“怠速/停止”技術(shù)的發(fā)展淺析

馮季

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

關(guān)鍵詞：怠速/停止；汽車；發(fā)動機(jī)；排放；技術(shù)發(fā)展路線

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

0 引言

近年來，為應(yīng)對溫室效應(yīng)及能源問題，如何節(jié)省燃油和減少排放已成為車輛技術(shù)研發(fā)的重要課題。“怠速/停止”起動技術(shù)作為一項(xiàng)新興的節(jié)油技術(shù)，已受到了廣泛的關(guān)注。該技術(shù)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(jī)啟停次數(shù)，并帶來駕駛習(xí)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(shù)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(lǐng)域的專利申請的技術(shù)目標(biāo)經(jīng)歷了從早期的“基本功能實(shí)現(xiàn)”，中期的“功能完善和優(yōu)化”，到成熟期的“提高駕駛體驗(yàn)和安全性”這樣的趨勢變化。基于對該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠墨I(xiàn)的篩選和分析，從“控制方法策略、發(fā)動機(jī)管理、駕駛與傳動控制、車載電網(wǎng)和電源管理”這樣四個技術(shù)分支并結(jié)合圖1分析技術(shù)發(fā)展路線，最后結(jié)合最新技術(shù)動向預(yù)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(cè)重于如何響應(yīng)車輛各系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)并控制發(fā)動機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，主要關(guān)注“節(jié)省燃油，降低噪音，安全性，耐久性能，駕駛舒適性”相關(guān)的技術(shù)問題。并進(jìn)一步的在“小齒輪嚙合控制/預(yù)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(jié)合”方面進(jìn)行技術(shù)細(xì)分，以下結(jié)合一些核心專利進(jìn)行說明。

基于節(jié)油的主要目標(biāo)，較早的申請如日本日產(chǎn)汽車1972年的US3779349A，通過將點(diǎn)火電路與傳動系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)馬達(dá)，發(fā)動機(jī)溫度傳感器進(jìn)行開關(guān)控制連接，由此響應(yīng)于發(fā)動機(jī)水溫，傳動系統(tǒng)耦合狀態(tài)，以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，控制“怠速/停止”的點(diǎn)火功能。以及1978年德國博世的申請US4192279A，該申請通過相應(yīng)于車速，加速踏板下壓狀態(tài)，發(fā)動機(jī)溫度，離合器下壓狀態(tài)以及相應(yīng)的時間參數(shù)控制，以切斷燃油并停止發(fā)動機(jī)運(yùn)行，由此基本實(shí)現(xiàn)節(jié)油功能。進(jìn)一步的，公開號為US5653659A的申請對自動啟停的參數(shù)（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、檔位、開關(guān)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(yīng)用價值。

在減小發(fā)動機(jī)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(jī)速度，并在速度同步時進(jìn)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(yù)嚙合和小齒輪反轉(zhuǎn)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(yàn)，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(shù)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

2 發(fā)動機(jī)管理

“怠速/停止”功能對發(fā)動機(jī)的管理側(cè)重于對響應(yīng)于車輛和發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如何對發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)行為進(jìn)行控制。主要關(guān)注“安全性，排放，啟動速度”相關(guān)的技術(shù)問題，并“從發(fā)動機(jī)起動監(jiān)測和控制”、發(fā)動機(jī)停止控制、發(fā)動機(jī)的點(diǎn)燃、防止意外停止、發(fā)動機(jī)繼續(xù)運(yùn)行控制”方面進(jìn)行技術(shù)細(xì)分，以下結(jié)合一些核心專利進(jìn)行說明。

針對發(fā)動機(jī)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(yīng)于發(fā)動機(jī)的自動停止，以及車輛速度和剎車，發(fā)出報(bào)警的裝置，由此提醒駕駛員發(fā)動機(jī)的自動停止?fàn)顟B(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(jī)，公開號EP1052399A2的申請?zhí)岢鲰憫?yīng)于檔位，車速等參數(shù)，判定是否屬于車庫停車狀態(tài)并關(guān)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(zhuǎn)向動作，具體對轉(zhuǎn)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(jī)的自動停止，由此避免車輛低速轉(zhuǎn)向時引發(fā)的錯誤停止發(fā)動機(jī)。

為提高發(fā)動機(jī)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?jiān)诎l(fā)動機(jī)自動停止過程中對燃油進(jìn)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(jī)重起動時的旋轉(zhuǎn)過程。

3 駕駛與傳動控制

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

“怠速/停止”功能頻繁執(zhí)行發(fā)動機(jī)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(jī)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(zhuǎn)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(jī)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(yàn)，公開號為JP2000127927A的申請通過設(shè)置多個剎車盤，并通過控制器判定發(fā)動機(jī)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(yīng)速度，公開號為EP1770266 A1的申請通過控制器響應(yīng)于發(fā)動機(jī)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(diǎn)進(jìn)行更準(zhǔn)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(jī)自動停止后，將不再為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出扭矩，由此帶來轉(zhuǎn)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(nèi)限制供應(yīng)給扭矩馬達(dá)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(yùn)行停止?fàn)顟B(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(jī)驅(qū)動發(fā)動機(jī)的輸出軸，驅(qū)動液壓泵供給液壓使起步離合器開始接合作動時，進(jìn)行發(fā)動機(jī)起動控制，由此，提高起步的平穩(wěn)性，不會對駕駛員產(chǎn)生不協(xié)調(diào)感，減小發(fā)動機(jī)振動。

4 車載電網(wǎng)和電源管理

車載電網(wǎng)和電源管理涉及如何提高電氣設(shè)備使用性能和電力的分配使用。主要關(guān)注“電氣性能、電池管理、噪音和駕駛舒適性”相關(guān)的技術(shù)問題，并在“防止重起動時過電流對車載設(shè)備的電壓電流影響、停車時的用電策略、多電池布置結(jié)構(gòu)和管理”方面進(jìn)行技術(shù)細(xì)分，以下結(jié)合一些核心專利進(jìn)行說明。

公開號為US4520271A申請，針對車輛消耗電力的設(shè)備在發(fā)動機(jī)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(shè)備處于打開狀態(tài)時避免發(fā)動機(jī)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(diǎn)。

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(jī)接通進(jìn)行起動，在熱啟動時控制器選擇第鋰電池與起動機(jī)接通進(jìn)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(jìn)一步的，在雙電源布局結(jié)構(gòu)中，還存在副電源的輸出電壓值過低而無法單獨(dú)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(dāng)?shù)某浞烹姟?/p>

起動機(jī)在起動時，會產(chǎn)生接近1000安培的浪涌電流，如何減小浪涌電流對啟動設(shè)備的損害也成為該技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。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(jī)進(jìn)行控制，以平穩(wěn)提升轉(zhuǎn)速并對短路電流進(jìn)行了限制。類似的，公開號CN102192068 A的申請中，采用了降低馬達(dá)電流的電阻器，并設(shè)置了第一和第二電流通路，在啟動開始時瞬間電流經(jīng)過電阻器并，而在馬達(dá)起動后電流不經(jīng)過電阻器的方式向馬達(dá)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(chǔ)上，公開號為CN104121131A的申請對電動機(jī)開關(guān)的兩個螺線管的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動關(guān)系進(jìn)行了改進(jìn)，并能達(dá)到抑制沖擊電流的技術(shù)效果。

5 未來技術(shù)發(fā)展的預(yù)測

基于對該技術(shù)領(lǐng)域多年來技術(shù)發(fā)展情況的分析，隨著技術(shù)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(jié)合近期的專利研發(fā)動向，可以預(yù)計(jì)該技術(shù)的未來發(fā)展方向是“提高經(jīng)濟(jì)性和駕駛體驗(yàn)，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(wù)，與之相關(guān)的技術(shù)方案和問題解決仍然是主導(dǎo)其不斷發(fā)展前進(jìn)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(chǎn)制造成本以提高經(jīng)濟(jì)性，與這些主題相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)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(shù)自身帶來的新問題，如何進(jìn)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(shù)手段提高系統(tǒng)性能，提高駕駛體驗(yàn)，也是可以預(yù)測的一個重要方向。以下結(jié)合近期的專利文獻(xiàn)進(jìn)行示例。

福特汽車公司2013年申請的US2014080669A1，對司機(jī)改變駕駛意圖的情況進(jìn)行管理，在車輛“怠速/停止”過程由于司機(jī)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(yàn)。三菱電機(jī)2012年申請的CN102817726A對“怠速/停止”功能汽車重起動的燃油控制進(jìn)行了改善，通過控制器，計(jì)時器對行駛停止計(jì)時，以及空檔控制部和發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)改善燃油費(fèi)，由此提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。三菱電機(jī)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(zhuǎn)速度也能控制其與環(huán)形齒輪嚙合的技術(shù)方案，其通過轉(zhuǎn)速運(yùn)算方式計(jì)算再起動的條件，并控制小齒輪的嚙合，降低噪音并提高經(jīng)濟(jì)性。通用汽車在2012年申請的CN102913336 A，涉及禁止發(fā)動機(jī)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(diào)整何時禁止自動停止發(fā)動機(jī)的，以匹配駕駛員的期望，實(shí)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(yīng)于車載攝像儀的輸出，如紅綠燈的顏色，而阻止發(fā)動機(jī)的自動停止，該方法在通過自動停止發(fā)動機(jī)能夠節(jié)省很少燃料的狀況期間防止發(fā)動機(jī)停止，提高了智能化程度。