汽車發(fā)動機無怠速控制策略的試驗研究

徐健 莫嘉林

摘要：在一臺長安CM8手動檔的廂式車上，研究優(yōu)化后的噴油控制策略的節(jié)油效果。研究集成了無怠速行車控制技術、發(fā)動機自動啟動技術和混合能源及雙蓄電池供電技術的控制系統(tǒng)對節(jié)油效果的影響。長安CM8手動檔廂式車加入了集成三種技術的“無怠速控制系統(tǒng)”后進行道路試驗研究，結(jié)果表明，節(jié)油效果顯著，節(jié)油率輕載時約為25%，重載時超過25%。

關鍵詞：滑行;節(jié)油;內(nèi)燃機;適時啟動;無怠速行車

中圖分類號：U464.2 文獻標志碼：A

文章編號：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

近年來，在汽車發(fā)動機傳統(tǒng)控制技術層面上進行的節(jié)油研究主要是消除車輛短停期間的怠速。常見的是自動啟停系統(tǒng)，其作用是消除行車過程中間歇停車期的怠速，存在以下缺陷：1）不能消除發(fā)動機的滑行怠速和減速怠速。2）生效作用全部根據(jù)設定發(fā)生，并非隨車輛對動力需求情況產(chǎn)生。3）只有1個啟動電源，啟動供電不可靠。4）需要對車速、電池電量、水溫、短停時間、短停間隔、短停間隔期的車速、行駛距離、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息進行運算后才能決定是否生效，系統(tǒng)復雜。5）該技術只能用于消除車輛暫停期間的怠速，沒有進一步的應用前景。

發(fā)動機無怠速控制系統(tǒng)（后文簡稱本系統(tǒng)）是一種可應用在傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力汽車上的高效節(jié)能減排控制技術，集成了無怠速行車控制技術[1]，發(fā)動機自動啟動技術[2]和混合能源及雙蓄電池供電技術[3]三種技術的控制系統(tǒng)對節(jié)油效果的影響，其壽命遠超發(fā)動機使用壽命，且能克服“自動啟停系統(tǒng)”的缺陷，在節(jié)能、減排方面有著諸多的技術優(yōu)勢和良好的應用前景。

1 試驗車發(fā)動機無怠速控制系統(tǒng)設計

1.1 發(fā)動機噴油控制邏輯分析

試驗車輛是長安CM8手動檔廂式車，其發(fā)動機噴油器的電路如圖1所示：

噴油器電源由點火開關控制，其工作狀態(tài)由ECU控制。當噴油器電路中斷停止噴油，即使點火開關處于ON檔，其ON接線柱正處于向外輸出電源的狀態(tài)，但當噴油器至ON接線柱之間的電路發(fā)生斷路（噴油器斷電），噴油器也不會噴油。在行車過程中，為使車輛在不需要動力時能隨即停止供油以達成無怠速狀態(tài)，只需在噴油器的電源電路上安裝1個可根據(jù)車輛對動力需求進行導通或截止的開關。在油門踏板機構(gòu)中加入1個電路開關，當汽車需要動力，油門踏板被踩下，開關斷開;當汽車不需要動力，不踩油門，開關閉合。可通過油門踏板開關的閉合或斷開來獲取車輛對動力的需求信息。另外，在換檔過程中，雖不需要動力，但也不要求無怠速，換檔的需求信息可從離合器踏板開關的閉合或斷開狀態(tài)來獲取，在離合器踏板機構(gòu)中加入1個電路開關，當需要換檔時，離合器踏板被踩下，開關斷開;不需要換檔時，不踩離合器，開關閉合。根據(jù)以上分析結(jié)果，在試驗車上安裝應用無怠速控制電路，如圖2所示。

其控制邏輯是：

情況1，當選擇開關K3處于導通時，圖1與圖2的噴油控制工作原理相同。

情況2，當選擇開關K3處于斷開時，車輛處于行車檔位的正常行車狀態(tài)，當不踩油門、不踩離合器時，油門踏板開關K1、離合器踏板開關K2均閉合導通，從ON接線端輸出的電流一路經(jīng)電阻R1、D1、K1、搭鐵;另一路經(jīng)電阻R2、D2、K2、搭鐵;使三極管VT處于截止狀態(tài)，此時，噴油器因斷電而停止噴油，發(fā)動機沒有怠速，發(fā)動機只是在傳動系統(tǒng)帶動下旋轉(zhuǎn)。當踩下油門，從ON接線端輸出的電流一路經(jīng)電阻R1、二極管D11、三極管VT的基極、發(fā)射極、噴油器、ECU、搭鐵;使三極管VT處于導通狀態(tài)，此時，噴油器通電在ECU的控制下噴油，發(fā)動機對外輸出動力。在換檔過程中，不踩油門，只踩離合器，K2處于斷開狀態(tài)，從ON接線端輸出的電流經(jīng)R2、D22、三極管VT的基極、發(fā)射極、噴油器、ECU、搭鐵，使三極管VT處于導通狀態(tài)，此時噴油器通電并在ECU的控制下噴油，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)。

1.2 發(fā)動機啟動控制邏輯分析

試驗車發(fā)動機啟動系統(tǒng)的電源電路如圖3所示。

控制邏輯分析：啟動機M是否工作由點火開關ST是否輸出電流控制，當點火開關處于ST檔時，ST接線端有電流向啟動機的磁吸開關輸出，磁吸開關閉合通電，同時啟動機驅(qū)動齒輪與發(fā)動機飛輪上的齒圈嚙合，啟動機M帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)啟動。當點火開關不處于ST檔時沒有電流向啟動機的磁吸開關輸出，磁吸開關斷開，同時啟動機驅(qū)動齒輪與發(fā)動機飛輪上的齒圈分離，啟動機停止工作。當車輛的點火開關處于ON檔時，無怠速行車控制對啟動機的工作要求是：

1）當發(fā)動機轉(zhuǎn)速等于或高于怠速時，需要使ST不能輸出電流。

2）在發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，如果離合器處于結(jié)合狀態(tài)，則需要ST不能輸出電流。

3）在發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)時，如果離合器處于分離狀態(tài)，且車輛需要動力，則需使ST輸出電流，使啟動機進行啟動發(fā)動機工作。

根據(jù)以上分析，在試驗車輛上安裝發(fā)動機自動啟動系統(tǒng)如圖4所示。

其工作原理是：

情況3，車輛正常行駛，點火開關處于ON檔，發(fā)動機處于未自主工作狀態(tài)，充電警告燈通過控制電路、搭鐵，燈點亮;當駕駛員踩下離合器踏板，使K2斷開，隨后換入行車檔，再踩下油門踏板，使K1斷開，從ON接線端輸出的電流經(jīng)R1、D3、固態(tài)繼電器SSR1的輸入電路正接線端、SSR1的輸入電路負接線端、搭鐵;使SSR1的輸出電路導通，電源正接線端輸出的電流經(jīng)SSR1的輸出電路正接線端、SSR1的輸出電路負接線端、ST接線端、啟動機磁吸開關、搭鐵，發(fā)動機啟動后，進入情況4狀態(tài)，駕駛員隨后進行離合器接合操作。

情況4，點火開關處于ON檔，發(fā)動機處于已自主工作狀態(tài)，充電警告燈控制電路中的電阻值劇增，充電警告燈趨于熄滅，充電警告燈的電流輸出端電壓升到高于至固態(tài)繼電器SSR2的輸入電路電壓，電流經(jīng)充電警告燈、SSR2的輸入電路正接線端、SSR2的輸入電路負接線端、搭鐵;使SSR2的輸出電路導通，流經(jīng)R1的電流經(jīng)SSR2的輸出電路正接線端、SSR2的輸出電路負接線端、搭鐵，此時即使駕駛員同時踩下油門踏板及離合器踏板，都不能自動使ST接線端通電以觸發(fā)啟動機磁吸開關動作。至此，發(fā)動機的啟動控制都在情況3與情況4之間變化，完全滿足汽車對發(fā)動機適時啟動的需求。

1.3 優(yōu)化汽車電氣平臺技術

為保證車輛在頻繁啟動時的啟動供電可靠，采用混合能源及雙蓄電池供電技術作為汽車電氣平臺，其工作原理如圖5所示。

1）2個蓄電池互為在用、備用電源，既可由車載發(fā)電機同時充電，又可由太陽能電池同時充電;停車期間仍可由太陽能電池不間斷地同時充電。

2）啟動時，由在用蓄電池提供啟動電能。

3）如啟動失敗，可通過電源選擇開關使兩個蓄電池在在用、備用之間切換。

2 系統(tǒng)工作狀況及分析

試驗車輛在本系統(tǒng)的參與控制下，其完整行車工作狀況如下：

1）車輛在停止狀態(tài)轉(zhuǎn)入行車狀態(tài)時的啟動及噴油控制是，點火開關處于ON檔（充電警告燈點亮），車輛處于空檔狀態(tài)，駕駛員進行起步操作：踩下離合器踏板（使K2斷開，VT的集電極與發(fā)射極處于導通狀態(tài)，隨即噴油器電路導通），換入行車檔，踩下油門踏板（使K1斷開，SSR1的輸出電路導通）后，啟動機通電工作并帶動發(fā)動機啟動，約1 m后，啟動機進入自主運轉(zhuǎn)（充電警告燈趨于熄滅）后、啟動機隨即自動斷電（ST斷電）啟動齒與發(fā)動機飛輪分離，隨后駕駛員抬起離合器直至完全不踩、同時按需踩下油門踏板，車輛起步、行駛。

2）車輛處于正常行車檔狀態(tài)，當不需要動力時，即不踩離合器和油門，隨即VT的集電極與發(fā)射極處于截止不導通狀態(tài)，使噴油器電路中斷，噴油器停止噴油，發(fā)動機處于被傳動系統(tǒng)拖帶下空轉(zhuǎn)狀態(tài)，車輛進入與關閉發(fā)動機掛檔滑行相同的狀態(tài);當車輛需要動力時，即不踩離合器，只踩油門，隨即VT處于導通狀態(tài)，使噴油器恢復通電，噴油器在ECU控制下噴油，發(fā)動機處于驅(qū)動車輛狀態(tài)。

3）車輛正常行駛需要換檔時，即不踩油門，只踩離合器，使發(fā)動機與傳動系統(tǒng)分離，VT處于導通，噴油器在ECU控制下進行正常怠速噴油，換檔完成，發(fā)動機與傳統(tǒng)系統(tǒng)恢復連接狀態(tài);當車輛需要動力時，即不踩離合器只踩油門，使噴油器在ECU控制下噴油，發(fā)動機處于驅(qū)動車輛狀態(tài)。

4）車輛處于行車檔正常行駛時，當需要制動，駕駛員進行制動操作：只踩下制動踏板，不踩離合器和油門，隨即VT處于截止，噴油器電路中斷停止噴油;若非緊急制動，發(fā)動機處于被傳動系統(tǒng)拖帶下空轉(zhuǎn)，車輛進入制動減速行駛狀態(tài);當車輛解除制動并需要動力時，駕駛員抬起制動踏板、不踩離合器，只踩油門，VT處于導通，使噴油器恢復通電并在ECU控制下噴油，發(fā)動機處于驅(qū)動車輛狀態(tài);當車輛解除制動并需要換檔時，駕駛員抬起制動踏板、踩下離合器，不踩油門踏板，VT處于導通，噴油器恢復通電并在ECU控制下噴油，發(fā)動機處于怠速狀態(tài);若緊急制動，發(fā)動機與傳動系統(tǒng)都處于停止運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

5）白天時，太陽能電池會不斷地向主、備用蓄電池充電，自動向電感差較大的蓄電池分配更多的電能，并不受發(fā)動機是否運轉(zhuǎn)限制，使鉛酸蓄電池中的硫酸鉛存在時間縮短，極大地降低了硫酸鉛分子結(jié)晶的機會，從而有利于延長鉛酸蓄電池的使用壽命。

3 與自動啟停系統(tǒng)對比分析

以手動變速器車型為例，將本系統(tǒng)與目前應用的自動啟停系統(tǒng)相比較：

1）應用自動啟停系統(tǒng)的車輛暫停后，當松開制動踏板，自動啟動發(fā)動機;本系統(tǒng)是踩下加速踏板啟動發(fā)動機，隨動性更合理。

2）行車時，當車輛不需要動力（松開油門踏板），發(fā)動機即處于怠速狀態(tài)，如下坡、進入路口、進入車站等;此時的自動啟停系統(tǒng)并不能控制發(fā)動機停止怠速，而本系統(tǒng)可立即停止供油、消除怠速工況，由此可見，本系統(tǒng)可產(chǎn)生節(jié)油效果;當車輛需要動力時（踩油門），且車輛尚處于行駛狀態(tài)下，本系統(tǒng)隨即使發(fā)動機自動恢復供油處于輸出動力狀態(tài)，發(fā)動機由慣性帶動啟動。故在節(jié)油效率方面本系統(tǒng)優(yōu)于自動啟停系統(tǒng)。

3）短停時，自動啟停系統(tǒng)只能在設定的時間內(nèi)消除發(fā)動機怠速，否則蓄電池將不能提供足夠的啟動電能;短停期間，會因駕駛員松開制動踏板而自行啟動，如此時車輛并沒有啟動意圖時，上述兩種自動啟動發(fā)動機的動作都成為出乎駕駛員意料的情況，也是眾多駕駛員長期忽略自動啟停系統(tǒng)的主因。本系統(tǒng)不會出現(xiàn)啟動電能不足，故無需限制短停時間，如駕駛員沒有啟動意圖，本系統(tǒng)不會自動啟動發(fā)動機。由此可見，在可靠性、節(jié)油效率、人機配合等方面，“無怠速行車控制系統(tǒng)”都優(yōu)于自動啟停系統(tǒng)。

4）在自動啟停系統(tǒng)中，啟動電能全部由燃油轉(zhuǎn)化而來，且只能在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時電能才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)化、貯存，導致蓄電池中的電能充足率偏低，故需要成本更高的專用蓄電池（如AGM電瓶）。在本系統(tǒng)中，其啟動電能只有部分由燃油轉(zhuǎn)化，其余部分由太陽能轉(zhuǎn)化，白天行車時，太陽能電池可不間斷地實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化、貯存，可使蓄電池中的電能充足率長期處于最佳狀態(tài)，以每平方米太陽能電池計算，短停期間仍可產(chǎn)生約150 W電功率向蓄電池充電。由此可見，在節(jié)能減排效果及啟動供電可靠性方面，本系統(tǒng)優(yōu)于自動啟停系統(tǒng)。

5）自動啟停系統(tǒng)至今只局限于現(xiàn)有的消除車輛暫停期間的怠速功能的應用，并未見可擴展應用的報道。本系統(tǒng)可擴展后應用于具有：輸出動力的功能（既可全部氣缸進入傳統(tǒng)的四沖程循環(huán)也部分氣缸進入吸氣、排氣的二沖程循環(huán)，其余氣缸進入傳統(tǒng)的四沖程循環(huán)）、高效發(fā)動機緩速功能（既可全部氣缸進入壓縮、終了泄壓，吸氣的二沖程循環(huán)、且不噴油，也可部分氣缸進入壓縮、終了泄壓，吸氣的二沖程循環(huán)，其余氣缸進入傳統(tǒng)的四沖程循環(huán)、但不噴油）、發(fā)動機低阻力運轉(zhuǎn)功能（全部氣缸進入吸氣、排氣的二沖程循環(huán)、且不噴油）的三循環(huán)、變排量、多模式自由切換的發(fā)動機控制應用。例如，可將本系統(tǒng)擴展成汽車緩速控制電路[4]技術，并應用在兼具汽車發(fā)動機可變循環(huán)可變排量系統(tǒng)[5]和汽車發(fā)動機變循環(huán)緩速系統(tǒng)[6]的發(fā)動機控制技術上。

4 本系統(tǒng)在試驗中遇到的問題及解決方案

在試驗車輛上應用本系統(tǒng)生效后，發(fā)動機產(chǎn)生的真空效果會變得不可靠，應用汽車制動真空泵控制電路[7]技術，將現(xiàn)有電動汽車的電動制動真空泵產(chǎn)生的真空源并聯(lián)接入進氣管真空源的真空管中，各自用單向閥隔離即可解決。

5 結(jié)論

1）“無怠速行車控制系統(tǒng)”控制技術與“自動啟停系統(tǒng)”控制技術都是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機控制技術的基礎上增加的旨在節(jié)油的控制技術，三種技術在正常行車時，其所處狀態(tài)對應的發(fā)動機工況如表1所示。

從表1中顯示，本系統(tǒng)的工作可靠，消除無效噴油的效率最高，啟動供電性能可靠，還可在擴大太陽能電池的功率后滿足更多的用電需求。隨機進行公路測試的節(jié)油效果為：輕車測試節(jié)油率為25%，根據(jù)車輛質(zhì)量越大，其行駛中滑行里程占全路程的比例越大的客觀事實，應用本系統(tǒng)的車輛質(zhì)量越大，節(jié)油效果越彰顯。

2）采用“無怠速行車控制系統(tǒng)”的車輛無需改變正常駕駛操作習慣。

3）在裝備手動變速器的汽車上全面應用本系統(tǒng)技術已沒有技術障礙。

4）本系統(tǒng)的控制邏輯所得到的效果非常接近人們對車輛發(fā)動機的控制要求，在此控制邏輯基礎上，很方便對其控制功能作進一步擴展，擴展后可應用于具有三循環(huán)、變排量、多模式自由切換的發(fā)動機控制。

參考文獻：

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