第四章 汽車電子控制系統(tǒng)概述
第一節(jié) 汽車電子技術(shù)的發(fā)展背景
汽車既可作為生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)用品，又可作為代步、休閑、旅游等消費(fèi)用品，汽車技術(shù)的發(fā)展是人類文明史的見證。隨著社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車成為人類密不可分的伙伴。當(dāng)然，汽車的發(fā)展也帶來了一些負(fù)面的影響，如隨著汽車保有量的增加，交通條件、安全、環(huán)境污染也成了日益嚴(yán)重的問題。汽車的安全、環(huán)保和節(jié)能是當(dāng)今汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。
一、安全、環(huán)保和節(jié)能推動了汽車技術(shù)的發(fā)展
汽車的安全性是人類社會的一大禍害，車輛的制動安全性、驅(qū)動安全性與行駛安全性是道路交通安全事故的三大主要根源。全世界每年由于交通事故死亡約50萬人，排在人類死亡原因的第10位；我國目前每年因交通事故死亡占全國總死亡人數(shù)的1.5%，約每年10萬人。為此，科技人員從汽車的主動安全性和被動安全性兩個方面著手，設(shè)計了防滑控制系統(tǒng)、車輛姿態(tài)控制系統(tǒng)、智能防撞預(yù)警與應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)、碰撞后的保護(hù)系統(tǒng)等一系列電子控制裝置。
HC和NOx 混合在一起，在強(qiáng)烈的陽光照射下，會發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧和各種化合物。臭氧（O3）具有很強(qiáng)的氧化性和毒性。1963年美國洛杉磯地區(qū)發(fā)生了光化學(xué)煙霧事件，促使各國對大氣污染的重視研究。據(jù)統(tǒng)計，城市大氣污染物一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）的主要污染源是汽車排氣。因此，世界各國都相繼制訂了日益嚴(yán)格的汽車排放物限制法規(guī)。此外，隨著汽車保有量的增加，汽車噪聲也是環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)治理對象。于是，現(xiàn)代轎車普遍裝有噴油與點(diǎn)火控制、廢氣再循環(huán)及三元催化等發(fā)動機(jī)尾氣控制裝置。人們還在降低機(jī)械噪聲、隔振、隔音等方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)工作。
進(jìn)入二十世紀(jì)70年代，全球的石油危機(jī)，使汽車節(jié)能問題受到世界各國高度重視，汽車耗油量被相應(yīng)的法規(guī)限制，并成為汽車報廢的一個主要標(biāo)志。到二十世紀(jì)末，美國政府提出了耗油為3L/100km的“3升車”計劃。傳統(tǒng)的化油器等發(fā)動機(jī)部件雖然有了很大的改進(jìn)，仍然滿足不了排放和油耗兩大法規(guī)的要求?？梢?，傳統(tǒng)技術(shù)已無能為力，只有采用汽油噴射及電子點(diǎn)火等易于應(yīng)用的電子控制新技術(shù)，才能有所突破。
二、電子信息技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了汽車技術(shù)向集成與智能邁進(jìn)
汽車技術(shù)特別是汽車電子控制技術(shù)在世界較發(fā)達(dá)國家發(fā)展迅猛，其先決條件是電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展。二十世紀(jì)物理學(xué)的革命，促使半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是集成電路（IC）和大規(guī)模集成電路（LSI）及超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展，使電子元件過渡到了功能塊和微型計算機(jī)，不僅功能極強(qiáng)，而且價格便宜，可靠性好，結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)敏捷，迅速推動了汽車電控技術(shù)的發(fā)展。
由于電子信息技術(shù)的發(fā)展，以及近年來嵌入式系統(tǒng)、局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）和數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）技術(shù)的成熟，汽車電子控制系統(tǒng)的集成成為汽車技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。原先單一項(xiàng)目控制的燃油噴射控制、點(diǎn)火控制、排放控制、自動變速控制等，發(fā)展成為多功能的集成控制系統(tǒng)。如：發(fā)動機(jī)的電子控制技術(shù)是從控制點(diǎn)火時刻開始的，上世紀(jì)九十年代初發(fā)展到汽油噴射、點(diǎn)火控制、排放控制等多項(xiàng)內(nèi)容復(fù)合的發(fā)動機(jī)集中控制系統(tǒng)；上世紀(jì)末又將發(fā)動機(jī)控制、驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)等復(fù)合,成為動力控制系統(tǒng)或牽引控制系統(tǒng)（TCS,
Traction Control System）。又如：戴姆勒—克萊斯勒公司(Daimler— Chrysler)的測控一體化制動系統(tǒng)（SBC，Sensotronic Brake Control），把制動踏板行程、轉(zhuǎn)向角度、輪速、車速等信號集合，通過制動防抱死（ABS，Anti—Lock Brake System 或Antilock Braking System）或電子穩(wěn)定控制程序（ESP，Electronic Stability Program)系統(tǒng)控制制動過程。
傳感技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加快了汽車的智能化進(jìn)程。日本豐田公司（Toyota）和德國德科電子公司（Delco）聯(lián)合開發(fā)的智能車速控制系統(tǒng)，駕駛員可以選擇滯后前車一定的時間（1.8s、2.0s、2.4s），通過前保險杠的雷達(dá)傳感器測距來控制，并與前車保持一定的距離。德國德爾福電子系統(tǒng)公司（Delphi）的熱管理系統(tǒng)，把信號送入系統(tǒng)中央控制器后，可以根據(jù)乘員的衣著和心理反應(yīng)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)氣流溫度、流量、流動方向等，滿足各個乘員的舒適性。智能汽車導(dǎo)航系統(tǒng)集合了嵌入式計算機(jī)、彩色顯示器和衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等技術(shù)，由于“藍(lán)牙技術(shù)”（Bluetooth）的應(yīng)用，預(yù)計衛(wèi)星定位這項(xiàng)技術(shù)將在我國得到迅速推廣。
網(wǎng)絡(luò)化是未來車輛的必然選擇，集發(fā)動機(jī)控制、底盤控制、車身控制、以及安全、通訊、娛樂等于一體的網(wǎng)絡(luò)汽車的出現(xiàn)也是指日可待。圖4-1、圖4-2為近期構(gòu)建的車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
圖4-1 四層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖4-2 網(wǎng)絡(luò)層次的發(fā)展
三、汽車電子技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性
由于電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，汽車電子控制在控制的精度、范圍、適應(yīng)性和智能化等多方面有了較大發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了汽車的全面優(yōu)化運(yùn)行。因此，在降低排放污染、減少燃油消耗、提高安全性和舒適性等方面，電子控制汽車有著明顯的優(yōu)勢。
1．減少汽車修復(fù)時間
汽車電氣設(shè)備的故障約占汽車總故障的1/3。由于汽車構(gòu)造比較復(fù)雜，零部件比較多，工作環(huán)境不可控制（如道路條件，環(huán)境的溫、濕度），加上人為的因素，所以汽車的可靠性差，無故障間隔時間短；隨著電氣設(shè)備在汽車零部件中比例的增加，電氣設(shè)備的故障率還會提高。由于電子控制汽車均裝有自診斷系統(tǒng)，提高了故障診斷的速度和準(zhǔn)確性，從而縮短了汽車的修復(fù)時間，帶來很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
2．節(jié)油
汽車發(fā)動機(jī)采用電子綜合優(yōu)化控制，與傳統(tǒng)的化油器式發(fā)動機(jī)相比，可以節(jié)約燃油消耗10%~15％左右。汽車是一個較復(fù)雜的多參數(shù)控制的機(jī)械，而且行駛條件隨機(jī)變化。對其采用優(yōu)化控制后，計算機(jī)可以對控制對象的有關(guān)參數(shù)（如溫度、氣體壓力、轉(zhuǎn)速、排氣成分）進(jìn)行適當(dāng)采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終控制汽車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣便可使汽車在最佳工況下工作，以達(dá)到節(jié)油目的。發(fā)動機(jī)各部件的優(yōu)化控制主要有：電子控制點(diǎn)火裝置、電子控制汽油噴射和混合氣濃度控制裝置等，此外還有發(fā)動機(jī)閉缸控制節(jié)油裝置、怠速控制、廢氣再循環(huán)控制和爆震控制等優(yōu)化控制。
3．減少空氣污染
用傳感器控制的發(fā)動機(jī)空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以保證空燃比處于理論空燃比附近工作。若加裝廢氣再循環(huán)和三元催化凈化等裝置，不但可以節(jié)約燃油，而且廢氣中碳?xì)浠衔铮℉C）的體積分?jǐn)?shù)可降低40％，氮氧化合物（NOx）的體積分?jǐn)?shù)可降低60%左右。
4．減少交通事故
電子技術(shù)在汽車安全方面得到應(yīng)用后，使整車的安全性能提高。交通事故主要由人的主觀因素和客觀因素所造成，減少人的主觀因素造成事故的電子裝置有：防止酒后駕車和駕駛員磕睡的電子裝置、檢查人的心理狀態(tài)和反應(yīng)時間的電子裝置等；減少由于客觀原因造成事故的電子裝置有：電子控制防滑裝置、智能駕駛信息系統(tǒng)、汽車主要參數(shù)報警裝置和安全氣囊等。
5．提高乘坐舒適性
汽車的舒適性包括平順性、噪聲控制、空氣溫度和濕度調(diào)節(jié)以及居住性等。通常所說的乘坐舒適性，主要是指乘客對振動的適應(yīng)程度。振動主要由路面、輪胎、發(fā)動機(jī)和傳動系通過不同途徑傳遞到人體，其振動的幅度和頻率對人體影響較大。采用電子技術(shù)后，可以根據(jù)汽車的運(yùn)行情況和路況適時控制減振器的阻尼等參數(shù)，從而提高乘坐舒適性。車內(nèi)溫度、濕度、燈光等，可根據(jù)環(huán)境條件及人的要求自動控制在合適的程度。
目前，發(fā)達(dá)國家的轎車電子產(chǎn)品應(yīng)用已占車價的25%以上，隨著量子力學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)和納米技術(shù)的推廣應(yīng)用，還將進(jìn)一步推進(jìn)汽車技術(shù)的發(fā)展。預(yù)計高級轎車在近10年內(nèi)電子器件將達(dá)到轎車總成本的40%，電子器件消耗的頂峰功率也將由目前的2kw~3kw增長到8kw~10kw。。由于汽車電器設(shè)備的廣泛應(yīng)用，按8kw計算，14V的汽油車電器系統(tǒng)（蓄電池12V）電流將達(dá)570A。因此，美、歐等汽車制造商和零部件供應(yīng)商已在討論12/14V向36/42V汽車電器系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，預(yù)計42V汽車電器系統(tǒng)的應(yīng)用已為時不遠(yuǎn)了。表4-1列出了現(xiàn)代汽車上應(yīng)用較多的汽車電子控制系統(tǒng)。
表4-1 現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)
第二節(jié) 汽車電子控制系統(tǒng)的一般組成
一、電子控制系統(tǒng)的一般組成
電子控制系統(tǒng)就是應(yīng)用控制裝置自動地、有目的地控制、操作機(jī)器設(shè)備或過程，使之有一定的狀態(tài)和性能。典型的工程控制系統(tǒng)如圖4-3所示。自動控制系統(tǒng)一般由檢測反饋單元、指令及信號處理單元、轉(zhuǎn)換放大單元、執(zhí)行器和動力源等幾部分組成。
圖4-3 電子控制系統(tǒng)的一般組成
1．檢測反饋單元
該單元的功用在于通過各種傳感器檢測受控參數(shù)或其它中間變量，經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后用以顯示或作為反饋信號。
2．指令及信號處理單元
該單元接受人機(jī)對話隨機(jī)指令或定值、程序指令，并接受反饋信號，一般具有信號比較、變換、運(yùn)算、邏輯等處理功能。傳統(tǒng)的指令及信號處理單元多采用模擬電路，隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為工程控制系統(tǒng)提供了采用數(shù)字計算機(jī)指令和信號處理單元的可能性。汽車上所用的指令及信號處理單元多為微處理機(jī)。
3．轉(zhuǎn)換放大單元
該單元的作用是將指令信號按不同方式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換和線性放大，使放大后的功率足以控制執(zhí)行器并驅(qū)動受控對象。
4．執(zhí)行器
執(zhí)行器直接驅(qū)動受控對象的部件，可以是電磁元件，如電磁鐵、電動機(jī)等；也可以是液壓或氣動元件，如液壓或氣壓工作缸及馬達(dá)。為了使驅(qū)動特性與受控對象的負(fù)荷特性相互匹配，還可附加變速機(jī)構(gòu)，如液壓馬達(dá)和行星齒輪傳動的組合。
5．動力源
動力源為各單元提供能源，通常包括電氣動力源和流體動力源兩類。
二、自動控制系統(tǒng)的分類
工程自動控制系統(tǒng)的分類方式很多，一般有以下幾種。
1．按控制系統(tǒng)有無反饋環(huán)節(jié)分類
（1）開環(huán)控制系統(tǒng) 若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響（即無檢測反饋單元），則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度完全取決于各單元的精度，因此，它主要使用在精度要求不高并且不存在內(nèi)外干擾的場合。但開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且一般不存在穩(wěn)定性的問題。
（2）閉環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸出通過檢測反饋單元返回來作用于控制部分，形成閉合回路，這種控制系統(tǒng)就稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是能夠自動糾正外部干擾和系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)變化引起的偏差，這樣就可以采用精度不太高而成本較低的元件，組成一個較為精確的控制系統(tǒng)。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)是以偏差消除偏差的，即系統(tǒng)要工作就必須有偏差存在，因此這類系統(tǒng)不會有很高的精度。同時，由于組成系統(tǒng)的元件有慣性、傳動鏈的間隙等因素存在，如配合不當(dāng)，將會引起反饋控制系統(tǒng)的振蕩，從而系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作，精度和穩(wěn)定性之間的矛盾始終是閉環(huán)控制系統(tǒng)存在的主要矛盾。
2．按輸入量變化的規(guī)律來分類
（1）恒值控制系統(tǒng) 恒值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是，系統(tǒng)的輸入量是恒值，并要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定值。它是一種最常見的自動控制系統(tǒng)，如自動調(diào)速系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)、恒張力控制系統(tǒng)等，都屬于恒值控制系統(tǒng)。
（2）隨動控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是，輸入量是變化的（有時是隨機(jī)的），并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化，故隨動系統(tǒng)又稱為伺服系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)。它廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、武器（火炮、導(dǎo)彈）和雷達(dá)等的運(yùn)動控制。
（3）過程控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)的輸出量是按給定的時間函數(shù)實(shí)現(xiàn)控制的。這類系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、造紙、食品等工業(yè)的工藝過程參數(shù)控制，如溫度、壓力、流量、液位、pH值等。過程控制系統(tǒng)也可稱為程序控制系統(tǒng)，往往內(nèi)含伺服控制系統(tǒng)。
以上三種控制系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3．按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關(guān)系分類
（1）連續(xù)控制系統(tǒng) 連續(xù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是，控制作用的信號是連續(xù)量或模擬量。如隨動系統(tǒng)就是連續(xù)控制系統(tǒng)，因?yàn)樽饔糜谙到y(tǒng)的信號是模擬量。
（2）離散控制系統(tǒng) 又稱采樣控制系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是，作用于系統(tǒng)的控制信號是連續(xù)量、數(shù)字量或采樣數(shù)據(jù)量。通常采樣數(shù)值計算機(jī)控制的系統(tǒng)都是離散系統(tǒng)。
4．按系統(tǒng)輸出量和輸入量的關(guān)系分類
（1）線性系統(tǒng) 線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是，系統(tǒng)的輸出量和輸入量的關(guān)系是線性的，它的各個環(huán)節(jié)或系統(tǒng)都可以用線性微分方程來描述，可以應(yīng)用疊加原理和拉氏變換解決線性系統(tǒng)中的問題。
（2）非線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是，其中的一些環(huán)節(jié)具有非線性性質(zhì)（例如出現(xiàn)飽和死區(qū)、滯環(huán)等）。它們往往要采用非線性的微分方程來描述。此外，疊加原理對非線性系統(tǒng)是不適用的。
另外，按系統(tǒng)主要組成元件的物理性質(zhì)，可將控制系統(tǒng)分為電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和電一液控制系統(tǒng)。
5．簡化的汽車電子控制系統(tǒng)模型
從控制原理來看，汽車電控系統(tǒng)可以簡化為傳感器、ECU和執(zhí)行器三大組成部分。傳感器是感知信息的部件，功用是向ECU提供汽車運(yùn)行狀況和發(fā)動機(jī)工況等。ECU接收來自傳感器的信息，經(jīng)信息處理后發(fā)出相應(yīng)的控制指令給執(zhí)行器。執(zhí)行器即執(zhí)行元件，其功用是執(zhí)行ECU的專項(xiàng)指令，從而完成控制目的。傳感器、ECU和執(zhí)行器三部分相互間的工作關(guān)系如圖4-4所示。
圖4-4 傳感器、ECU和執(zhí)行器之間的工作關(guān)系
三、汽車電子控制系統(tǒng)簡介
汽車電子控制系統(tǒng)可以分為以下四個部分：
1）發(fā)動機(jī)和動力傳動集中控制系統(tǒng)。包括發(fā)動機(jī)集中控制系統(tǒng)、自動化變速控制系統(tǒng)、制動防抱死和牽引力控制系統(tǒng)等；
2）底盤綜合控制和安全系統(tǒng)。包括車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)、主動式車身姿態(tài)控制系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)、防撞預(yù)警系統(tǒng)、駕駛員智能支持系統(tǒng)等；
3）智能車身電子系統(tǒng)。自動調(diào)節(jié)座椅系統(tǒng)、智能前燈系統(tǒng)、汽車夜視系統(tǒng)、電子門鎖與防盜系統(tǒng)等；
4）通訊與信息/娛樂系統(tǒng)。包括智能汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)、“ON STAR”系統(tǒng)（具有自動呼救與查詢等功能）、汽車維修數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、汽車音響系統(tǒng)、實(shí)時交通信息咨詢系統(tǒng)、動態(tài)車輛跟蹤與管理系統(tǒng)、信息化服務(wù)系統(tǒng)（含網(wǎng)絡(luò)等）等。
下面簡單介紹一下目前較多見且較成熟的部分地區(qū)汽車電子控制裝置。
（一）發(fā)動機(jī)控制部分
1．電控點(diǎn)火裝置（ESA）
該系統(tǒng)可使發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量等因素下，在最佳點(diǎn)火提前角工況下工作，使發(fā)動機(jī)輸出最大的功率和轉(zhuǎn)矩，而將油耗和排放降低到最低限度。該系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制。電控點(diǎn)火裝置閉環(huán)控制系統(tǒng)通過爆震傳感器進(jìn)行反饋控制，其點(diǎn)火時刻的控制精度比開環(huán)高，但排氣凈化差些。
2．電控汽油噴射(EFI)
該系統(tǒng)根據(jù)各傳感器輸送來的信號，能有效控制混合氣空燃比，使發(fā)動機(jī)在各種工況下空燃比達(dá)到較佳值，從而實(shí)現(xiàn)提高功率、降低油耗、減少排氣污染等功效。該系統(tǒng)可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制。閉環(huán)控制是在開環(huán)控制的基礎(chǔ)上，在一定條件下，由計算機(jī)根據(jù)氧傳感器輸出的含氧濃度信號修正燃油供給量，使混合氣空燃比保持在理想狀態(tài)下。
3．廢氣再循環(huán)控制（EGR）
該系統(tǒng)是將一部分排氣中的廢氣引入進(jìn)氣側(cè)的新鮮混合氣中再次燃燒，以抑制發(fā)動機(jī)有害氣體氮氧化合物的生成。該系統(tǒng)能根據(jù)發(fā)動機(jī)的工況適時地調(diào)節(jié)參與廢氣再循環(huán)的廢氣循環(huán)率，以減少排氣中的有害氣體氮氧化合物。它是一種排氣凈化的有效手段。
4．怠速控制（ISC）
該系統(tǒng)能根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度及其它有關(guān)參數(shù)，如空調(diào)開關(guān)信號、動力轉(zhuǎn)向開關(guān)信號等，使發(fā)動機(jī)的怠速處于最佳狀態(tài)。
除以上控制裝置外，發(fā)動機(jī)部分的控制內(nèi)容還有：發(fā)動機(jī)輸出、冷卻風(fēng)扇、發(fā)動機(jī)排量、氣門正時、二次空氣噴射、發(fā)動機(jī)增壓、油氣蒸發(fā)控制及系統(tǒng)自診斷等。
另外，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，計算機(jī)將會在現(xiàn)代汽車上承擔(dān)更重要的任務(wù)，如控制燃燒室的容積和形狀、控制壓縮比、檢測汽車零件逐漸增加的機(jī)械磨損等。
（二）底盤控制部分
1．電控自動變速器（ECT）
該裝置有多種形式。它能根據(jù)發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度和車速等行駛條件，按照換檔特性精確地控制變速比，使汽車處于最佳檔位。該裝置具有提高傳動效率、降低油耗、改善換檔舒適性、提高汽車行駛平穩(wěn)性以及延長變速器使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。
2．防滑控制系統(tǒng)
防滑控制包括制動防抱死（ABS）、牽引控制（TCS）、驅(qū)動防滑（ASR）和車輛橫向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC）。該系統(tǒng)可以提高制動效能，防止汽車在制動、起步、驅(qū)動和轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生側(cè)滑，是保證行車安全和防止事故發(fā)生的重要措施。
3．電子控制動力轉(zhuǎn)向
電子控制動力轉(zhuǎn)向的型式較多，目前汽車動力轉(zhuǎn)向的發(fā)展趨勢為四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它們分別顯示出不同的優(yōu)越性，如有的可獲得最優(yōu)化的轉(zhuǎn)向作用力特性、最優(yōu)化的轉(zhuǎn)向回正特性，改善行駛的穩(wěn)定性以及發(fā)揮節(jié)能和降低成本的作用；有的主要是為了提高轉(zhuǎn)向能力和轉(zhuǎn)向響應(yīng)性；有的主要用來改善高速行駛時的穩(wěn)定性。目前電控前輪動力轉(zhuǎn)向較普及，通過控制轉(zhuǎn)向力，保證汽車原地或低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便，而高速行駛時又確保安全。
4．電控懸掛(TEMS)
該系統(tǒng)能根據(jù)不同的路面狀況，控制車輛高度，調(diào)整懸掛的阻尼特性及彈性剛度，改善車輛行駛的穩(wěn)定性、操縱性和乘坐舒適性。
5．巡航控制系統(tǒng)(CCS)
該系統(tǒng)又稱恒速行駛系統(tǒng)。汽車在高速公路上長時間行駛時，打開該系統(tǒng)的自動操縱開關(guān)后，恒速行駛裝置將根據(jù)行駛阻力自動增減節(jié)氣門開度，使汽車行駛速度保持一定。該系統(tǒng)可以減輕駕駛員長途駕駛之疲勞。
（三）行駛安全系統(tǒng)
1．安全氣囊（SRS)
該系統(tǒng)是國外汽車上一種常見的被動安全裝置。在車輛相撞時，由電控元件用電流引爆安置在方向盤中央（有的在儀表盤板雜務(wù)箱后邊也安裝）等處氣囊中的滲氮物，迅速燃燒產(chǎn)生氮?dú)?，瞬間充滿氣囊。氣囊的作用是在駕駛員與方向盤之間、前座乘員與儀表板間形成一個緩沖軟墊，避免硬性撞擊而受傷。此裝置一定要與安全帶配合使用，否則效果大為降低。
2．雷達(dá)防撞系統(tǒng)
該系統(tǒng)有多種形式。有的在汽車行駛中，當(dāng)兩車的距離小到安全距離時，即自動報警，若繼續(xù)行駛，則會在即將相撞的瞬間，自動控制汽車制動器將汽車停??；有的是在汽車倒車時，顯示車后障礙物的距離，有效地防止倒車事故發(fā)生。
3．驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)（ASR）
該系統(tǒng)是在制動防抱死系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，兩系統(tǒng)有許多共同組件。該系統(tǒng)裝置利用驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)速傳感器，當(dāng)感受到驅(qū)動輪打滑時，控制元件便通過制動或通過油門降低轉(zhuǎn)速，使之不再打滑。它實(shí)質(zhì)上是一種速度調(diào)節(jié)器，可以在起步和彎道中速度發(fā)生急劇變化時，改善車輪與地面間的附著力，提高其安全性。該系統(tǒng)裝置在雪地或濕滑路面上，較能發(fā)揮其特性。
4．安全帶控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)在汽車發(fā)生任何撞擊的情況下，可瞬間束緊安全帶。有的汽車上只有當(dāng)計算機(jī)確認(rèn)駕駛員和乘客安全帶使用正確無誤時，發(fā)動機(jī)才能被起動。
5．前照燈控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)可在前照燈照明范圍內(nèi)，隨著方向盤的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，并能在會車時自動啟閉和防眩。
除上述裝置外，已經(jīng)開發(fā)出各種各樣的安全裝置，如自動門窗裝置、車門自動閉鎖裝置、防盜裝置、車鑰匙忘拔報警裝置和語言開門（無鑰匙）裝置等。
（四）信息系統(tǒng)
隨著電子化的發(fā)展，汽車信息系統(tǒng)越來越龐大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出如車速、里程、冷卻液溫度、油壓等相關(guān)范圍，逐漸向全面反映車輛工況和行駛動態(tài)等功能發(fā)展?？颇糠倍嗟男畔⒀b置正在源源不斷地進(jìn)入汽車領(lǐng)域。
1．信息顯示與報警系統(tǒng)
該系統(tǒng)可將發(fā)動機(jī)的工況和其它信息參數(shù)，通過微處理機(jī)處理后，輸出對駕駛員更有用的信息，并用數(shù)字顯示、線條顯示或聲光報警。
顯示的信息除冷卻液溫度、油壓、車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等常見的內(nèi)容外，還有瞬時耗油量、平均耗油量、平均車速、行駛里程、車外溫度等。根據(jù)駕駛員的需要，可隨時調(diào)出顯示這些信息。
監(jiān)視和報警的信息主要有：燃油溫度、冷卻液溫度、油壓、充電、尾燈、前照燈、排氣溫度、制動液量、手制動、車門未關(guān)嚴(yán)等。當(dāng)出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象或自診斷系統(tǒng)測出有故障時，立即由聲光報警。
2．語言信息系統(tǒng)
過去一般信息顯示都是靠駕駛員查看儀表，用視覺感知，這樣容易造成遺漏?，F(xiàn)在出現(xiàn)了語言信息，包括語音報警和語音控制兩類。
語音報警是在汽車出現(xiàn)不正常情況，如冷卻液溫度、水位、油位不正常，制動液不足和蓄電池充電值偏低等情況時，計算機(jī)經(jīng)過邏輯判斷，輸出信息至揚(yáng)聲器，發(fā)出模擬人的聲音向駕駛員報警，如“水位不正常”、“請加油”等，多數(shù)還同時用燈光報警。
語音控制是用駕駛員的聲音來指揮和控制汽車的某個部件、設(shè)備進(jìn)行動作。
3．車用導(dǎo)航系統(tǒng)與定位系統(tǒng)
該系統(tǒng)是近幾年研究的新課題。它可在城市或公路網(wǎng)范圍內(nèi)，定向選擇最佳行駛路線，并能在屏幕上顯示地圖，表示汽車行駛中的位置，以及到達(dá)目的地的方向和距離。這實(shí)質(zhì)是汽車行駛向智能化發(fā)展的方向，再進(jìn)一步就可成為無人駕駛汽車。
4．通信系統(tǒng)
這方面真正使用且采用最多的是汽車電話，在美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家較普及。目前的水平在不斷地提高，除車與路之間，車與車之間，車與飛機(jī)等交通工具之間的通話外，還可通過衛(wèi)星與國際電話網(wǎng)相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)行駛過程中的國際間電話通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息交換，圖像傳輸?shù)取?div style="height:15px;">
（五）附屬裝置
1．全自動空調(diào)（EA/C）
該裝置突破單一的空氣溫度調(diào)節(jié)功能，根據(jù)設(shè)計在車內(nèi)的各種溫度傳感器（車內(nèi)溫度、大氣溫度、日照強(qiáng)度、蒸發(fā)器溫度、發(fā)動機(jī)冷卻液溫度等）輸入的信號，由計算機(jī)進(jìn)行平衡溫度演算，對進(jìn)氣轉(zhuǎn)換風(fēng)門、混合風(fēng)門、水閥、加熱斷電器、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等進(jìn)行控制；根據(jù)乘客要求，保持車內(nèi)的溫度等小氣候處于最佳值（人體感覺最舒適的狀態(tài)）。
2．自動座椅
該裝置是人體工程技術(shù)與電子控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它能使座椅適應(yīng)乘客的不同體型，滿足乘客的舒適性的要求。
3．音響／音像
車內(nèi)裝有立體音響、CD等。放音系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)立體聲補(bǔ)償、立體聲音響自動選臺，顯示器實(shí)現(xiàn)數(shù)碼選臺。
四、ECU的功能與組成
1．ECU的功能
ECU是一種電子綜合控制裝置，它所具備的基本功能如下：
1）接受傳感器或其他裝置輸入的信息，給傳感器提供參考(基準(zhǔn))電壓：2V、5V、9V、12V；將輸入的信息轉(zhuǎn)變?yōu)槲C(jī)所能接受的信號。
2）存儲、計算、分析處理信息；計算出輸出值所用的程序；存儲該車型的特點(diǎn)參數(shù)；存儲運(yùn)算中的數(shù)據(jù)（隨存隨?。鎯收闲畔?。
3）運(yùn)算分析。根據(jù)信息參數(shù)求出執(zhí)行命令數(shù)值；將輸出的信息與標(biāo)準(zhǔn)值對比，查出故障。
4）輸出執(zhí)行命令。把弱信號變?yōu)閺?qiáng)的執(zhí)行命令數(shù)值；輸出故障信息。
5）自我修正功能（自適應(yīng)功能）。
在發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中，ECU不僅用來控制汽油噴射系統(tǒng)，同時還具有點(diǎn)火提前角控制、怠速控制、排放控制、進(jìn)氣控制、增壓控制、自診斷、失效保護(hù)和備用控制系統(tǒng)等多項(xiàng)控制功用。
在發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中，由于使用微機(jī)，與以往的模擬電路控制相比，信號處理的速度和容量大大提高，因此，就可以實(shí)現(xiàn)多功能的高精度集中控制。
2．ECU的組成
發(fā)動機(jī)集中控制系統(tǒng)ECU的組成如圖4-5所示。ECU主要由輸入回路、A/D轉(zhuǎn)換器（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）、微型計算機(jī)和輸出回路四部分組成。
圖4-5 ECU的組成
1-傳感器2—模擬信號3—輸入回路4—A/D轉(zhuǎn)換器5—輸出回路
6—執(zhí)行元件7—微機(jī)8—數(shù)字信號9—ROM/RAM記憶裝置
（1）輸入回路 輸入ECU的傳感器信號有兩種：一種是模擬信號（圖4-6 a），如：熱線式空氣流量計的輸出信號和冷卻液溫度傳感器的輸出信號等；另一種是數(shù)字信號（圖4-6 b），如卡門渦流式空氣流量計的輸出信號和轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號等。信號的類型不同，輸入ECU后的處理方法也不一樣。
從傳感器輸出的信號輸入ECU后，首先通過輸入回路，其中數(shù)字信號直接輸入微機(jī)，模擬信號則由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后再輸入微機(jī)。
圖4-6 傳感器輸入信號的種類
a) 模擬信號 b) 數(shù)字信號
輸入回路的作用是將傳感器輸入的信號，在除去雜波和把正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾ê?，再轉(zhuǎn)換成輸入電平（圖4-7）。
圖4-7 輸入回路的作用
1-除去雜波 2—輸入回路
（2）A/D轉(zhuǎn)換器（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器） 由傳感器輸入的模擬信號，微機(jī)不能直接處理，故要用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再輸入微機(jī)。圖4-8所示為空氣流量計輸出模擬信號由A/D轉(zhuǎn)換器處理示意圖。
圖4-8 模擬信號轉(zhuǎn)換處理
1-空氣流量計 2—輸入回路 3—轉(zhuǎn)換器 4—微機(jī)
（3）微型計算機(jī) 微機(jī)的功用是根據(jù)發(fā)動機(jī)工作的需要，把各種傳感器送來的信號用內(nèi)存的程序（微機(jī)處理的順序）和數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并把處理結(jié)果如汽油噴射控制信號、點(diǎn)火控制信號等送往輸出回路。
微機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-9所示，是由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出裝置等組成。
圖4-9 微型電子計算機(jī)的構(gòu)成
1-存儲器 2—信息轉(zhuǎn)送通路 3—輸入/輸出
1）中央處理器（CPU）。中央處理器的功用是讀出命令并執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)。CPU是由進(jìn)行數(shù)據(jù)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的運(yùn)算器、暫時存儲數(shù)據(jù)的寄存器、按照程序進(jìn)行各裝置之間信號傳送及控制任務(wù)的控制器等組成（圖4-10）。
圖4-10 CPU的組成
1-控制信號2—數(shù)據(jù)3—信息傳達(dá)通道4—控制器
5—寄存器6—運(yùn)算器
2）存儲器。存儲器的功用是記憶存儲程序和數(shù)據(jù)，一般由幾個只讀存儲器ROM和隨機(jī)存取存儲器RAM組成。
ROM是讀出專用存儲器，存儲內(nèi)容一次寫入后就不能改變，但可以調(diào)出使用。ROM存儲器存儲的內(nèi)容，即使切斷電源，其記憶的內(nèi)容也不丟失，故適用于對各種程序和數(shù)據(jù)的長期保留。近年可編程只讀存儲器(EPROM)已在汽車微機(jī)中得到應(yīng)用，該存儲器可由紫外線將其記憶內(nèi)容消去，并可改寫存儲內(nèi)容。
隨機(jī)存儲器RAM既能讀出也能寫入數(shù)據(jù)記憶在任意地址上。但是如果切斷電源，存儲的數(shù)據(jù)就丟失。所以RAM只適用于暫時保留過程中的處理數(shù)據(jù)。
3）輸入/輸出裝置。輸入/輸出裝置的功用是根據(jù)CPU的命令，在外部傳感器和執(zhí)行器之間執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送任務(wù)，一般稱之為I/O接口。
4）輸出回路。由微機(jī)輸出的是電壓很低的數(shù)字信號，用這種信號一般是不能直接驅(qū)動執(zhí)行元件的。輸出回路的功用就是將微機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動執(zhí)行元件的輸出信號。輸出回路多采用大功率三極管，由微機(jī)輸出的信號控制其導(dǎo)通和截止，從而控制執(zhí)行元件的搭鐵回路（圖4-11）。
圖4-11 輸出回路
1-微型計算機(jī) 2—輸出回路 3—噴油器
第三節(jié) 汽車電子控制技術(shù)基礎(chǔ)知識
一、汽油機(jī)的排放與凈化
1．HC的生成機(jī)理
HC產(chǎn)生的原因除燃料的不完全燃燒外，缸壁淬冷也是排氣中HC的主要來源。由于汽油機(jī)中混合氣的燃燒是依靠火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)行的，當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ浇咏鼩飧妆诿娓浇鼤r，由于壁面的冷卻作用，火焰不能完全傳播到缸壁表面，使大約0.5mm 厚度上的混合氣燒不著，通常把這層燒不著的混合氣叫做淬冷層。淬冷層的厚度隨空燃比、氣缸內(nèi)的壓力、氣體的流動狀況而變化。當(dāng)混合氣的空燃比位于濃混合區(qū)的某個值的附近，淬冷層的厚度最小，比它更濃或更稀的混合氣，都會使淬冷層的厚度增加。氣缸內(nèi)的壓力越高、氣體流動越活躍，都會使淬冷層變得越薄。另外，活塞頂部與第一道氣環(huán)之間的空隙、火花塞磁芯周圍的空隙等，火焰也不能傳播過去。上述淬冷層和氣隙中的混合氣沒有燃燒就隨廢氣排出。在排氣初期，靠近排氣門附近的那一部分淬冷層中的未燃?xì)怏w首先“剝離”隨尾氣排出。在排氣后期，活塞把氣缸壁面的淬冷層也卷進(jìn)排氣中，使HC的排放濃度大大增加。
發(fā)動機(jī)工作時，如果混合氣過濃，由于空氣不足，燃燒不完全，未燃燒或燃燒過程中生成的HC增多，HC的排放濃度當(dāng)然增加。而當(dāng)混合氣過稀或缸內(nèi)廢氣過多時，則可能引起火焰不充分甚至完全斷火，致使排氣中的HC濃度顯著增加。在正常情況下發(fā)動機(jī)提供的是可點(diǎn)燃的混合氣，火焰?zhèn)鞑ゲ煌耆窃谶M(jìn)氣管真空度很高的情況下使用發(fā)生的，例如怠速或減速時所引起的高度廢氣稀釋所造成，或者是在過渡工況，特別是在暖車及減速時，進(jìn)入氣缸內(nèi)的混合氣很可能是過濃或過稀，以致不能燃燒完全，使HC排放量增加。
2．CO的生成機(jī)理
CO是燃料燃燒的中間產(chǎn)物。排氣中CO主要是在局部缺氧或低溫下由于烴的不完全燃燒產(chǎn)生的。
理論上講，當(dāng)空燃比值A(chǔ)/F=14.7時，將實(shí)現(xiàn)完全反應(yīng)，生成CO2 和H2 O。而當(dāng)空氣不足時（A/F<14.7）時，則有部分燃料不能完全燃燒而生成CO。
然而，在實(shí)際汽油機(jī)中，不僅空氣不足時燃燒生成物中有CO，就是在空氣充足時，燃燒產(chǎn)物中也含有CO及H2。其原因是由于混合氣的形成與分配不均造成的。另外在使用稀混合氣時，在高溫下，燃燒生成的CO2 和H2O也可能有一小部分發(fā)生分解反應(yīng)而離解反應(yīng)生成的H2 又會使CO2 還原成CO，所以，在發(fā)動機(jī)排氣中，總會有CO的存在。盡管如此，排氣中CO的濃度，基本取決于空燃比。
3．NOx的生成機(jī)理
NOx是空氣在燃燒室的高溫條件下，由氧和氮的反應(yīng)所形成的，它和其它廢氣成份不同，不是來自燃料。發(fā)動機(jī)所排出的NOx，雖含有少量的NO2，但大部分是NO。排氣中的NO在大氣中氧化成NO2，通常把NO2和NO統(tǒng)稱為NOx （氮的氧化物）。
在發(fā)動機(jī)工作中，無論是進(jìn)行完全燃燒反應(yīng)，還是不完全燃燒反應(yīng)，其最初燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱必將使空氣中的氧分子裂解為氧原子，并與空氣中的氮分子發(fā)生反應(yīng)而生成NO和氮原子，而氮原子又與空氣中氧分子發(fā)生反應(yīng)生成NO和氧原子，這部分氧原子又可與空氣中氮分子重新反應(yīng)，產(chǎn)生NO。
在這些反應(yīng)中，燃燒廢氣溫度越高，燃燒后殘留的氧氣濃度越大，高溫持續(xù)的時間越長，NOx 的生成量就越多。
4．影響排放中有害氣體的生成因素
排氣中有害氣體的生成與空燃比、點(diǎn)火時刻、發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)等有關(guān)，通常，空燃比和點(diǎn)火時刻的影響最大。
（1）空燃比 當(dāng)?shù)陀诶碚摽杖急?4.7時，排出的CO濃度便急劇上升；反之，空燃比從16附近起，則趨于穩(wěn)定，并且數(shù)值很低。這說明混合氣越濃時，由于燃燒所需要的氧氣不足，所以引起不完全燃燒，而引起CO的急劇增長。同時還說明，要減小CO的排放，就必須采用稀混合氣。試驗(yàn)證明，發(fā)動機(jī)CO的排放量基本決定于空燃比，其它的影響因素都小。
HC與CO不同，空燃比在17以內(nèi)時，隨著空燃比的增大，HC便下降。但繼續(xù)增大時，由于混合氣過于稀薄，易于發(fā)生火焰不完全傳播，甚至斷火，使HC排放濃度迅速增加。
空燃比對NOx 的影響：當(dāng)混合氣很濃時，由于燃燒高溫和可利用的氧的濃度都很低，使NOx 的生成量也較低。用空燃比為15.5~16的稍稀混合氣時，排出的NOx 濃度最高。對于空燃比稀于16的混合氣，雖然氧的濃度增加可以促進(jìn)NOx 的生成，但這種增加卻被由于稀混合氣中燃燒溫度和形成速度的較低所抵消。因此對于很濃或很稀的混合氣，NOx 的排放濃度均不高。
（2）點(diǎn)火時刻 推遲點(diǎn)火時間，在燃燒室內(nèi)的燃燒時間將縮短，由于后燃，將使排氣溫度上升，促進(jìn)了HC和CO的氧化，排出的HC減少。另外由于燃燒時降低了氣缸的面容比，使燃燒室內(nèi)的淬冷面積減小，使排出的HC減少。但需要指出的是，采用推遲點(diǎn)火的結(jié)果雖然使排氣污染物有所下降，但這種下降是靠犧牲燃料經(jīng)濟(jì)性換來的。
點(diǎn)火時刻對CO排放濃度影響不大，但過分推遲點(diǎn)火，亦會使CO在燃燒室內(nèi)沒有時間完全氧化，而引起排放量的增加。
無論在任何轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，加大點(diǎn)火提前角，均使NOx 的排放濃度增加。這是因?yàn)辄c(diǎn)火時刻提前時，燃燒溫度提高所致。
5．排氣凈化的后處理
發(fā)動機(jī)本身的改進(jìn)，尚不能符合排放規(guī)定時，就要附加凈化處理裝置?，F(xiàn)在的凈化處理裝置很多。如：三元催化反應(yīng)器、廢氣再循環(huán)、二次空氣供給裝置等都普遍有所應(yīng)用。有的可以單獨(dú)使用，有的是兩項(xiàng)凈化裝置同時結(jié)合起來使用，都可以得到滿意的凈化效果。
（1）二次空氣供給裝置 這種裝置是為了解決從燃燒室排到排氣管中未完全燃燒的HC和CO的。為了區(qū)別于發(fā)動機(jī)正常進(jìn)氣，把這種排氣系統(tǒng)中供給空氣的裝置叫二次空氣供給裝置。工作原理是：空氣送到各缸的排氣門附近，利用燃燒后的高溫，使廢氣中殘留的HC和CO與空氣相混合后再燃燒，達(dá)到排氣凈化的目的。
（2）三元催化轉(zhuǎn)換器 現(xiàn)代汽車普遍采用三元催化排氣凈化器，把發(fā)動機(jī)排出的廢氣中有害氣體轉(zhuǎn)換成無害氣體。具體內(nèi)容見本教材第五章第二節(jié)。
（3）廢氣再循環(huán)控制（EGR） EGR廢氣再循環(huán)是發(fā)動機(jī)工作過程中，將一部分廢氣引到吸入的新鮮空氣（或混合氣）中返回氣缸進(jìn)行再循環(huán)的方法，該方法被廣泛用于減少NOx 的排放量。具體內(nèi)容見本教材第五章第三節(jié)。
二、汽油機(jī)對點(diǎn)火系統(tǒng)的要求
1．發(fā)動機(jī)對點(diǎn)火系的要求
在汽油發(fā)動機(jī)中，氣缸內(nèi)的混合氣是由高壓電火花點(diǎn)燃的，而產(chǎn)生電火花的功能是由點(diǎn)火系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。汽油發(fā)動機(jī)對點(diǎn)火系有以下三個基本要求：
（1）能產(chǎn)生足以擊穿火花塞電極間隙的電壓 火花塞電極間產(chǎn)生火花時的電壓，稱為擊穿電壓。實(shí)驗(yàn)證明，發(fā)動機(jī)在滿負(fù)荷低速時，需要8kv ~10kv的擊穿電壓，起動時需要擊穿電壓最高可達(dá)17kv。為了保證可靠的點(diǎn)火。點(diǎn)火系必須具有一定的二次側(cè)電壓儲備，現(xiàn)代大多數(shù)點(diǎn)火系已能提供28kv以上的擊穿電壓。
影響擊穿電壓的因素很多，其中包括：火花塞電極間隙和形狀；氣缸內(nèi)混合氣的壓力和溫度；電極的形狀、溫度和極性；以及發(fā)動機(jī)的工況等。
（2）火花應(yīng)具有足夠的能量 要使混合氣可靠點(diǎn)燃，火花塞產(chǎn)生的電壓應(yīng)具有一定的能量（火花能量=火花電壓×火花電流×火花持續(xù)時間）。實(shí)驗(yàn)證明，在一定范圍內(nèi)，隨著火花能量的增大，其著火性能越好。
點(diǎn)燃混合氣所必須的最低能量，與混合氣的成份、濃度、火花塞電極的間隙及電極形狀等有關(guān)。發(fā)動機(jī)正常工作時，由于混合氣壓縮終了的溫度已接近自燃溫度，所需的火花能量很?。?mJ~5mJ）。在發(fā)動機(jī)起動、怠速及節(jié)氣門急劇打開時，需較高的火花能量。為保證可靠點(diǎn)火，一般應(yīng)保證有50mJ~80mJ的點(diǎn)火能量。目前采用的高能點(diǎn)火裝置，一般點(diǎn)火能量都要求超過80mJ~100 mJ。
（3）最佳點(diǎn)火提前角/點(diǎn)火時刻（點(diǎn)火提前角） 不同發(fā)動機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角各不相同，并且同一發(fā)動機(jī)在不同工況和使用條件下的最佳點(diǎn)火提前角也不相同。影響最佳點(diǎn)火提前角的主要因素有：
1）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，最佳點(diǎn)火提前角越大。這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高時，在同一時間內(nèi)，活塞移動距離增大，曲軸相應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度增大，如果混合氣燃燒速率不變，則最佳點(diǎn)火提前角應(yīng)按線性規(guī)律增長。但當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時，由于混合氣壓力和溫度的提高及擾流增強(qiáng)，會使燃燒速度也隨著加快，因此當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定程度時，最佳點(diǎn)火提前角雖隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大，但增加速度減慢，因此不是線性關(guān)系。
2）負(fù)荷。在同一轉(zhuǎn)速下，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大，最佳點(diǎn)火提前角將逐漸減小，這是由于發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大時（即節(jié)氣門開度增大），吸入氣缸內(nèi)的混合氣增多，壓縮行程終了時的壓力和溫度增高，殘存廢氣量相對減少，使燃燒速度加快，因此最佳點(diǎn)火提前角隨負(fù)荷增大而減小。
3）空燃比。當(dāng)空燃比A/F=11.7左右時，所需點(diǎn)火提前角最小。這是因?yàn)楫?dāng)空燃比A/F=11.7左右時，燃燒速度最快，因此，當(dāng)混合氣過稀和過濃時，由于燃燒速度變慢，必須增大點(diǎn)火提前角。
4）進(jìn)氣壓力。進(jìn)氣壓力減小，由于混合氣霧化和擾流變壞，使燃燒速度變慢，因此點(diǎn)火提前角應(yīng)增大。如在高原地區(qū)，由于大氣壓力低，空氣稀薄，應(yīng)適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角。
5）冷卻液溫度。冷卻液溫度低時，為盡快暖機(jī)，應(yīng)適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角；而當(dāng)冷卻液溫度高時，為了減少NOx、HC的排放量應(yīng)適當(dāng)減小點(diǎn)火提前角。
除上述因素外，影響點(diǎn)火提前角的因素還有壓縮比、燃燒室的形狀、積炭及同一缸火花塞的數(shù)量等。
2．閉合角控制
閉合角的概念來源于傳統(tǒng)的點(diǎn)火系，是指斷電器觸點(diǎn)閉合期間（圖4-12），也即一次電流接通期間分電器轉(zhuǎn)過的角度。在電子點(diǎn)火系中，閉合角則指末級大功率晶體管導(dǎo)通期間分電器轉(zhuǎn)過的角度。在傳統(tǒng)點(diǎn)火系中，觸點(diǎn)間隙及凸輪外形尺寸一定，因此其閉合角是一定的，不隨轉(zhuǎn)速變化而變化。發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時，觸點(diǎn)閉合時間較長，點(diǎn)火線圈易過熱；而在高轉(zhuǎn)速時，觸點(diǎn)閉合時間較短，由于一次電流從零上升到飽和電流時，需要一段時間，使一次線圈電流減小，二次電壓降低。最理想的閉合角，應(yīng)隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加。電子點(diǎn)火系，采用電子電路，能輕而易舉地控制閉合角。如圖4-13所示為閉合角控制簡圖。
圖4-12 閉合角
圖4-13 基本閉合角控制電路
3．恒流控制
對于傳統(tǒng)點(diǎn)火系，在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時一次電流減小，二次電壓下降，影響了發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性。而采用恒流控制、則可削除上述缺點(diǎn)，徹底改善點(diǎn)火性能。這種方法需要采用特殊的高能點(diǎn)火線圈。通過降低一次線圈電阻，以提高一次電流，飽和電流可高達(dá)30A，如此大的電流勢必會燒壞大功率晶體管和電路，因此必須加以控制，使其電流在一定值（如6.5A），如圖4-14所示。
圖4-14 恒流控制點(diǎn)火線圈一次電流
將一次線圈中電流控制在一定值，則二次電壓成為一個定值，不論發(fā)動機(jī)高速和低速都能獲得相同的二次電壓，從而提高了發(fā)動機(jī)性能。如圖4-15所示為恒流控制簡圖，其中Rs為采樣電阻。
圖4-15 恒流控制電路原理圖
三、汽車制動與側(cè)滑
汽車制動防抱死系統(tǒng)主要由車輪轉(zhuǎn)速傳感器、ECU和制動液壓力調(diào)節(jié)裝置三部分組成。其工作過程與汽車制動時的滑動率有密切的關(guān)系。
1．汽車制動性能的評價指標(biāo)
汽車制動性能的評價指標(biāo)主要有三個，即制動效能、制動效能的恒定性和制動時汽車的方向穩(wěn)定性。
制動效能是指汽車在干燥的硬路面上，以一定初速度制動到停車的制動距離或制動時的減速度，它是制動性能最基本的評價指標(biāo)。制動效能的恒定性中，最主要的是抗熱衰退性能。所謂抗熱衰退性能指的是在高速時或下長坡時，因制動器連續(xù)制動而溫度升高后能否保持冷態(tài)時的制動效能的評價指標(biāo)。制動時汽車的方向穩(wěn)定性，通常用制動時汽車按給定軌跡行駛的能力來評價。如果制動時汽車發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力，則汽車將偏離原來的軌跡。
2．車輪制動時的受力分析
（1）地面制動力 地面制動力是一個與汽車的行駛方向相反的力，由地面提供，通過輪胎作用于汽車上，讓汽車減速或停止。地面制動力越大，制動減速度越大，制動距離也越短。所以，地面制動力對汽車的制動性能具有決定性的影響。
圖4-16是車輪在良好路面上制動時的受力情況。Fa為車軸對車輪的推力，F(xiàn)x為地面制動力，F(xiàn)z為地面對車輪的法向反作用力，W為車輪垂直載荷，Tμ為制動器的摩擦轉(zhuǎn)矩，r為車輪半徑。
圖4-16 車輪在制動時的受力情況
在路面附著力足夠時，地面制動力與制動器摩擦轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為
（4-1）
（2）制動器制動力 在輪胎周緣克服制動器摩擦轉(zhuǎn)矩所需的力稱為制動器制動力，用F。表示。它相當(dāng)于把汽車架離地面制動時，在輪胎周緣沿切線方向施加的使車輪轉(zhuǎn)動的力。計算公式為
（4-2）
（3）附著力 附著力Fj是指汽車輪胎和道路在接觸面上無相對位移時的切向地面反作用力的極限值。在硬路面上，驅(qū)動輪反作用力的極限值Fj與法向反作用力Fz成正比，即
（4-3）
式中 Fj—輪胎道路附著力（N）；
Fz—法向反作用力（N）；
j—附著系數(shù)。
附著系數(shù)j越大，附著力Fj也越大。附著系數(shù)的大小除了與路面的情況、輪胎的結(jié)構(gòu)和胎面花紋有關(guān)外，還與車輪的運(yùn)動狀況即運(yùn)動中的滑移程度有關(guān)。
由于汽車車輪與地面在側(cè)向和縱向的附著能力是不同的，故附著力有側(cè)向附著力和縱向附著力之分。與輪胎平面平行的附著力為縱向附著力，用Fjx表示；垂直于輪胎平面的附著力，稱橫向附著力，或稱側(cè)向附著力，用Fjy表示。與之相對應(yīng)的附著系數(shù)分別是縱向附著系數(shù)jx和側(cè)向附著系數(shù)jy。關(guān)系式如下
（4-4）
（4-5）
（4）地面制動力、制動器制動力與輪胎—道路附著力之間的關(guān)系 汽車在制動過程中，車輪的運(yùn)動有純滾動、抱死拖滑以及介于上述兩者之間的邊滾邊滑三種狀況。當(dāng)制動踏板力較小且未達(dá)到附著極限值時，制動器摩擦轉(zhuǎn)矩不大，車輪處于邊滾邊滑狀態(tài)，地面制動力等于制動器制動力，且隨踏板力（或制動液壓力）的增長成正比地增長（圖4-17）。
圖4-17 地面制動力、制動器制動力及輪胎—道路附著力的關(guān)系
地面制動力Fx的最大值不能超過附著力Fj，即
（4-6）
或最大地面制動力Fxmax
（4-7）
假設(shè)汽車在制動過程中附著系數(shù)為一常數(shù)，則當(dāng)制動踏板力或制動液壓力p上升到某一值（圖4-17中為pa），且地面制動力Fx達(dá)到附著力Fj時，車輪即抱死不轉(zhuǎn)而出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。當(dāng)制動液壓力p>pa時，制動器制動力Fx，由于制動器摩擦轉(zhuǎn)矩的增長而仍按直線關(guān)系繼續(xù)上升。但是若作用在車輪上的法向載荷為常值，地面制動力Fx達(dá)到附著力Fj的值后就不再增加。所以，要想提高地面制動力以使汽車具有更大的制動效能，只有提高附著系數(shù)j。
綜上所述，汽車的地面制動力首先取決于制動器制動力，但同時又受地面附著條件的限制。只有汽車具有足夠的制動器制動力，同時地面又能提供高的附著力時，才能獲得足夠的地面制動力，而提高附著力就必須提高附著系數(shù)j。
3．附著系數(shù)與滑動率的關(guān)系
汽車車輪在路面上的縱向運(yùn)動可以區(qū)分為純滾動、純滑動和邊滾邊滑的滑移三種形式。
車輪滑移成分在車輪縱向運(yùn)動中所占的比例可以用滑動率s來表示，其滑動率s的定義式如下
（4-8）
式中 s—車輪的滑動率；
v—車輪中心的縱向速度（m/s）；
r—車輪的自由滾動半徑(m)；
ω—車輪的轉(zhuǎn)動角速度（rad/s）。
當(dāng)車輪純滾動時，v=rω；s =0；當(dāng)車輪抱死純滑動時，ω＝0，s=100%；當(dāng)車輪滑移時，0<s<100%。由此可見，滑動率越大，滑移成分越多。
當(dāng)滑動率不同時，附著系數(shù)也不一樣。圖4-18是試驗(yàn)所得的輪胎—道路附著系數(shù)曲線，即j—s曲線。
如圖4-18所示，縱向附著系數(shù)jx隨滑動率的增大而迅速增大，過B點(diǎn)后上升率變小，在A點(diǎn)達(dá)到最大值之后，隨著s的增大，jx反而減小。對于側(cè)向附著系數(shù)，s越小，jy越大，即保持轉(zhuǎn)向和防止側(cè)滑的能力越強(qiáng)。當(dāng)車輪抱死拖滑時，亦即s=100%時，縱向附著系數(shù)jx較小，地面制動力也較小，制動距離較長；此時側(cè)向附著系數(shù)jy幾乎為零，能承受的側(cè)向力很小，車輪很容易側(cè)滑，制動的方向穩(wěn)定性很差。理想狀態(tài)是使滑動率保持在10%~20%之間，這樣便可獲得較大的縱向、側(cè)向附著系數(shù)，地面所能提供的縱向附著力和側(cè)向附著力也就較大，制動效能最高。汽車制動防抱死系統(tǒng)（ABS）的主要作用就是把滑動率控制在10%~20%之間，使汽車獲得較高的制動效能，且可保持對汽車方向的控制能力。
圖4-18 j—s曲線
在汽車制動過程中，如果前輪先抱死，汽車將失去轉(zhuǎn)向能力，也有可能跑偏，但一般不會出現(xiàn)側(cè)滑；如果后輪先抱死，將會出現(xiàn)非常危險的側(cè)滑現(xiàn)象。為了防止后輪先抱死，有些汽車在制動系統(tǒng)中加了比例閥，以調(diào)節(jié)前、后車輪的制動液壓力。如果把汽車制動時的滑動率控制在10%~20%之間，前后車輪都不抱死拖滑，則汽車制動時跑偏、側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力等現(xiàn)象都不會出現(xiàn)。
四、驅(qū)動與側(cè)滑
1．汽車驅(qū)動分析
按照汽車驅(qū)動附著條件，當(dāng)汽車在起步或急加速時，如果發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩過大，則傳輸?shù)捷喬ド系霓D(zhuǎn)矩會大于輪胎與路面間的附著力，此時輪胎與路面之間也會產(chǎn)生打滑。
汽車驅(qū)動滑轉(zhuǎn)成分的大小用滑轉(zhuǎn)率表示，其定義式如下
（4-9）
式中 ω—車輪的角速度；
r—為車輪的半徑；
υ—汽車的速度。
當(dāng)車速υ=0時， = 100%，即車輪在原地打滑；當(dāng)υ=rω時， = 0，表明車輪作純滾動；當(dāng)0< <100%時，車輪邊滾邊滑。不同的滑轉(zhuǎn)率，附著系數(shù)不同，圖4-19是（φx、φy）— 曲線。由圖可以看出，當(dāng) =100%時，縱向附著系數(shù)φx和橫向附著系數(shù)φy都較小，亦即縱向附著力較小和抵抗側(cè)滑的能力較差，而峰值附著系數(shù)出現(xiàn)在s=20%左右范圍內(nèi)。
圖4-19 驅(qū)動時的附著系數(shù)（φ— 曲線）
a)利用區(qū)域 b)有側(cè)偏角
驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)（ASR，Acceleration Slip Regulation）的作用就是通過減小發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、對汽車實(shí)施制動等措施，把滑轉(zhuǎn)率控制在5％~15%之間，從而獲得較大的縱向和橫向附著力。若通過降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩來控制驅(qū)動時的車輪滑轉(zhuǎn)，又稱為牽引力控制（TCS）。
制動狀態(tài)時用輪速傳感器來計算或估計參考車速，誤差很大。但在驅(qū)動狀態(tài)卻不存在此問題，由于非驅(qū)動車輪近于自由滾動，根據(jù)非驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)速所確定的參考車速就可以認(rèn)為是實(shí)際車速，由此通過計算獲得的驅(qū)動車輪參考滑動率與實(shí)際滑動率就較為接近。因此，在驅(qū)動過程中確定驅(qū)動車輪的滑動率則較為方便和精確。
五、轉(zhuǎn)向系、傳動系與操縱穩(wěn)定性
汽車運(yùn)動時的車輛坐標(biāo)系與運(yùn)動會描述如圖4-20所示，車輛坐標(biāo)系是固連在運(yùn)動著的汽車上的動坐標(biāo)系。
圖4-20 車輛坐標(biāo)系與汽車的主要運(yùn)動形式
1．輪胎的側(cè)偏
汽車在行駛過程中，受到因路面?zhèn)认騼A斜、側(cè)向風(fēng)或轉(zhuǎn)彎行駛時的離心力等沿Y軸方向側(cè)向力F'y的作用，側(cè)向力的路面反作用力為Fy，稱為側(cè)偏力。如果車輪具有側(cè)向彈性，且側(cè)偏力沒有超過附著極限，側(cè)向力和側(cè)偏力使輪胎中心線相對于車輪平面不重合，出現(xiàn)偏位Δ（圖4-21a），稱為輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象。發(fā)生側(cè)偏的車輪轉(zhuǎn)動時，輪胎與地面的接觸印跡沿與輪胎平面成夾角α的方向滾動（圖4-21b），角度α稱為側(cè)偏角。側(cè)偏角與側(cè)偏力兩者的關(guān)系如圖4-22所示，曲線顯示，在α<5°時，兩者基本成線性關(guān)系。在α=0°處的斜率為側(cè)偏剛度，用k表示，則Fy=kα。需要指出的是：最大側(cè)偏力受附著條件限制。
圖4-21 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象
圖4-22 側(cè)偏角與側(cè)偏力兩者的關(guān)系
影響側(cè)偏特性的因素有: 垂直載荷、輪胎氣壓、切向力等。如圖4-23所示，在一定范圍內(nèi)增加垂直載荷、提高輪胎氣壓可以提高輪胎的側(cè)偏剛度；在有切向力（如驅(qū)動力、制動力）存在時，同樣的側(cè)偏角，側(cè)偏力下降。
圖4-23 影響側(cè)偏特性的因素
a)、b)垂直載荷 c)輪胎氣壓 d)切向力
車輪外傾角的傾斜方向與側(cè)偏力一致時，側(cè)偏角絕對值減小；反之則增大。外傾角增加，極限側(cè)向加速度減小，側(cè)向附著性能下降。
2．轉(zhuǎn)向系與操縱穩(wěn)定性
1）汽車的三種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性為：不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向（圖4-24），而操縱穩(wěn)定性良好的車輛應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向，不應(yīng)具有中性轉(zhuǎn)向，更不能為不足轉(zhuǎn)向。
圖4-24 汽車的三種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性（方向盤轉(zhuǎn)角 固定不變）
2）轉(zhuǎn)向系的功能：一是操縱車輪轉(zhuǎn)動來操縱汽車運(yùn)動的方向；二是借方向盤的反作用力反饋輪胎運(yùn)動、受力及整車狀況（通常稱為路感，Road Feeling）。
3）汽車行駛時，受駕駛員的方向盤輸入與外界側(cè)向干擾輸入的影響。方向盤輸入有角輸入（給方向盤一個角位移）和力輸入（給方向盤一個轉(zhuǎn)矩）兩種形式，實(shí)際駕駛時是角輸入與力輸入同時加入的，但在低速時以角位移為主，而在高速時則以力輸入為主。外界側(cè)向干擾輸入主要指側(cè)向風(fēng)與路面不平產(chǎn)生的側(cè)向力。
4）不同工況對轉(zhuǎn)向系有不同要求：
在低車速、低側(cè)向加速度下行駛，汽車應(yīng)有適度的方向盤力與總回轉(zhuǎn)角，并有良好的回正性能；在高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角小、低側(cè)向加速度時，應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)向操縱力，如圖為4-25 轉(zhuǎn)向器與操縱力的變化關(guān)系。
圖4-25 電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤操縱力特性
5）變形轉(zhuǎn)向角。由于地面作用于車輪的回正轉(zhuǎn)矩，使輪胎發(fā)生變形，轉(zhuǎn)向輪出現(xiàn)變形轉(zhuǎn)向角。車輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向角等于理論轉(zhuǎn)向角與變形轉(zhuǎn)向角之差。在一定的方向盤轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，前輪的變形轉(zhuǎn)向角大，增加汽車的不足轉(zhuǎn)向量。
3．側(cè)傾轉(zhuǎn)向
汽車在曲線行駛時，由于離心力的作用，位于懸架上方的車廂出現(xiàn)側(cè)傾（側(cè)向傾斜），造成左右車輪上的垂直載荷重新分配。前軸左、右輪垂直載荷變動量較大，汽車趨于增加不足轉(zhuǎn)向量；而后軸左、右輪垂直載荷變動量較大，汽車趨于減少不足轉(zhuǎn)向量。
另外，由于離心力產(chǎn)生了車廂的側(cè)傾，并引起了懸架和轉(zhuǎn)向桿系的變形，產(chǎn)生側(cè)傾運(yùn)動干涉與變形轉(zhuǎn)向。
4．傳動系與操縱穩(wěn)定性
以前驅(qū)動加速轉(zhuǎn)彎為例說明：
1）汽車在彎道上加速，前軸垂直載荷向后軸轉(zhuǎn)移，引起前軸側(cè)偏剛度下降，后軸側(cè)偏剛度減小。因此，汽車的不足轉(zhuǎn)向量有增加趨勢；
2）前輪由于前驅(qū)動力的影響，同一側(cè)偏角下的側(cè)偏力下降。為了提供需要的側(cè)偏力，前輪的側(cè)偏角必須增大。在雨雪等低附著系數(shù)路面上，反應(yīng)更為明顯。
3）前輪受車軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的影響，會產(chǎn)生不足變形轉(zhuǎn)向，增加不足轉(zhuǎn)向的趨勢；
4）驅(qū)動力增加，輪胎回正轉(zhuǎn)矩增大，增加了不足轉(zhuǎn)向的趨勢。
總的說來：轉(zhuǎn)向行駛的前驅(qū)動車輛，急松節(jié)氣門（或制動），汽車有過多轉(zhuǎn)向的增量，車輛的不足轉(zhuǎn)向趨勢減弱，大功率發(fā)動機(jī)或制動力度過大還可能出現(xiàn)過多轉(zhuǎn)向，出現(xiàn)“卷入”現(xiàn)象。反之，在彎道上行駛的車輛急加速，則有不足轉(zhuǎn)向增量出現(xiàn)，易發(fā)生“駛出”現(xiàn)象。
