（光学工程专业论文）城市公交客车怠速停止起动系统建模与仿真.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 针对我国汽车技术发展现状和节能减排的发展趋势以及车辆的制造 成本等因素，为了提高城市公交客车的燃油经济性，本文提出了一种适 合我国国情( 人多、车多、堵塞比较严重) 的城市公交客车的技术方案 怠速停止起动系统。由于城市公交客车的停止起动比较频繁，故在 整个循环过程中，怠速工况占了将近四分之一，带有怠速停止起动功能 的城市公交客车可以消除不必要的怠速运转，不但节约了相当大的一部 分燃油，而且减少了废气的排放，保护了环境。 本文首先分析了怠速停止起动系统的工作原理、机械结构、电控装 置及其节能机理，在此基础上分析了怠速停止起动系统的关键技术，基 于怠速停止起动系统的关键技术，确定了该系统中动力传动系中的 b i s g 的类型及功率、蓄电池的类型及容量，然后设计了适合于城市公 交客车怠速停止起动系统的发动机前端皮带布置，并制定了怠速停止起 动系统的控制策略。 最后，在对c r u i s e 软件的建模方法进行分析的基础上，针对所涉及 的主要子系统，如整车、发动机、电池、发电机等进行了建模分析，然 后在m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 中设计出了执行发动机怠速停止起动的控 制策略，并对其在中国典型城市循环工况下的燃油经济性进行了仿真分 析，接着将其与原车的燃油经济性进行对比分析，仿真结果表明在中国 典型城市循环工况下，怠速停止起动系统的节油率达到1 2 5 ，证明了 怠速停止起动系统在节能方面的优越性。 关键词：怠速，起动机，节能，客车，仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i na l l u s i o nt ot h ef a c t o r so ft h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fv e h i c l e t e c h n o l o g yo fo u rc o u n t r y 、d e v e l o p m e n tt r e n do fh y b r i dv e h i c l ea n dt h ec o s t o fm a n u f a c t u r eo fv e h i c l e ，i no r d e rt oi m p r o v ef u e le c o n o m yo fc i t yb u s ，a t e c h n i c a l p r o p o s a l o fc i t yb u sw h i c hc o n f o r mt ot h es i t u a t i o ni no u r c o u n t r y ( t h a t i sc r o w dp e o p l e 、c r o w dv e h i c l e s 、a n dh a r d j a m ) w a s a d v a n c e d c i t yb u sw i t hf u n c t i o no fi d l i n gs t o p & s t a r t b e c a u s eo ft h e l l i g hf r e q u e n c yo fs t o pa n ds t a r to fv e h i c l e ，t h ei d l i n gc o n d i t i o nw i l lt a k eu p a l m o s t1 4t i m eo ft h ew h o l ec y c l er u n ，s ot h e r ew i l lb eab i gp a r td i e s e lo i l w a ss a v e di fe l i m i n a t et h ei d l i n gc o n d i t i o n t h ep r i n c i p l eo fw o r k 、m e c h a n i c a ls t r u c t u r e 、e l e c t r i c a lc o n t r o ld e v i c e a n dt h em e c h a n i s mo fs a v ee n e r g yw e r ea n a l y s i s e d t h ek e yt e c h n o l o g yo f i d l i n gs t o p & s t a r ts y s t e mw a sa n a l y s i s e db a s e do nt h i s b a s e do nt h ek e y t e c h n o l o g yo fi d l i n gs t o p s t a r ts y s t e m ，t h et y p ea n dp o w e ro fb i s gi nt h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m 、t h et y p ea n dc a p a c i t yo ft h eb a t t e r yw e r ed e t e r m i n e d ， t h e nt h eb e l tl a y o u to ft h ee n g i n ef r o n t e n dw h i c hf i tt oi d l i n gs t o p & s t a r t s y s t e mo fc i t yb u sw a sd e s i g n e d ，a n df i n a l l yt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fi d l i n g s t o p s t a r ts y s t e mw a se s t a b l i s h e d f i n a l l y , b a s e do nt h em o d e l i n gm e t h o do fc r u i s ew h i c hw a sa n a l y s i s e d ， t h es u b s y s t e ms u c ha sv e h i c l e ，e n g i n e 、b a t t e r y 、g e n e r a t o rw h i c hi n v o l v e d w e r em o d e l e da n da n a l y s i s e d ；t h e nt h ec o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc a nc o n t r o l 江苏大学硕士学位论文 t h e s t o p a n ds t a r to f e n g i n e o ft h em o d e lw a s d e s i g n i n m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w t h ef u e le c o n o m yw a ss i m u l a t e da n da n a l y s i s e d u n d e rt h ec h i n e s et y p i c a lc y c l ei n n ，a n dc o n t r a s t e dw i t ht h ef u e le c o n o m yo f o r i g i n a lb u s ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ef u e ls a v i n gf a t er e a c h12 5 u n d e rt h e c h i n e s et y p i c a lc y c l ei n n ，t h em e r i to fi d l i n gs t o p s t a r ts y s t e mw a s p r o v e d k e y w o r d s ：i d l i n g ，g e n e r a t o r ，e n e r g ys a v i n g ，c i t yb u s ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：划地 日期：2 0 0 9 年1 2 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 不保密劝 学位论文作者签名：刮凯 2 0 0 9 年1 2 月矽日 指导教师签名：百 二 2 0 0 9 年1 2 月伽日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及目的 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 面对日趋严重的资源短缺与环境恶化问题，寻求社会、经济与资源、环境相 互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流。汽车作为主要交通 工具和国民经济的重要支柱产业得到了快速的发展，但是与此同时，汽车也带来 了能源消耗、环境污染等诸多负面影响乜1 。 目前，汽车节能与环保技术主要有两条路线：一条是针对传统车辆进行改进 来达到节能和环保的要求；另一条足新型节能与环保车辆的研发，包括替代燃料 汽车( a l t e r n a t i v e f u e lv e h i c l e s ，a f v ) 、混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e s ，h e v ) 等口1 。然而研发的新型节能与环保车辆只能够在新一代车辆上 减少燃油消耗和c 0 ：的排放，并不能从根本上解决现有车辆的燃油浪费的问题。 因为车辆在城市道路上行驶时，其怠速时间占总运行时间的很大一部分，其问的 燃油消耗量约占总耗油量的3 0 。在汽车工况排放测试中，怠速期间排放的c o 和h c 量通常占总排放量的7 0 左右h 1 。 而在城市中，由于人口和车辆比较集中，造成了城市车辆运行工况的特殊性， 特别是对于城市公交客车来说，停靠的站点多，再加上交通道口红灯停车，起步 和停车十分频繁，造成了发动机产生的大部分能量在制动过程中以摩擦生热的形 式消耗掉了。又由于存在长时间的停车工况，使发动机长时间地处于怠速运转状 态，造成车速低、油耗高、污染严重等问题。 我们首先分析在几个典型循环工况中怠速工况所占的比例，国外应用于城市 公交客车主要有以下4 种工况：c y c c b d b u s 、c y c _ m a n h a t t a n 、c y c n e w y o r k b u s 、 c y c _ n u r e b e r 9 3 6 ，国内采用中国典型公交行驶循环工况c y c u r b a n 。根据研究分 析得到，城市公交客车的怠速工况在上述城市循环工况所占比例如表1 1 所示畸1 。 文献 6 曾对北京城市公交客车的某条线路的循环工况进行研究分析，得出了北 京公交客车在实际道路行驶过程中各行驶工况所占的比例，参见表1 1 。从表中 可以看出，不管是国内还是国外，城市公交客车的怠速运行工况都占有很大一部 江苏大学硕士学位论文 分，因此，开发怠速停止起动系统来消除怠速工况能够在很大程度上节约燃油， 提高车辆经济性。 表1 1 怠速r ：况在各种循环中所占百分比 t a b l e l 1t h ep e r c e n t u mo fi d l i n gc o n d i t i o ni ns e v e r a lc y c l e s c y cc b d b u s2 0 2 106 9 6 91 0 1 0 c y cm a n h a l v r a n3 6 1 804 3 3 42 0 4 8 c y cn e w y o r k b u s 6 7 3 3 o1 6 1 71 6 5 0 c y cn u r e b e r 9 3 63 0 8 104 0 9 62 8 2 3 c y cu r b a n2 8 78 53 7 22 5 6 北京城市道路 2 7 4 2 43 7 93 2 3 1 1 2 研究目的及意义 怠速停止起动系统( i d li n gs t o p s t a r ts y s t e m ，简称i s s ) 能够在车辆停 止时，使得发动机自动停止，而当驾驶员有起动车辆的意图时( 如踩下离合器踏 板或加速踏板) ，不需要手动点火就可以自动起动发动机，这避免了汽车在停车 时不必要的燃油消耗和尾气的排放。尤其对于城市公交客车而言，车辆经常停止， 而发动机则怠速运转，并且这种城市公交客车在城市道路中的怠速工况占2 5 以 上，在城市公交客车上安装怠速停止起动系统能够将怠速消除，极大的提高城市 公交客车的燃油经济性，而且对环境保护起到了一定的作用。在我国尽管轿车正 一步一步走向家庭，但无论从现实和未来发展而言，轨道交通和城市公交客车仍 将是大城市、特大城市居民出行的主要运载工具，在相当长的时间内，城市公交 客车在我国城市公共交通中还占居着重要地位，所以对怠速停止起动系统在城市 公交客车中的应用研究有着重要意义。 研究目的：本课题的研究目的是基于某城市公交客车，开发设计怠速停止起 动系统，对起动发电机、蓄电池等部件进行选型，确定系统控制策略，建立整 车模型，在城市运行工况下进行仿真，验证安装有怠速停止起动系统的城市公交 客车的燃油经济性改善程度。 研究意义：日本五十铃公司的装有怠速停止起动系统的城市公交客车在同本 东京都进行的实验显示：与普通未安装怠速停止起动系统的公交客车相比，其整 车节油效果大概提高了1 4 ，而且随着停车率的增加，其节油率也随之上升口1 。 从东京实际运营路线上的试验结果中可以看出当怠速停车率( 怠速停车时间 2 江苏大学硕士学位论文 运行时间) 达到4 0 时，燃料消耗量( c o ：排出量) 增 j i l l 4 ，如将这部分怠速消 除，则可以提高1 4 的燃油经济性，排放中的c o 可降低9 ，h c 可降低5 8 ，n o x 可降低1 3 1 。在环境r 益恶化、能源危机日趋严重的今天，提高车辆的燃油经 济性和降低排放已时不我待，在人口众多，对城市客车作为交通工具依赖性较强 的中国，研究与开发符合我国城市运行的城市公交客车用怠速停止起动系统尤为 重要。怠速停止起动系统部件的选取对车辆动力性、燃油经济性和排放性能都有 显著的影响，如直接使用物理样机进行试验研究具有盲目性，所以采用计算机仿 真模拟分析，对汽车燃油经济性进行预测，有助于缩短怠速停止起动系统的开发 设计周期。 1 2 国内外研究现状 1 2 i 国外研究现状 在国外，怠速停止起动系统作为汽车清洁化技术措施之一，于1 9 8 0 年开始 开发，1 9 8 7 年就达到批量生产，1 9 9 4 年对该系统进行了重新分析、评价，截止 2 0 1 0 年，全球将有2 8 0 万辆车装备怠速停止起动系统阳1 。 1 2 - 1 1 客车上的应用现状 1 9 8 7 年五十铃汽车公司就开发了第一代怠速停止起动系统，并成功的应用 于大型客车与载货车上。早期开发的怠速停止起动系统，以车速、发动机转速、 变速器和离合器四个输入信号作为发动机停止和起动的条件，来控制发动机进气 截断阀、燃料截断调制器或起动机工作。1 9 9 4 年，该汽车公司对汽车怠速停止 起动系统进行了改进，改进的怠速停止起动系统可通过发动机控制的e c u 加以控 制，并增加了辅助蓄电池用传感器等技术。对装有怠速停止起动系统的车辆进行 测定，结果显示其节油效果提高了1 4 。该公司安装有怠速停止起动系统i s s 的 大型公交客车的普及率1 9 9 3 年为0 7 0 ，1 9 9 6 年上升到5 1 3 ，1 9 9 8 年达到 8 5 4 7 】o 从以上数字可看出，因节能和环保要求的推动，配备有怠速停止起动系统的 城市公交客车己成为城市用公交客车的主流。然而在当时该系统并未在全球得到 推广，主要原因是当时的怠速停止起动系统对整车的性能有所影响，并且该车的 最大卖点节油，在当时看来，表现也不够理想，车主所节省下来的油费并不 3 江苏大学硕士学位论文 能抵消较高的购买成本阳1 。 伴随着集成起动发电机( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ，简称i s g ) 的出 现，怠速停止起动系统又成为了节油减排的快捷路径，然而目前该系统主要应用 于轿车上。2 0 0 8 年，韩国现代汽车公司开发了一款城市客车，其结构如图1 1 所示，该客车采用皮带传动起动发电机( b e l td r i v e di n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ，简称b - i s g ) 代替传统的发电机的位置，实现发动机的停止和重起， 并且在韩国水原城市道路上的测试显示其燃油经济性提高1 2 。该车的一个特点 便是除了皮带传动集成起动发电机外，还另外使用了一个皮带传动电机来带动 风扇，在发动机停止期间可以为发动机散热n 0 l 。 图1 1 现代中度混合动力客车的系统结构 f i 9 1 1s y s t e mc o n f i g u r a t i o no fh y u n d a im il dh y b r i db u s 通用汽车研发的城市微混合动力车h y t r a n s ，利用皮带驱动起动机发电 机( b e l ta l t e r n a t o rs t a r t e r ，b a s ) 系统，达到怠速停止起动的功能。b a s 技 术采用皮带驱动起动发电机一体化，对现有汽车动力总成结构改动小，改善了 汽车燃油经济性、排放等各方面的性能指标。在发动机前端用一个皮带传动的机 构，将电机和发动机连接起来，这样的结构布置相比曲轴直接连接形式的混合动 力系统，其发动机和其他的动力总成结构几乎没有改变，可以沿用传统车辆的机 构，大大降低了成本。装有b a s 系统的h y t r a n s 微混合动力汽车在实际运行中比 非混合动力版的汽车节油9 到2 1 n 1 。 1 2 1 2 轿车上的应用现状 自从起动发电机一体化技术出现，组建怠速停止起动系统变得相对容易， 成本也越来越低，于是各大汽车厂商开始开发怠速停止起动系统。 4 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 3 年2 月，丰田怠速停止起动系统( t i i s ) 进入每产，酋先安装在v t t z ( 威 姿) 紧凑攫车上，在这款车上，新发展的怠速停 ：起动系统町以达到2 5 5 k m l 的燃油经济性。这代表了在h 本的行驶条件下，利对于传统车辆的经济性 ( 2 3 5 k m ! ) 大概提高了9 ，这款车是世界上第一辆安装自动变速器、发动机自 动怠速停止起动系统的非混合动力车，在变速器处于行驶、停车、空档时不需要 任何手动操作便可以自动完成发动机的怠速停止和重起n 3 1 “。 2 0 0 4 年法国标致雪铁龙汽车集团公司在其产品中c i t r o e nc 3 也装备了怠速 停止起动系统来代替传统的起动机，装有怠速停止起动的雪铁龙汽车的排放满足 欧4 标准，其燃油消耗也有很大降低n5 1 ，其节能减排效果如表1 2 。 表1 2 装备怠速停l ：起动系统的效果 t a b l e l 2t h ee f f e c to fi d li n gs t o p s t a r ts y s t e m 然而马自达汽车公司开发的智能怠速停止系统( s m a r ti d li n gs t o p s y s t e m ) 与传统汽车的怠速停止起动系统有所不同，其工作机理是当发动机从静止开始起 动时，系统利用直喷技术往气缸内喷射少量的燃油。此时缸内有一个活塞正在进 行压缩行程的某一个指定位置，这时，系统点燃此缸内这一小部分燃油，可使发 动机微量反转。之后，系统喷射燃油进入开始压缩行程的气缸。最后，系统开始 进入膨胀行程，并点燃后面喷射的燃油，引起强大的膨胀力来驱动发动机运转， 从而来起动发动机。当发动机关闭时，由于反转动作中的发动机被起动，压缩行 程和膨胀行程两个活塞由于系统的精确控制，能够使之停止在正确位置。此系统 的优点在于它是通过压缩行程而不是使用电机来起动发动机的。所以它的结构更 简单，起动发动机时更快速、也更安静，重要的是它能满足频繁的发动机起动的 可靠性要求n 引。 面对怠速停止起动系统的成本低，效益高的优点，高端汽车厂商也开始研发 拥有怠速停止起动系统功能的车辆，b m w 于2 0 0 8 年开始在1 、3 、5 系车上安装 自动发动机停止起动系统7 1 。奔驰公司于第十三届上海车展中展示了旗下一款 安装有自动停止起动系统的车型s m a r tc o u p 6 ( 如图1 2 所示) ，它采用的 是v a l e o 公司的s t a r s1 3 7 系统来达到怠速停止起动功能，在n e d c 循环测试中 5 江苏大学硕士擘位论文 达到了8 的节油效率，百公罩油耗从47 l 降至43 l ，而神城市循环测试中节油 更是达到了1 3 ，c o ：的摊量也从1 1 2 9 k m 降至1 0 3g k m “。 ，7 酗i2s m a r t 微型掘合动力午 f i g l2s m a r tm i c r o - h y b r l dv e h i c l e 起亚的i s g 系统( i n t e l l i g e n ts t o p g o 系统) 将于2 0 0 9 年底上市，不 同于其他的怠速停止技术，这个i s g 不止在汽车停止的时候关闭引擎，当汽车的 时速低于65 k m h 时就会关闭引擎。在行驶中当司机让汽车处于空挡行驶并踩下 离合器踏板时，i s g 就会起动，引擎就会关闭。起亚c e e di s g 采用l6 l 排量 “g a m m a ”发动机和c v t ( 无级变速箱) ，配套使用输出功率为1 5 k w 、扭矩为1 0 5 n 的无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r ) 。c e e d 的1 6 升柴油动力在配备j s g 发动机起停系统后，每公里二氧化碳排放控制在1 2 0 克以下，城市油耗相比没有 i s g 的系统降低了1 5 “”。 1 2 1 3 零部件j 商的研发现状 上面所述的是汽车整车制造厂采用怠速停止起动系统的车型及节油率，现在 简要介绍零部件厂所研发的怠速停止起动系统。 法雷奥公司研发的s t a r s 系统采用的是集成起动机发电机技术，于2 0 0 5 年 开始进行量产，这个系统能够安静而快速的停止和起动发动机，在安装于巴黎小 型公交客车上在“b i e v r em o n t s o u r i s ”区域行驶能达到2 啡的节油率。这款安 装到小型公交客车上的系统除了节能减排外，还降低了座位上或站立的乘客的振 动，提高了乘坐舒适性。 德尔福公司的1 4 v 停止起动系统将起动发电机整合到单一的电力单元中， 量i 江苏大学硕士学位论文 除提高燃油经济性和降低排放外还具有下述优点：易于安装到现有的动力系统 中、增加了电池的使用寿命( 相对于一般的怠速停止系统车辆) 、使用皮带传动 电机快速重起发动机、专门的风扇和部件来减少机械噪声和提高冷却效率等担。 由上面的分析可以看出，国外主要的大型汽车企业及汽车零部件厂都在进行 怠速停止起动系统的研究。 1 2 2 国内研究现状 由于我国汽车行业起步的较晚，对汽车燃油经济性也没有足够重视，国内怠 速停止起动系统的相关研究资料还比较少，然而随着石油的价格一步步攀升，环 境的污染日益严重，我国也丌始重点开发节能环保的车型，然而由于轿车的改装 成本相对来说比较低，而且相对简单些，因此关于怠速停止起动系统的研究还主 要是针对轿车，对于国内应用于客车上的还没有相关报道。 2 0 0 9 年1 月1 0 日，奇瑞a 5b s g 混合动力车上市，该车是一种采用皮带传 动i s g 方式进行动力混合，具备怠速停止和起动功能的弱混合动力技术。成本仅 增加5 左右，便可以实现约1 0 的节能和1 2 左右二氧化碳减排效果。发动机 与集成起动发电机之间采取皮带传动方式进行动力传输，以发动机为整车的驱 动动力源，b s g 系统用于实现发动机的快速起动，在正常行驶工况下b s g 和常规 车发电机一样由发动机驱动发电，为蓄电池充电。当车辆停止时，发动机执行怠 速停止，在驾驶员打算起动车辆时，b s g 快速起动发动机。在此结构中，发动机 通过主传动轴与变速器相联，电机通过皮带传动与发动机曲轴相连，b s g 既可作 为发电机，又可作为起动机乜2 i 。整车相关参数如表1 3 所示。 表1 3 奇瑞a 5b s g 轿车参数 t a b l e l 。3p a r a m e t e ro fc h e r ya b s g 上汽荣威7 5 0 中混混合动力轿车采用b s g 系统( 皮带传动的集成起动发电 机) ，具备“智能停机零排放 和“环保与动力性兼备两大突出特点，最高时 7 江苏大学硕士学位论文 速为2 0 5 公里d , 时，最大续驶里程达5 0 0 公罩。作为上汽首款面向产业化的自 主品牌混合动力轿车，荣威7 5 0 中混混合动力轿车可实现综合节油率2 0 左右， 预计2 0 1 0 年底实现上市乜3 | 。 1 3 国内外怠速停止政策乜钆2 5 2 6 2 刀 1 3 1 国外怠速停止政策 汽车怠速停止能够在很大程度上提高燃油经济性和降低排放，因此各个国家 都在推行怠速停止政策，下面给出若干发达国家对于汽车怠速停止的政策： 1 ) 美国 ( 1 ) 约有1 5 个州立法限制怠速运转时问，纽约等州的怠速运转的限制时间为 3 分钟；亚利桑那等州限制时间为5 分钟；( 2 ) 主要针对柴油车辆，有些州自行 修订增加汽车的限制；( 3 ) 例外：警车、消防车、救护车、紧急状况等可不受限 制；( 4 ) 处分：第一次违规，给司机、车主或装载卸货地点主人开警告单：第二 次违规，司机罚美金1 5 0 元，车主或装载卸货地点主人罚美金5 0 0 元。 2 ) 加拿大 ( 1 ) 蒙特娄于1 9 7 0 年第一个规定距离开放性大楼或建筑物6 0 米以内的车 辆，一小时内的怠速时间不得超过4 分钟；( 2 ) 多伦多是第一个独立通过“反怠 速”自治条例的城市，目前安大略省已超过2 0 个城市有“反怠速 自治条例相 关规章，2 0 0 4 年温哥华也开始着手制订“反怠速相关规定；( 3 ) 大部分城市限 制车辆怠速运转时间3 分钟或5 分钟，有些城市也规定某些须特别安宁的住宅区、 医院或学校等为禁止怠速区，严禁车辆任何怠速行为；( 4 ) 例外：警车、消防车、 救护车、经授权允许的车辆、塞车状况、车内或室外温度过高或过低、运输车辆 或船只在乘客上下车期间；( 5 ) 有一半城市制订罚金，罚款金额从1 0 0 美元到3 8 0 美元；( 6 ) 未制定罚会的城市，则需到法院参加听证会，由法院决定处罚金额， 有的甚至比罚金还高。 3 ) 日本 ( 1 ) 尚未立法管制，主要为倡导活动，由“反怠速”相关标语推行降低污染 政策；( 2 ) 九州的公交客车在等红绿灯的时候，将关闭引擎，车上也贴了公告： 8 江苏大学硕士学位论文 “为了维护地球环保，本车将会在怠速时间熄火，请各位见谅”。 1 3 2 国内怠速停止政策 1 ) 香港 ( 1 ) 2 0 0 0 年全面推行车辆废气限制计划，管制包括推广环保的驾驶习惯； ( 2 ) 2 0 0 1 年9 月推行“停车熄火”运动，并向运输界派发指导传单，推广良好 的驾驶习惯，呼吁驾驶人士在停车等候时关闭引擎，以减少空转时所产生的废气， 减少对附近行人及商户的影响；( 3 ) 制作“停车熄火”指导传单，针对不同类别 车辆，请驾驶者详细阅读有关指导，了解在哪种情况下需要关掉引擎；( 4 ) 尚未 立法管制，主要以倡导为主。 2 ) 广东 ( 1 ) 针对“广州市机动车排气污染防治规定进行全面修订，根据草案，提 倡机动车使用者临时停车时要熄火；( 2 ) 处罚措施：违反规定将由环境保护行政 主管部门责令改正，并处以人民币5 0 0 元罚款。 3 ) 台湾 台南市环保局( 2 0 0 6 ) 指出：汽( 柴) 油车怠速时每小时浪费3 5 ( 2 5 ) 升汽 ( 柴) 油，燃烧每公升燃料将产生2 2 6 ( 2 7 3 ) 千克c 0 2 。以台南市为例，假设 台南市所有汽车每天停车不熄火，怠速运转3 分钟，每年将浪费1 ，4 0 0 万升汽 ( 柴) 油，也将浪费3 亿7 仟5 百万元，并增加5 2 ，0 0 0 吨c 0 2 排放至大气； 台南市环境保护局于2 0 0 6 首开先例，以“停车怠速请熄火，地球不暖化 、“为 自己省油，为地球加油! 为口号，自2 0 0 6 年1 0 月1 6 同起由许市长亲自起动 车辆“反怠速 行动，公务车辆全面进行“反怠速”限制，环保局也特别成立“反 怠速 稽查小组，不定时针对台南市所受管制的公务车辆进行稽查。 通过上述介绍可以看出，现在国内外对怠速停止的推行状况力度还是比较大 的，因此可以看出怠速停止起动系统的优势很大。 1 4 怠速停止起动系统推广问题及实施对策 然而，怠速停止起动系统在车辆上并未普及，消费者对怠速停止起动系统主 要是存在以下疑问：怠速停止在减少燃油消耗上的效用到底如何；主要是起 动时间上是否会有延迟；部件的寿命，由于起动停止的频率很高，这就对起 9 江苏大学硕士学位论文 动机的寿命带来很大的挑战；电池的电量是否够用；传统汽车的空调压缩机 是由发动机来驱动的，在发动机停止期间，车内温度如何控制。 实施怠速停止的对策： ( 1 ) 提升起动机功能：如果在城市公交客车上安装上怠速停止起动系统后， 其在城市运行过程中平均怠速停止次数约为1 5 次k m ，即行程1 0 万公里的汽 车，需反复起动1 5 力次，因此对于安装有怠速停止起动系统的车辆，起动电机 需重新选用，以符合耐久性要求。 ( 2 ) 空调：为维持怠速停止过程车厢内的舒适度，可使用风扇持续运转，车 厢内空气与外部空气持续进行热交换，维持短暂的舒适度。 ( 3 ) 污染：发动机怠速停止所减少的污染物排放量必须大于重新起动时所增 加的污染物排放量，以目前的技术，如果使用集成起动发电机，可以在0 5 秒 内快速起动发动机，大大降低污染物的排放。 1 5 本文的研究内容 结合江苏省汽车工程重点实验室开放课题研究，作者以开发城市公交客车怠 速停止起动系统为目标进行系统研究，主要内容包括： ( 1 ) 介绍怠速停止起动系统的节能机理及工作原理，研究用于城市公交客车怠 速停止和起动的基本条件； ( 2 ) 怠速停止起动系统的关键技术研究 ( 3 ) 城市公交客车怠速停止起动系统设计与部件选型； ( 4 ) 城市公交客车怠速停止起动系统建模方法； ( 5 ) 对安装有怠速停止起动系统的城市公交客车的燃油消耗进行仿真，得到其 燃油经济性；然后对传统的城市公交客车的燃油消耗进行仿真，对仿真结果进行 对比分析，确定拥有怠速停止起动系统的城市公交客车在燃油消耗方面的优越 性。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章怠速停止起动系统的工作原理及节能机理 21 怠速停止起动系统的结构组成 汽车怠速停l t 起动系统的结构组成主要包括两人部分，一部分是机械装置， 包括起动发电机、发动机和动力传动装置；另一部分即电控装置，包括控制开 关、怠速停止起动控制器、逆变器、蓄电池、变速器档位传感器、离合器踏板传 感器、车速传感器、发动机转速传感器、电池电量传感器、驾驶员座位传感器等。 2 , 1 1 怠速停止起动系统的机械装置 怠速停止起动系统的机械部分的布冠如图21 所示。 l = i 蒯中可以看出，起动 发电机通过皮带传动安装到发动机的发电机位簧，起到起动机和发电机的双重 功能。 圈2l 怠述停止起动系统机械部分结构图 f i g2 i 姗d m o f i 山吨s m i ) & s t a r ls y s t e m m e c h a n i c a l p a r e 2 1 2 怠速停止起动系统的电控装置部分 怠速停止起动系统的电控装置一般是由控制息速停止起动系统是否有效的 总开关、检襁 变速器所处档位的变速器档位传感器、检测离合器踏扳是否踩f 的 离台器踏板传感器、判断车辆是甭处于停止状态的车速传感器、发动机转谜传感 器、检测空调是否运转的空调传感器( 选装) 、以及检测电池的电量是否足够带 动起动机来起动发动机的电池电量传感器等组成。 江苏大学硕士学位论文 电信号控制示意图如图2 2 所示。怠速停止起动控制器接受总开关信号、车 速信号、发动机转速信号、档位信号、离合器信号、蓄电池电量信号并进行处理， 将是否执行发动机的怠速停止命令发送至发动机e c u ，e c u 再执行发动机的怠速 停止。逆变器的功能是在发动机正常运转状态时，将起动发电机产生的交流电 转变为直流电来为车载电器或蓄电池供电。当起动发动机时，逆变器将蓄电池的 直流电转换为交流电为起动发电机供电来起动发动机。 图2 2 怠速停止起动系统的电信号 f i g2 2e l e c t r i cs i g n a lo fi d l i n gs t o p & s t a r ts y s t e m 综上所述，怠速停止起动系统的总体结构、机械电力能量流、信号流如图 2 3 所示，其结构组成包括瞳8 。：发动机、发动机控制器( e c u ) 、变速器、皮带传 动起动发电机( b i s g ) 、逆变器、蓄电池、变速器档位传感器、离合器踏板传感 器、车速传感器、发动机转速传感器、电池电量传感器、控制怠速停止起动系统 是否可用的总控制开关、空调传感器( 选装) 、制动压力传感器、发动机温度传 感器等。 1 2 江苏太学硕士擘位论文 1 _ 螬燃 l 能i 渣 卜锴一惟雌漉 l 瑚 - 黼臼蚪l ：一 圈2 3 怠速停止起动系统结构、能量流及信号流 f i g23 e n e r g y f l o w 、i n f o r m a t i o n f l o wa n ds 讯k m o f i d l i n gs t o p & s t a r t s v s k m 2 2 怠速停止起动系统的工作原理 2 2 1 “怠速停止”的定义 车辆由于某种原因而停车时，为了达到节能与环保的目的，发动机可以自行 熄火，而后在驾驶员的操作下能快速响应以快速起动发动机。在息速停止的过程 中，要求车辆因发动机的起动所造成的附加能量消耗要明显小于同期内车辆怠速 下的能量消耗。据相关资料介绍，博世公司开发的怠速停止起动系统可达到热机 状态下执行怠速停止时陡超过l s 就能省油的效果。即使对于传统车辆，按保 喇_ 晦 江苏大学硕士学位论文 守估算，如果热机状念下怠速停止时长超过了7 s ，那么怠速停止便可实现节能 减排的日的【3 0 】。 2 2 2 怠速停止起动系统的工作原理 怠速停止起动系统的工作原理简单来讲，就是在车辆停止、发动机处于怠速 状态时，发动机将自动停止，当驾驶员有重新起动车辆的意愿时，可以自动起动 发动机来驱动车辆行驶。下面分别描述在安装有手动变速器或自动变速器车辆上 怠速停止起动系统的工作原理。 ( 1 ) 对于安装手动变速器的车辆 首先判断怠速停l f ：起动开关是否处于开启状态，若处于关闭状态则不允许执 行发动机的怠速停止，当开关处于开启状态则表明允许执行发动机的怠速停止。 当车速传感器检测到车辆停止即车速为零、档位传感器检测到变速器变处于空 档、离合器踏板传感器检测到离合器踏板未踩下、发动机转速传感器检测到发动 机处于怠速状态、且电池电量传感器检测电池s o c 高于设定的值，这些信号传递 至怠速停止起动系统控制器( i d l i n gs t o ps t a r tc o n t r o l l e r ，简称i s c ) ，i s c 判定车辆满足了怠速停止的条件，i s c 将停止发动机的命令发送到发动机e c u ， e c u 再发送信号给点火系统停止点火或燃油泵停止供应燃油来停止发动机；在发 动机处于怠速停止状态时，当离合器踏板传感器检测到驾驶员踩下离合器踏板， i s c 则判定驾驶员打算起动车辆，i s c 发送信号给起动发电机，起动发电机利 用电池的电力来起动发动机，同时，发动机e c u 发送命令给点火开关开始点火或 燃油泵开始供油，发动机平顺的起动，然后驱动车辆前进。 ( 2 ) 对于安装自动变速器的车辆 首先判断怠速停止起动开关是否处于开启状态，若处于关闭状态则不允许执 行发动机的怠速停止，当开关处于开启状态则表明允许执行发动机的怠速停止。 当车速传感器检测到车辆处于停止状态即车速为零时、档位传感器信号判断变速 器是否处于n 或p 档、制动踏板传感器检测到制动踏板踩下、发动机转速传感器 检测到发动机处于怠速状态、且电池电量传感器检测电池s o c 高于设定的值，这 些信号传递至i s c ，i s c 判定车辆满足了怠速停止的条件，i s c 将停止发动机的 命令发送到发动机e c u ，e c u 再发送信号给点火系统停止点火或燃油泵停止供应 燃油来停止发动机；在发动机处于怠速停止状态时，当制动踏板传感器检测到制 1 4 江苏大学硕士学位论文 动踏板释放，加速踏板传感器检测到加速踏板踩下，且档位传感器检测到档位变 换至非p 或n 档，i s c 则判定驾驶员打算起动车辆，i s c 发送信号给起动发电机， 起动发电机利用电池的电力来起动发动机，同时，发动机e c u 发送命令给点火 开关开始点火或燃油泵开始供油，发动机平顺的起动，然后驱动车辆前进乜剐。 2 3 怠速停止起动系统的节能机理 2 3 1 汽车的能量分配 为了弄清楚拥有怠速停止起动系统的汽车是如何节能的，首先介绍一下汽车 是如何利用能量的。 汽车是使用发动机将燃料的化学能转化成机械能，然后通过动力传动系直接 将机械能传递给车轮，用以汽车行驶过程中克服空气阻力、滚动阻力、爬坡阻力 以及汽车加速时由于惯性引起的加速阻力。另外，汽车还必须给附件提供动力， 例如散热风扇、车灯、动力转向装置和车载空调系统等。 图2 4 显示了汽车在市区驾驶循环e p a ( e p a 全称u s e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a g e n c y ，美国环境保护署) 测试中的能量消耗图。图中右边的部分表示 车辆在行驶过程中的牵引损失，它是全部燃料能量的一部分【3 1 1 。 1 7 z 霉36 ，：j2 髫：篙，i12 ( 6 )2 ( 1 6 ) 一 发动机卜丽 t 一( 2 5 铂) 发动机损耗传动系损耗 6 2 | 4 ( 6 9 ，2 )5 6 ( 5 4 ) 1 2 6 2 0 - 2 ) 空气阻力 2 6 ( 1 0 9 0 ) 滚动阻力 4 2 ( 7 2 ) 动态阻力 爬坡加速 l 厂1 赢 5 8 ( 2 2 ) 图2 4 汽车在市区驾驶循环的能量消耗图 f i 醇4f i g u r eo fe n e r g yc o n s u m eo fv e h i c l ed r i v i n gi nu r b a n 2 3 2 怠速停止起动系统的节能机理 由图2 4 可以看出，在e p a 循环中，由于频繁的制动和怠速工况，使得汽车 在制动和怠速过程中能量损失占相当大的部分，尤其是在怠速工况下，不仅白白 消耗能量还要排放污染物到大气中，如果能够执行发动机的怠速停止，那么理论 上便可以消除车辆行驶过程中的怠速工况，根据上图的能量消耗图可知，理论上 江苏大学硕士学位论文 可以节省1 7 2 的能量。如果在更加拥挤的驾驶条件下行驶，例如在上下班高峰 期的市中心或者红灯较多的交通道路上，制动和怠速的损耗会更高。对于经常行 驶在城市道路上的公交客车来说，每个循环会遇到至少5 1 0 个红灯信号，1 0 2 0 个站台，这种情况下的怠速工况会更多。 下面以中国典型城市公交循环工况为例，分析使用怠速停止起动系统的节油 情况，参看表2 1 i 铝】，在整个循环工况中1 3 0 4 s 的时间旱，怠速时间的比例占整 个循环工况的2 8 7 。 表2 1 中国典型公交行驶循环工况参数 t a b l e 2 1p e r e m e t e ro fc y c l eo fc h i n at y p ec i t yb u s 对于城市公交客车，发动机排量较大，相对于轿车，其怠速运转过程中消耗 的燃油会更多，以本文所使用的玉柴发动机y c 6 g 2 4 0 3 0 为例，其怠速燃油消耗 量为：1 3 5 k g h ( 柴油机未带任何附件时测试) 1 3 2 ，针对典型城市公交循环工况， 怠速工况的时间为3 7 5 s ，消耗燃油将超过1 4 埏，将近1 2 l ，而这仅仅是针对未 安装任何附件的发动机进行理论计算，而对于安装到实际车辆上时，此数值会更 大。进行实车测试，对安装有y c 6 g 2 4 0 3 0 的q 6 1 0 8 g 型公交客车进行怠速 油耗的测试，测试方法为：在发动机充分暖机后，持续运转1 0 0 秒，然后停止发 动机，测定燃油消耗量，为了增加精度，反复进行1 0 次，累积燃油消耗量然后 除以1 0 0 0 ，就得到