CN103174533A - 利用废气智能无电启动技术实现汽车自动起停的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是汽车发动机利用高压废气，将气体的内能和势能转化为机械能，不用起动机也不消耗蓄电池电能，可频繁启停的一种无电启动方式。汽车发动机启停系统是这几年来发展最迅猛的汽车环保技术，特别适用于走走停停的城市路况。预计在近几年，欧洲新上市的车中将有50％配备起步停车系统。这套系统在城市工况下有望达到15％的节油能力。本发明有以下优点：一、运用成熟技术，不需要引进国外技术。搭载ICAESS系统的车辆能有机会获得政府对新能源车的补贴。二、可频繁启停发动机无需考虑蓄电池容量。对于长期停驶蓄电池容量不足或蓄电池自放电严重的车辆只要储气压力达标便可完成启动。三、由于空气没有电池重，这个优势没有哪个系统能与之抗衡。零部件少、尺寸小容易部署成本非常低。四、启动瞬间不会造成蓄电池电压明显跌落，不会导致处理器时钟复位，对数码设备车载电器的使用没有任何影响。由于点火系统输出电压高、能量大、启动转速高、很容易建立工作循环，减少了不完全燃烧的有毒有害物质的排放污染。五、不论大小几乎所有车辆都可搭载ICAESS系统。关键词：发动机、ICAESS系统、无电启动。

Description

利用废气智能无电启动技术实现汽车自动起停的方法

一、技术领域：

汽车(发动机)技术 

二、背景技术：

按照国务院要求到2015年，节能型内燃机产品占全社会内燃机产品保有量的60％，与2010年相比，内燃机燃油消耗率降低6％-10％，实现节约商品燃油2000万吨，减少二氧化碳排放6200万吨，减少氮氧化物排放10％，采用替代燃料节约商品燃油1500万吨；培育一批汽车、工程机械用发动机等再制造重点企业；实现高效节能环保型内燃机主机及其零部件生产制造装备的国产化、大型化；建立内燃机产品节能减排政策法规和标准体系。 

有消息称，国家有关部委正在研究一项政策，要求国内新生产的乘用车全部安装BSG混合动力系统，以达到节油降耗目的。然而，几年过去了，这项政策依然没有出台的消息。 

新能源汽车的技术还有待完善，产业化还需要继续推进，几年内都难以大范围推广。在这段时间内，我们为什么不能采用一些有利于节能减排的好办法呢？BSG就是好办法，它成本低、技术容易实现，是传统汽车向新能源汽车过渡时期一项非常好的选择。 

当前，汽车大量进入家庭，油价高昂、交通拥堵、空气污染与日俱增，特别是市区道路更是不堪重负，国家对环境保护问题的要求越来越高。按照香港特区规定停车等候超过3分钟不熄火要吃罚单。所以，催生了许多节能减排的技术用于交通工具。目前，很多汽车厂家都推出了搭载STT(智能起停)的车型，但是，都存在开发周期长、系统复杂成本高、关键部件寿命短的问题。传统起动机其作用是将电能转变成机械能，带动曲轴旋转，起动发动机。起动机使用时，还应注意每次起动时间不得超过5秒，每次使用间隔不小于10-15秒，连续使用不得超过3次。若连续起动时间过长，将造成蓄电池大量放电和起动机线圈过热冒烟，极易损坏机件。显而易见，这不能满足频繁启停的要求。 

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。系统在得知驾驶员意图后会自动重启发动机。 

发动机启停系统是这几年来发展最迅猛的汽车环保技术，特别适用于走走停停的城市路况。预计到2012年，欧洲新上市的车中将有50％配备起步停车系统。据介绍，这套系统能在城市工况下有望达到15％的节油能力。 

以自动挡为例行驶中只要直接踩制动踏板，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档状态。 

混合动力系统分微、轻、中、全混各种不同的混合方式，都能在一定程度上降低成本和排放。各大汽车厂商在过去的十几年，通过不断的研发投入，试验总结，商业应用，形成了各自的混合动力技术之路，而在市场上的表现也是各具特色。 

微混合动力系统。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。 

丰田的混合动力版Vitz和PSA的混合动力版C3。就是这种车型的代表。这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机(一般为12V)上加装了皮带驱动启动电机(也就是常说的Belt-alternator Starter Generator，简称BSG系统)。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。 

马自达公司推出的智能怠速启停系统(SISS：Smart iding stop system)就是正反转无电机启动。它采用缸内直喷技术，先向压缩缸喷油点火使曲轴反转，然后在原做功缸将返回到上止点前喷油点火，使其正传，启动发动机。彻底不用起动机，满足频繁启停的需要。这种技术对于活塞停止位置有较高的要求，启动燃烧技术更是尖端。 

空气混合动力系统法国PSA集团于2013年1月提出的新式混合动力系统，这套全新概念的混合动力系统由PSA集团与Bosch共同开发，主要由引擎，压缩空气储存系统与液压马达帮助组成(实际上即是将上述的流体动力系统概念重度混合化)。压缩空气储存系统与液压马达可取代电池和电动马达，以空气来取代电力，称为空气混合动力系统(Hybrid Air)，可望获得更低的重量和更耐用的零件。空气混合动力一样有三种动力模式：空气驱动(Air Power)、引擎驱动(Gasoline Power)以及混合模式(Combine Power)，另外也一样有动能回收系统(Brake Energy Regeneration)。运作概念和油电混合系统一样，但由于系统和蓄能介质变了，特性上有大幅变更，主气瓶的体积和重量远比电池小，结构更简单，购买、使用和维护成本更低廉，制造和回收对环境的影响更小，就目前来看，优点确实比油电混合系统多不少，但由于还在开发阶段，效益高低和后续问题仍有待观察。ICAESS系统就是属于利用压缩空气的系统之一。储存充气的速度远比充电速度快得多，多存少存快存慢存就看你需要了，加大气压、增减储气罐容量，你想怎样都行，而体积尤其是重量不会变化太大。且可控制，通过添加控制策略由发动机ECU的控制电磁配气阀，即可实现瞬间将烧油变成压气的“气动马达起动机”。 

从下表可以看出ICAESS系统优势。用简单的方法较好的解决了貌似复杂技术难点，大大降低了技术门槛。 

表1、ICAESS系统与主流自动起停系统对比 

系统对比	ICAESS系统	BSG系统	SISS正反启动	做功缸辅助启动
					成本	低	较高	低	低
结构改动	增加储气罐	较大	极小	极小
					蓄电池	普通	特种	普通	普通
供油技术	任意	任意	GDI缸内直喷	GDI缸内直喷
					启动电机	不介入	一体化电机	不介入	辅助
启动频次	无限制	受电量限制	无限制	受电量限制
					活塞初始位	无要求	无要求	要求高	要求较高
汽缸数	有要求/无要求	无要求	有要求	有要求
					启动噪音	小	小	小	较大
初始汽缸	不喷油	喷油燃烧	缺氧燃烧	缺氧燃烧
					关键技术	自主、成熟	引进国外	引进国外	引进国外
体积重量	小	大	无变化	无变化

三、系统优点： 

1)运用成熟技术，不需要引进国外技术。搭载ICAESS系统的车辆能有机会获得政府对新能源车的补贴。 

2)可频繁起停发动机无需考虑蓄电池容量。对于长期停驶蓄电池容量不足或蓄电池自放电严重的车辆只要储气压力达标便可完成启动，是老旧蓄电池的救星。极寒地域、排气管渍水等。北方冬季发动车辆机油粘稠度高且蓄电池容量下降曲轴转速不能达到要求，这时可用“复合强力启动”使车辆发动。 

3)由于空气没有电池重，这个优势没有哪个系统能与之抗衡。零部件少、尺寸小容易部署成本非常低。 

4)启动瞬间不会造成蓄电池电压明显跌落，不会导致处理器时钟复位，对数码设备车载电器的使用没有任何影响。由于点火系统输出电压高、能量大、启动转速高、很容易建立工作循环，减少了不完全燃烧的有毒有害物质的排放污染。 

5)不论大小几乎所有车辆都可搭载ICAESS系统。如有必要车辆设备能方便的改用燃爆弹(空包弹)或其它压缩气体启动发动机，甚至用人力打气筒。方便救援，用于特殊车辆装备如装甲战车、坦克等可大大提高机动性和生存能力。合理利用储气罐高压气源可开发各种应用；如轮胎充气、气动工具、抽水除尘、清除冰雪、抛射绳缆、气动绞盘、汽笛喇叭等。 

参考文献：百度文库《快速启停技术国内外研究现状分析》 

http://wenku.baidu.com/view/9a6f54e86294dd88d0d26bc5.html 

参考文献：百度文库《缸内直喷发动机直接起停技术-膨胀缸辅助启动过程研究》王峻峰 

http://wenku.baidu.com/view/6965633243323968011c9292.html 

参考文献：混合动力车辆维基百科，自由的百科全书 

http://zh.wikipedia.org/wiki/％E6％B7％B7％E5％90％88％E5％8B％95％E5％8A％9B％E8％BB％8A％E8％BC％9B 

四、发明内容：

系统概述： 

ICAESS系统是“智能压缩空气发动机启动系统”英文缩写(Intelligent Compressed Air Engine Start System)。它利用储存/释放发动机在运行时产生的高压气体在汽车再次需要运行时启动发动机。作为能源的载体，压缩气体吸收的能量储存在储气罐，释放气体产生能量作用于发动机使其运转。本案解决几个关键问题。一是发动机停转后汽缸停止位置的随意性，不能满足启动的可靠性问题。二是用于频繁启动能源的来源和获取方式。三是可持续性无电运行。 

技术方案： 

发动机运行时将部分点火燃烧产生的高压气体储存在高压储气罐中备用，在发动机需要启动时按照点火时序，通过气阀控制依次将高压气体注入位于做功冲程的汽缸内推动曲轴转动，使其完成其它冲程从而启动发动机。 

硬件主要部分有安装在燃烧室的电控配气阀、安装在汽缸体上的逆止阀及高压管、高压储气罐。罐容量大小决定用于启动的次数或运行时间，根据不同情况进行匹配，发动机启动后很短时间即可饱和。每个缸安装一个电控配气阀在燃烧室部位。软件部分对现有ECU添加控制策略，系统动作是由各部传感器数据采集后由发动机控制器电脑判断行车状态处理后决定的；这包括ICAESS开关、档位识别传感器、刹车助力/进气管真空度传感器、离合器踏板传感器、节气阀/油门踏板传感器、氧传感器、发动机转速传感器、曲轴位置传感器、车速传感器、储气罐压力传感器等等。 

发动机启动时，首先系统检测做功汽缸活塞所在的位置是否符合再次启动的要求(比方：要求上止点后10-60度)符合就打开做功缸的电磁配气阀充入压缩气体，使活塞下行曲轴正转，喷油点火发动机正常启动。如不符合，就打开压缩缸的电磁配气阀充入适量压缩气体，使活塞下行曲轴反转，直至该缸进气门打开失压。这位置正是进气结束点。此时做功缸在反转时已经变成了“压缩缸”由于气体被压产生一定阻力，同时前面加的气体压力已被释放，反转的曲轴就会在这个位置后的一个角度停下来。(假设：进气延迟角是60度)，若是四缸机 的话，做功缸的活塞位置就刚好在上止点后的这个角度，加上惯性会小于60度。这时只要在到达上止点前及时打开做功缸的电磁配气阀充入压缩气体，使活塞下行曲轴正转，发动机即可启动。 

在发动机不符合启动条件要求时就要做出调整动作，浪费的时间人不一定能感觉到，毕竟数据上是启动时间延长了。其实，活塞式发动机在运行刚停止时由于压缩缸行程被终止，里面的气体需要释放能量，膨胀会迫使本来应该上行的活塞向下移动，这样会产生小幅度的曲轴反向回转。如能在检测到曲轴反转时打开压缩缸的电磁配气阀充入少量压缩气体帮助活塞继续下行，直至进气门打开。活塞停止的位置在停机时就调整好，才是最佳的境界。理由是：温度、压力、润滑、势能都是利好的。 

回收利用好废气也是节约能耗一个很重要的环节。本方案就是收集部分高压废气储存并利用的。具体方法是在汽缸壁上靠近下止点(排气门打开前)的适当位置开个小的出气通道，气体经由逆止阀、管道输出到储气罐。这方法的好处是，汽缸做功已经完成不会损失多少功率，气体压力和温度都不是很高，也不会占用满是气阀的燃烧室，何况那里还要多装一个电磁配气阀。出气通道大小决定充气速度、装几个就看你怎么设计了。虽然储存的是废气但最终排放还是走的原来的路，经过三元催化处理后排放。 

综上所述，ICAESS系统具有运用成熟技术，不需要引进国外技术。可频繁起停发动机无需考虑蓄电池容量。零部件少、尺寸小容易部署成本非常低。启动瞬间不会造成蓄电池电压明显跌落，不会导致处理器时钟复位，对数码设备车载电器的使用没有任何影响。减少了不完全燃烧的有毒有害物质的排放污染。不论大小车辆都可搭载ICAESS系统等等优势。若本项发明得以运用，会产生巨大的经济效益和社会效益，是一件利国利民的大好事。 

Claims (3)

1.一种用于汽车发动机的废气智能无电启动技术，技术方案特征为：利用储存/释放发动机点火爆燃后产生的高压气体，在汽车再次需要运行时，在ECU的控制下按照点火顺序打开做功缸的电磁配气阀充入压缩气体，使活塞下行曲轴运转的压气式启动方法。

2.如权利要求1所述的启动发动机的技术，高压气体的获取方法，技术方案特征为：在汽缸壁上靠近下止点(也就是做功汽缸活塞下行到即将进入排气阶段时，排气门打开前)的适当位置开设小的出气通道，将部分将要排出的高压废气通过该出气口输出并储存利用。

3.如权利要求1所述的启动发动机的技术方案特征为：添加控制策略由发动机ECU的控制电磁配气阀在压缩缸充入压缩气体使活塞下行曲轴反转，和在做功缸充入压缩气体使活塞下行曲轴正转的相互作用双向调节中，使曲轴停止角度符合发动机启动要求的方法。