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一文解析汽车发动机启停技术的工作原理 - 全文

一文解析汽车发动机启停技术的工作原理 - 全文

  经常在购车的时候很多车主听介绍说这辆车或那辆车配有发动机启动技术,但由于刚买车不知道什么是发动机启停技术。

  当前,交通拥堵导致的车辆堵成一锅粥的现象时有发生,少则十分钟多则半个小时甚至更长时间。而当汽车处于停止状态时,发动机则处于怠速状态,由此带来的排放污染也比正常行车时要厉害得多。如何在堵塞情况下,更好的减少汽车的排污与省油问题?于是,一项专为发动机怠速时设计的节能减排技术启停系统于上世纪70年代开始悄然兴起。

  时至今日,为了应对日益严苛的燃油排放法规,整车厂开始大规模的搭载发动机启停技术,并将该技术作为宣传的一大卖点。启停系统到底是怎样发挥其节油本领的?该技术诞生至今都经历了哪些发展历程?本篇盖世汽车将从发动机启停技术的发展历程、工作原理及应用现状着手,与业内共享启停技术的前世今生。

  发动机启停技术,就是在车辆行驶过程中临时停车的时候,自动熄火。当需要继续前进的时候,系统自动重启发动机的一套系统。

  发动机启停就是在车辆行驶过程中临时停车(例如等红灯)的时候,自动熄火。当需要继续前进的时候,系统自动重启发动机的一套系统。使用的方法只要在行驶中直接踩制动踏板,车辆完全停止大概两秒钟后发动机就会自动熄火,一直踩着制动踏板,发动机就会保持关闭。只要一松开刹车,或者转动方向盘,发动机又会马上自动点火,立即又可以踩油门起步,整个过程都处于D挡状态。

  自动启停的大致原理是在车辆上设置一块电池以及一台起动机。通过能量回收系统或者发电机对电池充电储备能量

  启停系统的工作原理是,当车辆因为拥堵或者路口停止行进。驾驶员踩下制动踏板,停车摘挡。这时候,Start/Stop系统自动检测:发动机空转且没有挂挡;防锁定系统的车轮转速传感器显示为零;电子电池传感器显示有足够的能量进行下一次启动。满足这三个条件后,发动机自动停止转动。

  而当信号灯变绿后,驾驶员踩下离合器,随即就可以启动“启动停止器”,并快速地启动发动机。驾驶员挂挡,踩油门,车辆快速启动。在高效的蓄电池技术和相应的发动机管理程序的支持下,启停系统在较低的温度下也能正常工作,只需短暂的预热过程便可激活。

  发动机启停技术的想法早在上个世纪30年代就出现过,应用的车上就要追溯到70年代了。当时丰田在皇冠轿车上曾进行过相似技术的实用性测试,当车辆停止 1.5秒后,发动机会自动断油熄火,这可以说是之后发动机自动启停技术的雏形。但直到06年左右,由于日益严苛的环境法规限制,自动启停技术才开始在汽车上慢慢普及。

  早在1970年,丰田公司已经涉足启停技术。当时尝试在丰田皇冠车上安装一种电子装置,可在汽车静止1.5秒后关闭发动机。试验结果发现在东京市繁忙的交通中,运用这种新技术可使节油率提升10%。

  除了丰田汽车外,马自达汽车也开发出i-Stop系统,在静止怠速的状态下重新启动时会决定首先运作的汽缸,该汽缸的活塞会停在适当位置且汽缸内完成扫气行程。等系统判断将重新启动时,就喷射燃料快速点火燃烧,同时驱动启动马达。启动过程耗时约0.35秒,而且相当平顺。

  1980年,启停系统开始装备于大众汽车第二代Polo的量产车型上。随后,1994年第三代大众Golf、Lupo(3L车型),以及1999年奥迪A2(3L车型)都装备有该技术,不过因售价高昂这些车型的销售不是很理想。

  宝马公司将启停技术应用旗下车型多年,包括2008年后的mini系列车型。BMW一直致力于减少发动机动力的损耗,他们采用博世公司的加强型启动马达,在频繁关闭、启动的环境下比一般启动马达承受更多的启动次数。

  2006 年法国PSA集团的雪铁龙公司开发名为“start-stop”的怠速熄火系统,搭载于雪铁龙C2和雪铁龙C3上。这套系统结合了该公司研发的 sensodrive自动变速箱与电子控制的ISG可逆发电机(ISG集成了启动马达与发电机,是由法雷奥与日本电装公司共同研发而成)。

  这套系统也搭载于2011年小改款的标致3008 e-HDi车型上,配合1.6L柴油发动机以及制动能量回收系统,可节省燃油损耗达15%的效果。

  目前市场上已经有许多车型搭载发动机自动启停系统,欧洲车装备自动启停技术的车型较多,如奥迪(从A1到A8L、Q3/Q5/Q7)、奔驰(E级、S级等)、宝马(1系到7系、X1/X3)、沃尔沃(几乎全系新车)、保时捷(几乎全系新车)等。

  据外媒报道,福特汽车计划在2017年实现旗下70%的车型配备自动启停系统。目前我国汽车的生产和销售正保持着高速增长的势头。博世公司起动机和电机事业部中国区副总裁孙国忠曾表示,2013年欧洲轻型车中40%采用了启停系统,预计到2019年该比例将提升至90%;中国市场在该领域将跟随欧洲的步伐,他预言:“2019年中国车市年销量规模将达到3000万辆,其中30%将配备启停系统。届时每三辆车中就有一辆配有启停系统。

  媒体报道,根据NEDC循环测试,配有启停系统汽车,能够节油4%~5%。下面cartech8举例进行初略估算:

  从上面的估算看出,启停系统除去成本对用户来说确实经济效率不高。而根据法规的油耗的测试方法,确实能减少最终的工况油耗。这只能理解为,用户为新技术买单,而在长期使用中,把付出的成本赚回来。但从另外角度来说,该技术确也能省一部分油,如全国所有车辆都装备该技术,整个国家的二氧化碳排放量的绝对数量确实会减少不少。而不使用该技术可能达不到上面的法规限制,非但没有节能补贴,而且根本就不允许生产。

  采用分离式起动机和发电机的启停系统很常见。这种系统的起动机和发电机是独立设计的,发动机启动所需的功率是由起动机提供,而发电机通过为蓄电池充电,来保证起动机的电能。

  集成起动机/发电机是一个通过永磁体内转子和单齿定子来激励的同步电机,能将驱动单元集成到混合动力传动系统中。这套装置采用了可逆变原理即将传统汽车上的发电机和起动电机功能合成在一起,当汽车行驶时充当发电机,产生电能,当汽车启动时又充当起动机。

  a. 汽车在加速或爬坡时可以提供一部分辅助力矩,这样可以灵活高效地利用车载能源,对电动汽车性能的提高有很大帮助。

  汽车在减速或者制动时,可以将动能转换为电能,对电池进行充电,这样节约了能源,进一步提高了燃油经济性。

  前面介绍的两种启停系统是单纯起动机来启动发动机的,而Mazda的SISS智能启停系统(现在称为i-stop技术),主要是通过在气缸内进行燃油直喷,燃油燃烧产生的膨胀力来重启发动机的,发动机上的传统启动机在发动机启动时起到辅助作用。

  据官方数据,使用SISS技术,发动机在最短0.35s的时间内就能启动,比单纯使用启动机或电动机的系统要快一倍。

  目前现有的启停系统只能在车辆完全停下来时才关闭发动机,而滑行启停系统在车辆滑行时即可关闭发动机(如高速下坡道),同时,在自动挡车型中使用控制系统自动控制离合器,将发动机与传动系统分离,以延长滑行距离。当滑行中驾驶员操作油门或刹车踏板时,发动机会迅速启动。虽然现有的发动机控制系统可以使发动机在车辆带挡滑行时停止喷油,但由于发动机和传动系统并未分离,滑行距离不长;而在空挡滑行时,发动机仍会喷油,尽管可以长距离滑行但并不能达到节油的目的。因此,滑行启停系统可以将这两种工况的优势结合起来,通过熄火的方式达到节油的目的,同时令车辆滑行距离更长。

  1. 发动机频繁启动是有可能造成很大程度的积碳;这个启停是有温度条件,低温积碳会比较严重,但充分热机,启动时多喷不了多少油,而且启动后立马前行,转速上升,多喷的油很快就被烧掉了,另外你知道吗?长期怠速,积碳也很严重。

  2. 严重堵车时会遇到车辆反复走走停停的状态,如果每次都进行停机起动,对起动机寿命等都有不利影响,所以会自动暂时屏蔽启停功能,直到车辆驶出拥堵路段,能够连续行驶一段时间以上再进行恢复。

  3. 启停系统会对发动机有磨损,启动过程由于加速度较大,会对汽车零部件造成冲击,这个我承认,但不知你见过发动机试验室是如何做全负荷耐久试验,如何做冷热冲击试验,看看他们有多暴力,你就会觉得发动机没你想象的那么脆弱。

  4. 关于瞬时油耗,经过测算一次启动消耗的燃油相当于几秒钟的怠速的燃油消耗,所以一次启停超过这个时间的部分就是节省下的燃油。

  5. 启停技术肯定会增加维护成本,因为有额外的零部件就有可能损坏,售后和维护确实需要费用。

  6. 启停系统确实造成车辆起步较其它车辆慢半拍,如驾驶员提前动作能够消除部分不利因素。

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