汽车发动机无怠速控制策略的试验研究

徐健 莫嘉林

摘要：在一台长安CM8手动档的厢式车上，研究优化后的喷油控制策略的节油效果。研究集成了无怠速行车控制技术、发动机自动启动技术和混合能源及双蓄电池供电技术的控制系统对节油效果的影响。长安CM8手动档厢式车加入了集成三种技术的“无怠速控制系统”后进行道路试验研究，结果表明，节油效果显著，节油率轻载时约为25%，重载时超过25%。

关键词：滑行;节油;内燃机;适时启动;无怠速行车

中图分类号：U464.2 文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2019）02-0019-05

Abstract：The fuel-saving effect of the optimized fuel injection control strategy was studied on a Changan CM8 van with manual shift gear. The influence of the control system integrated with three technologies on the fuel saving effect was studied， and the three technologies are the no-idle speed control technology， the timely start-up technology， and the hybrid energy supply technology. After adding the “no-idle speed control system” integrated with the three technologies into the CM8 manual vane car， the road test results show that the fuel saving is remarkable， and the fuel saving rate is about 20% of the light load， more than 25% of over load.

Keywords： taxiing; fuel saving; internal combustion engine; timely start; no idle speed

近年来，在汽车发动机传统控制技术层面上进行的节油研究主要是消除车辆短停期间的怠速。常见的是自动启停系统，其作用是消除行车过程中间歇停车期的怠速，存在以下缺陷：1）不能消除发动机的滑行怠速和减速怠速。2）生效作用全部根据设定发生，并非随车辆对动力需求情况产生。3）只有1个启动电源，启动供电不可靠。4）需要对车速、电池电量、水温、短停时间、短停间隔、短停间隔期的车速、行驶距离、发动机转速等信息进行运算后才能决定是否生效，系统复杂。5）该技术只能用于消除车辆暂停期间的怠速，没有进一步的应用前景。

发动机无怠速控制系统（后文简称本系统）是一种可应用在传统内燃机动力汽车上的高效节能减排控制技术，集成了无怠速行车控制技术[1]，发动机自动启动技术[2]和混合能源及双蓄电池供电技术[3]三种技术的控制系统对节油效果的影响，其寿命远超发动机使用寿命，且能克服“自动启停系统”的缺陷，在节能、减排方面有着诸多的技术优势和良好的应用前景。

1 試验车发动机无怠速控制系统设计

1.1 发动机喷油控制逻辑分析

试验车辆是长安CM8手动档厢式车，其发动机喷油器的电路如图1所示：

喷油器电源由点火开关控制，其工作状态由ECU控制。当喷油器电路中断停止喷油，即使点火开关处于ON档，其ON接线柱正处于向外输出电源的状态，但当喷油器至ON接线柱之间的电路发生断路（喷油器断电），喷油器也不会喷油。在行车过程中，为使车辆在不需要动力时能随即停止供油以达成无怠速状态，只需在喷油器的电源电路上安装1个可根据车辆对动力需求进行导通或截止的开关。在油门踏板机构中加入1个电路开关，当汽车需要动力，油门踏板被踩下，开关断开;当汽车不需要动力，不踩油门，开关闭合。可通过油门踏板开关的闭合或断开来获取车辆对动力的需求信息。另外，在换档过程中，虽不需要动力，但也不要求无怠速，换档的需求信息可从离合器踏板开关的闭合或断开状态来获取，在离合器踏板机构中加入1个电路开关，当需要换档时，离合器踏板被踩下，开关断开;不需要换档时，不踩离合器，开关闭合。根据以上分析结果，在试验车上安装应用无怠速控制电路，如图2所示。

其控制逻辑是：

情况1，当选择开关K3处于导通时，图1与图2的喷油控制工作原理相同。

情况2，当选择开关K3处于断开时，车辆处于行车档位的正常行车状态，当不踩油门、不踩离合器时，油门踏板开关K1、离合器踏板开关K2均闭合导通，从ON接线端输出的电流一路经电阻R1、D1、K1、搭铁;另一路经电阻R2、D2、K2、搭铁;使三极管VT处于截止状态，此时，喷油器因断电而停止喷油，发动机没有怠速，发动机只是在传动系统带动下旋转。当踩下油门，从ON接线端输出的电流一路经电阻R1、二极管D11、三极管VT的基极、发射极、喷油器、ECU、搭铁;使三极管VT处于导通状态，此时，喷油器通电在ECU的控制下喷油，发动机对外输出动力。在换档过程中，不踩油门，只踩离合器，K2处于断开状态，从ON接线端输出的电流经R2、D22、三极管VT的基极、发射极、喷油器、ECU、搭铁，使三极管VT处于导通状态，此时喷油器通电并在ECU的控制下喷油，发动机处于怠速状态。

1.2 发动机启动控制逻辑分析

试验车发动机启动系统的电源电路如图3所示。

控制逻辑分析：启动机M是否工作由点火开关ST是否输出电流控制，当点火开关处于ST档时，ST接线端有电流向启动机的磁吸开关输出，磁吸开关闭合通电，同时启动机驱动齿轮与发动机飞轮上的齿圈啮合，启动机M带动发动机旋转启动。当点火开关不处于ST档时没有电流向启动机的磁吸开关输出，磁吸开关断开，同时启动机驱动齿轮与发动机飞轮上的齿圈分离，启动机停止工作。当车辆的点火开关处于ON档时，无怠速行车控制对启动机的工作要求是：

1）当发动机转速等于或高于怠速时，需要使ST不能输出电流。

2）在发动机停止运转状态时，如果离合器处于结合状态，则需要ST不能输出电流。

3）在发动机停止运转时，如果离合器处于分离状态，且车辆需要动力，则需使ST输出电流，使启动机进行启动发动机工作。

根据以上分析，在试验车辆上安装发动机自动启动系统如图4所示。

其工作原理是：

情况3，车辆正常行驶，点火开关处于ON档，发动机处于未自主工作状态，充电警告灯通过控制电路、搭铁，灯点亮;当驾驶员踩下离合器踏板，使K2断开，随后换入行车档，再踩下油门踏板，使K1断开，从ON接线端输出的电流经R1、D3、固态继电器SSR1的输入电路正接线端、SSR1的输入电路负接线端、搭铁;使SSR1的输出电路导通，电源正接线端输出的电流经SSR1的输出电路正接线端、SSR1的输出电路负接线端、ST接线端、启动机磁吸开关、搭铁，发动机启动后，进入情况4状态，驾驶员随后进行离合器接合操作。

情况4，点火开关处于ON档，发动机处于已自主工作状态，充电警告灯控制电路中的电阻值剧增，充电警告灯趋于熄灭，充电警告灯的电流输出端电压升到高于至固态继电器SSR2的输入电路电压，电流经充电警告灯、SSR2的输入电路正接线端、SSR2的输入电路负接线端、搭铁;使SSR2的输出电路导通，流经R1的电流经SSR2的输出电路正接线端、SSR2的输出电路负接线端、搭铁，此时即使驾驶员同时踩下油门踏板及离合器踏板，都不能自动使ST接线端通电以触发启动机磁吸开关动作。至此，发动机的启动控制都在情况3与情况4之间变化，完全满足汽车对发动机适时启动的需求。

1.3 优化汽车电气平台技术

为保证车辆在频繁启动时的启动供电可靠，采用混合能源及双蓄电池供电技术作为汽车电气平台，其工作原理如图5所示。

1）2个蓄电池互为在用、备用电源，既可由车载发电机同时充电，又可由太阳能电池同时充电;停车期间仍可由太阳能电池不间断地同时充电。

2）启动时，由在用蓄电池提供启动电能。

3）如启动失败，可通过电源选择开关使两个蓄电池在在用、备用之间切换。

2 系統工作状况及分析

试验车辆在本系统的参与控制下，其完整行车工作状况如下：

1）车辆在停止状态转入行车状态时的启动及喷油控制是，点火开关处于ON档（充电警告灯点亮），车辆处于空档状态，驾驶员进行起步操作：踩下离合器踏板（使K2断开，VT的集电极与发射极处于导通状态，随即喷油器电路导通），换入行车档，踩下油门踏板（使K1断开，SSR1的输出电路导通）后，启动机通电工作并带动发动机启动，约1 m后，启动机进入自主运转（充电警告灯趋于熄灭）后、启动机随即自动断电（ST断电）启动齿与发动机飞轮分离，随后驾驶员抬起离合器直至完全不踩、同时按需踩下油门踏板，车辆起步、行驶。

2）车辆处于正常行车档状态，当不需要动力时，即不踩离合器和油门，随即VT的集电极与发射极处于截止不导通状态，使喷油器电路中断，喷油器停止喷油，发动机处于被传动系统拖带下空转状态，车辆进入与关闭发动机挂档滑行相同的状态;当车辆需要动力时，即不踩离合器，只踩油门，随即VT处于导通状态，使喷油器恢复通电，喷油器在ECU控制下喷油，发动机处于驱动车辆状态。

3）车辆正常行驶需要换档时，即不踩油门，只踩离合器，使发动机与传动系统分离，VT处于导通，喷油器在ECU控制下进行正常怠速喷油，换档完成，发动机与传统系统恢复连接状态;当车辆需要动力时，即不踩离合器只踩油门，使喷油器在ECU控制下喷油，发动机处于驱动车辆状态。

4）车辆处于行车档正常行驶时，当需要制动，驾驶员进行制动操作：只踩下制动踏板，不踩离合器和油门，随即VT处于截止，喷油器电路中断停止喷油;若非紧急制动，发动机处于被传动系统拖带下空转，车辆进入制动减速行驶状态;当车辆解除制动并需要动力时，驾驶员抬起制动踏板、不踩离合器，只踩油门，VT处于导通，使喷油器恢复通电并在ECU控制下喷油，发动机处于驱动车辆状态;当车辆解除制动并需要换档时，驾驶员抬起制动踏板、踩下离合器，不踩油门踏板，VT处于导通，喷油器恢复通电并在ECU控制下喷油，发动机处于怠速状态;若紧急制动，发动机与传动系统都处于停止运转状态。

5）白天时，太阳能电池会不断地向主、备用蓄电池充电，自动向电感差较大的蓄电池分配更多的电能，并不受发动机是否运转限制，使铅酸蓄电池中的硫酸铅存在时间缩短，极大地降低了硫酸铅分子结晶的机会，从而有利于延长铅酸蓄电池的使用寿命。

3 与自动启停系统对比分析

以手动变速器车型为例，将本系统与目前应用的自动启停系统相比较：

1）应用自动启停系统的车辆暂停后，当松开制动踏板，自动启动发动机;本系统是踩下加速踏板启动发动机，随动性更合理。

2）行车时，当车辆不需要动力（松开油门踏板），发动机即处于怠速状态，如下坡、进入路口、进入车站等;此时的自动启停系统并不能控制发动机停止怠速，而本系统可立即停止供油、消除怠速工况，由此可见，本系统可产生节油效果;当车辆需要动力时（踩油门），且车辆尚处于行驶状态下，本系统随即使发动机自动恢复供油处于输出动力状态，发动机由惯性带动启动。故在节油效率方面本系统优于自动启停系统。

3）短停时，自动启停系统只能在设定的时间内消除发动机怠速，否则蓄电池将不能提供足够的启动电能;短停期间，会因驾驶员松开制动踏板而自行启动，如此时车辆并没有启动意图时，上述两种自动启动发动机的动作都成为出乎驾驶员意料的情况，也是众多驾驶员长期忽略自动启停系统的主因。本系统不会出现启动电能不足，故无需限制短停时间，如驾驶员没有启动意图，本系统不会自动启动发动机。由此可见，在可靠性、节油效率、人机配合等方面，“无怠速行车控制系统”都优于自动启停系统。

4）在自动启停系统中，启动电能全部由燃油转化而来，且只能在发动机运转时电能才能实现转化、贮存，导致蓄电池中的电能充足率偏低，故需要成本更高的专用蓄电池（如AGM电瓶）。在本系统中，其启动电能只有部分由燃油转化，其余部分由太阳能转化，白天行车时，太阳能电池可不间断地实现电能转化、贮存，可使蓄电池中的电能充足率长期处于最佳状态，以每平方米太阳能电池计算，短停期间仍可产生约150 W电功率向蓄电池充电。由此可见，在节能减排效果及启动供电可靠性方面，本系统优于自动启停系统。

5）自动启停系统至今只局限于现有的消除车辆暂停期间的怠速功能的应用，并未见可扩展应用的报道。本系统可扩展后应用于具有：输出动力的功能（既可全部气缸进入传统的四冲程循环也部分气缸进入吸气、排气的二冲程循环，其余气缸进入传统的四冲程循环）、高效发动机缓速功能（既可全部气缸进入压缩、终了泄压，吸气的二冲程循环、且不喷油，也可部分气缸进入压缩、终了泄压，吸气的二冲程循环，其余气缸进入传统的四冲程循环、但不喷油）、发动机低阻力运转功能（全部气缸进入吸气、排气的二冲程循环、且不喷油）的三循环、变排量、多模式自由切换的发动机控制应用。例如，可将本系统扩展成汽车缓速控制电路[4]技术，并应用在兼具汽车发动机可变循环可变排量系统[5]和汽车发动机变循环缓速系统[6]的发动机控制技术上。

4 本系统在试验中遇到的问题及解决方案

在试验车辆上应用本系统生效后，发动机产生的真空效果会变得不可靠，应用汽车制动真空泵控制电路[7]技术，将现有电动汽车的电动制动真空泵产生的真空源并联接入进气管真空源的真空管中，各自用单向阀隔离即可解决。

5 结论

1）“无怠速行车控制系统”控制技术与“自动启停系统”控制技术都是在传统内燃机控制技术的基础上增加的旨在节油的控制技术，三种技术在正常行车时，其所处状态对应的发动机工况如表1所示。

从表1中显示，本系统的工作可靠，消除无效喷油的效率最高，启动供电性能可靠，还可在扩大太阳能电池的功率后满足更多的用电需求。随机进行公路测试的节油效果为：轻车测试节油率为25%，根据车辆质量越大，其行驶中滑行里程占全路程的比例越大的客观事实，应用本系统的车辆质量越大，节油效果越彰显。

2）采用“无怠速行车控制系统”的车辆无需改变正常驾驶操作习惯。

3）在装备手动变速器的汽车上全面应用本系统技术已没有技术障碍。

4）本系统的控制逻辑所得到的效果非常接近人们对车辆发动机的控制要求，在此控制逻辑基础上，很方便对其控制功能作进一步扩展，扩展后可应用于具有三循环、变排量、多模式自由切换的发动机控制。

参考文献：

[1]陳红，莫嘉林.无怠速行车控制装置：ZL201420053745.X[P].2014-09-10.

[2]莫嘉林.发动机自动启动系统：ZL201210294467.2[P].2015-06-10.

[3]陈红，莫嘉林.汽车混合能源及双蓄电池供电系统研究[J].农机使用与维修，2012（5）：74-77.

[4]陈红，莫嘉林.汽车缓速控制电路：ZL201520119766.6[P].2016-07-13.

[5]莫嘉林.汽车发动机可变循环可变排量系统：201620333022.4[P].2017-01-18.

[6]徐健，莫嘉林.汽车发动机变循缓速系统：201620226072.2[P].2018-04-17.

[7]陈安，莫嘉林.汽车制动真空泵控制电路：201510297817.4[P].2018-10-26.