手动挡公交车智能启停系统的仿真与应用

张 良，贝绍轶，刘 旭

(1.苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104；2.江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001)

手动挡公交车智能启停系统的仿真与应用

张 良1，贝绍轶2，刘 旭1

(1.苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104；2.江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001)

通过分析智能启停系统的技术方案，对手动挡公交车的零部件进行变更，并对传统公交车进行改造，改善手动挡公交车的燃油经济性和尾气排放性，以解决公交车的节能环保问题。对手动挡公交车智能系统进行实车测试，结果表明改造后的公交车能够满足动力性要求。对公交车进行建模，仿真结果表明：在ECE循环工况下，进行油耗以及尾气排放测试，改造后的手动挡公交车在燃油经济性以及尾气排放性方面有显著改善。

智能启停系统；手动挡公交车；节能环保；实车试验

随着石油资源的日益减少以及对环境造成的污染，汽车的节能减排越来越引起重视，智能启停技术应运而生[1]。智能启停系统可以在车辆频繁启动、停车时减少燃油消耗，当车辆遭遇交通拥堵或红灯时，驾驶人员松开加速踏板，踩下刹车，将挡位回至空挡，发动机立刻停止工作；需要再次启动时，只要踩下离合器踏板，发动机立刻运转。智能启停技术方案几乎对所有汽车发动机适用，该系统具有易安装、可靠性高、使用寿命长、启动响应快、操作简便、结构简单等特点[2]。

目前，我国市场上运用较为成熟的智能启停系统都是为小轿车所设计的，该技术很少应用在大型的柴油车上。我国是公交车大国，公交车在行驶过程中消耗了大量的柴油，产生的尾气也经常受到人们的诟病，而专门针对公交车节能减排的研究很少。因此，针对手动挡公交车设计了相应的智能启停系统，用以减少公交车行驶过程中的燃油消耗和尾气排放。

1 手动挡公交车智能启停系统结构

1.1 智能启停系统技术方案的制订

手动挡公交车智能启停系统结构如图1所示。

该系统的机械结构主要包括变速箱、电机、离合器和发动机。电控单元主要包括智能启停系统ECU、车门传感器、挡位位置传感器、离合器位置传感器、发动机转速传感器、蓄电池电量传感器、制动真空度传感器、冷却液温度传感器。公交车在行驶过程中，各个传感器将检测到的信号传输给智能启停系统ECU，ECU作出判断后，对电机进行控制，从而控制发动机停转与启动，实现公交车的智能启停[3]。与传统的公交车相比，该系统只需在原有的机械结构基础上，在离合器与变速箱之间加装一个控制电机，增加相应的传感器，便能实现智能启停，改造十分简单，便于推广应用。

1.2 智能启停系统零部件的匹配

手动挡公交车智能启停系统零部件需要根据其系统结构进行相应的零部件更改，具体更改的零部件如表1所示。

1) 车门传感器位于车门顶端，主要用于检测前后车门是否关闭，同时检测客流状况。

2) 挡位位置传感器位于公交车挡位杆的最下方，主要用来检测挡位是否处在空挡，驾驶人员是否有挡位操作。

3) 离合器位置传感器位于公交车离合器踏板下方，主要用于检测驾驶人员是否有离合器踏板的操作。离合器位置传感器与挡位传感器一同作用，用来控制发动机的停转和重新启动。

4) 发动机转速传感器主要识别点火开关的关闭与开启，判断车速是否达到需要停止发动机的设定值。

5) 蓄电池电量传感器主要检测蓄电池电量是否满足智能启停的要求，保证蓄电池有充足的电量用于反复启动。

6) 制动真空度传感器主要检测公交车制动真空度是否达到启停要求。

7) 冷却液温度传感器主要检测发动机冷却液温度是否达到要求，当温度达到设定值时，智能启停功能才能够正常开启。

8) 增强型启动机是公交车智能启停系统的主要部件之一，也是能量输出的关键部件之一。对于增强型启动机而言，参数主要有峰值功率和最高转速两个，前者对应于整车的最大负载能力，即不同车速下的加速能力；后者对应于整车的最高车速。

图1 手动挡公交车智能启停系统结构

表1 手动挡公交车智能启停零部件

2 手动挡公交车智能启停系统性能分析

2.1 智能启停系统参数匹配

1) 公交车整车主要参数：总长10 050 mm，总宽2 550 mm，总高3 150 mm，整车质量13 000 kg，满载质量17 500 kg，轴距5 000 mm，空气阻力系数0.6，迎风面积8.067 m2。

2) 公交车发动机类型为四缸、直列、水冷、柴油机。主要参数为发动机排量为2.66 L，额定功率为45 kw，额定扭矩为320 N·m，怠速转速为800±50 r/min。

2.2 最大传动比匹配

确定最大传动比需要考虑三大因素：车辆的最低车速、最大爬坡度以及附着率。就公交车而言，最大传动比为变速器1挡时的传动比与主减速器传动比的乘积。

车辆爬坡时，由于行驶速度很低，可以基本忽略空气阻力，因此，根据爬坡时的驱动力可以得出最大传动比[4]为

式中ig1为1挡时的传动比。

2.3 最高车速

要确定车辆的动力性，就必须确定车辆的行驶状况，因此，必须首先确定车辆行驶过程中所受到的各种外力，即驱动力和行驶力[5]。

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根据公交车行驶中驱动力与行驶阻力之间的平衡关系，可以得出公交车的行驶方程为

式中：u为汽车车速；A为迎风面积；Cd为空气阻力系数。

公交车的最高速度是指公交车在水平良好的路面上所能达到的最高行驶速度，根据公交车的行驶方程，得到公交车的最高行驶速度U为

式中G为满载情况下的公交车重量。

2.4 最大爬坡度

车辆的上坡能力一般是指满载情况下车辆在良好路面上的最大爬坡度。小轿车的最高行驶速度较大，加速时间较短，因此，正常情况下不会强调其爬坡能力的好坏。公交车需要很大的载重质量，所以必须拥有足够的爬坡能力。公交车的最大爬坡度一般是指公交车在1挡时的爬坡能力。

公交车的爬坡示意图如图2所示。一般来说，公交车要求的最大爬坡度需要在30%左右[6-7]。手动挡公交车最大爬坡度计算方程为

图2 公交车爬坡示意图

式中：Ft为驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力。

燃油经济性是评判车辆好坏的重要标准之一，公交车行驶过程中的燃油消耗量为

式中：Pe为加速时的发动机功率；b为燃油消耗率；ρ为燃油密度。

将燃油消耗量折算成百公里燃油消耗量为

根据式(6)及公交车参数，计算出安装智能启停系统的手动挡公交车的动力性及燃油经济性目标。公交车动力性能目标为最高车速81.0 km/h，车速为0～70 km/h时，加速时间24.1 s；车速为40～70 km/h，加速时间10.4 s，最大爬坡度为32.5%，燃油消耗量为31.8 L/100 km。

2.6 实验验证

对传统公交车进行改造并进行实际道路测试，测试结果表明增加和更改的零部件均能够正常工作。然后对安装智能启停系统的手动挡公交车进行实车动力性测试，并与计算得出的动力性目标进行比较，对比结果如表2所示。

由表2可见，安装智能启停系统的公交车的最高车速、加速能力以及爬坡度等动力性能均能够达到计算得出的动力性目标，试验结果符合预期目标。

在AVL-Cruise软件中建立公交车模型。该模型与传统公交车相比改造较小，只有一个智能启停控制器被添加到模型中。安装智能启停系统后的公交车整车仿真模型如图3所示。

表2 公交车动力性计算结果与实测结果对比

图3 公交车整车仿真模型

安装智能启停系统后的公交车模型采用发动机后置模式，与实际情况相符，发动机与离合器相连，再连接变速箱以及差速器。在智能启停模块中设置启停方法逻辑和相应的停机时间，智能启停系统通过数据总线与制动器、驾驶室、离合器、蓄电池、发动机分别相连，通过Cruise软件内的Start-Stop模块实现智能启停，并通过监视器模块，实时监测智能启停系统与发动机的工作状态。

对安装智能启停系统的公交车在ECE循环工况下进行发动机转速及油耗测试，并与传统公交车进行比较，对比结果如图4、图5所示。当公交车在复杂的路况中行驶，需要频繁停车、启动，并且停车时间较长时，智能启停系统能够在3 s内使发动机停止运转，避免了怠速过程中不必要的燃油消耗，当公交车需要重新启动时，智能启停系统能够立即启动发动机。据试验统计，传统公交车百公里平均耗油量约为32.75 L，安装智能启停系统后，百公里油耗约为29.34 L，节省燃油量约为10.4 %。因此，当公交车在复杂的路况中行驶时，智能启停系统减少油耗的效果十分明显。

对安装智能启停系统的手动挡公交车在ECE循环工况下进行尾气排放测试，并与传统公交车进行比较，对比结果如表3所示。采用智能启停系统后，公交车尾气中的CO、NOx、HC的排放量分别减少了19.5%，5.3%，9.3%。由此可见，智能启停系统能够显著减少公交车尾气中有害气体的排放，在减少燃油消耗的同时还能对大气环境改善起到积极的作用。

图4 采用启停系统前ECE循环工况

图5 采用启停系统后ECE循环工况

表3 ECE工况下采用启停系统前后的尾气排放量变化

3 结论

在手动挡公交车智能启停系统的应用研究中，首先制订了智能启停系统技术方案，增加并更改了相应的智能启停系统零部件，对安装智能系统的公交车进行了动力性目标计算，然后对传统公交车进行改造，对安装智能启停系统的手动挡公交车进行了实车动力性测试，最后在ECE循环工况下，比较了安装智能启停系统前后，手动挡公交车的燃油消耗量与尾气排放量。结果表明：安装智能启停系统的手动挡公交车，动力性符合计算目标，能够达到预期目标，其燃油经济性以及尾气排放性有显著改善。由此可见，手动挡公交车智能启停系统具有一定的研究价值，应该在相关企业加以推广。

[1] 欧阳明高．我国节能与新能源汽车发展战略与对策[J]．汽车工程，2006，28(4)：317-321．

[2] 周宏湖．混合动力入门技术发动机Stop -Start系统[J]．汽车与配件，2011，14(33)：20-21．

[3] 楼少敏，许沧粟．基于结构分析的整车平顺性仿真及试验研究[J]．汽车工程，2007，29(5)：393-396．

[4] 余志生．汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2012．

[5] BISHOP J，NEDUNGADI A，OSTROWSKI G，et al. An engine start/stop system for improved fuel economy[J]. SAE， 2007，14(1)：17-20．

[6] HUANG K J，LIU T S. Dynamic analysis of a spur gear by the dynamic stifihess method[J].Journal of Sound and Vibrationg，2000，234(2) ：311-329.

[7] 李振磊，林逸，龚旭．基于Start-Stop技术的微混轿车仿真及试验研究[J]．中国机械工程，2010，21(1)：110-113．

(责任编辑：李 华)

The Simulation and Application Research on Intelligent Stop-start System of Manually-operated Buses

ZHANG Liang1，BEI Shaoyi2，LIU Xu1

(1.School of Mechano-electrical Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China；2.School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China)

To solve the problem of energy saving and environmental protection concerning buses， an intelligent stop-start system is introduced to improve the fuel economy and dynamic performance of the manually-operated buses. The technical scheme of intelligent stop-start system is analyzed. The spare parts of manually operated buses are modified. The traditional bus is reconstructed.The real vehicle test is conducted on that system. The results show that the bus can meet the requirement of dynamic performance after the transformation. The model of the bus is established. The results of the simulation show that the fuel consumption and exhaust emissions are tested in the ECE circulation conditions.The results show that the fuel economy and dynamic performance of the manually-operated buses are improved significantly.

intelligent stop-start system；manually-operated bus；energy saving and environmental protection；real vehicle test

U461.6

A

1008-5475(2017)01-0016-05

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.01.004

2016-11-15；

2016-12-01

张 良(1988-)，男，江苏苏州人，实验师，硕士，主要从事智能启停系统研究。

张良，贝绍轶，刘旭.手动挡公交车智能启停系统的仿真与应用[J].苏州市职业大学学报，2017，28(1)：16-20.