是随着工具的发展、改良而不断发展的,这一点是没错的。而且,如今工具的绝大多数是随着电子技术的引入和发展而变得更便利、更高性能、更方便。

■クルマと電気はもともと切り離せない関係
汽车和电气原本就是不可分离的关系

その代表として、クルマを例に考えてみましょう。クルマは、もともと電気なしには成立しない製品です。ガソリンエンジンは、点火プラグから放出される電気火花で燃料に着火しなければ作動しませんし、セルフスターターモータがなければエンジンの始動さえ大仕事になってしまいます。前照灯やワイパーがなければ夜間や雨天時には走行できませんし、ブレーキランプや方向指示灯(ウインカー)がなければ衝突事故が多発することは必至です。仮に、これらを「クルマを動かすために必要な電装品」と分類しておきましょう。
汽车,如果没有电子部件的话就不能称之为汽车。汽油发动机要由火花塞发出电火花引燃燃料才能发动;若没有安全启动马达,仅仅是发动机启动的话,是不能行使的。如果没有前照灯或雨刷,晚上或雨天就不能行使;如果没有刹车或方向指示灯,交通事故一定会增多。下面,我们将这些“汽车行使必须的电装品”进行分类。
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一方で、エアコンやカーオーディオ、カーナビゲーションなど、乗車中の快適性を高める電装品の充実によって、クルマは商品価値を高めてきました。また最近では、エンジンなど各部の電子制御に必要なセンサ情報の一部を、ドライバーが理解しやすい形で表示することで、より良い運転の実現に寄与する機構の搭載も進められています。
一方面,随着空调、音响、导航等这些提高乘车舒适度的电装品的使用,汽车的商品价值得以提升。最近,发动机等各部位的电子控制程序以更容易让人理解的方式传达给驾驶者必要的信息,驾驶更为方便。

その時々に消費している燃料の量が直観的にわかる「瞬間燃費計」はエコ運転の実現にたいへん有用ですし、オイル交換などの時期を知らせてくれる機構はクルマの調子を維持する上で役立ちます。外気温計は「気温が3度以下になったら路面凍結防止に注意」との目安になりますし、最近一部メーカーのクルマに搭載され始めた「運転診断機構」は、安全でエコな運転を実現するための先生役を果たしてくれます。
さらにタイヤ空気圧警告、アンチロックブレーキシステム(ABS)と車体横滑り防止機構(ESC)、衝突防止機構など、積極的な安全・安心を実現するための機構も標準搭載が進められています。これらは「快適・安全のための電装品」と分類できるでしょう。
能直观反映燃油量消耗的“瞬时计油器”对实现环保驾驶非常有用。能提醒机油更换时间的装置对维持汽车正常运转有帮助。室外温度计——室外温度“如果达到3度以下,防止路面冻结”的提醒一目了然。最近一部分汽车制造商在汽车上搭载“行使诊断装置”,这对实现安全环保行使起了引导作用。
还有,轮胎气压报警装置、防抱死系统(ABS系统)、车体横向滑动防止系统(ESC系统)、防冲撞装置等这些为积极实现安全·安心的装置也正实施标配。


さらにここ20年ほどの間で、新たなエレクトロニクス技術の重要性が高まってきました。地球環境・資源保護の観点から、燃費性能の向上が至上命題となってきたことによって、クルマの性能向上に直接役立つカー・エレクトロニクス技術群が注目されてきたのです。この分野は、まず1970年代半ば以降に点火系と燃料系が電子制御化されたことから始まりました。従来、機械機構のみで制御していた点火系と燃料系が電子制御されたことで、エンジンに送り込む燃料の量と、そこに火を着けるタイミングの自由度が飛躍的に向上。そのおかげで、エンジンの出力性能と排気ガスのクリーンさを両立させることに成功したのです。
另外,这20年间新电子技术的重要性越来越明显。从地球环境·资源保护的角度来看,随着降低油耗成为紧要命题,与汽车性能直接相关的汽车电子技术受到瞩目。这个领域首先从1970年代后期的点火系和燃油系电子化控制开始的。在此之前,点火系和燃油系是机械控制的。自从变更为电子控制后,向发动机输送的燃油量以及点火时机变得更为灵活自由。由此,发动机的输出性能以及排放废气的清洁度都得以提升。

それでも10年ほど前までは、排気量2,000ccクラスの一般的な乗用車で市街地を走った場合、ガソリン1リッターあたり10km走るかどうかという燃費性能でした。しかし昨今の同クラスのクルマは、15~20km以上走ってしまうものも珍しくなくなっています。これほどまでに燃費性能が向上した最大の理由は、世界各地でCAFE(Corporate Average Fuel Efficiency:企業別平均燃費)などの燃費規制が実施間近になってきたことです。
大概在10年前,排气量2000cc级别的普通汽车在街上行使时,1升汽油能行使10km。而如今,同级别的汽车能行使15~20km以上都不是什么稀罕事儿。之所以要如此降低油耗,其最大的原因是世界各地都在实施CAFÉ(各企业平均油耗)的燃油限制规定。

CAFEとは、そのメーカーが販売するすべてのクルマの燃費を平均した数値が基準を満たさないと、メーカー名を公示した上で罰金を課せられたり、クルマの販売台数が制限されるという制度です。燃費が悪くなりがちな大型・高級車の販売台数が多いメーカーほど不利になるため、ラインアップするすべてのクルマの燃費改善が急務となってきたわけです。
所谓CAFÉ,是指汽车厂商销售的所有汽车的平均油耗量若不能满足基准值,厂商名将会被公示,处以罚款,并且将被限制汽车销售数量的制度。那么,耗油量大的大型车和高级车的销售数量越多对汽车厂商越不利,因此改善油耗成为了汽车厂商的当务之急。

■燃費向上をサポートするエレクトロニクス技術
帮助降低油耗的电子技术

さて、燃費向上のためのアプローチは、大別すると4種類があります。まず、エンジン自体の燃費性能を高めること。次に、なんらかのデバイスによってエンジンの苦手分野をアシストすること。走行中の抵抗を減らすこと。最後に車体の軽量化です。そして、このうちの二つまでが、エレクトロニクス技術と密接な関係を持っています。
降低油耗的方法大体可分为4种。首先,提升发动机本身的燃油性能。其次,采用某些装置来协助发动机不擅长的领域。再者,降低行驶过程中的阻力。最后就是车体本身的轻量化。这其中的两种就与电子技术有着密切的联系。
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まずはエンジン自体の燃費性能向上です。これを実現するためにできることは、そう多くはありません。突き詰めれば、「燃焼改善」「抵抗低減」「損失低減」の三つしかないと言ってもいいでしょう。そして、これらのいずれに関しても、エレクトロニクス技術が有効な解決策となってきます。
首先是发动机本身燃油性能的提升。为实现这个目的,能做的其实也不多。左思右想其实就只有3种途径:“改善燃烧”、“降低阻力”、“减少损失”。不管是其中的哪一种,电子技术都是有效的解决手段。

「燃焼改善」のために有効な技術の代表が「可変バルブリフト&タイミング機構」です。エンジンは内部の「シリンダー」に空気と燃料を混ぜた「混合気」を取り入れ、さらに圧縮してから燃焼させることで力(運動エネルギー)を取り出し、燃焼が終わったガスを外部へ放出する、という行程を繰り返しています。圧縮・燃焼中はシリンダーを密閉しておく必要がありますが、空気を取り入れる時は「吸気バルブ」を開き、排気する時は「排気バルブ」を開かなければなりません。出し入れできる空気の量は、バルブを開け閉めしている時間(タイミング)と開いている量(リフト)によって決まります。そして、最適なバルブ開閉タイミングとリフト量は、クルマの走行条件によって大きく変わってくるのです。
为改善燃烧效率,其具代表性的有效技术就是“可变气门升程&时机装置”。发动机是这样工作的:空气和燃料在气缸内混合形成混合气,再进行压缩使之燃烧产生动能,燃烧结束时气体排出。在压缩和燃烧行程中,气缸必须处于密闭状态,吸入空气时必须打开“吸气阀门”,排气时必须打开“排气阀门”。吸入排出的空气量由阀门开闭时机以及阀门升程量来决定。最合适的阀门开闭时机和升程量根据汽车行使条件的不同发生很大的变化。

20年ほど前のエンジンでは、バルブの開閉タイミングは機械的な構造によって一意に決まっていました。そのため、日常的な走行で多用する、比較的エンジン回転数の低い領域で最適なバルブ開閉量とタイミングに設定すると、エンジンを高回転まで回すことができず、「パワーのないエンジン」の烙印を押されてしまっていたのです。
20多年前的发动机,阀门开闭时机是由机械构造决定的。因此,在平常较多使用的行使条件,也就是在发动机低速运转领域设定恰当的阀门开闭时机。这样的话,发动机就不能高速运转,因此也被烙上了“阳痿发动机”的烙印。

その制約を取り払ったのが、エンジン回転数に応じてバルブ開閉タイミングを変える「可変バルブタイミング」機構です。当初は油圧機構による2段階切り替え式といった素朴なものでしたが、可変機構の中に電動モータなどによる連続化機構を加えることで、さらにきめ細かくバルブ開閉タイミングを変化させる「連続可変バルブタイミング機構」も普及しつつあります。現代のパワフルかつ燃費のいいエンジンは、この機構なしには成立しないと言っても過言ではありません。
而“可变气门时机装置”就很好地解决了这个问题,它可以根据发动机的运转数来调节阀门开闭时机。最初是油压2段替换式简单装置,后来在可变机构中追加了利用马达等的连续化装置,这样可以对阀门开闭时机进行细微调整,这就是所谓的“连续可变气门时机装置”,也渐渐得以普及。可以说,如今的大动力低油耗发动机没有这个装置根本行不通。

開閉タイミングだけではなく、バルブのリフト量をも可変化した機構も登場しています。「連続可変バルブタイミング&リフト機構」などと呼ばれ、構造はメーカーによってさまざまですが、「揺動(ようどう)カム」と呼ばれる仕組みをステッピングモータなどでコントロールする構造が主流です。
现在不仅可对阀门开闭时机进行调节,同时对阀门升程量可调节的装置也出现了。这个称为“连续可变阀门时机&升程量”的装置,其构造因汽车厂商的不同而五花八门。其中,通过步进马达控制摆动凸轮的构造装置成为主流。

また、常に最適なタイミングでバルブを開閉するためには、エンジン各部のコンディションを常に正しくモニタリングすることも重要です。そのため、エンジンは温度、圧力など多くのセンサを各部に装着し、可変機構が最適タイミングで作動するようにアシストしています。さらにこれらの情報は、点火時期や燃料噴射のタイミングにも生かされ、ECUによって統合制御されています。これらセンサ類の高機能化と、制御機構の高機能化によって、現在のエンジンは高出力と高い燃費性能の両立を実現しているのです。
另外,为了在最合适的时机开闭阀门,准确掌控发动机各部分状况是很重要的。因此在发动机各相关部位安装温度、压力等传感器,以便协助可变机构在最合适的时机运作。而且这些情报有利于点火时机和燃油喷射时机的把握,通过ECU综合掌控。通过这些传感类的高机能化和控制机构的高机能化,实现了发动机大功率低油耗的目标。

次に「抵抗低減」です。実現のために最も有効なのは、エンジンを構成する部品の精度向上ですが、エンジンの力を利用して駆動していた「補器類」の電動化も有効な手段になります。その代表が、エンジンと熱交換器の間で冷却水を循環させるウォーターポンプです。従来はエンジン出力の一部を取り出して駆動していたのですが、これを電動化することでエンジン作動中の抵抗を低減させるわけです。
其次是“降低阻力”。最有效的手段是提高发动机构成部品的精度,将原本利用发动机动力驱动的部件变为电动驱动。其代表就是在发动机和热交换机之间的冷却水循环水泵。之前是利用发动机的一部分动力驱动,电动化驱使后降低了发动机驱动阻力。

補器類の電動化は、必要な時にだけ駆動させる「オン・デマンド化」が可能となるメリットも持っていて、これが「損失低減」に効きます。機械式のウォーターポンプは、それ自体は流量調整の機能を持たず、常に作動しながらサーモスタットによって水温を調整していますが、電動ウォーターポンプなら水温の調整が必要な時だけ作動すればいいので、熱が必要以上に冷却水へ逃げてしまうことが避けられます。また、アイドリングストップ機構を備えるクルマはエンジン停止中に必要な油圧を発生させるため、専用の電動オイルポンプを備えていますが、これも燃費向上に寄与する部分と言えます。
辅助器类的电动化,可以在仅仅是必要的时候才驱动,也就是“On Demand”,这对“降低损耗”有帮助。机械式的水泵不能自行调节流量,边运作边依靠恒温器调节水温。电动水泵的话,水温仅在必要的时候进行调节,这样避免了多余的热量被冷却水带走。另外,为了使配置了怠速停止装置的汽车在发动机停止时产生一定的油压,而配置了专用电动油泵,这有助于提高燃料燃烧效率。

■ハイブリッド
智能混合动力

最後に、エンジン以外のデバイスからのアシストによる燃費向上に行きましょう。クルマは、停止状態から動き出す時と急加速をする時に大きな力を必要としますが、それ以外の状態、特に一定速度でずっと走り続けているような状態では、せいぜい30kW程度もあれば、事が足りてしまうと言われています。そこで、エンジンの排気量を従来より小さめにして基本の燃費を高めておき、大きな力が必要な時にだけ電動モータからの出力によってアシストすることで、必要な加速力を得る仕組みの「ハイブリッド自動車」が登場しました。
最后,从发动机以外的装置来提高燃油效率。汽车在从停止到启动以及急加速时需要很大的动力,一般情况下都是以一定速度行驶的状态。那么,如果最大动力是30km的话,是绰绰有余了。因此也就出现了这样一种“混合动力车”——降低发动机排气量提高燃油燃烧效率,大功率仅在必要的时候由电动马达协助完成。

少し前までのハイブリッド機構は、大別すると「エンジンを常に効率の良い領域で作動させるためにモータを使う」ものと、「エンジンの出力が弱い領域でモータにアシストさせる」ものがありました。最近はより複雑な方式のハイブリッド機構も登場していますが、モータとエンジンの協調によって燃費を向上させていることに変わりはありません。加えて「減速エネルギー回生」「アイドリングストップ」「EV走行」が、ハイブリッド自動車の燃費が向上する理由です。
之前的混合动力装置大体可分为“在驱动发动机工作的区域使用马达”和“在发动机动力弱的领域借助马达动力”。最近出现了更为复杂的混合动力装置,但是通过马达和发动机的互助来提高燃油效率这一点没变。加上“减速能量回生”“怠速停止””电动行使”这些也是混合动力车提高燃油效率的原因。
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よりシンプルな機構のハイブリッド自動車も、遠くないうちに登場すると見込まれています。特にエンジンを横置きにし、前2輪で駆動するタイプのクルマは、最終減速装置部分にモータ出力を入れ込む仕組みのハイブリッド機構が普及すると思われます。価格帯の安い車種への展開も比較的容易で、重量増加も最小限に抑えることができるなど、メリットの多い構成なのです。
在不久的将来,结构更简单的混合动力车将出现。特别是发动机横置前轮驱动汽车,最终减速装置部分成为发动机输出动力一部分的混合动力车装置将会普及。这种装置在便宜的车种比较容易应用,能将重量控制到最低限,优点多多。

クルマ用エンジンが、今後ますますモータとの連携を深めていくことは確実です。たとえば、モータスポーツの頂点であるF1用エンジンも、2014年からMGU-H(Motor Genarator Unit-Heat)と呼ばれる機構が採用されます。MGU-Hはターボチャージャーにモータ兼発電機を組み合わせたもので、エンジンの回転数が低く、排気の勢いが小さい状態では、ターボの回転数を素早く高めるためにモータとして機能します。ターボの回転数が充分に高まったら、今度は発電して駆動力アシスト用バッテリへ充電します。こうすることで、より一層高い燃費効率とハイパワーが両立できる、新世代のレーシングエンジン像が確立されるのではないかと、世界中が注目しているのです。
今后,汽车用发动机与马达的联系会越来越紧密。比如,号称马达运动顶点的F1用发动机,2014年开始采用了称之为MGU-H(Motor Genarator Unit-Heat)的装置。MGU-H是在涡轮增压机上组装马达兼发电机的装置,发动机运转数减少、排气小的状态下,采用马达动力提高涡轮运转数。一旦涡轮运转数“满格有盈”,就可以作为发电机给附属驱动力的蓄电池充电。这样,既可以进一步提高燃油燃烧率,又可以获得大动力,一举两得。由此它成为新世纪赛车发动机的标志,世界为之瞩目。
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もはやクルマの進化は、モータ、センサ、マイコン抜きには語れません。そして、それらが協調して作動している様は、実質的に「ロボット」と呼んでかまわないレベルとも言えます。カー・エレクトロニクス技術の高度化こそが、クルマの知能化と知性化を進め、新しい領域へと踏み出していくための原動力となっているのです。(原文はTDK Tech Magより)
如今,汽车离开马达、传感器、微电子将不会得到进步。而且这些装置互助作用,实质上也可以称之为“机器人”。只有更高级的汽车电子技术,才能提升汽车的智能化,同时也是向新领域踏出去的原动力。
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