手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用

張 良，貝紹軼，劉 旭

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.江蘇理工學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用

張 良1，貝紹軼2，劉 旭1

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.江蘇理工學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

通過(guò)分析智能啟停系統(tǒng)的技術(shù)方案，對(duì)手動(dòng)擋公交車(chē)的零部件進(jìn)行變更，并對(duì)傳統(tǒng)公交車(chē)進(jìn)行改造，改善手動(dòng)擋公交車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放性，以解決公交車(chē)的節(jié)能環(huán)保問(wèn)題。對(duì)手動(dòng)擋公交車(chē)智能系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，結(jié)果表明改造后的公交車(chē)能夠滿(mǎn)足動(dòng)力性要求。對(duì)公交車(chē)進(jìn)行建模，仿真結(jié)果表明：在ECE循環(huán)工況下，進(jìn)行油耗以及尾氣排放測(cè)試，改造后的手動(dòng)擋公交車(chē)在燃油經(jīng)濟(jì)性以及尾氣排放性方面有顯著改善。

智能啟停系統(tǒng)；手動(dòng)擋公交車(chē)；節(jié)能環(huán)保；實(shí)車(chē)試驗(yàn)

隨著石油資源的日益減少以及對(duì)環(huán)境造成的污染，汽車(chē)的節(jié)能減排越來(lái)越引起重視，智能啟停技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。智能啟停系統(tǒng)可以在車(chē)輛頻繁啟動(dòng)、停車(chē)時(shí)減少燃油消耗，當(dāng)車(chē)輛遭遇交通擁堵或紅燈時(shí)，駕駛?cè)藛T松開(kāi)加速踏板，踩下剎車(chē)，將擋位回至空擋，發(fā)動(dòng)機(jī)立刻停止工作；需要再次啟動(dòng)時(shí)，只要踩下離合器踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)立刻運(yùn)轉(zhuǎn)。智能啟停技術(shù)方案幾乎對(duì)所有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)適用，該系統(tǒng)具有易安裝、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)響應(yīng)快、操作簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[2]。

目前，我國(guó)市場(chǎng)上運(yùn)用較為成熟的智能啟停系統(tǒng)都是為小轎車(chē)所設(shè)計(jì)的，該技術(shù)很少應(yīng)用在大型的柴油車(chē)上。我國(guó)是公交車(chē)大國(guó)，公交車(chē)在行駛過(guò)程中消耗了大量的柴油，產(chǎn)生的尾氣也經(jīng)常受到人們的詬病，而專(zhuān)門(mén)針對(duì)公交車(chē)節(jié)能減排的研究很少。因此，針對(duì)手動(dòng)擋公交車(chē)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的智能啟停系統(tǒng)，用以減少公交車(chē)行駛過(guò)程中的燃油消耗和尾氣排放。

1 手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 智能啟停系統(tǒng)技術(shù)方案的制訂

手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括變速箱、電機(jī)、離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)。電控單元主要包括智能啟停系統(tǒng)ECU、車(chē)門(mén)傳感器、擋位位置傳感器、離合器位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、蓄電池電量傳感器、制動(dòng)真空度傳感器、冷卻液溫度傳感器。公交車(chē)在行駛過(guò)程中，各個(gè)傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸給智能啟停系統(tǒng)ECU，ECU作出判斷后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)與啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)公交車(chē)的智能啟停[3]。與傳統(tǒng)的公交車(chē)相比，該系統(tǒng)只需在原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在離合器與變速箱之間加裝一個(gè)控制電機(jī)，增加相應(yīng)的傳感器，便能實(shí)現(xiàn)智能啟停，改造十分簡(jiǎn)單，便于推廣應(yīng)用。

1.2 智能啟停系統(tǒng)零部件的匹配

手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)零部件需要根據(jù)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的零部件更改，具體更改的零部件如表1所示。

1) 車(chē)門(mén)傳感器位于車(chē)門(mén)頂端，主要用于檢測(cè)前后車(chē)門(mén)是否關(guān)閉，同時(shí)檢測(cè)客流狀況。

2) 擋位位置傳感器位于公交車(chē)擋位桿的最下方，主要用來(lái)檢測(cè)擋位是否處在空擋，駕駛?cè)藛T是否有擋位操作。

3) 離合器位置傳感器位于公交車(chē)離合器踏板下方，主要用于檢測(cè)駕駛?cè)藛T是否有離合器踏板的操作。離合器位置傳感器與擋位傳感器一同作用，用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的停轉(zhuǎn)和重新啟動(dòng)。

4) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器主要識(shí)別點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的關(guān)閉與開(kāi)啟，判斷車(chē)速是否達(dá)到需要停止發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)定值。

5) 蓄電池電量傳感器主要檢測(cè)蓄電池電量是否滿(mǎn)足智能啟停的要求，保證蓄電池有充足的電量用于反復(fù)啟動(dòng)。

6) 制動(dòng)真空度傳感器主要檢測(cè)公交車(chē)制動(dòng)真空度是否達(dá)到啟停要求。

7) 冷卻液溫度傳感器主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度是否達(dá)到要求，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，智能啟停功能才能夠正常開(kāi)啟。

8) 增強(qiáng)型啟動(dòng)機(jī)是公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)的主要部件之一，也是能量輸出的關(guān)鍵部件之一。對(duì)于增強(qiáng)型啟動(dòng)機(jī)而言，參數(shù)主要有峰值功率和最高轉(zhuǎn)速兩個(gè)，前者對(duì)應(yīng)于整車(chē)的最大負(fù)載能力，即不同車(chē)速下的加速能力；后者對(duì)應(yīng)于整車(chē)的最高車(chē)速。

圖1 手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停零部件

2 手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)性能分析

2.1 智能啟停系統(tǒng)參數(shù)匹配

1) 公交車(chē)整車(chē)主要參數(shù)：總長(zhǎng)10 050 mm，總寬2 550 mm，總高3 150 mm，整車(chē)質(zhì)量13 000 kg，滿(mǎn)載質(zhì)量17 500 kg，軸距5 000 mm，空氣阻力系數(shù)0.6，迎風(fēng)面積8.067 m2。

2) 公交車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型為四缸、直列、水冷、柴油機(jī)。主要參數(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.66 L，額定功率為45 kw，額定扭矩為320 N·m，怠速轉(zhuǎn)速為800±50 r/min。

2.2 最大傳動(dòng)比匹配

確定最大傳動(dòng)比需要考慮三大因素：車(chē)輛的最低車(chē)速、最大爬坡度以及附著率。就公交車(chē)而言，最大傳動(dòng)比為變速器1擋時(shí)的傳動(dòng)比與主減速器傳動(dòng)比的乘積。

車(chē)輛爬坡時(shí)，由于行駛速度很低，可以基本忽略空氣阻力，因此，根據(jù)爬坡時(shí)的驅(qū)動(dòng)力可以得出最大傳動(dòng)比[4]為

式中ig1為1擋時(shí)的傳動(dòng)比。

2.3 最高車(chē)速

要確定車(chē)輛的動(dòng)力性，就必須確定車(chē)輛的行駛狀況，因此，必須首先確定車(chē)輛行駛過(guò)程中所受到的各種外力，即驅(qū)動(dòng)力和行駛力[5]。

現(xiàn)在各類(lèi)跨境電商比賽很多。要想通過(guò)比賽促進(jìn)跨境電商專(zhuān)業(yè)教學(xué)，比賽絕不能脫離跨境電商崗位實(shí)際。學(xué)生參加的跨境電商比賽至少要有網(wǎng)店開(kāi)設(shè)、網(wǎng)店產(chǎn)品發(fā)布、網(wǎng)店裝修、網(wǎng)店運(yùn)營(yíng)與營(yíng)銷(xiāo)策劃推廣、網(wǎng)店客戶(hù)服務(wù)與管理及跨境電商物流等跨境電商必有的幾個(gè)任務(wù)模塊。

根據(jù)公交車(chē)行駛中驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力之間的平衡關(guān)系，可以得出公交車(chē)的行駛方程為

式中：u為汽車(chē)車(chē)速；A為迎風(fēng)面積；Cd為空氣阻力系數(shù)。

公交車(chē)的最高速度是指公交車(chē)在水平良好的路面上所能達(dá)到的最高行駛速度，根據(jù)公交車(chē)的行駛方程，得到公交車(chē)的最高行駛速度U為

式中G為滿(mǎn)載情況下的公交車(chē)重量。

2.4 最大爬坡度

車(chē)輛的上坡能力一般是指滿(mǎn)載情況下車(chē)輛在良好路面上的最大爬坡度。小轎車(chē)的最高行駛速度較大，加速時(shí)間較短，因此，正常情況下不會(huì)強(qiáng)調(diào)其爬坡能力的好壞。公交車(chē)需要很大的載重質(zhì)量，所以必須擁有足夠的爬坡能力。公交車(chē)的最大爬坡度一般是指公交車(chē)在1擋時(shí)的爬坡能力。

公交車(chē)的爬坡示意圖如圖2所示。一般來(lái)說(shuō)，公交車(chē)要求的最大爬坡度需要在30%左右[6-7]。手動(dòng)擋公交車(chē)最大爬坡度計(jì)算方程為

圖2 公交車(chē)爬坡示意圖

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力。

燃油經(jīng)濟(jì)性是評(píng)判車(chē)輛好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，公交車(chē)行駛過(guò)程中的燃油消耗量為

式中：Pe為加速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率；b為燃油消耗率；ρ為燃油密度。

將燃油消耗量折算成百公里燃油消耗量為

根據(jù)式(6)及公交車(chē)參數(shù)，計(jì)算出安裝智能啟停系統(tǒng)的手動(dòng)擋公交車(chē)的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。公交車(chē)動(dòng)力性能目標(biāo)為最高車(chē)速81.0 km/h，車(chē)速為0～70 km/h時(shí)，加速時(shí)間24.1 s；車(chē)速為40～70 km/h，加速時(shí)間10.4 s，最大爬坡度為32.5%，燃油消耗量為31.8 L/100 km。

2.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)傳統(tǒng)公交車(chē)進(jìn)行改造并進(jìn)行實(shí)際道路測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明增加和更改的零部件均能夠正常工作。然后對(duì)安裝智能啟停系統(tǒng)的手動(dòng)擋公交車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)動(dòng)力性測(cè)試，并與計(jì)算得出的動(dòng)力性目標(biāo)進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

由表2可見(jiàn)，安裝智能啟停系統(tǒng)的公交車(chē)的最高車(chē)速、加速能力以及爬坡度等動(dòng)力性能均能夠達(dá)到計(jì)算得出的動(dòng)力性目標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期目標(biāo)。

在A(yíng)VL-Cruise軟件中建立公交車(chē)模型。該模型與傳統(tǒng)公交車(chē)相比改造較小，只有一個(gè)智能啟?？刂破鞅惶砑拥侥Ｐ椭小０惭b智能啟停系統(tǒng)后的公交車(chē)整車(chē)仿真模型如圖3所示。

表2 公交車(chē)動(dòng)力性計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖3 公交車(chē)整車(chē)仿真模型

安裝智能啟停系統(tǒng)后的公交車(chē)模型采用發(fā)動(dòng)機(jī)后置模式，與實(shí)際情況相符，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器相連，再連接變速箱以及差速器。在智能啟停模塊中設(shè)置啟停方法邏輯和相應(yīng)的停機(jī)時(shí)間，智能啟停系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)與制動(dòng)器、駕駛室、離合器、蓄電池、發(fā)動(dòng)機(jī)分別相連，通過(guò)Cruise軟件內(nèi)的Start-Stop模塊實(shí)現(xiàn)智能啟停，并通過(guò)監(jiān)視器模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能啟停系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

對(duì)安裝智能啟停系統(tǒng)的公交車(chē)在ECE循環(huán)工況下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及油耗測(cè)試，并與傳統(tǒng)公交車(chē)進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如圖4、圖5所示。當(dāng)公交車(chē)在復(fù)雜的路況中行駛，需要頻繁停車(chē)、啟動(dòng)，并且停車(chē)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，智能啟停系統(tǒng)能夠在3 s內(nèi)使發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了怠速過(guò)程中不必要的燃油消耗，當(dāng)公交車(chē)需要重新啟動(dòng)時(shí)，智能啟停系統(tǒng)能夠立即啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)公交車(chē)百公里平均耗油量約為32.75 L，安裝智能啟停系統(tǒng)后，百公里油耗約為29.34 L，節(jié)省燃油量約為10.4 %。因此，當(dāng)公交車(chē)在復(fù)雜的路況中行駛時(shí)，智能啟停系統(tǒng)減少油耗的效果十分明顯。

對(duì)安裝智能啟停系統(tǒng)的手動(dòng)擋公交車(chē)在ECE循環(huán)工況下進(jìn)行尾氣排放測(cè)試，并與傳統(tǒng)公交車(chē)進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表3所示。采用智能啟停系統(tǒng)后，公交車(chē)尾氣中的CO、NOx、HC的排放量分別減少了19.5%，5.3%，9.3%。由此可見(jiàn)，智能啟停系統(tǒng)能夠顯著減少公交車(chē)尾氣中有害氣體的排放，在減少燃油消耗的同時(shí)還能對(duì)大氣環(huán)境改善起到積極的作用。

圖4 采用啟停系統(tǒng)前ECE循環(huán)工況

圖5 采用啟停系統(tǒng)后ECE循環(huán)工況

表3 ECE工況下采用啟停系統(tǒng)前后的尾氣排放量變化

3 結(jié)論

在手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)的應(yīng)用研究中，首先制訂了智能啟停系統(tǒng)技術(shù)方案，增加并更改了相應(yīng)的智能啟停系統(tǒng)零部件，對(duì)安裝智能系統(tǒng)的公交車(chē)進(jìn)行了動(dòng)力性目標(biāo)計(jì)算，然后對(duì)傳統(tǒng)公交車(chē)進(jìn)行改造，對(duì)安裝智能啟停系統(tǒng)的手動(dòng)擋公交車(chē)進(jìn)行了實(shí)車(chē)動(dòng)力性測(cè)試，最后在ECE循環(huán)工況下，比較了安裝智能啟停系統(tǒng)前后，手動(dòng)擋公交車(chē)的燃油消耗量與尾氣排放量。結(jié)果表明：安裝智能啟停系統(tǒng)的手動(dòng)擋公交車(chē)，動(dòng)力性符合計(jì)算目標(biāo)，能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，其燃油經(jīng)濟(jì)性以及尾氣排放性有顯著改善。由此可見(jiàn)，手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)具有一定的研究?jī)r(jià)值，應(yīng)該在相關(guān)企業(yè)加以推廣。

[1] 歐陽(yáng)明高．我國(guó)節(jié)能與新能源汽車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略與對(duì)策[J]．汽車(chē)工程，2006，28(4)：317-321．

[2] 周宏湖．混合動(dòng)力入門(mén)技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)Stop -Start系統(tǒng)[J]．汽車(chē)與配件，2011，14(33)：20-21．

[3] 樓少敏，許滄粟．基于結(jié)構(gòu)分析的整車(chē)平順性仿真及試驗(yàn)研究[J]．汽車(chē)工程，2007，29(5)：393-396．

[4] 余志生．汽車(chē)?yán)碚揫M]．北京：機(jī)械工業(yè)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，龔旭．基于Start-Stop技術(shù)的微混轎車(chē)仿真及試驗(yàn)研究[J]．中國(guó)機(jī)械工程，2010，21(1)：110-113．

(責(zé)任編輯：李 華)

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

張 良(1988-)，男，江蘇蘇州人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事智能啟停系統(tǒng)研究。

張良，貝紹軼，劉旭.手動(dòng)擋公交車(chē)智能啟停系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28(1)：16-20.