汽车的工作原理

khz9725

30年来，汽车产品的发展和技术进步几乎都与汽车电子技术的应用相关，可以说，汽车电子化程度的高低已成为衡量汽车综合性能和现代化技术水平的重要标志。
    按照对汽车行驶性能的影响，可把汽车电子产品划分为两类：一类是车载汽车电子装置，它是在汽车环境下能独立使用的，与汽车本身性能无直接关系的电子装置。它们包括汽车信息系统、导航系统：音响和电视娱乐系统、车载通讯系统、上网设备等。另一类是汽车的电控装置，它们一般要和车上的机械系统配合使用，包括发动机、底盘、电身等电控装置，它们将直接影响汽车的各种性能。
    这些电子产品在汽车上的厂泛使用，将促进汽车自动化，智能化，使汽车、社会与环境更加和谐发展。
    一、电控技术在汽车上的应用
1．汽油发动机
    电控技术在汽油发动机上得到广泛应用，包括点火装置、汽油喷射、排气再循环、电动油泵、发动机增压、废气后处理和系统自我诊断等方面。其中电子燃油喷射（EFI）最为典型，它以ECU（电控单元）为控制中心，根据传感器测得的发动机各种参数，按照预先设置的程序，精确计算出进入气缸的空气量，通过控制喷油器调整供油量，使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气，保证发动机处于最佳的工作状况。
    现代汽油发动机已从单项的点火电控开始，逐步发展为综合控制，即发动机管理系统。它包括喷油喷射控制（EFI或GDI直喷）、点火时刻控制（ESA）、爆震控制、电控节气门（ETCS）、怠速控制（ISC）、可变气门／升程控制、进气控制、炭罐净化控制、燃油泵控制、氧传感器加热元件控制、可变气缸排量控制和自诊断系统等。
2．柴油发动机
    柴油机的电控技术主要应用于高压喷射，废气再循环，废气后处理装置等。在高压喷射系统中采用先进技术是泵喷嘴和共轨燃油喷射系统。
    其共轨燃油喷射系统由高压油泵，电磁阀、压力传感器和电控装置所组成，它与泵喷嘴等喷油系统不同，是将燃油压力的产生和喷油过程彼此完全分开的一种供油方式。共轨系统中燃油压力由高压泵产生，储存在共轨内，时刻准备喷射。其压力的大小与发动机转速无关，共轨中的燃油压力由电磁阀控制，电控单元则作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制喷油全。
    共轨燃油喷射集计算机控制，现代传感技术和先进喷油器于一身，它不仅能达到较高的喷油压力，头现喷油压力和喷油量的控制，还能买现预喷，后喷多次喷射从而优化了喷油特征，降低了柴油机的噪声，减少了废气排放。
3．变速器
    变速器中采用电控装置的有手／自一体变速器、自动变速器和无级变速器多种，以电控自动变速器为例，其自动换档系统由计算机或微处理器控制。电子控制装置是控制系统的核心，它通过检测节气门位置、车速、输入轴转速等传感器直接传输的信号。以及发动转速、发动机水温、进气温度等参考信号，操纵液压系统中各个控制阀的动作，实现自动换档，自动控制离合器及油门开度。并能自动选择最佳换档控制，得到最佳档位和换档时间。它具有加速性能好，灵敏度高，能准确地反映行驶负荷和道路条件等优点。
4．转向系统
    当今，采用电控技术的转向系统由电控液压动力转向、电动动力转向和线控转向三种。典型的电控（电动）动力转向系统由机械转向装置、助力电机、电磁离合器、减速器、扭矩传感器、车速传感器和电控单元（ECU）等组成。系统以电动机取代传统的液压助力缸为动力源，转向盘转动时，扭矩传感器将检测到转向盘上的扭矩信号和专项信号传递给电控单元，电控单元又同时接受来自车速传感器的车速信号，经数据分析，由电控单元向助力电机发出指令，使其产生适当的扭矩带动转向轮进行转向。
    电控动力转向系统能自动改变转向盘的操纵手感，使手操纵力能根据车速的变化随时自动进行调节，低速行驶时转向灵活，变轻；加速和高速行驶转向变重。
5．制动系统
    ABS（制动防抱系统）是制动系统中典型的使用电控技术的装置。它由车轮转速传感器，液压调节器和电控单元所组成。在汽车制动过程中，电控单元检测各车轮车速传感器输入的信号，按特定的程序和计算方法，判断出哪一个车轮有抱死的趋势，并转变为控制信号，通过调节液压调节器中电磁阀的电流速度，改变滑阀的位置和制动液的流向，调节将要抱死车轮制动器的制动力，以防止车轮抱死。
    与制动系统相关的，采用电控技术的还有电子制动力分配系统（EBD）、牵引力控制系统（TCS）和电子稳定程序（ESP）等。
    这些系统的最新发展是车辆动态集成管理系统（VDIM），它是在车辆稳定控制系统（VSC）基础上，对ABS、TCS、EPS（电动助力转向）、ESP和EBD等进行集中管理系统。VSC是在接近极限状态时才实现实时控制，而VDIM能在接近极限前有一个准备阶段，然后实施控制，因而能较VSC以更快速度识别车辆的行驶状态，并进行控制，进一步提高车辆的安全性能。
    在VDIM中，多个执行器是同时工作的，其发动机、制动器和转向器的执行器通过互相协调，使车辆获得行驶和操纵稳定性。
6．悬架
    它主要是以计算机控制悬架刚度、减振器阻尼力和车身高度调节的电控主动悬架系统，其由信号输入装置、悬架刚度及减振器阻尼力调节装置、车身高度调节装置及悬架电控单元所组成。
    该系统将车速、车辆振动加速度、车身距路面的高度、转向轮角速度等参数通过传感器传递给电控单元，电控单元综合处理后输出控制信号，主动调节悬架刚度，减振器阻尼系数和车身高度，从而有效地抑制转向时车辆侧倾，制动时前部点头和加速行驶时后部下沉等汽车姿态的变化，能明显提高乘坐舒适性，行驶平顺性和操纵稳定性。
7．安全气囊
    安全气囊是一种乘员辅助保护装置。在汽车发生碰撞时，它辅助安全带对驾乘人员进行保护。安全气囊一般由传感器、电控单元、气体发生器、气囊等所组成。传感器感受汽车碰撞程度，并将信号传递给电控单元。电控单元接受信号并进行处理。当它判断有必要打开气囊时，立即发出点火信号从触发气体发生器，迅速点火并产生大量气体给气囊充气。
    为了对驾乘人员进行全面保护，当今在众多高档轿车及SUV上不但标准装备了正侧面安全气囊，还配备了侧面安全气帘等。
    目前安全气囊技术正朝着智能化、小型轻型化、环保型方向发展。在智能化安全气囊系统中集成了先进的传感器技术和信息处理系统。它比传统安全气囊具有更多传感器，装备了多级气体发生器，能在事故发生的短暂时间里可靠提供汽车碰撞剧烈程度，碰撞形式（正面或侧面）。驾乘人员的身材、体重、乘坐位置和姿态，是否系有安全带等信息，通过电控系统计算分析，决定安全气囊何时及以何种程度展开，从而对成员提供最优化的保护。
    集成安全系统则是当今汽车厂商和汽车电子零部件制造商的开发趋势。奔驰按集成安全理念将安全防护分成七个阶段。
    当检测到汽车处于临界驾驶状态时，会给出报警信号；接着ABS、BA（制动辅助）和ESP开始在互动干预，前座安全带开始收紧，后座自动调整姿势防止撞击；当传感器检测到明显的碰撞以外事故时，切断燃料供应，碰撞缓冲和吸能装置开始发挥作用，安全带被锁定，根据情况判断打开安全气囊；事故后，根据预先设定的报警电话自动报警。
    除了安全气囊，电控技术在汽车车身上的应用还有自适应空调，中央防盗门锁，自动刮水器，防撞系统等方面。
    二、汽车电控技术的发展趋势
    随着电子工业和信息产业的飞速发展，为汽车集成控制和信息交换提供了先进的技术平台，也为优化人-车-环境的和谐发展奠定了基础。
1．传感器技术
    随着汽车电控系统的普遍采用和多样化，将使其所需的传感器种类和数量不断增加。除要求传感器小型化有更高的精度和稳定性外，也将促使以新材料和敏感元件组成的智能集成传感器的发展和应用。
2．微处理器技术
    由于现代车辆的信息不断增加，以及集成电控系统的发展，要求微处理器体积小、集成度高，并能实现复杂控制。目前微处理器芯片的已由16位发展到32位。其发展趋势为：要在同一时间实现多路同步实时控制，建立高级专用编程语言，软件实现多项功能和测试数据共享，以满足汽车的多参数变化。
3．多路传输技术
    由于汽车电子技术的发展和电控装置的多样化，大量传感器、微处理器和执行元件组成了一个复杂的信息交换和处理系统，致使传输导线大量增加，也增加了电磁干扰，降低了信号传输的质量和系统可靠性。开发和使用具有抗故障性和数据交换准确性的多路传输技术，能有效地解决传输信息量和电磁干扰的影响。
4．集成电控技术
    汽车电控的发展方向是向集成控制发展，将发动机管理系统和自动变速器集成为动力传动系统的综合控制系统，以及前述的车辆动态集合管理系统和集成安全系统等。它们均通过微处理器复杂的控制运算，对各子系统进行协调，将车辆的动力、操控、行驶和安全性能控制在最佳水平。
5．42V供电系统
    随着汽车电子装置的广泛采用，现有的12V动力源已满足不了车上电气系统的需要。今后将采用集成起动机-发电机的42V供电系统，42V汽车电气系统的实施，将会使汽车电器零部件的设计和结构发生重大的变革。此外，42V系统还有利于提高燃油经济性和降低废气排放。
6．线控技术
    线控技术的采用将使汽车的机械结构发生重大的变革，使汽车的操控系统向电子化和电动化发展。它将导线代替原来的机械传动机构，例“线控转向”、“线控制动”、“电子油门”等。在线控系统中，操纵装置与执行器之间是靠电信号联系而非机械连接，驾驶员的操纵力由传感器转换成一个电信号，并将此信号传递给ECU，再由ECU结合其它数据向执行机构发出指令完成操作。
    线控技术与传统的传动系统相比具有结构简单、控制灵敏、节约能源等优点。它的出现将为汽车引入一场新的技术革命。极大提高了车辆行驶稳定性。
    随着汽车工业的迅速发展和高速公路的开发建设，汽车行驶速度越来越快，事故更为频繁，汽车的安全性就变得尤为重要。
    汽车安全性主要分为主动安全性和被动安全性两大部分。主动安全性是指通过事先防范，避免事故的发生和驾乘人员受到伤害的能力，其主要有制动性能，操纵稳定性和平顺性等。被动安全性是指一旦事故发生时，为避免或减轻驾乘人员在事故中受到伤害的能力，主要有防撞式车身、安全带、安全气囊等。
    使用安全气囊来保护汽车乘员的想法最先产生于美国。1952年，美国汽车生产者联合会在理论上阐述了这种安全系统的必要性。1953年，第一个安全气囊的专利诞生了。但是，由于当时技术水平的限制，没能把这种想法和专利付诸实施。1979年，奔驰汽车公司在它生产的部分汽车上安装了安全气囊。1984年，美国政府将这种被动安全装置纳入法规，要求到1994年所生产的轿车上必须配备安全气囊。欧洲也在1993年通过法规，此后，欧美各大汽车厂商都纷纷将安全气囊作为轿车和轻型货车的标准配备。
    汽车安全气囊系统（SRS-Supplemental Resistant System）是种乘员辅助保护系统。由于其使用方便、效果显著，得到了迅速的发展和普及。当今，安全气囊已发展到可以在汽车任何方向的碰撞中起到对驾乘人员全方位的保护作用。
    安全气囊一般由传感器、气体发生器、气囊、电控单元、警告灯等主要部件所组成，通常气体发生器和气囊等制作在一起构成气囊模块。当汽车行驶受到一定角度的高速碰撞时，传感器感受汽车碰撞强度，并将这一信号传递给电控单元，电控单元接收传感器的信号并进行分析确认后，立即引爆气囊内的点火器，使其爆炸。之后气体发生器产生大量氮气，迅速吹胀气囊，无毒的氮气充满气囊，犹如缓冲垫一般对驾乘人员进行保护。
气体发生器
    气体发生器是安全气囊的核心部件，它由外壳雷管、增压剂、气体发生剂和过滤器所组成，其主要功用是在汽车发生碰撞时，迅速产生大量气体，并给气囊充气。气体发生剂一般采用叠氧化钠或硝基纤维素。这些产品正逐步被体积更小、更清洁、燃烧温度更低的充气装置所替代。在军用火箭技术基础上发展的烟火式气体发生器可使充气时间在40-60ms完成。其后发展的无叠氧化钠和智能气体发生器更是将其技术和应用水平提高到一个崭新阶段。
    德尔福开发的多级和可变气体发生器能自动根据车辆碰撞严重程度，安全带使用情况、座椅位置及乘员的重量和尺寸等信息，自动适应性地调节前部安全气囊、气体发生器和输出能量，使其与乘员辅助保护系统所需的能量才相匹配。
安全气囊
    气囊一般用尼龙制成，为了保证其密封性，内表面涂复一层合成橡胶或硅橡胶。在气囊内表面还固定有专用的带子，这些带子在气囊充气时能使其保持一定形状。气囊的侧面设有许多小孔，这些孔用来快速排出气囊中的气体，避免驾乘人员被气囊推向后面而受伤。
    气囊的前二代产品均为缝制型涂层织物气囊，只是表面的涂层材料不同。其第三代产品为缝制型非涂层织物气囊，利用织物自身结构具有阻气性。第四代产品是非涂层全成形型，这种气囊在编织机上加工成袋状，气囊的可透性织物可让气体透过而释放出来。
    它的发展趋势是向更轻薄、更柔顺、更高强度、工艺更简化和成本更低的方向发展。
    传感器总成
    它包括安全传感器、碰撞传感器、前安全气囊传感器。安全传感器的功用是防止安全气囊误点火，碰撞传感器是用于判断碰撞强度是否超过规定值。前安全气囊传感器则是为测量车辆的减速度在某些车型上设置的。
    安全气囊传感器通常有三种类型：机械式、机电一体式及电子式，现大都采用电子式。大多数安全气囊采用多个传感器分布在车身不同位置以便准确感知碰撞信号，并将信号传递到控制系统中。未来微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步替代传统的传感器。
驾驶员安全气囊
    它是轿车上最早采用和使用最广泛的一种安全气囊，属于正面碰撞时对驾驶员实施防护的气囊，其安全气囊系统的雷管、气囊和气体发生器全部装在转向盘中央气囊盒中，一旦发生正面碰撞时，安全气囊膨胀并冲出气囊盒盖，沿挡风玻璃方向展开后迅速胀大，在驾驶员与转向盘间形成一个缓冲气垫。
前排乘员安全气囊
    在发生碰撞事故时，前排乘员具有可能与仪表板、前挡风玻璃、窗框和门框等发生碰撞。因此，要求前排乘员用的安全气囊能在较大范围内对乘员提供安全保护。一般前排乘员用的安全气囊体积较大。
    前排乘员安全气囊系统的气囊、雷管、气体发生器等全部藏在仪表板中的安全气囊盒中，根据仪表板的结构不同，其布置方法也有所不同。在发生碰撞时，最初气囊盒引导安全气囊沿前挡风玻璃方向向上展开，然后沿安全气囊的折印，有序地迅速向前排乘员方向扩大，适时在前排乘员和仪表板之间形成缓冲气垫。
侧面安全气囊
    轿车的前部为发动机舱，后部为行李舱，在发生正面碰撞或追尾碰撞时，由于发动机舱或行李舱没有碰撞溃缩区，能够吸收大量碰撞能量，并且安全带和安全气囊又能有效发挥作用，使乘员的伤亡率大幅降低。而车身侧面结构件无论是强度和刚度这比不上纵向结构件，加上车门两侧设有足够空间布置“缓冲”结构以吸收能量，当发生侧面碰撞时，就有可能对乘员造成直接伤害。
    侧面安全气囊包括胸部气囊、头部气囊、头胸部气囊等。胸部气囊安装在门饰内或座椅上，汽车发生碰撞座椅位移时，它能始终跟随座椅移动，确保乘员安全。头部气囊装在车门上横梁中或乘员舱的上部，用于保护驾乘人员的头部。头胸部气囊为双防侧撞安全气囊，气囊形状为管状，保护头部的气囊装在B柱上端到A柱的2/3处，保护胸部的气囊安装在车门内，沿车门斜向拉紧。
    侧面安全气囊的体积由于受空间限制，一般较小，其点火时间和安全气囊展开时间比正面安全气囊要短，因此要求系统中的传感器和控制器有更高的灵敏性和更快的响应速度。
安全气帘（侧面头部帘式安全气囊）
    安全气帘理应属于侧面安全气囊范畴，车辆侧面因碰撞受到猛烈冲击时，设置在立柱下部的传感器对冲击进行感应后，安装在A柱和C柱之间车顶侧部的安全气囊就会膨胀，向下伸展成帘状，覆盖在驾乘人员的头部侧面形成缓冲垫，起到防止侧窗玻璃和立柱等车内构件与驾乘人员头部接触和冲击作用。安全气帘还可延长气体发生时间和压力，以便在多种碰撞情况下，甚至翻车时对驾乘人员进行最大程度有效保护。安全气帘由Autoliv公司与沃尔沃和奔驰公司首先研发而成，并于1998年开始使用于这两个品牌的汽车上。当今，它已成为众多高档轿车、SUV的标准装备。
    敞篷车安装安全气帘的难题已被沃尔沃公司解决，它将安全气帘倒置，安装在车门面板之内，一旦发生碰撞事故，安全气帘就会向上膨胀，在侧窗和乘员头部之间形成有效的保护层。充气单元呈双排垂直配置，相互错开，即使在侧窗打开或破裂的情况下，也可提供有效保护。为了能在翻车事故时发挥保护作用，其安全气帘的膨胀过程有意减缓。
后排乘员安全气囊
    由于近年来对后排乘员的安全防护逐渐受到重视，已较普遍地在后座装置了安全带，并开发了后座乘员用的安全气囊。
    一般后座与前座之间有较宽的空间，因此，后座乘员用安全气囊的容积比前座大。其结构与其它安全气囊系统基本相同，大多安装在前座椅靠背中，引爆后在后座乘员与前座之间形成防护气垫。
    后座安全气囊系统需装置2个碰撞传感器，用以探测车辆在前、后碰撞时的加速度，经电控装置计算和判断后，才能引爆后座安全气囊。
膝部安全气囊
    它由一个小型安全气囊和气体发生器组成，安装在仪表板下部的前围板上。在轿车发生碰撞时，能够有效地防止驾驶员的下肢、小腿和膝部与各种踏板和操纵杠杆等发生碰撞，对下肢、小腿和膝部进行保护。并能防止驾驶员躯体前冲，使驾驶员身体保持在合适的位置上，以减轻驾驶员用安全气囊的冲撞作用力。
    德尔福公司开发的主动膝部垫式安全气囊是配合前部安全气囊而设计的安全装置，它能够在车辆发生碰撞时迅速把气囊表面向乘员方向移动，覆盖在膝部区域，对驾乘人员下肢进行保护减少伤害。
气囊式安全带
    正在开发的气囊式安全带是将气囊技术与安全带结合在一起，当碰撞发生时，自肩式安全带内部展开的气囊使安全带的宽度由通常的5cm增加到15cm，使与人体的接触面加大而减少伤害，其斜跨肩部和上胸类似于枕头般的软垫可限制对头部的冲击，从而也减少了对驾乘人员头部和颈部的伤害。
    气囊式安全带由于价廉，安装方便，具有较好的发展前景。
行人保护安全气囊
    为了降低人一车碰撞事故中对行人的伤害，瑞典Autoliv公司开发了行人碰撞保护技术，它们主要包括主动发动机罩及行人保护安全气囊（PPA）。行人保护安全气囊是对主动发动机罩的补充，能够有效避免行人头部撞击A柱和挡风玻璃而导致的伤害。
    行人保护安全气囊由主动发动机罩的传感器系统触发。它和发动机罩可单独启动，又能协作动作，构成一个自适应组合系统。只有当行人头部撞击挡风玻璃及A柱的时，组合系统才会触发装在车颈处的外置行人保护安全气囊。
安全气囊未来的发展趋势
    安全气囊是汽车被动安全全性的一个重要方面，当车辆发生碰撞时，它可避免或减轻驾乘人员的伤亡。然而，现在安全气囊在使用中还在存在一些问题。如在紧急制动或恶劣路面行驶时发生误引爆；当乘员偏离座位或未安全带时，安全气囊仍起作用；乘员不论是男性、女性、小孩或无人时，不管碰撞速度大小，碰撞严重程度等安全气囊都要打开，这样可能反而使驾乘人员受到伤害。针对传统安全气囊存在的问题，当今安全气囊系统力求朝智能化的方向发展。
    安全气囊系统要根据相关信息调节气囊的充气速度和力度。如捷豹公司在XK系列各车上安装的自适应约束系统（ARTS），它采用超声波技术监测前排乘员的重量、驾驶员相对转向盘的位置、安全带是否系上、车辆的碰撞强度等；VDO Automotive公司研制一种安全气囊引爆装置，能根据乘员的重量、位置、坐姿、调节气囊展开力度以及是否需要延迟展开；德尔福公司开发的被动式乘员识别系统（POD），通过重量传感器来提升安全气囊的保护有效性。其智能型安全气囊可根据乘员的重量、身高、大小、就座位置、车座位置、是否佩安全带、碰撞程度、碰撞速度、碰撞方向等提供双级的安全气囊或安全气囊不工作，这样可大大减轻驾乘人员的伤亡。如乘员是小个男性或女性时，安全气囊膨胀70％；是小孩时安全气囊则不打开；碰撞虽超过门槛但不激烈时，安全气囊膨胀70％；当碰撞激烈时，安全气囊全部打开。
    目前安全气囊技术的研究主要有以下几个方向：
智能化：这种安全气囊系统能在汽车碰撞一瞬间根据乘员体重的大小，乘员就座情况是否佩安全带、车速、碰撞激烈程度、碰撞方向，自适应地控制气囊展开的大小和容量。
小型轻型化：安全气囊总成采用体积小的新型气体发生器（有利用压缩空气的混合式气体发生器及采用有机气体的纯气体式发生器）。
实现全方位保护：安全气囊不再局限于保护驾驶员与前座乘员，而后座乘员和保护行人安全气囊也将投放市场，对驾乘人员头部、胸部、骨盆和下肢进行全方位的保护。
环保型：采用新型气体发生技术，如使用细小点火器启动充满氮气或氩氦混合气罐，不但环保并对乘员伤害更小。