現(xiàn)代汽車新技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢展望*

王樹梁 郭化超 戴仲謀 李大鵬

（山東交通職業(yè)學院）

汽車新技術未來的發(fā)展核心將圍繞人類對汽車的需求展開。當前汽車行業(yè)的新技術包含環(huán)保節(jié)能技術、智能駕駛技術以及安全性能技術等[1]。這些新技術的發(fā)展勢必會讓未來的汽車變得更加安全，更具人性化，更加符合大眾對汽車的要求。

1 汽車技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 車身技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

車身技術的發(fā)展趨勢是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性能、減少燃料消耗以及降低排氣污染。隨著環(huán)保和節(jié)能的需要，輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流和趨勢，如圖1 所示[2-4]。

圖1 汽車輕量化技術主要途徑

實現(xiàn)輕量化技術的主要途徑是廣泛使用超高強度鋼板、鋁合金、鎂合金、塑料以及碳纖維復合材料等輕質材料[3]。

1.2 發(fā)動機技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)能源發(fā)動機技術發(fā)展的目的是為了追求更好的穩(wěn)定性、安全性、更高效的動力輸出以及更低的油耗和排放?？勺兣艢馍獭⒅悄軣峁芾硐到y(tǒng)、進排氣相位可調、氣缸蓋集成排氣歧管、雙噴射系統(tǒng)、可控活塞冷卻噴射、全新渦輪增壓器以及電控廢棄旁通閥等新技術均是基于上述目的提出的。我國現(xiàn)行工信部乘用車燃油消耗量第四階段標準（如表1 所示）和2021 年1 月1 日起實施的乘用車五階段燃料消耗量標準，將推動我國乘用車燃料消耗量水平持續(xù)下降和新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康、快速地發(fā)展[4]。

表1 工信部乘用車燃料消耗量第四階段標準[5]

目前來看，僅憑小排量發(fā)動機和輕量化的技術可以實現(xiàn)2016—2018 年的CAFC，但長遠來看，尤其是在SUV 發(fā)展的黃金時間內，要實現(xiàn)CAFC 的目標值，還是要依賴新能源車（CAFC 計算時，新能源2016—2017 年以5 倍的銷量計算，2018—2019 年以3 倍，2020 年及以后為2 倍）。2020 年是新能源車的元年，無論是從銷量還是政策鼓勵與支持，都是前所未有的力度。在2020 年7 月成都車展上，豐田、奔馳、大眾、沃爾沃等主機廠無不都在大力宣傳推廣新能源車，這一切不僅是為了應對四階段嚴苛的油耗法規(guī)，也同時展現(xiàn)出汽車未來發(fā)展的必然趨勢。圖2 示出新能源汽車持續(xù)發(fā)展趨勢[6]。

圖2 新能源汽車持續(xù)發(fā)展趨勢

1.3 安全技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

世界衛(wèi)生組織提供的數(shù)據(jù)顯示，全球每年因為交通事故而死亡的人數(shù)高達135 萬人，另外有5 000 萬人因為交通事故而受傷。隨著進一步推廣和運用汽車先進的安全技術，增加交通參與者的交通安全意識，可以降低交通事故的傷亡人數(shù)。圖3 示出安全技術發(fā)展策略[7]。

圖3 安全技術發(fā)展策略

2 汽車發(fā)動機新技術

2.1 缸內直噴技術

缸內直噴就是直接將燃油噴入氣缸內與進氣混合的技術[8]。這種技術使燃油霧化更加細致，真正實現(xiàn)了精準地按比例控制噴油并與進氣混合。同時噴嘴位置、噴霧形狀、進氣氣流控制以及活塞頂形狀等特別的設計，使油氣能夠在整個氣缸內充分、均勻的混合，從而使燃油充分燃燒，能量轉化效率更高，缸內直噴技術如圖4 所示。

圖4 缸內直噴技術圖

2.2 雙噴射系統(tǒng)

雙噴射系統(tǒng)是指同時具備缸內直噴與歧管噴射的燃油噴射系統(tǒng)[9]。開發(fā)雙噴射系統(tǒng)實現(xiàn)的目標有：1）達到新EU6 排放標準中有關微粒質量和微粒數(shù)量的限值；2）減少CO2廢氣排放量；3）減少部分負荷范圍下的油耗；4）減小發(fā)動機運行聲音。雙噴射系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 雙噴射系統(tǒng)

因為燃油霧化效果不好，缸內直噴在部分負荷工況下容易造成進氣門積碳和產(chǎn)生顆粒物。而進氣歧管燃油噴射會顯著減少細微碳煙顆粒的排放。通過帶有渦流翻版的進氣歧管引導增壓空氣形成渦流，進一步增強混合氣的均勻化。此外，通過帶有渦流翻版的進氣歧管引導增壓空氣形成渦流，進一步增強混合氣的均勻化。同時，由于高壓噴射閥的優(yōu)化和位置略微降低，氣門溫度負荷也減小。

2.3 渦輪增壓技術

渦輪增壓的主要作用就是提高發(fā)動機進氣量，從而提高發(fā)動機的功率和扭矩，讓汽車動力更強[10]。1 臺發(fā)動機裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時候相比可以增加40%甚至更高，這樣也就意味著同樣的發(fā)動機在經(jīng)過增壓之后能夠輸出更大的功率，渦輪增壓技術如圖6 所示。

圖6 渦輪增壓技術

2.4 集成式排氣歧管

集成式排氣歧管可以使冷卻液能得到快速預熱，因此該歧管是溫度管理的重要組件[11]。在預熱階段，熱量在很短時間內傳入冷卻液，由于熱量損失很少且路徑很短，因此后面的部件（λ 傳感器、廢氣渦輪增壓器以及催化凈化器）就能更快地達到最佳工作溫度。因為集成式排氣歧管附近的冷卻液很快就會沸騰，所以在經(jīng)過很短的預熱階段后，就過渡到冷卻工況。圖7 示出集成式排氣歧管。

圖7 集成式排氣歧管

2.5 凸輪軸調節(jié)系統(tǒng)（VVT）

發(fā)動機可變氣門正時技術 (VVT，Variable Valve Timing)原理是根據(jù)發(fā)動機的運行情況，調整進氣（排氣）的量以及氣門開閉時間、角度，使進入的空氣量達到最佳，提高燃燒效率[12]。圖8 示出凸輪軸調節(jié)系統(tǒng)。

圖8 凸輪軸調節(jié)系統(tǒng)

2.6 可變氣門升程系統(tǒng)

通過進氣和排氣凸輪軸上的可變氣門正時系統(tǒng)以及排氣凸輪軸上的電子氣門升程可變系統(tǒng)，實現(xiàn)了對每個氣缸氣體交換的優(yōu)化控制[13]。每個凸輪段包含2 個小凸輪和2 個大凸輪，這樣能夠實現(xiàn)不同的閥門開啟時間和不同的閥門沖程。通過電動執(zhí)行器，在每個曲柄軸箱中轉換到另1 個凸輪輪廓，可以實現(xiàn)優(yōu)化氣體交換，防止廢氣回流到之前180°的氣缸，氣門入口打開時間更早，氣缸充氣程度更佳。通過燃燒室內的正壓差減少殘余廢氣，能夠提升發(fā)動機的響應性并在較低轉速和較高增壓壓力下達到更高的扭矩。圖9 示出可變氣門升程系統(tǒng)。

圖9 可變氣門升程系統(tǒng)

3 未來汽車的智能化與網(wǎng)聯(lián)化

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指搭載先進的車載傳感器、控制器以及執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)車與X（人、車、路以及云端等）智能信息交換、共享，具備復雜環(huán)境感知、智能決策以及協(xié)同控制等功能，可實現(xiàn)“安全、高效、舒適以及節(jié)能”行駛，并最終可實現(xiàn)替代人來操作的新一代汽車[14]。未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車的推進可分為以下4 個階段[15]。

3.1 高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）

以車輛環(huán)境傳感系統(tǒng)為依托，高級輔助駕駛操作系統(tǒng)有2 種類型：預警系統(tǒng)和控制系統(tǒng)[16]。

預警系統(tǒng)包括正面碰撞預警系統(tǒng)（FCWS）、車道偏離預警系統(tǒng)（LDWS）、盲區(qū)預警系統(tǒng)（BSW）、駕駛員疲勞預警系統(tǒng)（DFM）、全景觀測系統(tǒng)（MVCS）以及胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）等。

控制系統(tǒng)包括車道保持系統(tǒng)（LKAS）、自動停車輔助系統(tǒng)（PLA）、自動緊急制動系統(tǒng)（AEB）以及自適應巡航系統(tǒng)（ACC）等，如圖10 所示。

圖10 高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）

3.2 網(wǎng)聯(lián)駕駛輔助

網(wǎng)聯(lián)駕駛輔助系統(tǒng)是1 種依靠信息和通信技術來感知車輛周圍環(huán)境并預測周圍車輛未來運動來幫助駕駛員駕駛的系統(tǒng)[17]，如圖11 所示。

圖11 網(wǎng)聯(lián)駕駛輔助

通過現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡技術，汽車、道路、行人等交通參與者不再孤立，所有參與者都成為智能交通系統(tǒng)中的信息節(jié)點。

典型技術有：LTE-V 和5G 技術。

3.3 人機共駕

人機共駕是指駕駛員與智能系統(tǒng)共享對車輛進行控制，并與人機結合完成駕駛任務[18]。與普通駕駛輔助系統(tǒng)相比，普通駕駛智能車具有與人機相同的控制實體，如圖12 所示。

圖12 人機共駕

由于雙方的受控對象交叉耦合，狀態(tài)轉換相互制約，這要求系統(tǒng)具有更高的并行智力程度。該系統(tǒng)不僅能識別駕駛員的意圖，而且能達到與駕駛員相同的駕駛決策速度，提高駕駛員的駕駛能力，降低駕駛員的操作負荷[19]。人機共駕包括3 個層次：環(huán)境感知層、智能決策層以及控制與執(zhí)行層。

3.4 無人駕駛

駕駛員不需要參與車輛操作，車輛將在所有條件下自動完成自動駕駛。在L4 級自動駕駛階段遇到無法控制的駕駛條件時，車輛將提示駕駛員接管。如果駕駛員不接班，車輛將采用保守的方式，如側邊停車，以確保安全。目前，以百度為代表的L4 級高自動化的無人駕駛系統(tǒng)已經(jīng)開始投入試產(chǎn)。在L5 無人駕駛階段，車輛沒有駕駛員并需要處理所有駕駛條件并確保安全。

4 結論

隨著科技的不斷發(fā)展以及消費者對汽車功能和性能的要求日益提高，使得汽車產(chǎn)品不斷迭代更新，成為新技術的載體。汽車產(chǎn)品與技術的升級，更有可能帶來汽車及相關產(chǎn)業(yè)全業(yè)態(tài)和價值鏈體系的重塑，以期提供更安全、更舒適、更節(jié)能、更環(huán)保的駕駛方式和交通出行綜合解決方案。其中電控技術作為汽車技術革命的原動力，正向電子化、智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。隨著大眾需求的多元化發(fā)展，汽車發(fā)展也勢必會呈現(xiàn)出來多元融合的趨勢。通過車載環(huán)境感知系統(tǒng)和信息終端實現(xiàn)與車、路及人等的信息交換，使車輛具備智能環(huán)境感知能力。文章對這些汽車新技術發(fā)展應用現(xiàn)狀進行分析，從而能更好地應用和推廣汽車新技術。