《汽车概论》第七章

目录/contents7.1新能源汽车7.2汽车的新技术本章导读随着时代的发展，汽车的发展越来越快，作为汽车能源之一的石油将会枯竭，所以势必要找到新的可替代能源。现阶段汽车可以用天然气、乙醇等作为替代燃料，一方面能稍微缓解石油需求压力，另一方面能让汽车更加环保。同时，现代汽车也在不断地被改进，其更多体现在一些新技术在发动机、底盘和汽车安全配置等的改进和升级上。新技术在汽车上的广泛应用不只是为了提升动力，更是为了达到环保要求。学习目标1．了解新能源汽车的种类，以及汽车所使用的新能源的特点。2．认识现代汽车的新技术。

第1章汽车的发明史新能源汽车7.1新能源汽车所用的可替代燃料分液体和气体两大类，气体主要有氢气、天然气、液化石油气等；液体主要有甲醇、乙醇、生物柴油等。以下为几种具有代表性、且研究较多的新能源汽车。7.1.1氢燃料汽车氢燃料汽车是指以氢为主要移动能量的汽车，其具有广阔的应用前景。氢燃料发动机的类型1氢气作为发动机燃料有3种方式：一是以纯氢作为发动机燃料；二是氢/汽油双燃料发动机；三是氢和汽油混合燃料发动机。①纯氢燃料燃烧快、燃烧持续期短，发动机中NOx的生成量远大于汽油机。②氢/汽油双燃料发动机可根据燃料的储存状况灵活地选择汽油或氢，从而进入纯汽油或纯氢发动机模式。③氢和汽油混合燃料发动机是将少量氢气作为汽油的添加剂混入空气中，氢气扩散速率大，能够促进汽油的蒸发、雾化和与空气的混合。氢在燃烧过程中会产生活性自由基，使汽油火焰传播速度明显加快，进而得到较大的热效率，并产生较低的排放。氢燃料的优点2①氢气本身无毒，燃烧后的产物是水，不会污染环境，且能循环使用。②能量高，它是目前除核燃料外的所有燃料中，发热值最高的，其发热值是汽油的3倍。③氢气可以从电解水、煤的气化中大量制取，而且不需要对汽车发动机进行大的改装。④利用形式多，可以气态、液态或固态金属氢化物出现，能适应各种应用环境的不同要求。氢燃料汽车的研发现状3由于氢发动机和汽油发动机工作原理基本相同，人们常常通过改造后者来制造氢发动机汽车，从而节省研发时间和费用。在过去的几十年里，宝马、马自达等公司都研发出氢燃料汽车。1979—2001年间，宝马汽车公司先后研制成功了六代氢动力汽车。2006年，在洛衫矶车展上，宝马首次向公众展示了全球首款氢动力豪华轿车Hydrogen7，如图7-1所示。Hydrogen7拥有一个8kg的液态氢储存罐和一个74L的汽油箱。8kg的液态氢可使汽车行驶200km，74L的油箱可使汽车行驶500km。该车采用V12缸6.0L发动机，最大功率有191kW，最大转矩为390N·m。这台豪华汽车可在9s内加速到10km/h，最高时速可达到230km/h。图7-1宝马Hydrogen71991年，在东京车展上，马自达推出了旗下第一款氢转子发动机概念车HR-X。1993年，马自达发布了第二款氢转子发动机概念车HR-X2。2003年，马自达将氢转子发动机运用到当时唯一量产的转子发动机车型RX-8上。2006年，采用氢和汽油双燃料系的马自达RX-8HydrogenRE车型在日本推出，如图7-2所示。图7-2马自达RX-8HydrogenRE2007年7月17日，福特氢燃料V-10发动机正式投产，这成为福特汽车在氢技术研究进程中的一个重要里程碑。2008年，长安汽车公司在北京车展上展出了其自主研发的中国首款氢动力概念车“氢程”。现在，日本已经开始销售的丰田Mirai（见图7-3）和本田ClarityFuelCell（见图7-4），它们是目前世界上最先进的氢燃料电池汽车，续航里程可以分别达到650km和750km。图7-3丰田Mirai图7-4本田ClarityFuelCell7.1.2天然气汽车天然气汽车是指以天然气作为燃料的汽车。天然气的主要成分是甲烷（CH4），甲烷的含量决定了天然气的性能。天然气汽车的类型11）按燃料状态分类按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气汽车可分为以下两类。液化天然气汽车压缩天然气汽车（1）压缩天然气汽车压缩天然气（CompressedNaturalGas，CNG）一般是指经加压到20MPa左右，可供车辆发动机作为燃料使用的气态天然气。以压缩天然气作为燃料的汽车称为压缩天然气汽车（简称为CNG汽车）。目前，在国内外CNG汽车都被较多地研究应用，例如大众的途安、奥迪A5的2.0T-CNG、比亚迪的F3-CNG等。（2）液化天然气汽车液化天然气（LiquefiedNaturalGas，LNG）是指经低温液化后，可供车辆发动机作为燃料使用的液态天然气。一般以1～2MPa的低压，-125～-162℃的低温将天然气以液态形式储存在储气罐内。以液化天然气作为燃料的汽车称为液化天然气汽车（简称为LNG汽车）。液化天然气汽车目前还在起步阶段，由于配套设施不完善及其他原因制约，LNG现在更多的是应用在商用车领域，如重型卡车或公交车，乘用车方面应用较少。如图7-5所示为在我国投入使用的液化天然气客车。图7-5液化天然气客车2）按燃料使用状况分类按照燃料使用状况的不同，天然气汽车还可以分为以下三类。①单用燃料天然气汽车，是指的是发动机只使用天然气作为燃料的汽车。②两用燃料天然气汽车，是指既可以使用天然气也可以使用汽油作为发动机燃料的汽车。③双燃料天然气汽车，是指可以同时使用液体燃料和天然气燃料的汽车。天然气汽车的优点21）天然气是清洁燃料与燃油汽车相比，天然气汽车具有以下几方面优点。天然气汽车的尾气中不含硫化物和铅，与汽油汽车相比，尾气中一氧化碳含量降低了80%，碳氢化合物含量降低了60%，氮氧化合物含量降低了70%。因此，许多国家已将发展使用天然气汽车作为一种减轻大气污染的重要手段。2）具有显著的经济效益目前，天然气的价格比汽油和柴油低得多，燃料费用一般可以节省50%左右，使营运成本大幅降低。另外，使用天然气作为汽车燃料，可使发动机运行平稳、噪声降低、不积炭，从而延长发动机的使用寿命，不需要经常更换机油和火花塞，使维修费用节约50%以上。3）比汽油汽车更安全与汽油相比，天然气是比较安全的燃料。这是因为天然气的燃点（650℃）高，比汽油燃点（427℃）高出223℃，所以与汽油相比不易点燃；天然气密度低，与空气的相对密度为0.48，泄漏的气体能很快在空气中散发，很难形成燃烧浓度；天然气辛烷值高，可达130，比目前最好的96号汽油辛烷值还要高很多，抗爆性能好；天然气爆炸极限仅为5%～15%，在自然环境下，形成这一条件十分困难。7.1.3乙醇燃料汽车乙醇俗称酒精，它是以玉米、小麦、薯类等植物为原料，经发酵、蒸馏而制成的。燃料乙醇一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。燃料乙醇经变性后与汽油按一定比例混合可制成车用乙醇汽油。乙醇是一种可再生燃料，原料的来源非常丰富。乙醇燃料的应用方式1①掺烧，指乙醇和汽油混合应用。在混合燃料中，乙醇的容积比例以“E”表示，例如乙醇占总燃料的10%，则用E10来表示。目前，掺烧占乙醇汽车燃料应用方式的主要地位。②纯烧，即单烧乙醇，可用E100表示。纯烧方式目前应用并不多，属于试行阶段。③变性燃料乙醇，指乙醇脱水后，再添加变性剂而生成的乙醇，这也是属于试验应用阶段。④灵活燃料，指燃料既可用汽油，又可以使用乙醇与汽油按比例混合的燃料，并随时可以切换燃料的使用。例如福特、丰田汽车公司均在试验灵活燃料汽车（FFV）。乙醇燃料的优点21）增氧性强，助燃效果好燃料乙醇助燃效果好，将其按10%的比例混入汽油中时，可使燃料的氧含量达到3.5%，汽油燃烧更充分，同时，汽车的有害尾气排放总量能降低33%以上，并可使燃料辛烷值提高2～3个单位，提高油品的抗爆性。2）溶解性好，清洁油路3）燃烧充分，减少积炭车用乙醇汽油中的乙醇是一种性能优良的有机溶剂，能有效地消除汽车油箱及油路系统中沉淀和凝结的杂质，使油路得到疏通。车用乙醇汽油燃烧充分，可有效地预防和消除火花塞、气门、活塞顶部、排气管、消声器等部位积炭的形成，延长发动机和主要部件的使用寿命。乙醇燃料的缺点3车用乙醇汽油在燃烧值、动力性和耐腐蚀性上与汽油燃料相比有以下不足。①乙醇的热值是常规车用汽油的60%。据有关资料的显示，若汽车不作任何改动仅使用含10%乙醇的混合汽油，发动机的油耗会增加5%。②乙醇的汽化潜热大，理论空燃比下的蒸发温度大于常规汽油，这会影响混合气的形成及燃烧速度，不利于汽车的加速。③乙醇在燃烧过程中会产生乙酸，对汽车的金属部件特别是铜制部件有腐蚀作用。有关试验表明，当汽油中乙醇的含量在0～10%时，其对金属基本没有腐蚀，但当乙醇含量超过15%时，则必须添加有效的腐蚀抑止剂。④乙醇是一种优良溶剂，易对汽车的密封橡胶及其他合成的非金属材料产生轻微的腐蚀、溶胀、软化和龟裂作用。⑤乙醇亲水性强，车用乙醇汽油的含水量超过标准指标后，会出现乙醇与调和组分水油分层现象，从而影响发动机正常工作。乙醇燃料作为一种新型的清洁燃料，是目前世界上可再生能源的发展重点。如图7-6所示为日产e-BioFuel-Cell原型车，该车是世界首款采用固态氧化物燃料电池技术的车型。其燃料电池是利用纯生物乙醇发电的，续航里程在600km以上。图7-6日产e-BioFuel-Cell原型车课后作业请同学们查阅资料，找出还有哪些可替代燃料已经被应用于汽车上，并总结出它们与汽油或柴油相比有哪些优缺点。汽车的新技术7.2现在随着汽车市场竞争的全面升级，越来越多的汽车厂家把竞争焦点转移到新技术和高科技装备上，汽车也演变成了一个容纳先进技术的平台，几乎所有正在流行和将要流行的先进技术都有可能被汽车收罗进来，成为它的一部分。现代汽车在被研制时更多地引入了电子技术，为汽车向电子化、智能化、网络化方向发展创造了有利条件。汽车电子控制装置和车上的机械系统相互配合使用，极大地提高了汽车动力性、经济性、操控性、安全性等。发动机新技术1i-VTEC（智能可变气门配气相位和气门升程电子控制系统）是本田公司1989年研制的VTEC系统的升级。VTEC（可变气门配气相位和气门升程电子控制系统）是本田开发的先进发动机技术，也是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程的气门控制系统。这一系统能根据发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化，适当地调整配气正时和气门升程，使发动机在高、低速运转下均能达到最高效率。而普通发动机在制造出来后，配气相位和气门升程就固定不变了，无法适应不同转速下发动机对进、排气的需求。1）i-VTEC系统i-VTEC（见图7-7）是在VTEC的基础上，增加了一个称为VTC（VariableTimingControl，可变正时控制）的装置，它是一组进气门凸轮轴正时可变控制机构。VTC机构的导入使发动机在大范围转速内都能有合适的配气相位，这在很大程度上提高了发动机的性能。i-VTEC技术不仅完全保留了VTEC技术的优点，而且还加入了当今世界流行的智能化控制理念。目前本田车型都在使用i-VTEC。图7-7i-VTEC丰田的VVT-i和起亚的CVVT也都是可变气门正时系统，只是叫法不一样。可变气缸技术通常适用于多气缸、大排量发动机，如V6，V8，V12发动机。因为在日常行驶时，大部分条件下并不需要大功率的输出，多气缸、大排量的搭配就显得有点浪费，而且还会增大CO2的排放量。但小排量又无法满足人们对于驾驶乐趣的需求，于是为了解决这样的矛盾，可变气缸技术应运而生。可变气缸技术可以在汽车不需要大功率的输出时，控制关闭一部分气缸，使其工作点落入低油消耗率和低排放的工作区内，以减少燃油消耗，提高车辆的经济性和排放性；当车辆需要大功率输出时，该技术则可控制全部气缸参与工作，充分发挥发动机的动力性。如今，小排量发动机也开始应用可变气缸技术。不过可变气缸技术有可能破坏发动机动平衡，使得振动增加，进而增加发动机噪声。目前，汽车所采用的可变气缸技术多是通过可调挺杆或可调摇臂来实现的。具有代表性的可变气缸技术有本田的VCM技术、克莱斯勒的MDS技术、通用的DOD技术和大众的ATC技术，其中，大众的ATC技术是应用在小排量发动机上的代表。这些技术都具有相同的可变气缸理念，只是实现的方法不同而已。2）可变汽缸技术压缩比是气缸总容积与燃烧室容积的比值，它是发动机的一个重要参数。一般来说，压缩比越高，发动机性能越好。但一般发动机的压缩比是固定的，因为燃烧室容积和气缸工作容积参数都是固定的。增压发动机在小负荷、低运转情况下，压缩比低，热效率就会降低；而在大负荷、高运转情况下，压缩比过高，就容易发生爆震。应用可变压缩比技术就是为了解决这个问题。这一技术是随着负荷的变化情况连续、适当地调节压缩比，以便发动机能够从低负荷到高负荷的整个工况范围内都具有较高的热效率。从而提高发动机燃油经济性。3）可变压缩比目前，汽车所采用的可变压缩比技术主要是通过改变燃烧室体积或改变连杆长度来实现的。萨博的SVC发动机是改变燃烧室体积少有的实例，但其缺点显而易见，如驱动整个缸盖及附件需要很多动力，密封装置易被腐蚀等。而改变连杆长度这一方法则得到更多的应用，例如英菲尼迪的VC-T发动机，如图7-8所示。图7-8英菲尼迪VC-T发动机缸内直喷技术又称为FSI（FuelStratifiedInjection），即燃料分层喷射技术。一般汽油机所用的汽油电控喷射系统是将汽油喷入进气门前方的进气道内，使汽油与与空气混合后，再进入气缸内被点燃做功。而缸内直喷技术就是直接将燃油喷入气缸内与进气混合后燃烧做功。其优点是耗油量低、升功率大、空燃比高，压缩比更是高达12，与同排量的一般发动机相比功率与扭矩都提高了10%，可以进一步提高汽油机热效率，降低汽油机污染物排放量。缸内直喷技术有两种不同的燃烧模式，分别为均质燃烧模式和分层燃烧模式。均质燃烧模式是指在进气行程后期向燃烧室内喷入燃油，使其在进气行程与压缩行程中完成与空气的充分混合，并在点火时刻使缸内形成较为均匀的混合气，确保点火稳定；分层燃烧模式是指在压缩行程中喷入燃油，并随着压缩行程的进行，燃油与空气混合，直至点火时刻，从火花塞处至缸壁，燃油浓度由浓到稀，保证有效点火和火焰的正常传播，从而提高燃油经济性。4）汽油机缸内直喷技术目前，该技术已经被大量使用，很多汽车生产商都有自己的直喷技术，如三菱的GDI、大众（奥迪）的TFSI（见图7-9）、通用的SIDI（见图7-10）、丰田（雷克萨斯）的D-4（见图7-11）和奔驰的CGI等。图7-9奥迪的TFSI图7-10通用的SIDI图7-11雷克萨斯的D-4底盘新技术2牵引力控制系统（TractionControlSystem，TCS）是在防抱死制动系统（ABS）的基础上发展而成的，它是根据驱动轮及传动轮的转数来判定驱动轮是否发生打滑现象，当前者大于后者时，系统会发出信号来调节点火时间、减小气门开度、减小油门、降挡或抑制驱动轮转速。TCS系统能够控制驱动轮的滑转率保持在最佳范围内，防止车辆在光滑路面上加速时车轮打滑而造成的后轮驱动车辆甩尾和前轮驱动车辆转向失去控制的现象，使车辆产生最佳驱动力。TCS不但可以提高汽车行驶稳定性，而且能够提高汽车加速性和爬坡能力。TCS与ABS的区别在于，ABS是防止车轮在制动时被抱死而产生的侧滑，而TCS则是防止汽车在加速时因驱动轮打滑而产生的侧滑。但两者也是相辅相成的，TCS与ABS配合使用，将会进一步提高汽车的安全性能。各个厂家的牵引力控制系统功能都一样，只是叫法不同而已。例如奔驰的ASR、丰田的TRC、宝马的DTC和凯迪拉克的TCS等。1）牵引力控制系统提示防抱死制动系统（AntilockBrakeSystem，ABS）是一种具有防滑、防锁死等功能的汽车安全控制系统。其作用就是在汽车制动时，自动控制制动器的制动力大小，使车轮不被抱死，处于边滚边滑的状态，以保证车轮与地面的附着力在最大值。车身电子稳定控制系统（ElectronicStabilityProgram，ESP）是应用在车辆上的新型主动安全系统，它是ABS和TCS功能的进一步扩展，并在此基础上增加了车辆转向行驶时的横摆率传感器、侧向加速度传感器和方向盘转角传感器。该系统由传感器、电子控制单元（ECU）和执行器三大部分组成，其通过电子控制单元监控汽车运行状态，对车辆的发动机及制动系统进行干预控制，确保车辆行驶的稳定性，在提升车辆的操控表现的同时，有效地防止汽车在达到其动态极限时失控。如图7-12所示为在有、无ESP情况下的汽车转向示意图，图7-12（a）所示为转向不足，图7-12（b）所示为转向过度。2）车身电子稳定控制系统（a）

（b）图7-12汽车转向示意图目前，车身电子稳定控制系统在很多汽车上都已有应用，只是各个厂商对其叫法不同而已，如大众的ESC、丰田的VSC、宝马的DSC等。轮胎压力监测系统（TirePressureMonitoringSystem，TPMS）的作用是对轮胎的各种状况进行实时、自动监测，并对轮胎漏气和低气压进行报警，为行驶提供有效的安全保障。轮胎压力监测系统可以分为两种，分别是间接式和直接式。3）轮胎压力监测系统除以上两种方式，还有一种复合式，它兼具上述两种系统方式的优点。但是，它仍然不能像直接式系统那样提供所有轮胎（4个）内实际压力的实时数据。目前，奥迪、保时捷、凯迪拉克、雷克萨斯等公司的轿车上均已采用TPMS这一系统。间接式是通过汽车上ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监测胎压的目的。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这就会导致车速发生变化，从而触发警报系统发出警告。直接式是通过安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的系统，然后对各轮胎气压数据进行显示。当轮胎气压太低或漏气时，系统会自动报警。电子控制悬架系统（ElectronicControlSuspensionSystem）可以根据不同的路面条件、不同的载荷质量、不同的行驶速度等因素，来控制悬架系统的刚度，调节减振器的阻尼力大小、车身高度，从而使车辆的行驶平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下都能达到最佳的组合。而传统的汽车悬架系统难以同时满足汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。根据控制系统有源或者无源，汽车电子控制悬架系统可以分为主动悬架和半主动悬架。主动悬架能利用动力源产生的主动力来调整悬架的刚度、阻尼和车身高度；半主动悬架则是根据需要调节悬架的弹簧刚度或减振器阻尼力来控制车身。4）电子控制悬架系统自适应巡航系统（AdaptiveCruiseControl，ACC）是一种智能化的自动控制系统，它是在普通巡航系统的基础上发展而来的。普通巡航系统的作用是按司机所要求的速度打开开关之后，不用踩油门踏板就可以自动地保持车速，使车辆以固定的速度行驶。这种装置主要是为了在高速公路上长时间行车后，“解放”司机的右脚，减轻驾驶疲劳。但如果此时前车突然减速，普通巡航巡航系统就没什么用了，还是需要通过人为制动降低车速保持车距。5）自适应巡航系统与普通巡航系统不同，自适应巡航系统能自动锁定前车车速，随前车加速而加速，当然，前车减速也会随之减速。车辆行驶过程中，安装在车辆前部的车距传感器（雷达）持续扫描前方道路，同时轮速传感器采集车速信号。当发现与前车之间的距离过小时，ACC控制单元通过与制动防抱死系统、发动机控制系统相互协调，使车轮适当制动，并使发动机的输出功率下降，以使车辆和前方车辆始终保持在安全的距离。当与前车之间的距离增大到安全距离时，ACC控制单元会控制车辆按照设定的车速继续行驶，如图7-13所示。图7-13自适应巡航系统工作情况自适应巡航控制系统有效地避免了频繁的取消和设定巡航控制，使巡航系统适合于更多的路况，为驾驶者提供更轻松的驾驶方式。汽车其他电子化新技术31）预紧式安全带和充气式安全带（1）压缩天然气汽车预紧式安全带（见图7-14）是汽车安全带的一种，它具有的预收紧装置和拉力限制器，可以在发生碰撞的第一时间内（乘员尚未异动前），将安全带收紧，将乘员紧紧地绑在座椅上，防止乘员身体前倾，有效保护乘员的安全。撞击结束后，拉力限制器可以使安全带略微松弛以减轻安全带对车内乘员的压力。当车速发生急剧变化时，预紧式安全带也会在0.1s左右加强对乘员的约束力。图7-14预紧式安全带预紧式安全带主要分为电子控制式和机械控制式。电子控制式是通过ECU检测到汽车加速度的不正常变化，经过电脑处理后的信号发至卷收器的控制装置，从而激发预拉紧装置工作，其通常与辅助安全气囊结合使用；机械控制式是通过传感器检测到汽车加速度的不正常变化，控制装置激发预拉紧装置工作，其可以单独使用。（2）充气式安全带汽车后排由于空间和装备的原因，加装头部安全气囊的情况很少，所以单靠安全带的保护，如果发生意外，依旧可能受到碰撞伤害，甚至是安全带的二次伤害。充气式安全带将气囊和安全带结合在一起，可以很好地保护后排乘客免受二次伤害，如图7-15所示。充气式安全带在安全带的连接端安置了碰撞传感器，当其探测到严重碰撞发生时，气囊控制单元将激活安全带气囊，气体发生器将使双层结构的安全带充气膨胀。图7-15充气式安全带车道偏离预警系统是一种通过报警方式来辅助驾驶员，减少汽车因偏离车道而发生交通事故的系统。车道偏离预警系统主要由HUD抬头显示器、摄像头、控制器以及传感器组成。当车道偏离系统开启时，摄像头（一般安置在车身侧面或后视镜位置）会时刻采集行驶车道的标识线，并通过图像处理获得汽车在当前车道中的位置参数。当检测到汽车偏离车道时，传感器会及时收集车辆数据和驾驶员的操作状态，之后由控制器发出警报信号，这个过程大约在0.5s内完成，为驾驶者提供更多的反应时间，如图7-16所示。而如果驾驶员打开转向灯，正常进行变线行驶，那么车道偏离预警系统不会做出任何提示。2）车道偏离预警系统图7-16车道偏离预警系统工作情况疲劳驾驶是引发交通事故的重要因素之一。驾驶员产生疲劳后，会使其自身视力下降、注意力分散、视野逐渐变窄；思维能力下降，致使反应迟钝、判断迟缓、动作僵硬、节律失调；自我控制能力减退，易于激动、心情急躁或开快车等。睡眠驾驶报警系统（TheDrowsyDriverDetectionSy