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无线电电子与电气工程百科全书 车内的电子产品。 无线电电子电气工程百科全书
今天，您将不再对汽车中丰富的电子设备感到惊讶，尤其是高端汽车 - 林肯马克八世中的微处理器仅比任何其他现代战斗机都多。 汽车电子市场是电子行业增长最快的四个领域之一（仅次于电信、计算机和工业设备），而电子行业又是增长最快的领域 - 平均每年增长 8...10% - 最大的领域世界工业的。 而且，国外电子设备成本的主要部分不是服务设备（录音机、安全警报器等），而是控制车辆系统本身和确保安全的手段。 它们在现代汽车成本中所占的份额也在增加，目前平均达到 10...15%，尽管分析师预测其在不久的将来会稳定在 20...25% 左右。 然而，鉴于电子设备的单位成本（就一项功能而言）不断下降，毫无疑问，汽车中电子设备所执行的功能数量及其种类将进一步稳步扩大，至少直到只要消费者能够使用它们。 由于俄罗斯与世界经济之间联系的逐步恢复，苏联时期存在的电子产品和其他工程产品之间的价格失衡正在成为过去。 与此同时，同时提高汽车效率、环保性和改善驾驶性能的需求也成为国内汽车厂的重要课题。 首先，这是因为向发达国家出口淘汰产品几乎是不可能的，即使是降价，企业也需要硬通货来支付进口零部件的费用。 其次，我国近期已制定并将实施更加严格的与国际接轨的空气污染允许水平和车辆安全标准，这将进一步接近全球汽车市场的实际情况。 在这方面，借鉴全球汽车行业的经验似乎是完全自然和合理的。 VAZ 目前超过 40% 的车辆配备了喷射和点火电子控制系统。 目前，最重要且经济合理的是广泛引入提高性能并降低发动机和变速箱运行成本的电子系统，以及提高安全性的系统 - 主动式（ABS - 防抱死系统（AntiBlocking System）） ）、APS - 牵引力控制）和被动（安全气囊）。 此外，其他电子系统已经开发出来并已经投入使用——悬架控制、导航、停车等，但它们仍然是奢侈品而不是必需品。 长期以来，汽车中除了收音机之外唯一的电子部件就是点火系统。 经典的火花点火系统由 Philippe Le Bon 于 1801 年首次提出，并于 1860-1864 年在 Lenoir 燃气发动机上首次实现工业应用。 然而，由于当时的电气技术水平较低，火花点火并不能可靠地工作。 因此，直到上世纪90年代，大多数内燃机都是采用辉光点火（燃烧室中的高温物体）制造的。 随着罗伯特·博世创造出完全可靠且紧凑的磁电机，这种情况发生了变化。 此外，在本世纪10年代，由于火花塞、点火线圈的设计以及触点材料的选择的改进，使得电池点火系统能够实现令人满意的操作。 然而，它，尤其是触点，仍然是汽车上最不可靠且最需要维护的部件之一。 需要根本不同的解决方案。 第一个电子点火系统是在 1940 世纪 1960 年代基于充气闸流管创建的，但由于设计笨重且脆弱，并未得到广泛应用。 晶体管点火系统——首先是接触式，然后是非接触式——在 XNUMX 世纪 XNUMX 年代初得到广泛应用，当时通用汽车公司 (General Motors Corp.) （GMC）开始为其量产车配备它们。 电子点火系统的进一步普及是众所周知的。 特别令人感兴趣的是直接点火高频放电（SAAB）系统，该系统借鉴于喷气发动机。 在创建它时，我们使用了高频 (80...200 kHz) 电压的击穿电压比低频电压低两到三倍的情况，并且不是细丝状火花，而是获得具有明显更大表面的球形放电。 降低电压使系统对火花塞上的油污和积碳不太敏感，火花放电的球形加速了点火并提高了稀混合气点火的可靠性。 然而，该系统设计复杂、成本较高，且产生大量无线电干扰，导致其在引入电控分布式喷射系统后停产（火花塞和点火系统的工作条件作为整个此类发动机比化油器容易得多）。 与普遍看法相反，燃油喷射也不是一项新发明。 此外，最初，几乎所有使用液体燃料的内燃机都使用喷射系统。 然而，很快人们就发现，它需要一个相当复杂的机制来调节燃油喷射量，并且需要高精度制造的燃油计量泵。 在本世纪初，这非常昂贵，但在合理的价格下，它并不能提供必要的可靠性和稳定性。 因此，在多纳特·班基（Donat Banki）发明简单且廉价的喷雾化油器之后，汽车工业中的喷射系统几乎被遗忘了。 它们仅保留在柴油发动机中，顺便说一句，柴油发动机成本的增加主要是由于高压直喷设备的高成本。 由于价格昂贵，机械喷射控制装置几乎从未在量产汽车上使用。 第一个电控系统于 1939 年创建（意大利 Moto Guzzi），但它们在技术上仍然具有异国情调。 1957年，克莱斯勒公司推出了基于真空管的汽车电子燃油喷射系统，但由于成本较高，也没有得到广泛应用。 晶体管系统在 1970 世纪 1967 年代初变得更加普遍，并用于出口到美国的德国（大众，1971 年）和日本（日产，70 年）汽车。 在 80 年代和 XNUMX 年代之交，日本、美国以及稍后的德国开始引入集成微处理器控制系统作为发动机。 化油器有很多缺点：调节不稳定，特别是在改变温度和燃料类型时； 气缸上的燃油分布不均匀； 低负载时操作精度低，迫使化油器进行调整，使怠速和低负载时燃油混合物过度浓缩。 此外，化油器增加了进气阻力。 由于浮子室的存在，化油器的性能在强烈震动、转弯加速和车辆倾斜时会恶化。 目前，这些与量产汽车相关的缺点完全被化油器的简单性和低成本所弥补。 然而，自 30 世纪 XNUMX 年代末以来，在昂贵的汽车以及活塞动力飞机中，机械控制燃油喷射系统又重新使用。 它们非常复杂且昂贵，但它们可以提高发动机运行的效率和稳定性。 然而，随着对排气环境清洁度的要求越来越严格，以及量产汽车的维护变得越来越容易，通过改进化油器来保证其实施几乎是不可能的（美国市场的一个典型要求是需要发动机和变速箱的首次保养不得早于 80...100 公里). 里程) 后。 问题的本质是，如果可燃混合气较差，则点火不良，燃烧不稳定，容易发生爆炸，燃烧时会产生大量氮氧化物NOx。 一旦进入大气并与水结合，这些氧化物就会形成硝酸和亚硝酸。 如果混合物中的燃料多于可在可用氧气量中燃烧的燃料，则燃料的不完全燃烧会导致碳氢化合物 CmHn、一氧化碳 CO、苯并芘、醛的排放，并且燃料的过量程度甚至更大 - 非常严重致癌烟灰（烟雾）。 如果空气和燃料之间的比例受到严重干扰，空气燃料混合物就会完全停止点火，这无疑是许多驾车者所熟悉的。 通过使用废气催化转化器（加力燃烧器），有害排放量可以急剧减少十倍以上，但其运行需要非常特定的废气成分。 特别是，转换器不允许使用含铅汽油运行。 违反这些条件会导致中和器发生不可逆转的故障。 然而，微处理器技术的出现和成本的迅速降低使得创建汽油发动机燃油喷射系统成为可能，首先，不需要昂贵的精密机械设备，其次，其功能比机械设备强大得多。 因此，自 1980 世纪 XNUMX 年代末以来，发达国家在几乎所有级别的汽车上使用电子燃油喷射和点火控制系统在经济上都是合理的。 电子控制喷射系统（EFI - 电子燃油喷射）在废气中使用氧含量传感器（l-探针），可以非常稳定地 (+0,5%) 遵守所供应燃油和进气质量的最佳比例每个气缸的空气（汽油为 1:14,65）。 这对于确保催化转化器的功能和实现发动机动力与经济性之间的最佳折衷都是必要的。 这就是为什么在实践中，只有使用 燃油喷射系统有条件地分为三组 - 中央喷射，整个进气歧管有一个喷嘴（有时必须补充第二个喷嘴 - 启动喷嘴，与冷发动机一起工作，并在发动机冷却时关闭）如果喷油器安装在靠近进气门的每个气缸的进气管中，则采用分布式（多点）喷射；如果喷嘴直接安装在气缸壁或缸盖上，则采用直接（直接）喷射当阀门已经关闭时，并在压缩冲程中将燃油直接输送到气缸。 在前两种情况下，供应期间的燃油压力不超过 4 ... 10 kg/cm2，而在柴油发动机中直接喷射可以达到 600，在汽油发动机中为 50 kg/cm2。 最便宜的系统 - 具有中央喷射 - 实际上只具有两个显着的优点 - 抗振性和无需频繁调整。 目前，最佳性价比是通过入口管道中的多点喷射系统提供的（图 1）。 迄今为止，汽油发动机中的直喷系统仅适用于增压发动机，因为它们可以通过宽配气正时和超过 1,5 kg 的绝对增压压力来排除空气燃料混合物残留到排气歧管中。 / 厘米2。
还有连续和脉冲（间歇）喷射系统。 在连续喷射系统中，喷油器不断工作，只是其性能发生变化；在脉冲喷射系统中，燃油在某些时刻分批喷射。 连续喷射有许多缺点，目前被认为对于汽车发动机来说已经过时了。 与使用化油器相比，分布式喷射的使用还具有其他优点。 首先，它能够确保可燃混合物的成分在很宽的温度和发动机负载范围内保持高度稳定性，几乎与燃料的粘度无关（化油器喷嘴的吞吐量很大程度上取决于燃料的粘度） ）。 其次，使用多点喷射（尤其是直接喷射）不仅可以确保燃油在气缸上的均匀分布，而且还可以消除加热进气和进气歧管的需要。 此外，相反，蒸发的燃料冷却进气和发动机气缸。 结果，进气的密度增加了 7 ... 10%（出于同样的目的 - 降低空气温度 - 即使在带有喷射功能的廉价汽车上，它们也会尝试吸入空气而不是从发动机中车厢很热，但直接“来自街道”，如有必要，可提供额外的进气口（欧宝“Cadett”）。 增加空气密度，从而增加进入气缸的氧气量，可以让您燃烧更多燃料并获得更多动力。 降低进气温度可以提高压缩比，从而提高发动机效率。 取消化油器可以减少进气阻力，从而可以使用谐振进气，这也可以提高功率。 在分布式喷射系统中使喷嘴更靠近气缸可以防止燃油凝结物脱落。 这样可以更轻松地启动发动机，减少火花塞上烟灰的形成，并洗掉气缸壁上的机油。 不存在燃油冷凝可提高发动机的稳定性和扭矩，尤其是在最需要的低速和中速时。 如果将发动机切换为燃油喷射时最大功率的增加通常约为10%，那么中低速时的扭矩增加可达15...20%。 当然，汽车驾驶性能的这种提升可以通过“额头”实现，通过将发动机的工作量增加约20……费用。 分布式喷射系统的使用提供了另一个降低燃油消耗的机会——关闭某些气缸的燃油供应，以便更大程度地加载其余气缸。 这种解决方案的便利性在于，在低负载时，内燃机的效率不仅由于机械损失而且由于非最佳运行循环而急剧降低。 负载气缸效率的提高足以补偿非气缸中的机械损失，因此低负载时的效率可提高 25 ... 30%，特别是在多缸发动机上。 类似的技术——交替跳过喷射周期——也广泛应用于多缸日本和美国汽车。 跳循环法还有另一种应用——用进气冷却“断开”的气缸，即使在冷却液完全消失后也能保持发动机性能并到达目的地（GMC North Star 发动机等）。 电子设备的使用不仅可以确保发动机的最佳控制，还可以确保车辆底盘的最佳控制。 首先，这些是众所周知的防抱死制动系统，在大多数情况下可以在紧急制动期间保持车辆的可控性，同时确保尽可能短的制动距离。 其次，牵引力控制系统也执行类似的功能，由于前轮驱动汽车的普及，牵引力控制系统变得非常重要，当驱动轮打滑或抱死时，控制性就会丧失。 因为汽车加速时，前轮处于空载状态（这就是为什么所有必须具有良好加速动力的赛车和著名乘用车仍然设计为后轮驱动（戴姆勒-奔驰、宝马）或全轮驱动（“奥迪A8”），为了避免失去可控性并防止轮胎过度磨损，前轮驱动汽车非常需要配备防抱死和牵引力控制系统。 在电子装置的帮助下，自动变速箱和手动变速箱之间的对抗也被抚平。 让我们回想一下，为了确保换档平稳，经典的自动变速箱需要使用昂贵且笨重的变矩器，而且其机械损失也很大（效率低）。 手动变速箱设计更简单、更紧凑、更便宜且更可靠。 确实，使用起来不太方便。 集成的发动机和变速箱控制系统通过自动控制离合器和发动机转速，在不使用液力变矩器和附加离合器的情况下实现换档过程自动化，同时保持自动（方便）和手动变速箱（可靠性、低噪音）的所有操作优势。成本，低能量损耗）。 此外，电子控制几乎消除了因操作不当而造成损坏的风险。 这种变速器在制造成本上与手动控制变速器没有区别，并且其控制功能通常集成到集成的发动机和变速器控制系统中。 最近，换档算法通常被设计为适应特定车主的驾驶风格，更不用说总是有几种标准模式可供选择（高速、城市、经济等）。 电子安全系统在现代汽车中发挥着同样重要的作用。 通常分为主动（预防事故）和被动（减轻事故后果的严重性）。 至于主动安全性，是通过提高汽车的加速和制动动力来保证的，以及通过最大化轮距宽度和降低重心来增加转弯稳定性（这一点通过对比国内外的轮廓就可以清楚地看到）类似级别的汽车，例如 VAZ-2108 和大众“高尔夫 III”或“高尔夫 IV”）与电子悬架控制相结合。 在昂贵的汽车上，雷达系统有时用于防止正面碰撞和碰撞（保持距离），但它并不能将您从原木或沥青上的洞中拯救出来。 为了减少碰撞的可能性，使用了顶置（内部）刹车灯，从很远的地方就可以看到。 事实证明这还不够，然后开发了一种带有收发器无线电通道的系统，该系统在紧急制动或前车发生事故时自动打开指示灯。 目前，该系统在布鲁塞尔发明展上获得了金奖，目前正在大多数发达国家完成定稿并随后标准化。 首先，通过引入电子燃油喷射和变速箱控制系统（微处理器可以比人更快、更准确地换档；因此，汽车加速），以及前轮驱动，加速动力得到改善车辆还通过改进车轮的橡胶成分和胎面花纹，制动——使用防抱死制动系统，防止车轮相对于路面过度打滑，这可以让您获得最大可能的制动力，并且在大多数情况下，即使在紧急制动时也能保持车辆的可控性。 具有可变传动比和转向响应的转向伺服控制对提高主动安全性做出了一定的贡献——为了确保高速时车轮的均匀旋转，需要比低速时更大的转向角。 有时会引入附加装置来防止车轮因侧向力而脱落。 这实际上消除了高速急转弯时打滑的风险。 然而，所有这些优点只有在伺服系统正常工作的情况下才会存在...... 通过建设性措施（增加车身压碎部分的变形过程，同时加强内部结构，用安全方向盘取代传统方向盘）以及引入启动安全气囊和安全带张紧机构的电子装置来提高被动安全性。 顺便说一句，电子产品在美国汽车中的广泛采用正是在60世纪70年代和XNUMX年代之交，国会通过了一项法律，强制安装阻止发动机启动的系统，直到两个人系上安全带之后。前排座椅是固定的.. 目前，通常使用安全带和安全气囊的综合控制系统。 其中的传感器是一个单轴（或使用侧面安全气囊时为双轴）加速度计，最常见的是半导体（图 2），一个带有阈值装置的控制单元和一组爆管，其中一些爆管在触发时作用于叶轮，拉紧安全带（图3），并部分填充安全气囊。 安全带收紧机构的引爆装置的启动通常设置得比安全气囊展开的时刻稍早。
该系统的运行可以让您在与固定障碍物正面碰撞时，以 50 公里/小时（EC 标准）的速度，有时甚至高达 80 公里/小时的速度，在受到惊吓、划伤或瘀伤的情况下下车。 当速度超过80公里/小时时，人在途中消灭运动能量的瞬间所经历的加速度，即使在没有外部损伤的情况下，也约为0,7……重量。 说到电子安全系统，还值得一提的是一种简单但非常有用的设备，用于监控信号灯和线路的健康状况。 其工作原理是，在点火开关打开的情况下，小电流流过灯和接线，这不会导致灯发光，但可以诊断短路、开路和灯的状况 - 在使用寿命结束时，灯丝的电阻会略有增加，提前向驾驶员发出警告。 最近，至少在高于平均水平的汽车上，已经开始使用电子控制悬架参数（减震器的刚度和阻尼系数以及行驶高度的变化）。 这样的悬架通常被称为主动悬架，尽管实际上我们只是在谈论悬架参数对路况的相对缓慢的适应，也就是说，更准确地说，将其视为自适应或半主动。 严格来说，真正的主动悬架系统应该在强大的伺服系统的帮助下，跟踪每次碰撞并抑制冲击，即使在它们发生的那一刻，就像舒适的船舶和许多军舰上发生的那样（“滚动稳定器”）。 在欧洲，甚至也许在世界上，“悬架工程”的领导者是雪铁龙，它长期以来成功地使用了最先进的液压气动悬架及其参数的电子控制。 三菱似乎是日本企业中的佼佼者。 美国人在大多数州拥有良好的道路和 55 英里的限速，因此更喜欢更传统的解决方案 - 增加尺寸，从而增加车身的转动惯量，结合大直径车轮和软悬架，其中电子系统通常仅控制阻尼系数。 电子设备的使用还使得许多传统设备的改进成为可能，首先是电驱动器（挡风玻璃雨刷、电动车窗、座椅调节等）、照明和信号设备。 传统上，在汽车技术中使用集电极电动机，其具有三个主要缺点：使用寿命有限、可靠性不足（容易卡住）和无线电干扰。 这些缺点是由于集电极中使用摩擦触点造成的。 电子技术的发展使得非接触式（无刷、无刷）电机与传统电机相比已经具有价格竞争力，在可靠性、可制造性和调节能力方面超越了它们。 广泛的控制可能性使得简化许多设备的运动学成为可能，例如挡风玻璃刮水器，其中可以使用电气反转来代替机械反转。 因此，目前几乎所有领先的汽车制造商都在逐步将汽车中的有刷电机替换为非接触式电机，其优点还在于其控制单元可以具有微处理器直接控制的接口。 至于照明设备，如果不使用电子控制单元，就不可能引入日益流行的金属卤化物气体放电灯。 金卤灯与白炽灯相比的主要优点是发光面积尺寸明显更小，这使得可以在保持光束聚焦质量的同时减小头灯反射镜的尺寸，实现更好的效率（同等功率下发光效率更高）消耗），稳定的光谱和亮度特性，无论电池放电程度如何，以及耐用性。 另一个提高驾驶安全性的电子系统是前照灯范围控制，无论车身负载和位置如何，在不平坦或蜿蜒的道路上行驶时，它都能确保道路的恒定照明；在后一种情况下，它会监控转向装置的旋转车轮。 此外，校正器还可以减少前灯对迎面而来的汽车驾驶员的眩光。 最近，许多美国汽车上的信号灯都采用了超亮 LED 灯块。 它们比传统白炽灯更经济、更紧凑、更可靠，特别是在闪烁模式下，可提供更大的亮度和更纯净的色彩（白天更清晰）。 LED 的亮度更容易根据环境光而改变。 声音信号也不会被忽视——传统的接触式电磁蜂鸣声正在被带有相应电子放大器和控制单元的非接触式电动和压电蜂鸣声所取代。 数字信号处理器的出现以及这些设备价格的逐渐下降导致了主动抑制汽车内部低频噪声的系统的创建。 这个想法的本质是通过内置音频系统的扬声器向机舱提供反相噪声信号。 在这种情况下，噪声信号相互补偿。 实际中，由于声音的波动特性，只有在200...300 Hz以下的频率下才能获得理想的效果，并且降噪不超过8...15 dB。 看起来似乎不多，但考虑到通过其他方式对抗低频噪音是无效的，这样的电子系统可以让您节省 10...25 公斤的 Dynamat 吸音器或其他材料，这绝不是便宜的。 传统方法中电子控制的广泛引入导致电气接线急剧复杂化，从而增加了其敷设的复杂性以及运行期间维护期间出错的可能性。 大量的电线有可能将汽车变成带轮子的“电柜”。 为了解决这个问题，汽车制造商转向了航空业的经验：航空业的电缆质量一度达到飞机电气设备重量的30%，并且有进一步增加的趋势。 通过引入“公共线路串行传输”类型的系统解决了这个问题，此时大多数电子设备使用公共三线接口相互并行连接，并且它们之间的信息交换通过相同的电线进行，但分开及时，就像在以太网计算机网络中一样。 类似的称为多路布线的解决方案于 90 世纪 1850 年代初开始在汽车行业中使用。 最初，像往常一样，有一场“标准之战”，其中包括J1（SAE）、CAN（控制器局域网）、CarLink、VAN、A-bus等。现在，由博世联合制定的CAN标准，得到了最多的认可和摩托罗拉。 它提供高达 XNUMX Mbit/s 的传输速度，并允许使用铜线和光纤进行信息传输。 作者：S. Ageev，莫斯科
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