用于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟?？刂蒲b置設(shè)計(jì)研究

陳石侯

摘要：迅速發(fā)展的汽車(chē)工業(yè)大大提高了城市車(chē)輛的利用率，同時(shí)也造成了大量怠速汽車(chē)的閑置問(wèn)題。怠速是發(fā)動(dòng)機(jī)工作的重要工況之一，當(dāng)手動(dòng)檔怠速時(shí)，離合器嚙合在一起，變速器空擋在一起;當(dāng)自動(dòng)變速器空轉(zhuǎn)在一起，變速器就空擋在一起，它利用引擎空轉(zhuǎn)的啟動(dòng)系統(tǒng)來(lái)啟動(dòng)汽車(chē)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);怠速啟停;控制裝置

0? 引言

空轉(zhuǎn)啟動(dòng)系統(tǒng)的組成及其工作原理是空轉(zhuǎn)啟動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，而各種車(chē)輛又具有空轉(zhuǎn)啟動(dòng)系統(tǒng)[1]。分析研究了汽車(chē)怠速啟停系統(tǒng)與電控系統(tǒng)的組成成分，發(fā)現(xiàn)在檢測(cè)汽車(chē)怠速啟停系統(tǒng)時(shí)，不同傳感器之間存在差異。感應(yīng)器通過(guò)導(dǎo)線向控制器傳遞檢測(cè)到的參數(shù)，利用傳感器檢測(cè)到的不同參數(shù)，控制器對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行比較和分析，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停。該方法常用于有空轉(zhuǎn)啟停系統(tǒng)的汽車(chē)上。針對(duì)城市車(chē)輛的使用特點(diǎn)，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停系統(tǒng)[2]。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

怠速啟停是微型汽車(chē)的混合動(dòng)力技術(shù)，它對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)的前輪系統(tǒng)進(jìn)行了微創(chuàng)改造，將普通鉛酸電池和原車(chē)的啟動(dòng)器進(jìn)行深度充電[3]。利用深充型蓄電池和增強(qiáng)型起動(dòng)器，同時(shí)增加電瓶傳感器，配合制動(dòng)真空泵、制動(dòng)信號(hào)、離合器信號(hào)、齒輪信號(hào)等輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)/停車(chē)操作[4]。使用自動(dòng)啟停功能，可起到節(jié)能作用。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下（如等待紅燈、短停等），并滿足一定條件后，啟動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)重新起動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)器會(huì)自動(dòng)運(yùn)行和拖動(dòng)引擎快速起動(dòng)[5]。

1.1 啟動(dòng)器

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，必須先打開(kāi)點(diǎn)火裝置，將復(fù)合電源的電流用導(dǎo)線連接到直流電機(jī)起動(dòng)器的轉(zhuǎn)子上，傳送部分轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向力給啟動(dòng)器。引擎轉(zhuǎn)動(dòng)后，啟動(dòng)機(jī)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)引擎也斷開(kāi)連接，啟動(dòng)機(jī)電路由電磁開(kāi)關(guān)控制。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中，通常使用直流起動(dòng)器，直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要很大的轉(zhuǎn)矩，因此通過(guò)的電流非常大。

1.2 發(fā)電機(jī)

在交流發(fā)電機(jī)定子繞組中，介紹了端子繞組匝數(shù)和整流器繞組匝數(shù)的總和。電機(jī)的主要組成部分分別是由轉(zhuǎn)子、定子、整流器和端蓋組成。馬達(dá)發(fā)電原則是在電刷激勵(lì)下，電池電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。定子繞組根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生交流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電磁感應(yīng)是發(fā)電機(jī)發(fā)電的基本原理。整流器是交流發(fā)電機(jī)的一種，用于將發(fā)電機(jī)的電機(jī)由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成，交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，電池提供電流，充電指示燈通過(guò)電流，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，要注意發(fā)電機(jī)的使用，電瓶與發(fā)電機(jī)的接線端子相同。引擎未啟動(dòng)，點(diǎn)火開(kāi)關(guān)關(guān)閉，電池放電，電池使用時(shí)間縮短。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒測(cè)試沒(méi)有被用來(lái)檢測(cè)是否有電源，采用燃燒試驗(yàn)方法會(huì)使發(fā)電機(jī)燒壞。電機(jī)與調(diào)壓器的連接形式應(yīng)一致，如交流發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生電能，則在交流發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生電能或發(fā)電量低時(shí)，電機(jī)與電池之間的電線連接應(yīng)進(jìn)行檢查。

1.3 串聯(lián)雙螺線

串聯(lián)雙螺線管形嚙合強(qiáng)化技術(shù)可獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和起動(dòng)機(jī)齒輪的通電功能，是由串聯(lián)的兩個(gè)同軸螺線管形組成。當(dāng)小齒輪與飛輪嚙合時(shí)，可通過(guò)特殊程序控制實(shí)現(xiàn)同步，這種方法和齒輪永久嚙合的方法一樣，無(wú)需等待發(fā)動(dòng)機(jī)速度降到零時(shí)，就能使小齒輪和匕首輪接合啟動(dòng)。傳動(dòng)裝置伸入啟動(dòng)器，重啟的速度要快得多，其外形和規(guī)格與齒輪擴(kuò)展網(wǎng)格的起動(dòng)非常接近。

1.4 加強(qiáng)型蓄電池

車(chē)用電池為汽車(chē)的起動(dòng)裝置、照明設(shè)備和點(diǎn)火系統(tǒng)提供能量，而且電池的負(fù)載很小。但對(duì)裝有怠速啟停系統(tǒng)的車(chē)輛，在發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，啟動(dòng)器反復(fù)啟動(dòng)時(shí)，需要電池深度放電，以驅(qū)動(dòng)各種電器。與此同時(shí)，在車(chē)輛恢復(fù)行駛時(shí)需要能夠快速充電，電池在起動(dòng)和停止過(guò)程中經(jīng)常充放電，這將影響電池的壽命。引擎啟動(dòng)系統(tǒng)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(fù)充放電，電池內(nèi)部溫度逐漸升高，高溫會(huì)對(duì)正極柵造成腐蝕。循環(huán)深度減少正極板活性物質(zhì)，這幾個(gè)因素增加了電池的內(nèi)阻，縮短了壽命。

隨著汽車(chē)電器種類(lèi)的不斷豐富，閥封式鉛酸蓄電池和傳統(tǒng)鉛酸蓄電池一樣，全封閉，不漏酸，無(wú)酸霧排放，不會(huì)對(duì)設(shè)備和環(huán)境造成破壞，目前在汽車(chē)應(yīng)用較為廣泛。與傳統(tǒng)富液型鉛酸電池需要補(bǔ)水不同，其安裝方向無(wú)特殊限制，均采用氧復(fù)合原理實(shí)現(xiàn)電池密封。

1.5 超級(jí)電容

當(dāng)超級(jí)電容用于供電時(shí)，啟動(dòng)引擎。超電容有正電極和負(fù)電極兩種。超電容器是從電極上充電而成。當(dāng)兩個(gè)電極連接到一個(gè)外部電路時(shí)，該電路上的電荷就會(huì)產(chǎn)生電流。該超級(jí)電容具有超級(jí)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(dǎo)體長(zhǎng)度的超大型電容器;在使用超級(jí)電容時(shí)應(yīng)注意，它具有固定的極性。使用時(shí)用于極性，適用于額定電壓，不適用于高頻充放電電路。

當(dāng)超級(jí)電容用于供電時(shí)，啟動(dòng)器啟動(dòng)引擎。超電容有正電極和負(fù)電極兩種。超電容器是從電極上充電而成，當(dāng)兩個(gè)電極連接到一個(gè)外部電路時(shí)，該線路上的電荷產(chǎn)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(shí)具有超大容量、導(dǎo)體長(zhǎng)度的超大型電容器，在使用超級(jí)電容時(shí)應(yīng)注意，它具有固定的極性。

1.6 水溫傳感器

發(fā)動(dòng)機(jī)水溫傳感器用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，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(gè)部分。水位傳感器向計(jì)算機(jī)傳輸檢測(cè)到的水位電壓。將測(cè)得的水位電壓與計(jì)算機(jī)電壓進(jìn)行比較分析，得到相應(yīng)的電壓。電腦在這種電壓下控制開(kāi)關(guān)檢測(cè)水溫。

2? 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停裝置控制方案設(shè)計(jì)

空車(chē)啟停系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就是要在啟停系統(tǒng)的作用下，盡可能少地改變司機(jī)的正常駕駛習(xí)慣。所以，對(duì)啟停系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求有清晰直觀的人機(jī)交互界面，啟停功能使工況合理安全，且能觸發(fā)怠速，便于停機(jī)或怠速后啟動(dòng)。怠速啟停運(yùn)行過(guò)程顯示在圖1中。

2.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)啟停系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)做到簡(jiǎn)潔、直觀，并能清楚顯示其工作狀態(tài)。啟停系統(tǒng)總開(kāi)關(guān)及儀表上設(shè)有指示燈，指示啟停系統(tǒng)的工作狀態(tài)。以下是設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①啟動(dòng)系統(tǒng)的主開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為觸控式和集成狀態(tài)指示。汽車(chē)在KeyOn狀態(tài)時(shí)，駕駛員按下開(kāi)關(guān)，同時(shí)觸發(fā)啟動(dòng)/停止功能，即開(kāi)/關(guān)狀態(tài)開(kāi)關(guān)，指示燈，并集成于主開(kāi)關(guān)上，顯示出停車(chē)功能，指示燈指示系統(tǒng)功能已關(guān)閉。②盡量做到簡(jiǎn)潔，儀表設(shè)置雙色指示燈（結(jié)合汽車(chē)指示燈設(shè)計(jì)要求，紅、綠雙色指示燈更適合），結(jié)合閃爍狀態(tài)，指示啟停系統(tǒng)的工作狀態(tài)：1）指示燈滅：?jiǎn)⑼９δ芪撮_(kāi)啟，或啟停功能開(kāi)啟，但還未觸發(fā)停機(jī);2）綠色照明：?jiǎn)⑼９δ荛_(kāi)啟，怠速啟停觸發(fā)成功;3）黃燈亮：?jiǎn)⑼９δ荛_(kāi)啟，觸發(fā)怠速啟停;4）在黃燈閃爍（1Hz）20秒后，黃燈一直亮：有相關(guān)故障啟停功能，允許小轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)/停止;5）綠燈閃爍5秒鐘，打印出一個(gè)校準(zhǔn)，然后進(jìn)入正常模式顯示：指示啟動(dòng)啟停檢測(cè)模式。為使其有別于其他車(chē)輛指示燈，狀態(tài)指示燈采用文字顯示，以引起駕駛員的注意。③手動(dòng)擋提示：車(chē)輛進(jìn)入怠速停車(chē)狀態(tài)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(guān)閉，儀表信息區(qū)顯示手動(dòng)擋信息，提醒駕駛員手動(dòng)啟動(dòng)車(chē)輛。

2.2 集成啟動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)

BSG起動(dòng)器/發(fā)電機(jī)組通過(guò)皮帶連接到發(fā)動(dòng)機(jī)將測(cè)得的水位電壓與計(jì)算機(jī)電壓進(jìn)行比較分析，得到相應(yīng)的電壓。電腦在這種電壓下控制開(kāi)關(guān)檢測(cè)水溫。在傳統(tǒng)的BSG啟停系統(tǒng)中，當(dāng)車(chē)輛停車(chē)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出停止指令，車(chē)輛停止行駛;當(dāng)車(chē)輛停車(chē)時(shí)，該系統(tǒng)發(fā)出起動(dòng)指令，電機(jī)由電池供電，電機(jī)輸出扭矩啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。BSG起停系統(tǒng)不僅具有噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，而且相對(duì)于其它起停系統(tǒng)，還具有加速輔助功能。動(dòng)力輸出：汽車(chē)起動(dòng)或加速時(shí)的動(dòng)力輸出，使汽車(chē)加速性能提高。它的發(fā)電功能是為車(chē)輛的輔助系統(tǒng)或電池提供動(dòng)力，一般具有制動(dòng)能量回收功能。用 BSG馬達(dá)給電池充電更有效降低油耗，相對(duì)于ISG系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，僅在原有引擎的基礎(chǔ)上做了一些修改。但是，由于采用了傳送帶傳遞動(dòng)力，其系統(tǒng)的安裝受到了發(fā)動(dòng)機(jī)排量的限制。通常采用的技術(shù)解決方案難以應(yīng)用于大排量汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)啟停技術(shù)采用的綜合方法是ISG技術(shù)，其結(jié)構(gòu)通常是ISG啟動(dòng)/發(fā)電機(jī)集成機(jī)組，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端。相對(duì)于BSG從技術(shù)上講，布局比較靈活，根據(jù)對(duì)起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組和離合器的相對(duì)位置及離合器數(shù)量的不同，可分為單離合器前端結(jié)構(gòu)形式、單離合器后端結(jié)構(gòu)形式和雙離合器中端結(jié)構(gòu)形式。

3? 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)日益嚴(yán)格的燃油消耗和排放標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟動(dòng)與停車(chē)控制裝置。該系統(tǒng)是在發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的改進(jìn)，可以用于內(nèi)燃機(jī)車(chē)。啟動(dòng)系統(tǒng)盡量少動(dòng)，以改變駕駛員正常的駕駛系統(tǒng)，它的使能和觸發(fā)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(jī)交互界面清晰，能夠清晰表示啟停裝置的工作狀態(tài)。

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