用于發動機怠速啟停控制裝置設計研究

陳石侯

摘要：迅速發展的汽車工業大大提高了城市車輛的利用率，同時也造成了大量怠速汽車的閑置問題。怠速是發動機工作的重要工況之一，當手動檔怠速時，離合器嚙合在一起，變速器空擋在一起;當自動變速器空轉在一起，變速器就空擋在一起，它利用引擎空轉的啟動系統來啟動汽車。

關鍵詞：發動機;怠速啟停;控制裝置

0? 引言

空轉啟動系統的組成及其工作原理是空轉啟動系統的重要組成部分，而各種車輛又具有空轉啟動系統[1]。分析研究了汽車怠速啟停系統與電控系統的組成成分，發現在檢測汽車怠速啟停系統時，不同傳感器之間存在差異。感應器通過導線向控制器傳遞檢測到的參數，利用傳感器檢測到的不同參數，控制器對這些參數進行比較和分析，從而控制發動機的啟停。該方法常用于有空轉啟停系統的汽車上。針對城市車輛的使用特點，研究了發動機怠速啟停系統[2]。

1? 系統結構設計

怠速啟停是微型汽車的混合動力技術，它對傳統汽車的前輪系統進行了微創改造，將普通鉛酸電池和原車的啟動器進行深度充電[3]。利用深充型蓄電池和增強型起動器，同時增加電瓶傳感器，配合制動真空泵、制動信號、離合器信號、齒輪信號等輸入信號，實現發動機的自動啟動/停車操作[4]。使用自動啟停功能，可起到節能作用。汽車發動機在無風狀態下（如等待紅燈、短停等），并滿足一定條件后，啟動系統自動關閉發動機。當重新起動時，啟動器會自動運行和拖動引擎快速起動[5]。

1.1 啟動器

在發動機啟動時，必須先打開點火裝置，將復合電源的電流用導線連接到直流電機起動器的轉子上，傳送部分轉子的轉向力給啟動器。引擎轉動后，啟動機構停止轉動，啟動引擎也斷開連接，啟動機電路由電磁開關控制。在汽車發動機中，通常使用直流起動器，直流電動機啟動時需要很大的轉矩，因此通過的電流非常大。

1.2 發電機

在交流發電機定子繞組中，介紹了端子繞組匝數和整流器繞組匝數的總和。電機的主要組成部分分別是由轉子、定子、整流器和端蓋組成。馬達發電原則是在電刷激勵下，電池電流產生的磁場使轉子旋轉。定子繞組根據電磁感應原理產生交流感應電動勢，電磁感應是發電機發電的基本原理。整流器是交流發電機的一種，用于將發電機的電機由定子繞組和轉子繞組構成，交流電源轉換為直流電源。打開點火開關，電池提供電流，充電指示燈通過電流，發動機啟動，要注意發電機的使用，電瓶與發電機的接線端子相同。引擎未啟動，點火開關關閉，電池放電，電池使用時間縮短。在電機旋轉時，燃燒測試沒有被用來檢測是否有電源，采用燃燒試驗方法會使發電機燒壞。電機與調壓器的連接形式應一致，如交流發電機不產生電能，則在交流發電機不產生電能或發電量低時，電機與電池之間的電線連接應進行檢查。

1.3 串聯雙螺線

串聯雙螺線管形嚙合強化技術可獨立控制驅動機構和起動機齒輪的通電功能，是由串聯的兩個同軸螺線管形組成。當小齒輪與飛輪嚙合時，可通過特殊程序控制實現同步，這種方法和齒輪永久嚙合的方法一樣，無需等待發動機速度降到零時，就能使小齒輪和匕首輪接合啟動。傳動裝置伸入啟動器，重啟的速度要快得多，其外形和規格與齒輪擴展網格的起動非常接近。

1.4 加強型蓄電池

車用電池為汽車的起動裝置、照明設備和點火系統提供能量，而且電池的負載很小。但對裝有怠速啟停系統的車輛，在發動機停止工作，啟動器反復啟動時，需要電池深度放電，以驅動各種電器。與此同時，在車輛恢復行駛時需要能夠快速充電，電池在起動和停止過程中經常充放電，這將影響電池的壽命。引擎啟動系統的輸出能力，充電能力和電池耐久性都有很高的要求。

由于反復充放電，電池內部溫度逐漸升高，高溫會對正極柵造成腐蝕。循環深度減少正極板活性物質，這幾個因素增加了電池的內阻，縮短了壽命。

隨著汽車電器種類的不斷豐富，閥封式鉛酸蓄電池和傳統鉛酸蓄電池一樣，全封閉，不漏酸，無酸霧排放，不會對設備和環境造成破壞，目前在汽車應用較為廣泛。與傳統富液型鉛酸電池需要補水不同，其安裝方向無特殊限制，均采用氧復合原理實現電池密封。

1.5 超級電容

當超級電容用于供電時，啟動引擎。超電容有正電極和負電極兩種。超電容器是從電極上充電而成。當兩個電極連接到一個外部電路時，該電路上的電荷就會產生電流。該超級電容具有超級電容充電、放電電路;超電容的電荷量分配得越多，其容量就越大。超大容量、導體長度的超大型電容器;在使用超級電容時應注意，它具有固定的極性。使用時用于極性，適用于額定電壓，不適用于高頻充放電電路。

當超級電容用于供電時，啟動器啟動引擎。超電容有正電極和負電極兩種。超電容器是從電極上充電而成，當兩個電極連接到一個外部電路時，該線路上的電荷產生的電流超電容有超大容量充放電電路，超電容的電荷量分配得越多，其容量就越大。同時具有超大容量、導體長度的超大型電容器，在使用超級電容時應注意，它具有固定的極性。

1.6 水溫傳感器

發動機水溫傳感器用于測量發動機水溫。溫度影響著水溫傳感器的電阻。引擎水溫越高，水溫傳感器電阻越小。引擎水溫不高時，水溫傳感器電阻較大。水的溫度傳感器包括溫度控制和水位控制兩個部分。水位傳感器向計算機傳輸檢測到的水位電壓。將測得的水位電壓與計算機電壓進行比較分析，得到相應的電壓。電腦在這種電壓下控制開關檢測水溫。

2? 發動機怠速啟停裝置控制方案設計

空車啟停系統的設計，就是要在啟停系統的作用下，盡可能少地改變司機的正常駕駛習慣。所以，對啟停系統的設計要求有清晰直觀的人機交互界面，啟停功能使工況合理安全，且能觸發怠速，便于停機或怠速后啟動。怠速啟停運行過程顯示在圖1中。

2.1 人機交互界面設計

對發動機空轉啟停系統進行人機交互界面設計時，應做到簡潔、直觀，并能清楚顯示其工作狀態。啟停系統總開關及儀表上設有指示燈，指示啟停系統的工作狀態。以下是設計要點：①啟動系統的主開關設計為觸控式和集成狀態指示。汽車在KeyOn狀態時，駕駛員按下開關，同時觸發啟動/停止功能，即開/關狀態開關，指示燈，并集成于主開關上，顯示出停車功能，指示燈指示系統功能已關閉。②盡量做到簡潔，儀表設置雙色指示燈（結合汽車指示燈設計要求，紅、綠雙色指示燈更適合），結合閃爍狀態，指示啟停系統的工作狀態：1）指示燈滅：啟停功能未開啟，或啟停功能開啟，但還未觸發停機;2）綠色照明：啟停功能開啟，怠速啟停觸發成功;3）黃燈亮：啟停功能開啟，觸發怠速啟停;4）在黃燈閃爍（1Hz）20秒后，黃燈一直亮：有相關故障啟停功能，允許小轉速空轉/停止;5）綠燈閃爍5秒鐘，打印出一個校準，然后進入正常模式顯示：指示啟動啟停檢測模式。為使其有別于其他車輛指示燈，狀態指示燈采用文字顯示，以引起駕駛員的注意。③手動擋提示：車輛進入怠速停車狀態后，若啟停狀況不佳，啟停指示燈處于本行駛周期，啟停指示燈關閉，儀表信息區顯示手動擋信息，提醒駕駛員手動啟動車輛。

2.2 集成啟動機/發電機方案設計

BSG起動器/發電機組通過皮帶連接到發動機將測得的水位電壓與計算機電壓進行比較分析，得到相應的電壓。電腦在這種電壓下控制開關檢測水溫。在傳統的BSG啟停系統中，當車輛停車時，控制系統發出停止指令，車輛停止行駛;當車輛停車時，該系統發出起動指令，電機由電池供電，電機輸出扭矩啟動發動機。BSG起停系統不僅具有噪音低、傳動平穩的優點，而且相對于其它起停系統，還具有加速輔助功能。動力輸出：汽車起動或加速時的動力輸出，使汽車加速性能提高。它的發電功能是為車輛的輔助系統或電池提供動力，一般具有制動能量回收功能。用 BSG馬達給電池充電更有效降低油耗，相對于ISG系統，該系統實現簡單，僅在原有引擎的基礎上做了一些修改。但是，由于采用了傳送帶傳遞動力，其系統的安裝受到了發動機排量的限制。通常采用的技術解決方案難以應用于大排量汽油或柴油發動機。

發動機啟停技術采用的綜合方法是ISG技術，其結構通常是ISG啟動/發電機集成機組，安裝在發動機曲軸輸出端。相對于BSG從技術上講，布局比較靈活，根據對起動機/發電機組和離合器的相對位置及離合器數量的不同，可分為單離合器前端結構形式、單離合器后端結構形式和雙離合器中端結構形式。

3? 結束語

針對日益嚴格的燃油消耗和排放標準，設計了發動機怠速啟動與停車控制裝置。該系統是在發動機管理系統的基礎上進行擴充，對其進行簡單的改進，可以用于內燃機車。啟動系統盡量少動，以改變駕駛員正常的駕駛系統，它的使能和觸發條件以保證安全和舒適為前提，能夠精確判斷駕駛員駕駛意圖，人機交互界面清晰，能夠清晰表示啟停裝置的工作狀態。

參考文獻：

[1]臧利國，彭志洋， 裴躍翔，等.汽車怠速啟停系統雙開關式起動機的設計[J].農業裝備與車輛工程，2018，056（004）：36-38，58.

[2]陸建平，顧鳴陽.2016年一汽大眾奧迪A3發動機怠速抖動[J].汽車維修與保養，2019，242（03）：38-41.

[3]喻金龍.某車型怠速啟停系統原理及其標定[J].汽車工程師，2018，5（007）：51-55.

[4]李軍成.汽油車發動機自啟停功能常見故障探析[J].科技風，2018，No.359（27）：172-173.

[5]周亞麗，王立偉，董逸君.汽車雙質量飛輪模擬裝置的扭振特性試驗[J].現代制造工程，2018，5（005）：21-24.