馮季

摘 要：通過對汽車怠速/停止技術專利文獻公開技術方案的研究，整理分析了典型的技術方案，通過對具有代表性技術方案的技術分析，初步分析了該領域技術發(fā)展脈絡。

關鍵詞：怠速/停止；汽車；發(fā)動機；排放；技術發(fā)展路線

中圖分類號： U461 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-97-2

0 引言

近年來，為應對溫室效應及能源問題，如何節(jié)省燃油和減少排放已成為車輛技術研發(fā)的重要課題?！暗∷?停止”起動技術作為一項新興的節(jié)油技術，已受到了廣泛的關注。該技術在城市環(huán)境下道路擁堵和等待紅燈的狀況，對燃油節(jié)省和排放減小效果明顯，同時增加了發(fā)動機啟停次數(shù)，并帶來駕駛習慣的改變，因而對車輛控制系統(tǒng)提出了更高要求。

“怠速/停止”技術的發(fā)展大致可以分為起步期（1970-1990年），成長期（1990-2005），成熟期（2005-2015）這樣三個階段，該領域的專利申請的技術目標經歷了從早期的“基本功能實現(xiàn)”，中期的“功能完善和優(yōu)化”，到成熟期的“提高駕駛體驗和安全性”這樣的趨勢變化?；趯υ摷夹g領域專利文獻的篩選和分析，從“控制方法策略、發(fā)動機管理、駕駛與傳動控制、車載電網和電源管理”這樣四個技術分支并結合圖1分析技術發(fā)展路線，最后結合最新技術動向預測未來發(fā)展趨勢。

1 控制方法策略

“怠速/停止”的控制方法策略側重于如何響應車輛各系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)并控制發(fā)動機系統(tǒng)運行，主要關注“節(jié)省燃油，降低噪音，安全性，耐久性能，駕駛舒適性”相關的技術問題。并進一步的在“小齒輪嚙合控制/預嚙合”，“重起動控制方法和條件”、“傳感器工作參數(shù)”和“多系統(tǒng)結合”方面進行技術細分，以下結合一些核心專利進行說明。

基于節(jié)油的主要目標，較早的申請如日本日產汽車1972年的US3779349A，通過將點火電路與傳動系統(tǒng)，發(fā)動機馬達，發(fā)動機溫度傳感器進行開關控制連接，由此響應于發(fā)動機水溫，傳動系統(tǒng)耦合狀態(tài)，以及發(fā)動機轉速，控制“怠速/停止”的點火功能。以及1978年德國博世的申請US4192279A，該申請通過相應于車速，加速踏板下壓狀態(tài)，發(fā)動機溫度，離合器下壓狀態(tài)以及相應的時間參數(shù)控制，以切斷燃油并停止發(fā)動機運行，由此基本實現(xiàn)節(jié)油功能。進一步的，公開號為US5653659A的申請對自動啟停的參數(shù)（發(fā)動機轉速、車速、檔位、開關位置、水溫、離合器狀態(tài)）給出具體的閾值范圍，因而更具有應用價值。

在減小發(fā)動機起動時間方面，公開號JP2005330813A的申請?zhí)岢隽艘环N監(jiān)測小齒輪速度與發(fā)動機速度，并在速度同步時進行起動以提高起動能力的控制方法，公開號EP2302198A2提出了監(jiān)控小齒輪預嚙合和小齒輪反轉情況，以提高小齒輪嚙合性能和減小噪音的控制方法，以及公開號EP1288491A2的申請，通過識別滿足重啟動條件的部分氣缸，并直接對其供油提高重起動的速度。

不斷提高“怠速/停止”功能的駕駛體驗，比如更快地起動速度和更低的噪音，并且降低成本，仍然是該技術領域關注的熱點。

2 發(fā)動機管理

“怠速/停止”功能對發(fā)動機的管理側重于對響應于車輛和發(fā)動機運行參數(shù)，如何對發(fā)動機的運轉行為進行控制。主要關注“安全性，排放，啟動速度”相關的技術問題，并“從發(fā)動機起動監(jiān)測和控制”、發(fā)動機停止控制、發(fā)動機的點燃、防止意外停止、發(fā)動機繼續(xù)運行控制”方面進行技術細分，以下結合一些核心專利進行說明。

針對發(fā)動機自動停止引起的安全性問題，公開號為US4414937A申請?zhí)岢鲆环N響應于發(fā)動機的自動停止，以及車輛速度和剎車，發(fā)出報警的裝置，由此提醒駕駛員發(fā)動機的自動停止狀態(tài)，因而可以提高駕駛安全性。

由于車輛在車庫停車與低速行駛的路況接近，容易出現(xiàn)錯誤的停止發(fā)動機，公開號EP1052399A2的申請?zhí)岢鲰憫跈n位，車速等參數(shù)，判定是否屬于車庫停車狀態(tài)并關閉車輛的“怠速/停止”功能。類似地，公開號CN104276167A的申請通過識別轉向動作，具體對轉向系統(tǒng)電流或角度改變情況的監(jiān)測，并控制禁止發(fā)動機的自動停止，由此避免車輛低速轉向時引發(fā)的錯誤停止發(fā)動機。

為提高發(fā)動機氣缸在重新啟動時的燃燒性能，提高重新啟動的速度，公開號為US2005228575 A1的申請在發(fā)動機自動停止過程中對燃油進行控制，使得氣缸在停止后處于壓縮沖程狀態(tài)，使得重起動時可以直接噴油，由此減少了發(fā)動機重起動時的旋轉過程。

3 駕駛與傳動控制

駕駛與傳動控制側重于改善駕駛控制，以及對傳動系統(tǒng)的控制措施。主要關注“安全性、駕駛舒適性”的相關問題，并從“防止傳動振動、怠速/停止的踏板控制方法”方面進行技術細分，以下結合一些核心專利進行說明。

“怠速/停止”功能頻繁執(zhí)行發(fā)動機停止和重啟動過程，帶來燃油消耗和車輛的振動，公開號日本電裝（NIPPONDENSO）公開號JPH0814076A的專利通過控制閥門在發(fā)動機停止時將能量利用液壓系統(tǒng)，并在重新啟動時將存儲的液壓轉化為電能并自動啟動，由此節(jié)省燃油并減小了振動。

“怠速/停止”功能在發(fā)動機停止時存在駕駛員需要用力踏住剎車踏板的，然而頻繁和長時間的用力踏住剎車板帶來不好駕駛體驗，公開號為JP2000127927A的申請通過設置多個剎車盤，并通過控制器判定發(fā)動機停止的情況下對車輛施加剎車力，由此減輕駕駛員不適的感覺。

為提高傳動系統(tǒng)對“怠速/停止”功能的響應速度，公開號為EP1770266 A1的申請通過控制器響應于發(fā)動機的自動停止/啟動，對自動傳動系統(tǒng)中離合器以及行星齒輪的嚙合時間點進行更準確地控制，由此提高了啟動速度，因而改善駕駛的舒適性。

由于發(fā)動機自動停止后，將不再為轉向系統(tǒng)輸出扭矩，由此帶來轉向系統(tǒng)扭矩控制的問題，公開號JP2010173417 A的申請通過獲取怠速停止信息，在一定的時間內限制供應給扭矩馬達的電流上限值，由此減少電池電力的消耗以及減少輔助的扭矩，并減小了駕駛操作的不適感。

針對車輛從怠速運行停止狀態(tài)起步時動力傳遞的控制，公開號為“CN1412034 A”的申請通過控制裝置在車輛起步時，由電動發(fā)電機驅動發(fā)動機的輸出軸，驅動液壓泵供給液壓使起步離合器開始接合作動時，進行發(fā)動機起動控制，由此，提高起步的平穩(wěn)性，不會對駕駛員產生不協(xié)調感，減小發(fā)動機振動。

4 車載電網和電源管理

車載電網和電源管理涉及如何提高電氣設備使用性能和電力的分配使用。主要關注“電氣性能、電池管理、噪音和駕駛舒適性”相關的技術問題，并在“防止重起動時過電流對車載設備的電壓電流影響、停車時的用電策略、多電池布置結構和管理”方面進行技術細分，以下結合一些核心專利進行說明。

公開號為US4520271A申請，針對車輛消耗電力的設備在發(fā)動機自動停止時，其電力消耗被切換到低電流模式，以及在重要電力消耗設備處于打開狀態(tài)時避免發(fā)動機的自動停止。因而，在節(jié)省燃油和保持電池充電狀態(tài)之間取得平衡點。

針對“怠速/停止”帶來頻繁啟動以及電池劣化的問題，較多專利申請采用了雙電池或多電池的配置，比如公開號CN1440892A的申請所采用的雙電池布局，在冷啟動時控制器選擇鉛酸蓄電池與起動機接通進行起動，在熱啟動時控制器選擇第鋰電池與起動機接通進行起動，其中冷啟動次數(shù)較少而所需啟動電流更大，而熱啟動頻繁所需電流較少，由此，針對不同的啟動條件采用不同的電池，延長了電池的使用壽命。

進一步的，在雙電源布局結構中，還存在副電源的輸出電壓值過低而無法單獨執(zhí)行重起動的情況，以及由于主電源向副電源過度充電，造成兩個電池電力分配的不合理，公開號為CN104276044A的申請，其控制部通過電壓檢測部檢測出的兩個電源輸出電壓之差及規(guī)定時間閾值，防止出現(xiàn)兩個電源之間不恰當?shù)某浞烹姟?/p>

起動機在起動時，會產生接近1000安培的浪涌電流，如何減小浪涌電流對啟動設備的損害也成為該技術領域關注的重點。在公開號EP0848159A1的申請中，通過電子控制裝置對繼電器以及電動機進行控制，以平穩(wěn)提升轉速并對短路電流進行了限制。類似的，公開號CN102192068 A的申請中，采用了降低馬達電流的電阻器，并設置了第一和第二電流通路，在啟動開始時瞬間電流經過電阻器并，而在馬達起動后電流不經過電阻器的方式向馬達供電，由此將電壓下降減少，并確保了啟動的穩(wěn)定性。在此基礎上，公開號為CN104121131A的申請對電動機開關的兩個螺線管的觸點結構以及運動關系進行了改進，并能達到抑制沖擊電流的技術效果。

5 未來技術發(fā)展的預測

基于對該技術領域多年來技術發(fā)展情況的分析，隨著技術的不斷成熟，“怠速/停止”功能在發(fā)展的早期滿足了基本的“節(jié)油”功能，并在成長期和成熟期完善了基本的“耐久性、噪音、安全性、駕駛舒適性”功能，結合近期的專利研發(fā)動向，可以預計該技術的未來發(fā)展方向是“提高經濟性和駕駛體驗，數(shù)字信息集成和智能化”。

“節(jié)省燃油，減小排放”作為“怠速/停止”研發(fā)的核心任務，與之相關的技術方案和問題解決仍然是主導其不斷發(fā)展前進的動力，因此如何減少燃油消耗總量和提高燃燒效率，減少系統(tǒng)零部件的生產制造成本以提高經濟性，與這些主題相關的技術改進仍然是未來發(fā)展的重要方向。

“噪音，安全性，駕駛操縱性”這些問題是“怠速/停止”技術自身帶來的新問題，如何進一步減小這些問題的影響，如何解決特殊路況的情況，以及如何利用新技術手段提高系統(tǒng)性能，提高駕駛體驗，也是可以預測的一個重要方向。以下結合近期的專利文獻進行示例。

福特汽車公司2013年申請的US2014080669A1，對司機改變駕駛意圖的情況進行管理，在車輛“怠速/停止”過程由于司機改變駕駛意圖，控制傳動系統(tǒng)與較高檔位或較低檔位的接合，由此降低傳動系統(tǒng)發(fā)出的金屬聲和碰撞，由此提高了駕駛體驗。三菱電機2012年申請的CN102817726A對“怠速/停止”功能汽車重起動的燃油控制進行了改善，通過控制器，計時器對行駛停止計時，以及空檔控制部和發(fā)動機的運轉改善燃油費，由此提高了燃油經濟性。三菱電機在2011年申請的CN102777304A針對監(jiān)視小齒輪嚙合問題，提出了一種不需要監(jiān)視小齒輪旋轉速度也能控制其與環(huán)形齒輪嚙合的技術方案，其通過轉速運算方式計算再起動的條件，并控制小齒輪的嚙合，降低噪音并提高經濟性。通用汽車在2012年申請的CN102913336 A，涉及禁止發(fā)動機自動停止的系統(tǒng)，通過了解車輛處于什么條件，如位置，海拔，道路坡度，時間等因素，調整何時禁止自動停止發(fā)動機的，以匹配駕駛員的期望，實現(xiàn)了數(shù)字信息集成和智能化。以及福特汽車公司于2013年申請的CN103216344A，公開了一種響應于車載攝像儀的輸出，如紅綠燈的顏色，而阻止發(fā)動機的自動停止，該方法在通過自動停止發(fā)動機能夠節(jié)省很少燃料的狀況期間防止發(fā)動機停止，提高了智能化程度。