汽车技术的发展 | ||||||||||||||||||
汽车产业已经成为当今世界社会与经济发展的支柱产业。汽车产业的发展在很大程度上得益于汽车技术进步。汽车诞生100多年来，涌现出了各种有关汽车的技术发明和专利，使汽车的面貌日新月异。现代汽车，是现代技术发展的产物，同时也是现代技术发展的动力。汽车技术的发展是人类文明史的见证。 汽车技术的进步，直接推动了一些行业的技术更新和技术改造。各种专用汽车的发展，促进了煤炭、石油、电力、矿山、地质、林业、建筑等部门的现代化。大型集装箱货运汽车，也改变了公路运输部门的面貌。汽车的事故和污染，也推动了交通科学和环境科学的发展。 汽车工业还是首先带头应用最新技术的行业。组合机床、自动生产线、柔性加工系统、机器人、全面质量管理等新技术、新工艺，都是在汽车工业最先得到推广和广泛应用的。汽车工业的发展，不仅带动了相关工业的发展，而且也不断对相关工业提出新的要求，从而促进了相关工业的技术进步。 未来汽车的发展，还将推动各种高新技术和边缘学科的发展。如材料科学、人机工程、电子技术、能源科学，以及汽车空气动力学、车辆土壤力学、汽车轻结构学、汽车轮胎学等等。 一、现代汽车技术的发展 1、汽车产品多样化时期汽车技术的发展 从汽车开始大批量生产至20世纪30年代末，汽车已成为社会生活中不可缺少的交通工具。不仅是轿车，还有各种型式的客车、货车等都担负着重要的运输任务。汽车开始追求外形、彩的多样化以及乘坐的舒适性、操纵的便利性，使汽车产品和制造技术均逐渐成熟。 汽车发动机从单缸发展到V型8缸，提高了压缩比，使发动机输出功率增大。燃油泵的发明与使用改善了发动机的供油情况，并使燃油箱移到汽车尾部。气门和凸轮轴布置的改变也是发动机的重大技术改革。蓄电池点火系统的应用，不但改善了发动机性能，同时也使得电灯、电喇叭、电气仪表，特别是起动电机有可能应用到汽车上。 同步器的应用是变速器结构的一项重大改革。传动轴取代了早期的传动链条。主减速器中螺旋伞齿轮和准双曲线齿轮的应用能适应高速平稳的运转并降低噪声。低压充气轮胎提高了汽车对路面的附着性能和行驶安全性。轮胎可靠性提高了，汽车就没有必要再携带两只备胎。新式转向器和转向传动机构使汽车转弯变得轻巧灵活。在20世纪30年代，各厂商都陆续采用了液压制动系统，此外，许多轿车都安装了独立悬架。 在车身技术方面同样也在不断进步，全钢车身取代了早期的木质结构。大型钢板冲压技术和焊接技术的进步使得车身变得轻巧牢固。承载式车身亦已广泛应用。与此同时，前大灯、近光灯、闪光信号灯、尾灯、刮水器、夹层安全玻璃、暖气及除霜装置、后视镜、保险杠、行李箱等部件已被普遍采用。 为提高汽车车速和改善汽车的舒适性，汽车车身造型从马车车身发展到流线型车身。二战后，由于社会经济基础的影响，欧洲汽车的设计思想开始与美国分道扬镳。当时欧洲的经济处于恢复阶段，人民生活较俭朴，要求汽车尺寸紧凑和简朴实用，小排量轿车风靡欧洲；美国人民生活较富裕，石油价格较低，致使美国汽车设计追求尺寸宽松和表现气派。美国汽车从内部设备到外部装饰都力求豪华气派，1958年和l959年可算是美国汽车装饰达到登峰造极的时期，有的汽车别出心裁地将尾翅横向伸出，大有把形式美凌驾于功能之上的趋势。 小巧精致趋于流线型造型的欧洲汽车在与大型华丽的美国轿车在竞争中屡屡获胜，表明汽车真正的美在于形体与线条的简朴与明晰，而不是随心所欲的浮夸和华丽饰件的堆砌。 2、注重节能、环保和安全时期汽车技术的发展 汽车在给人们带来方便的同时，也对人类社会产生了一些影响。一方面，由于汽车保有量的增加，带来了严重的空气污染。其中最明显的例子是在1943年9月美国洛杉矶市出现了浅蓝、白或紫的烟雾，主要是汽车排放的NOX及HC进入大气后与大气中的氧气在阳光的作用下，进行连锁反应，形成臭氧、醛、过氧乙酰硝脂等有害物质。这些有害物污染了大气，使人类患眼病、喉咙痛以致昏倒；使植物减产、树木枯死；使橡胶制品加速老化等。据报导，在美国，车辆排放出的污染物占大气污染物总量的55%。这些污染物包括CO、NOX、碳烟微粒等。上述情况促使公众越来越注意环境保护问题。因此，美国及有关各国都陆续制订了汽车排放法规，限制汽车排放物，而且法规的要求越来越严。最早立法的是美国加利福尼亚州，规定1961年新车应装有防止曲轴箱窜气的装置。1966年以后，又规定新车需符合CO、HC汽车电子调节器的排放浓度限值（七工况法）。1968年，美国联邦政府采纳了加州法规，1971年又增加了对NOX的限制。环保要求对汽车技术，特别是车用发动机的技术发展起了很大的推动作用。曲轴箱强制通风系统（PCV）、废气再循环系统（EGR）、排气三元催化系统、二次空气喷射系统、燃油蒸发控制、分层燃烧系统、稀混合气燃烧系统等新措施和新技术不断推出，缓解了汽车排放对人类健康和环境的威胁。 另一方面，由于汽车车速的不断提高，交通事故日益严重，交通安全已经成为引起社会广泛关注的社会问题。于是，各工业发达国家的政府，纷纷制定保证汽车交通安全的标准与法规。这些安全法规迫使汽车在有关安全性能及其装置方面不断改善，如ABS电子控制防抱死制动系统、ASR驱动防滑系统、EDL电子差速锁、EBD电子制动力分配装置、ESP电子增稳系统、安全气囊及安全带等。 节能是汽车技术发展的永恒课题，为了降低高速行驶时的风阻，以通用汽车公司1952年制造的别克牌汽车为开端，出现了基于流体力学的真正的高速车型——鱼型车身。但随着车速的不断提高，升力问题出现了。高速时产生的气动升力不仅影响汽车的稳定性，而且影响汽车的可操纵性与安全性。1963年司蒂倍克设计了称之为阿凡提的双座轿车，开始兼顾低风阻和高速安全性的楔型车时代，这种楔型造型很快被赛车广泛采用。 3、汽车产品的现代化标志 汽车产品现代化的标志体现在以下几方面： （1）汽车产品的电子化 电子技术的迅速发展和电子计算机的微型化，使汽车有可能装备各种微处理器以及各种电子元件。上个世纪70年代以来，汽车上出现了很多各种各样的电子产品，将一些传统的机械结构转变为性能优良、技术高精的机电一体化装置。电子技术在汽车上的应用，可以满足日益严格的法规要求，适应顾客对汽车使用的方便性、舒适性、高效性及经济性的要求。随着汽车对电子技术的依赖性越来越大，电子技术成为汽车不可缺少的一部分。 由于电子信息技术的发展，以及近年来嵌入式系统、局域网（Controller Area Network，CAN）和数据总线（Data Bus，DB）技术的成熟，汽车电子控制系统的集成成为汽车技术发展的必然趋势。原先单一项目控制的燃油喷射控制、点火控制、排放控制、自动变速控制等，发展成为多功能的集成控制系统。如：发动机的电子控制技术是从控制点火时刻开始的，20世纪90年代初发展到汽油喷射、点火控制、排放控制等多项内容复合的发动机集中控制系统；20世纪末又将发动机控制、驱动防滑控制系统等复合，成为动力控制系统或牵引控制系统（Traction Control System，TCS）。 传感技术和计算机技术的发展，加快了汽车的智能化进程。智能汽车导航系统集合了嵌入式计算机、彩显示器和卫星定位系统（GPS）等技术。 网络化是未来汽车的必然选择，集发动机控制、底盘控制、车身控制，以及安全、通信、娱乐等于一体的网络汽车的出现也是指日可待。 （2）汽车整车的轻量化 整车轻量化除了运用先进的设计方法使汽车尺寸紧凑和结构合理外，更重要的是采用了新型材料。现代汽车上所采用的新材料主要是工程塑料、轻质铝合金、高强度合金钢等。近20年来工程塑料在汽车上的用量迅速增长。1969年平均每辆轿车上塑料用量大约10kg。现在，国外大多数轿车上的用量已超过100kg，其中在车身上应用最广。塑料零部件的最大优点是重量轻，此外还有易于成型和着、减小噪声、隔热、绝缘、耐腐蚀、耐冲击（安全性好）等优点。按照不同的使用要求，工程塑料可制成各种尺寸和形状以及不同密度（硬质、半硬或软质）的零件。在我国汽车工业用量最多的塑料依次是：聚丙烯、聚氨脂、ABS（丙烯脂?丁二烯?苯乙烯共聚物）、玻璃纤维增强塑料、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等。轻质铝合金己广泛地应用于各种汽车的零部件，如发动机活塞、气缸盖、气缸体、飞轮壳、变速器壳体、轮辐、货车货箱等。近年来在轿车车身上采用铝制的零部件亦逐渐增多，主要用于不承载的安装件——发动机罩、行李箱盖、车门、前冀子板、活动车顶等。铝制的车身板件虽然比钢制的厚一些，但仍能大大减轻重量。例如，德国大众汽车公司的研究表明，高尔夫轿车以铝代钢可使车门、发动机罩、前冀子板等部件减重51%~55%。减小车身钢板厚度是现代轿车轻量化的重要措施。例如，原来厚度为1mm的车身板件改用厚度为0.8mm的板料制造。就可减重20%。研制新型高强度合金钢板，改善热处理措施，采用双面镀锌等方法提高板件的强度和防锈能力，就有可能在保证车身的性能的前提下减小车身零件的厚度。 （3）汽车结构的变革 汽车发动机的结构变革主要目的是提高发动机工作效率、降低燃油消耗和减少污染。在一些新型的发动机上采用汽油缸内喷射技术，可变配气相位及可变进气道技术，可燃混合气稀薄燃烧技术，柴油机电控技术及共轨技术，废气涡轮增压装置等，使发动机的结构发生了变化。 尺寸较小的普及型轿车亦广泛地采用5档变速器。先进的轮胎结构主要表现在子午线化、扁平化和无内胎化方面。子午线轮胎在1948年由法国米其林轮胎公司首先推出。这种结构的特点是轮胎帘布层的帘线方向与普通斜交胎不同，具有滚动阻力小、附着力强、弹性好（乘用舒适）、胎面耐磨、节约燃料等许多优点，因而迅速获得推广。 先进车身结构的主要特征是较低的空气阻力系数。在20世纪70年代的车身造型主流是大曲面与急剧的转折相呼应，构成线型挺拔的方基调的外形，但近年来推出的新车型己越出方基凋的格局而把车身拐角削得更圆滑以便获得更低的空气阻力系数。目前。许多厂商已着手计划将下—代新车的空气阻力系数降到0.30以下，甚至降到0.25左右，意味着车身各个曲面的转折过渡将变得更加连贯光顺。 当然，这里所列举的只是近年来涌现出的大量新颖结构的一部分，只是最有代表性的例子，但已足以说明现代化结构已使汽车面貌焕然一新。 二、现代汽车技术发展方向 要使汽车达到越来越严格的汽车排放法规和汽车交通安全的标准与法规，现代汽车应该是对环境有利的（即低排放或零排放）；能更好的利用有限的能源与资源（降低油耗，减少用材，车辆报废后所用材料能再生）；在汽车中能非常方便地与外界沟通信息；行驶安全、能避免碰撞，即汽车围绕安全、节能、环保和舒适发展。 1、安全可靠 在科学技术较发达的今天，未能制造出理想的安全汽车。全世界每年居高不下的汽车事故数和伤亡人数显示出安全问题不容忽视并急待解决。因此，各国都投人大量的人力物力对此进行不遗余力的研究。 汽车的安全性可分为主动安全性和被动安个性两个方面。主动安全措施可提高汽车回避事故的能力，例如改善驾驶员的视认性和操作条件，改善灯光照明，提高轮胎性能、制动性能和操纵稳定性，采用车载微波雷达（或激光雷达）和计算机对汽车自动操纵等等。被动安全措施可减轻事故的后果，例如改善保险扛和车身防撞结构，采用安全带、安全气囊、安全玻璃、吸能转向系统等防护装置。 （1）主动安全 1）汽车防抱死制动系统（ABS） 现代汽车大量安装防抱死制动系统，简称ABS（Anti—lock Braking System）。ABS最初用于飞机。20世纪40年代末，ABS在飞机上应用，以后ABS成为飞机上的标准件。但这种采用真空管的ABS在汽车上应用则性能达不到要求，加之其体积大、成本高等缺点，因此在汽车上的实用意义不大。1971年，德国博世公司首次推出了电子ABS，并从开始的集成电路控制，发展为用微机控制。从此，ABS在汽车上的应用得以迅速的发展，其控制形式也从二轮防抱死控制发展为四轮防抱死控制。现在，ABS作为汽车的主动安全装置，已成为汽车上的标准装备或选装装备。 在汽车制动时，随着制动强度增大，原先滚动的车轮有可能完全停止转动（抱死），此时汽车仍以较大的惯性向前冲而车轮在地面上滑移。在车轮完全打滑的情况下，车轮对地面的附着性能大大下降，汽车的制动距离增大，而且汽车有失控的危险（图1）。制动防抱死系统就是在制动过程中防止车轮被制动抱死，研究表明，在车轮滑移率为15%～20%时制动效果最佳。 防抱死制动系统是在普通制动系统的基础上，配置了防止车轮抱死的电子控制系统，一般由车轮速度传感器、电子控制单元和液压调节器组成，如图2所示。 图2 防抱死电子控制系统的组成部件 防抱死电子控制系统由传感器监测汽车制动时车轮是否抱死，电子控制单元计算出汽车速度、车轮周缘的线速度及车轮的滑移率。在车轮不会被抱死的普通制动过程中，电子控制单元无控制信号输出，汽车的制动力完全由驾驶员踩在制动踏板上的力量来控制。在车轮会被抱死（如紧急制动或是在松滑路面行驶中制动）的情况上，电控单元就会根据传感器反映制动车轮抱死情况的信号迅速作出反应，及时输出控制信号，通过执行机构（制动压力调节器）对制动器的制动力进行调整，使车轮不被抱死。 2）汽车驱动防滑转系统（ASR） 汽车驱动防滑转系统（Anti Slip Regulation，或Acceleration Slip Regulation，简称ASR）的作用是防止汽车在起步、加速和滑溜路面上行驶时驱动轮滑转，特别是要防止汽车在非对称路面（两侧车轮路面不一致）或在转弯时驱动轮的滑转，以保持汽车的方向稳定性、操纵性，并维持最佳驱动力。例如，驾驶员正在转换车道并加速超车时，如果驱动轮滑转，则汽车根本不按驾驶员的意愿更换车道，而留在原车道上并可能撞到前面的汽车上（图3）。又例如，汽车在转弯时，如果驱动力超过附着力，则汽车可能不转弯而滑出路面。 汽车驱动防滑转系统是当驱动车轮出现滑转时，通过控制发动机的动力输出或对滑转车轮施以制动力来抑制驱动轮的滑转，以避免汽车牵引力和行驶稳定性的下降。这种防滑转系统也被称为牵引力控制（Traction Contro1 System）系统，简称TRC。 3）电控稳定程序（ESP） 汽车转向行驶时，只有各车轮从地面获得适当的横向力，汽车才能按照驾驶员的意图进行转向行驶。汽车在转向行驶过程中产生离心力，当前轮承受的离心力超过其横向附着力时，前轮就会向外侧滑，使汽车产生不足转向。当后轮承受的离心力超过其横向附着力时，后轮就会向外侧滑，使汽车产生过度转向。同样，在转向车轮偏转相同角度的情况下，汽车在附着系数较高的路面行驶时，汽车会出现转向过度现象。汽车在附着系数较低的路面行驶时，汽车会出现转向不足现象。如图4所示。 在转向行驶过程中出现不足转向或过度转向都会影响汽车的方向稳定性，在防抱死制动控制系统和驱动防滑控制系统的基础上，发展了ESP（Electronic Stability Program，又称汽车动态控制系统），使汽车在各种行驶状态和道路条件下都能保持良好的方向稳定性。它是l994年奔驰汽车公司首先推出的汽车主动安全系统。 ESP能够识别车辆不稳定状态（图5），并通过对制动系统、发动机管理系统和变速箱管理系统实施控制，从而有针对性地弥补车辆滑动。但是，ESP提供的主动安全性是有限的，不能利用其进行冒险驾驶。全神贯注地驾驶，注意路牌和交通警示，是驾驶员的首要职责。 图4 汽车转向情况 a）过多转向 b）过度转向 4）自适应定速巡航控制系统 自适应定速巡航控制系统（速度控制系统或自动驾驶系统）是为减轻驾驶员劳动强度，提高行驶舒适性，保证汽车和发动机都能在有利速度范围内运行的自动控制装置。在公路长途行车时，驾驶员会有单调乏味的感觉而难以便注意力集中，此时可开启巡航控制系统协助驾驶。 巡航控制系统在飞机上应用，显示出了它的无可比拟的优点。上个世纪50年代末，巡航控制系统开始用于汽车，并很快受到青睐，所以目前在美、日、德、法、意等汽车大国发展、普及很快，尤其是近几年来世界各国高速公路的通车里程增多，扩大了汽车巡航控制系统大显身手的空间，因此巡航控制系统在汽车上的应用也越来越多。 （2）被动安全 1）安全带 安全带是汽车最重要的被动安全设备之一，在发生碰撞事故时，它是阻止乘员在驾驶舱内移动的主要手段。系上安全带能防止乘员在碰撞中被甩出车外，同时也将车厢内发生二次碰撞的机会减至最小，可大幅度减少汽车碰撞事故的伤亡率。 目前广泛采用预紧式安全带，可在碰撞达到一定强度时，启动预紧器，带动锁扣回缩或卷收器回转，使得安全带缩短一定距离，有效消除间隙，提高安全带的作用。预紧式安全带是在三点式安全带的基础上增加预紧器构成的。预紧器可以与锁扣结合在一起（锁扣预紧器），也可以与卷收器结合在一起（卷收器预紧器）。预紧式安全带与机械三点式安全带不同之处在于，在汽车发生猛烈撞击后能够更快速反应，紧紧地将人扣在座位上。 锁扣预紧器（图6）：使用火药作为动力。锁扣上面与织带相连，下面由钢丝绳与预紧器内的活塞相连。发生碰撞时，通过点火设备点爆安装在预紧器上的火药，火药燃烧产生气体充入气室内。活塞在气体的压力下向右移动，通过钢丝绳将锁扣向下拉回约80mm，消除安全带与乘员间的间隙。在活塞中安装有钢球，使得活塞只能向右移动，防止在安全带的拉力下活塞向左移动。 图6 锁扣预紧器 图7卷收器预紧器 卷收器预紧器（图7）：安装在卷收器的侧面，使用火药作为动力。发生事故时，点燃火药，推动齿条移动，从而带动卷收器回卷。 2）安全气囊 安全气囊（Supplemental Restraint System，简称SRS），也称辅助乘员保护系统，是汽车的一种被动安全保护装置。安全气囊在汽车遭到碰撞而急剧减速时迅速膨胀，成为一个缓冲垫，让乘员扑在气囊上。通过气囊的排气节流阻尼吸收乘员的动能，使猛烈的车内碰撞得以缓冲，以达到保护乘员的目的。日本、美国、德国等汽车大国在2001年，已把安全带和安全气囊定为轿车上不可缺少的装备。 安全气囊的保护作用是十分显著的。据美国官方公布的数字，1986年至1997年2月15日，安全气囊共挽救了1828人的生命（1639名司机，189名乘员）。安全气囊同时也有副作用。在上述时间段内，气囊造成38名儿童、21名司机、2个乘员死亡，这主要发生在低速碰撞情况下。造成死亡的原因有如下几种：儿童及儿童座椅靠近气囊；碰撞前的制动使得儿童更加靠近气囊。气囊造成的伤害主要在头和颈部。 气囊的形式有两种：一种体积比较大，即使乘客不系安全带也能起到良好的保护作用，主要在美国市场，因为美国法规对安全带的佩戴没有强制性；一种体积较小，与安全带配合使用，是将安全气囊与三点式安全带共同组成一个乘员保护系统使之达到最佳的乘员保护效果。这种气囊主要在欧洲市场应用，因为欧洲对安全带的佩戴有强制性要求。 在汽车前部碰撞时，传感器感受汽车碰撞强度并将其传给电子控制单元，控制单元进行判断并在适当时机发出点火信号触发气体发生器，气体发生器点火后迅速（在0.05s的时间内）产生大量气体，充满转向盘中部的气囊从而防止驾驶员撞到前面的物体上（图8） ，从而达到保护乘员生命安全的目的。 有的汽车有两个气囊，一个折叠在转向盘中部，保护驾驶员；另一个折叠在仪表板内，保护驾驶员边上的乘客。近年来一些新式轿车还增添了侧面气囊装置以便在汽车侧面受撞击时保护乘员。 安全气囊的引爆时间是根据汽车撞击力度和角度而定。每家汽车公司设计的引爆临界数值也不完全相同。比如，要引爆福特汽车公司所设计的安全气囊，汽车必须以每小时23公里的速度撞击一固定障碍物，或以每小时45公里以上的速度撞击同样重量的可移动物体或可停住的汽车。 安全气囊要正常工作，确定气囊是否引爆，除了速度之外，还有撞击的角度。只有在正面和正面30度角内发生的撞击才会引爆气囊，而后面或侧面撞击，气囊是不起作用的。 2、环境保护 控制汽车排放污染的措施，应从内燃机的结构改进着手，即进行机内净化。机内净化就是改善可燃混合气的品质和燃烧状况，抑制有害气体的产生，使排气中的有害成分减至最少。另外，实行机外净化，用设置在发动机外部的附加装置使排出的废气净化后再排入大气。 （1）汽油缸内喷射 汽油直接喷射（Gasoline direct injection，缩写为GDI）就是指直接往气缸内喷射汽油（图9）。而间接喷射的含义在汽油机是指喷在进气门前或节气门前，在柴油机中则指喷在涡流式燃烧室或预燃式燃烧室中。 缸内喷射早在20世纪30年代就已出现在德国。由戴姆勒—奔驰和博士公司合作开发并于1937年投入批量生产的德国第一台汽油喷射航空发动机DB601A型发动机就是汽油直接喷射发动机。由于汽油在进气后期喷入气缸，使缸内充气得到冷却，提高了体积效率，减少了炽热点火倾向和爆震倾向；有可能利用纯空气扫气，减少了由于燃油进入排气道带来的损失；同时，直接喷射容易造成充量分层，便于实现稀薄燃烧。但是，如果汽油喷到气缸壁上，便会造成积碳，增加HC排放，还可能进入油底壳稀释机油；此外若汽油在压缩开始后喷入气缸则要求较高的喷油压力，喷油越推迟，充量受压缩的程度越高，要求的喷射压力越高；最后，由于至少要推迟到开始进气后才喷油，所以混合气生成的时间就短了，特别是全负荷时喷油量大，喷油持续时间长，喷油结束迟，混合气生成不良，容易冒黑烟。 图9 汽油缸内喷射 从20世纪50年代以来，缸内汽油直接喷射逐渐被汽油间接喷射所取代。1954年，第一辆四冲程汽油喷射发动机的轿车诞生了，它就是奔驰300SL，雾状燃油直接喷入进气歧管。自从单点和多点喷射技术在上个世纪80年代普遍使用以来，汽油喷射技术的改进都在进气系统上：2、3、4、5气门，可变进气道，可变气门升程及正时等，而没有实现汽油的缸内喷射。近年来，为了节油和减少CO2排放，重新转向GDI。继MITSUBISHI（三菱公司）率先于1995年6月在上海国际汽车展览会上推出刚刚在同年5月获得专利的新型GDI发动机，并于1996年投放日本市场之后，许多世界著名的大公司也投入巨资开发和研制GDI发动机。 FSI是Fuel Stratified Injection的缩写，意指燃油分层喷射（图10）。燃油分层喷射技术是发动机稀燃技术的一种。稀燃就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气之比可达1：25以上。缸内直喷通过均匀燃烧和分层燃烧，实现高负荷、尤其是低负荷下的燃油消耗降低，动力提高。在部分负荷下，汽车行驶在市内其燃油消耗也降低了。 图10 奥迪FSI发动机 2001年7月奥迪R8在勒芒24小时耐力赛上获胜，它的发动机为双增压V8 FSI直喷发动机。直喷发动机不仅动力性好（领先一圈），而且燃油经济性好（加油时间延长，节省燃油8%）。不仅是这些，R8车手认为发动机动力反映敏捷且非常到位。 （2）可变配气相位及可变进气道 气门开启相位、气门开启持续角度（指气门保持升起持续的曲轴转角）和气门升程这三个特性参数对发动机的性能、油耗和排放有重要影响。通常将气门开启相位和气门开启持续角度统称为气门正时。随着发动机负荷和转角的改变，这三个特性参数（特别是进气门开启相位和开启持续角度）的最佳选择是根本不同的。 宝马新一代豪华轿车745i和735i所用的发动机是新式的进气系统参数可调式V8发动机。该发动机进排气系统的三个主要参数（排气阀开启时间、进气阀升程和进气道长度）都可随发动机工况的改变而自动调节。其中，进气道长度可调技术为世界首创。 为了提高标定功率，要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门升程；为了提高低速扭矩，要提早关闭进气门；为了改善起动性能并提高怠速稳定性，则要推迟开启进气门，减小气门叠开。 在传统的发动机中，由于这三个特性参数在运行过程中不能改变，所以只能根据对性能要求的不同侧重点进行折中，因而不可能在各种情况下达到最佳性能。将气门正时设计成满足高速全负荷工况，获得良好的动力性，就不能满足低速工况经济性与排放的要求。换而言之，固定的气门正时只能设计成对某一个转速或狭小的转速范围最有利于提高其体积效率。低于这个转速或转速范围则要求进气门推迟开启、提早关闭；反之，则要求进气门提早开启、推迟关闭。可变配气相位技术可以在发动机整个工作范围内的转速和负荷下，提供合适的气门开启、关闭时刻或升程，从而改善发动机进、排气性能，较好地满足高转速和低转速、大负荷和小负荷时的动力性、经济性、废气排放的要求。 可变配气相位机构的有四种：无凸轮轴可变配气相位机构，变换凸轮型线的可变配气相位机构，改变凸轮轴相角的可变配气相位机构及改变凸轮与气门之间连结的可变配气相位机构。其中改变凸轮轴相角的可变配气相位机构的凸轮型线是固定的而凸轮轴相对曲轴的转角是可变的。该机构原理简单，可以保持原发动机配气机构不变，只用一套额外的装置来改变凸轮轴相角，对发动机改动较小，应用较广泛。 合理选择配气相位且能随发动机转速不同而变化，以及利用进气的惯性及谐振效应是提高充气效率的重要途径。进气惯性及谐振效应是随着发动机转速、进气管长度及管径大小的变化而变化。在不同转速下，进气管长度应有所不同，方能获得良好的进气惯性效应。并且，只有采用可变配气相位，可变进气系统才能适应不同发动机转速下的要求，才能较全面地提高发动机性能。 （3）发动机增压 发动机的增压方法主要有三类：机械增压、废气涡轮增压和复合增压。废气涡轮增压早先运用于柴油车，国内轿车1998年开始在排量1.８的奥迪200上运用，以后又有奥迪Ａ6的１.８T（即Turbocharaed，涡轮增压），直至最新的帕萨特１.８Ｔ。 1）机械增压（Supercharger） 早在20年代的赛车上就使用了该项技术来提高动力输出。机械增压的压缩机直接被发动机的曲轴带动，它的优点是响应性好（完全没有迟滞）。但是它本身需要消耗一部分能量，因此机械增压不能产生特别强大的动力，尤其是在高转速时，因为它会产生大量的摩擦，损失能量，从而影响到发动机转速的提高。 2）进气压力波增压 利用进气流的压力波来提高进气压力，是现代电控发动机用以提高发动机动力性，改善排气污染物的技术措施之一。 在进气门突然关闭时，高速进气流由于惯性仍在流动，使得进气门附近的气体被压缩而压力上升。气流惯性过后，被压缩的气体开始膨胀，向着进气相反的方向流动，进气门处的气压下降。当膨胀的气体波传到进气管口处时，又会被反射回来。于是，在进气管内形成了脉动的压力波。 3）废气涡轮增压控制（Turbo） 一些汽油机采用废气涡轮增压，其作用就是使发动机在工作中能达到最佳的增压值，提高进气量，增大发动机输出功率。在不增加发动机排量的基础上，功率和扭矩可大幅度提高，其输出的最大功率大约可增加40%，如１.８Ｔ车大约与２.３升排量的车动力相当。另外，发动机在采用了增压技术后，还能提高燃油经济性和降低尾气排放。 （4）电控柴油机 柴油机燃油喷射系统是影响燃烧过程的重要因素，对柴油机的动力性、经济性和排放性能都有重要影响。要改善柴油机缸内燃烧，燃油喷射系统一方面要有理想的喷射速率特性，另一方面要提高喷射压力。传统的喷射系统由于结构和原理等限制，不能同时达到这两个要求，因此，柴油机电控喷射系统逐渐发展起来。 高压直喷系统和共轨系统都能改善柴油机的燃油经济性和排放性能。废气再循环和催化器改善了柴油机的各项排放。发动机管理系统对喷油和进气过程进行综合控制，保证发动机能够在保持良好的动力性基础上，燃油经济性和排放性能都能达到最优，同时降低振动和噪音。 在传统的喷射系统基础上首先发展起来的电控喷射系统是位置控制系统，称之为第一代电控喷射系统，而基于电磁阀的时间控制系统则称为第二代电控喷射系统。第三代电控系统——高压共轨系统被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破之一，将成为21世纪柴油机燃油系统的主流。 3、节约能源 20世纪70年代石油危机以后，降低汽车燃料消耗的问题受到全世界普遍重视。此后，节约能源便上升为汽车技术的重大课题，世界各国均投入大量人力物力进行研究，并制定了强制的汽车油耗限额法规。随着汽车技术的进步，油耗限额法规亦逐渐修订得愈来愈苛刻。 节约能源的有效方法有许多，例如整车轻量化、降低轮胎的滚动阻力、降低空气阻力、变速器多档化以及使用代用燃料。 （1）整车轻量化 整车轻量化是节约能源最有效的方法。汽车在向前行驶时，需要克服各种阻力做功，消耗发动机的能量，除空气阻力与汽车本身的形状有关外，滚动阻力、上坡阻力、加速阻力都与汽车的重量有关。只要减小汽车重量，就可成正比地减小上述三种阻力。美国专家认为，今后轻量化的途径主要是将目前占汽车重量70%的钢铁材料换成较轻的其他材料，特别是塑料和铝。 塑料是近代的新材料，塑料工业的发展速度高于国民经济的平均增长率。据统计，近年来世界生产总值的平均年增长率为4%～5%，化学工业的平均年增长率为6%～7%。而塑料工业的平均年增长率为7%~9%。塑料和复合材料用以取代钢铁和其它材料的趋势还会加速。应指出，汽车工业是塑料的较大和长远的消耗市场。 如前面所述，铝材在汽车上的应用已愈来愈多，除了用于发动机气缸体、底盘的各种壳体和轮辋等零部件外，在车身上的应用亦愈来愈普遍。奥迪汽车公司推出的A8轿车的全铝车身，比钢制车身减重约40%，模具成本降低33%，总成本比钢制车身还低，充分显示出这种结构的先进性和优越性。由于轿车车身占整车重量50%以上，车身大量采用铝材无疑是整车轻量化最有效的措施。 由于车身重量大幅度减小、支承全车的悬架和轮胎的尺寸亦可减小，因而采用功率较小的发动机照样可得到满意的行驶性能，又进一步导致传动系统、制动系统等总成减小尺寸和重量，这种牵连式反应带来了巨大效益。 （2）降低轮胎的滚动阻力 汽车轮胎子午线化是轮胎主要的发展趋势之一。子午线轮胎具有滚动阻力小（节约燃料）、附着性能好、缓冲性能好、承裁能力大等优点。车速愈高，其节油效果也越显著，大约比普通轮胎节油7%。 近年来，许多轮胎公司都在研究高性能的专用轮胎，其主要特点是采用特殊材料和较薄的胎体。例如，意大利皮列里公司的P8节油轮胎，胎面由普通橡胶层与高弹性天然胶基部层组成，缓冲层采用密度较大的金属线，胎冠还有一层尼龙帘布层。P8轮胎在良好路面上的波动阻力系数为0.008～0.009，比一般轮胎的阻力减少15%。 （3）降低空气阻力 汽车的空气阻力是与车速的平方成正比的，亦即在汽车高速行驶时，空气阻力达到相当可观的数值，此时用于克服空气阻力的燃料占总消耗的一半以上。因此，改善汽车的形状具有较大的节油效果。 例如轿车空气阻力系数若能由0.5降至0.3，油耗可节省0.02L/km左右；驾驶室加装导流罩的大型货车的空气阻力系数可降低20% 以上，高速行驶时就可节油3%～4%。 降低汽车的空气阻力系数，就意味着汽车的造型变得更加光顺圆滑。现代轿车的造型已不是20世纪70年代那种“大曲面、急剧的转折构成线型挺拔的方基调”，而是把拐角削得更圆滑，各个曲面转接过渡更连贯的形状。一些高级轿车虽然努力维持传统的庄严造型，但其外形逐渐趋圆滑却是显而易见的。 （4）变速器多档化 变速器采用更多的档位，虽然结构更复杂，但可使驾驶员针对具体道路条件选择更合适的传动比，成为汽车技术发展的趋势。档位愈高、传动比就愈小，导致汽车行驶每公里的发动机曲轴转数愈少（亦即发动机工作循环次数减少），就可以节约燃料。许多汽车的变速器都配备超速档，这是一种节油措施。所谓超速档是指变速器输出轴的转速高于输入轴的转速的档位。超速档通常是汽车的最高档位，传动比小于1。近年来许多新型汽车都有增加档位的趋势，甚至小型轿车都配备5档变速器。我国的解放CAl091货车改进为CAl092货车，将原来的5档变速器换成新的6档变速器。 4、操纵方便乘坐舒适 在提高驾驶方便性及乘坐舒适性方面，电子技术的应用发展很快。驾驶带自动变速器的车比手动档的机械变速器要省事省力；有动力转向的车操纵更轻松；具备冷暖空调的车乘坐更舒适；具备四轮独立悬架及电控悬架的车在行驶时更加平顺和舒适。 （1）自动变速器 机械变速器虽然能满足汽车行驶动力性和经济性的基本要求，但存在以下不足：换档操作劳动强度大，容易引起司机的紧张、疲劳及注意力分散而增加汽车行驶的不安全因素；手动换档时，传动系和发动机都不可避免承受 换档所引起的冲击力，对发动机和传递系的使用寿命都有一定影响；换档操作时所带来的行车不平稳，还影响乘坐的舒适性；此外，换档的最佳时机不易把握，这又会影响汽车的行驶动力性和经济性。电控自动变速器解决了机械变速器的不足，满足汽车行驶安全、舒适及节能的要求。 1939年，美国通用汽车公司首先在其生产的Oldsmobile轿车上装用了液力耦合器与行星齿轮组组成的液力变速器，这种变速器只能在一定范围内自动变速。20世纪40年代末到50年代初，出现了根据车速和节气门开度，自动控制换档的液力自动变速器，使自动变速器进入迅速发展时期，自动变速器在汽车上的应用越来越多。20世纪70年代末以来，以计算机为控制器的电控自动变速器得到了迅速的发展，它已被轿车广泛采用。目前无级自动变速器也开始在轿车上使用。 （2）电控动力转向系统 动力转向系统是在驾驶员的控制下，借助汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向，所以动力转向系统又称为转向放大装置。动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此在中型载货汽车，尤其在重型载货汽车上得到广泛使用。但是，传统的动力转向系统所设定的固定放大倍率不可能同时满足汽车在不同行驶工况下都有最佳助力作用的要求，因此，使汽车的转向盘操纵总不能达到令人满意的程度。 电控动力转向系统（Electronic Control Power Steering，简称EPS或 ECPS）是根据车速、转向情况等对转向助力实施控制，使动力转向系统在不同的行驶条件下都有最佳的放大倍率：在低速时有较大的放大倍率，可以减轻转向操纵力，使转向轻便、灵活；在高速时则适当减小放大倍率，以稳定转向手感，提高高速行驶的操纵稳定性。 发动机前置及前轮驱动轿车，由于前轴负荷的增加使得转向轻便性也成为普遍关注的问题，由于电子控制动力转向系统不仅能很好地解决转向轻便与转向灵活的矛盾，还能提高行驶安全性和舒适性。因此，在轿车上使用电控动力转向系统已日渐增多。 （3）电子控制悬架系统 汽车的平顺性和稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标，但二者对悬架的刚度和阻尼的要求是相互排斥的。比如，降低悬架的刚度，可使车身振动时的加速度减小，汽车的平顺性得以改善，但这会导致车身位移增加，给操纵稳定性带来不良影响。增加弹簧刚度可提高汽车操纵稳定性，但刚度大的悬架对路面不平度很敏感，使平顺性下降。因此，理想的悬架应该是在不同载质量、不同行事条件下，其弹簧的刚度和减振器阻尼会不同，以同时满足汽车平顺性和稳定性的要求。传统悬架的刚度和阻尼只能是根据一定的载荷、某种路面情况和车速，兼顾各方面的要求，优化选定一种刚度和阻尼，这种刚度和阻尼一定的悬架称为被动悬架。 为了改善行驶平顺性，国外在20世纪80年代就开始了主动和半主动悬架的研究和应用。半主动悬架可以根据汽车运行时的振动及工况变化情况，对悬架阻尼参数进行自动调整。半主动悬架为无源控制，在汽车转向、起步及制动工况时，不能对悬架的刚度和阻尼进行有效的控制。主动悬架能根据汽车载质量、路面状况（振动情况）、行驶速度、起动、制动、转向等工况的变化，自动调整悬架的刚度和阻尼以及车身高度，从而能同时满足汽车平顺性和稳定性等各方面的要求。全主动悬架是一种有源控制悬架（图11）。 图11 全主动悬架 目前主动式悬架主要有空气式悬架系统（图12）和油气式悬架系统两大类。 图12 空气式悬架 （4）汽车空调 国外汽车空调技术是随着汽车普及而发展起来的，其发展史是由低级到高级、由简单功能到多功能。 1925年美国的汽车利用汽车冷却水通过加热器取暖。1927年发展到具有加热器、风机和空气滤清器的比较完整的供暖系统。1939年美国的轿车上安装了机械制冷降温的空调器。1954年通用汽车公司率先在轿车上安装了冷暖一体化空调，具有调温、除湿、过滤、除霜等功能。这种冷暖一体化空调需要人工操作，既增加了驾驶员的劳动强度，同时控制质量不高。1964年通用汽车公司在轿车上安装了自动控制汽车空调，只要预先调好温度设置，空调就能自动地在调定的温度范围内工作（图13）。1973年美国和日本联合研究计算机控制的汽车空调系统，1977年安装在汽车上，使汽车空调功能增多，显示数字化，冷暖、通风一体化，微调化，提高了汽车的舒适性。 现代汽车空调的基本功能是改善车内乘驾人员的舒适性，而舒适性是由人对车内的温度、湿度、空气的清新度等参数指标的感受和反映决定的。现代汽车空调就是将车内封闭空间的环境调整到对人体最适宜的状态，为此空调系统就必须具备表1种所述功能。 表1 现代汽车空调功能
图13 奥迪全自动空调 | ||||||||||||||||||
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