用于发动机怠速启停控制装置设计研究

陈石侯

摘要：迅速发展的汽车工业大大提高了城市车辆的利用率，同时也造成了大量怠速汽车的闲置问题。怠速是发动机工作的重要工况之一，当手动档怠速时，离合器啮合在一起，变速器空挡在一起;当自动变速器空转在一起，变速器就空挡在一起，它利用引擎空转的启动系统来启动汽车。

关键词：发动机;怠速启停;控制装置

0  引言

空转启动系统的组成及其工作原理是空转启动系统的重要组成部分，而各种车辆又具有空转启动系统[1]。分析研究了汽车怠速启停系统与电控系统的组成成分，发现在检测汽车怠速启停系统时，不同传感器之间存在差异。感应器通过导线向控制器传递检测到的参数，利用传感器检测到的不同参数，控制器对这些参数进行比较和分析，从而控制发动机的启停。该方法常用于有空转启停系统的汽车上。针对城市车辆的使用特点，研究了发动机怠速启停系统[2]。

1  系统结构设计

怠速启停是微型汽车的混合动力技术，它对传统汽车的前轮系统进行了微创改造，将普通铅酸电池和原车的启动器进行深度充电[3]。利用深充型蓄电池和增强型起动器，同时增加电瓶传感器，配合制动真空泵、制动信号、离合器信号、齿轮信号等输入信号，实现发动机的自动启动/停车操作[4]。使用自动启停功能，可起到节能作用。汽车发动机在无风状态下（如等待红灯、短停等），并满足一定条件后，启动系统自动关闭发动机。当重新起动时，启动器会自动运行和拖动引擎快速起动[5]。

1.1 启动器

在发动机启动时，必须先打开点火装置，将复合电源的电流用导线连接到直流电机起动器的转子上，传送部分转子的转向力给启动器。引擎转动后，启动机构停止转动，启动引擎也断开连接，启动机电路由电磁开关控制。在汽车发动机中，通常使用直流起动器，直流电动机启动时需要很大的转矩，因此通过的电流非常大。

1.2 发电机

在交流发电机定子绕组中，介绍了端子绕组匝数和整流器绕组匝数的总和。电机的主要组成部分分别是由转子、定子、整流器和端盖组成。马达发电原则是在电刷激励下，电池电流产生的磁场使转子旋转。定子绕组根据电磁感应原理产生交流感应电动势，电磁感应是发电机发电的基本原理。整流器是交流发电机的一种，用于将发电机的电机由定子绕组和转子绕组构成，交流电源转换为直流电源。打开点火开关，电池提供电流，充电指示灯通过电流，发动机启动，要注意发电机的使用，电瓶与发电机的接线端子相同。引擎未启动，点火开关关闭，电池放电，电池使用时间缩短。在电机旋转时，燃烧测试没有被用来检测是否有电源，采用燃烧试验方法会使发电机烧坏。电机與调压器的连接形式应一致，如交流发电机不产生电能，则在交流发电机不产生电能或发电量低时，电机与电池之间的电线连接应进行检查。

1.3 串联双螺线

串联双螺线管形啮合强化技术可独立控制驱动机构和起动机齿轮的通电功能，是由串联的两个同轴螺线管形组成。当小齿轮与飞轮啮合时，可通过特殊程序控制实现同步，这种方法和齿轮永久啮合的方法一样，无需等待发动机速度降到零时，就能使小齿轮和匕首轮接合启动。传动装置伸入启动器，重启的速度要快得多，其外形和规格与齿轮扩展网格的起动非常接近。

1.4 加强型蓄电池

车用电池为汽车的起动装置、照明设备和点火系统提供能量，而且电池的负载很小。但对装有怠速启停系统的车辆，在发动机停止工作，启动器反复启动时，需要电池深度放电，以驱动各种电器。与此同时，在车辆恢复行驶时需要能够快速充电，电池在起动和停止过程中经常充放电，这将影响电池的寿命。引擎启动系统的输出能力，充电能力和电池耐久性都有很高的要求。

由于反复充放电，电池内部温度逐渐升高，高温会对正极栅造成腐蚀。循环深度减少正极板活性物质，这几个因素增加了电池的内阻，缩短了寿命。

随着汽车电器种类的不断丰富，阀封式铅酸蓄电池和传统铅酸蓄电池一样，全封闭，不漏酸，无酸雾排放，不会对设备和环境造成破坏，目前在汽车应用较为广泛。与传统富液型铅酸电池需要补水不同，其安装方向无特殊限制，均采用氧复合原理实现电池密封。

1.5 超级电容

当超级电容用于供电时，启动引擎。超电容有正电极和负电极两种。超电容器是从电极上充电而成。当两个电极连接到一个外部电路时，该电路上的电荷就会产生电流。该超级电容具有超级电容充电、放电电路;超电容的电荷量分配得越多，其容量就越大。超大容量、导体长度的超大型电容器;在使用超级电容时应注意，它具有固定的极性。使用时用于极性，适用于额定电压，不适用于高频充放电电路。

当超级电容用于供电时，启动器启动引擎。超电容有正电极和负电极两种。超电容器是从电极上充电而成，当两个电极连接到一个外部电路时，该线路上的电荷产生的电流超电容有超大容量充放电电路，超电容的电荷量分配得越多，其容量就越大。同时具有超大容量、导体长度的超大型电容器，在使用超级电容时应注意，它具有固定的极性。

1.6 水温传感器

发动机水温传感器用于测量发动机水温。温度影响着水温传感器的电阻。引擎水温越高，水温传感器电阻越小。引擎水温不高时，水温传感器电阻较大。水的温度传感器包括温度控制和水位控制两个部分。水位传感器向计算机传输检测到的水位电压。将测得的水位电压与计算机电压进行比较分析，得到相应的电压。电脑在这种电压下控制开关检测水温。

2  发动机怠速启停装置控制方案设计

空车启停系统的设计，就是要在启停系统的作用下，尽可能少地改变司机的正常驾驶习惯。所以，对启停系统的设计要求有清晰直观的人机交互界面，启停功能使工况合理安全，且能触发怠速，便于停机或怠速后启动。怠速启停运行过程显示在图1中。

2.1 人机交互界面设计

对发动机空转启停系统进行人机交互界面设计时，应做到简洁、直观，并能清楚显示其工作状态。启停系统总开关及仪表上设有指示灯，指示启停系统的工作状态。以下是设计要点：①启动系统的主开关设计为触控式和集成状态指示。汽车在KeyOn状态时，驾驶员按下开关，同时触发启动/停止功能，即开/关状态开关，指示灯，并集成于主開关上，显示出停车功能，指示灯指示系统功能已关闭。②尽量做到简洁，仪表设置双色指示灯（结合汽车指示灯设计要求，红、绿双色指示灯更适合），结合闪烁状态，指示启停系统的工作状态：1）指示灯灭：启停功能未开启，或启停功能开启，但还未触发停机;2）绿色照明：启停功能开启，怠速启停触发成功;3）黄灯亮：启停功能开启，触发怠速启停;4）在黄灯闪烁（1Hz）20秒后，黄灯一直亮：有相关故障启停功能，允许小转速空转/停止;5）绿灯闪烁5秒钟，打印出一个校准，然后进入正常模式显示：指示启动启停检测模式。为使其有别于其他车辆指示灯，状态指示灯采用文字显示，以引起驾驶员的注意。③手动挡提示：车辆进入怠速停车状态后，若启停状况不佳，启停指示灯处于本行驶周期，启停指示灯关闭，仪表信息区显示手动挡信息，提醒驾驶员手动启动车辆。

2.2 集成启动机/发电机方案设计

BSG起动器/发电机组通过皮带连接到发动机将测得的水位电压与计算机电压进行比较分析，得到相应的电压。电脑在这种电压下控制开关检测水温。在传统的BSG启停系统中，当车辆停车时，控制系统发出停止指令，车辆停止行驶;当车辆停车时，该系统发出起动指令，电机由电池供电，电机输出扭矩启动发动机。BSG起停系统不仅具有噪音低、传动平稳的优点，而且相对于其它起停系统，还具有加速辅助功能。动力输出：汽车起动或加速时的动力输出，使汽车加速性能提高。它的发电功能是为车辆的辅助系统或电池提供动力，一般具有制动能量回收功能。用 BSG马达给电池充电更有效降低油耗，相对于ISG系统，该系统实现简单，仅在原有引擎的基础上做了一些修改。但是，由于采用了传送带传递动力，其系统的安装受到了发动机排量的限制。通常采用的技术解决方案难以应用于大排量汽油或柴油发动机。

发动机启停技术采用的综合方法是ISG技术，其结构通常是ISG启动/发电机集成机组，安装在发动机曲轴输出端。相对于BSG从技术上讲，布局比较灵活，根据对起动机/发电机组和离合器的相对位置及离合器数量的不同，可分为单离合器前端结构形式、单离合器后端结构形式和双离合器中端结构形式。

3  结束语

针对日益严格的燃油消耗和排放标准，设计了发动机怠速启动与停车控制装置。该系统是在发动机管理系统的基础上进行扩充，对其进行简单的改进，可以用于内燃机车。启动系统尽量少动，以改变驾驶员正常的驾驶系统，它的使能和触发条件以保证安全和舒适为前提，能够精确判断驾驶员驾驶意图，人机交互界面清晰，能够清晰表示启停装置的工作状态。

参考文献：

[1]臧利国，彭志洋， 裴跃翔，等.汽车怠速启停系统双开关式起动机的设计[J].农业装备与车辆工程，2018，056（004）：36-38，58.

[2]陆建平，顾鸣阳.2016年一汽大众奥迪A3发动机怠速抖动[J].汽车维修与保养，2019，242（03）：38-41.

[3]喻金龙.某车型怠速启停系统原理及其标定[J].汽车工程师，2018，5（007）：51-55.

[4]李军成.汽油车发动机自启停功能常见故障探析[J].科技风，2018，No.359（27）：172-173.

[5]周亚丽，王立伟，董逸君.汽车双质量飞轮模拟装置的扭振特性试验[J].现代制造工程，2018，5（005）：21-24.