“怠速/停止”技术的发展浅析

冯季

摘 要：通过对汽车怠速/停止技术专利文献公开技术方案的研究，整理分析了典型的技术方案，通过对具有代表性技术方案的技术分析，初步分析了该领域技术发展脉络。

关键词：怠速/停止；汽车；发动机；排放；技术发展路线

中图分类号： U461 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-97-2

0 引言

近年来，为应对温室效应及能源问题，如何节省燃油和减少排放已成为车辆技术研发的重要课题。“怠速/停止”起动技术作为一项新兴的节油技术，已受到了广泛的关注。该技术在城市环境下道路拥堵和等待红灯的状况，对燃油节省和排放减小效果明显，同时增加了发动机启停次数，并带来驾驶习惯的改变，因而对车辆控制系统提出了更高要求。

“怠速/停止”技术的发展大致可以分为起步期（1970-1990年），成长期（1990-2005），成熟期（2005-2015）这样三个阶段，该领域的专利申请的技术目标经历了从早期的“基本功能实现”，中期的“功能完善和优化”，到成熟期的“提高驾驶体验和安全性”这样的趋势变化。基于对该技术领域专利文献的筛选和分析，从“控制方法策略、发动机管理、驾驶与传动控制、车载电网和电源管理”这样四个技术分支并结合图1分析技术发展路线，最后结合最新技术动向预测未来发展趋势。

1 控制方法策略

“怠速/停止”的控制方法策略侧重于如何响应车辆各系统的状态参数并控制发动机系统运行，主要关注“节省燃油，降低噪音，安全性，耐久性能，驾驶舒适性”相关的技术问题。并进一步的在“小齿轮啮合控制/预啮合”，“重起动控制方法和条件”、“传感器工作参数”和“多系统结合”方面进行技术细分，以下结合一些核心专利进行说明。

基于节油的主要目标，较早的申请如日本日产汽车1972年的US3779349A，通过将点火电路与传动系统，发动机马达，发动机温度传感器进行开关控制连接，由此响应于发动机水温，传动系统耦合状态，以及发动机转速，控制“怠速/停止”的点火功能。以及1978年德国博世的申请US4192279A，该申请通过相应于车速，加速踏板下压状态，发动机温度，离合器下压状态以及相应的时间参数控制，以切断燃油并停止发动机运行，由此基本实现节油功能。进一步的，公开号为US5653659A的申请对自动启停的参数（发动机转速、车速、档位、开关位置、水温、离合器状态）给出具体的阈值范围，因而更具有应用价值。

在减小发动机起动时间方面，公开号JP2005330813A的申请提出了一种监测小齿轮速度与发动机速度，并在速度同步时进行起动以提高起动能力的控制方法，公开号EP2302198A2提出了监控小齿轮预啮合和小齿轮反转情况，以提高小齿轮啮合性能和减小噪音的控制方法，以及公开号EP1288491A2的申请，通过识别满足重启动条件的部分气缸，并直接对其供油提高重起动的速度。

不断提高“怠速/停止”功能的驾驶体验，比如更快地起动速度和更低的噪音，并且降低成本，仍然是该技术领域关注的热点。

2 发动机管理

“怠速/停止”功能对发动机的管理侧重于对响应于车辆和发动机运行参数，如何对发动机的运转行为进行控制。主要关注“安全性，排放，启动速度”相关的技术问题，并“从发动机起动监测和控制”、发动机停止控制、发动机的点燃、防止意外停止、发动机继续运行控制”方面进行技术细分，以下结合一些核心专利进行说明。

针对发动机自动停止引起的安全性问题，公开号为US4414937A申请提出一种响应于发动机的自动停止，以及车辆速度和刹车，发出报警的装置，由此提醒驾驶员发动机的自动停止状态，因而可以提高驾驶安全性。

由于车辆在车库停车与低速行驶的路况接近，容易出现错误的停止发动机，公开号EP1052399A2的申请提出响应于档位，车速等参数，判定是否属于车库停车状态并关闭车辆的“怠速/停止”功能。类似地，公开号CN104276167A的申请通过识别转向动作，具体对转向系统电流或角度改变情况的监测，并控制禁止发动机的自动停止，由此避免车辆低速转向时引发的错误停止发动机。

为提高发动机气缸在重新启动时的燃烧性能，提高重新启动的速度，公开号为US2005228575 A1的申请在发动机自动停止过程中对燃油进行控制，使得气缸在停止后处于压缩冲程状态，使得重起动时可以直接喷油，由此减少了发动机重起动时的旋转过程。

3 驾驶与传动控制

驾驶与传动控制侧重于改善驾驶控制，以及对传动系统的控制措施。主要关注“安全性、驾驶舒适性”的相关问题，并从“防止传动振动、怠速/停止的踏板控制方法”方面进行技术细分，以下结合一些核心专利进行说明。

“怠速/停止”功能频繁执行发动机停止和重启动过程，带来燃油消耗和车辆的振动，公开号日本电装（NIPPONDENSO）公开号JPH0814076A的专利通过控制阀门在发动机停止时将能量利用液压系统，并在重新启动时将存储的液压转化为电能并自动启动，由此节省燃油并减小了振动。

“怠速/停止”功能在发动机停止时存在驾驶员需要用力踏住刹车踏板的，然而频繁和长时间的用力踏住刹车板带来不好驾驶体验，公开号为JP2000127927A的申请通过设置多个刹车盘，并通过控制器判定发动机停止的情况下对车辆施加刹车力，由此减轻驾驶员不适的感觉。

为提高传动系统对“怠速/停止”功能的响应速度，公开号为EP1770266 A1的申请通过控制器响应于发动机的自动停止/启动，对自动传动系统中离合器以及行星齿轮的啮合时间点进行更准确地控制，由此提高了启动速度，因而改善驾驶的舒适性。

由于发动机自动停止后，将不再为转向系统输出扭矩，由此带来转向系统扭矩控制的问题，公开号JP2010173417 A的申请通过获取怠速停止信息，在一定的时间内限制供应给扭矩马达的电流上限值，由此减少电池电力的消耗以及减少辅助的扭矩，并减小了驾驶操作的不适感。

针对车辆从怠速运行停止状态起步时动力传递的控制，公开号为“CN1412034 A”的申请通过控制装置在车辆起步时，由电动发电机驱动发动机的输出轴，驱动液压泵供给液压使起步离合器开始接合作动时，进行发动机起动控制，由此，提高起步的平稳性，不会对驾驶员产生不协调感，减小发动机振动。

4 车载电网和电源管理

车载电网和电源管理涉及如何提高电气设备使用性能和电力的分配使用。主要关注“电气性能、电池管理、噪音和驾驶舒适性”相关的技术问题，并在“防止重起动时过电流对车载设备的电压电流影响、停车时的用电策略、多电池布置结构和管理”方面进行技术细分，以下结合一些核心专利进行说明。

公开号为US4520271A申请，针对车辆消耗电力的设备在发动机自动停止时，其电力消耗被切换到低电流模式，以及在重要电力消耗设备处于打开状态时避免发动机的自动停止。因而，在节省燃油和保持电池充电状态之间取得平衡点。

针对“怠速/停止”带来频繁启动以及电池劣化的问题，较多专利申请采用了双电池或多电池的配置，比如公开号CN1440892A的申请所采用的双电池布局，在冷启动时控制器选择铅酸蓄电池与起动机接通进行起动，在热启动时控制器选择第锂电池与起动机接通进行起动，其中冷启动次数较少而所需启动电流更大，而热启动频繁所需电流较少，由此，针对不同的启动条件采用不同的电池，延长了电池的使用寿命。

进一步的，在双电源布局结构中，还存在副电源的输出电压值过低而无法单独执行重起动的情况，以及由于主电源向副电源过度充电，造成两个电池电力分配的不合理，公开号为CN104276044A的申请，其控制部通过电压检测部检测出的两个电源输出电压之差及规定时间阈值，防止出现两个电源之间不恰当的充放电。

起动机在起动时，会产生接近1000安培的浪涌电流，如何减小浪涌电流对启动设备的损害也成为该技术领域关注的重点。在公开号EP0848159A1的申请中，通过电子控制装置对继电器以及电动机进行控制，以平稳提升转速并对短路电流进行了限制。类似的，公开号CN102192068 A的申请中，采用了降低马达电流的电阻器，并设置了第一和第二电流通路，在启动开始时瞬间电流经过电阻器并，而在马达起动后电流不经过电阻器的方式向马达供电，由此将电压下降减少，并确保了启动的稳定性。在此基础上，公开号为CN104121131A的申请对电动机开关的两个螺线管的触点结构以及运动关系进行了改进，并能达到抑制冲击电流的技术效果。

5 未来技术发展的预测

基于对该技术领域多年来技术发展情况的分析，随着技术的不断成熟，“怠速/停止”功能在发展的早期满足了基本的“节油”功能，并在成长期和成熟期完善了基本的“耐久性、噪音、安全性、驾驶舒适性”功能，结合近期的专利研发动向，可以预计该技术的未来发展方向是“提高经济性和驾驶体验，数字信息集成和智能化”。

“节省燃油，减小排放”作为“怠速/停止”研发的核心任务，与之相关的技术方案和问题解决仍然是主导其不断发展前进的动力，因此如何减少燃油消耗总量和提高燃烧效率，减少系统零部件的生产制造成本以提高经济性，与这些主题相关的技术改进仍然是未来发展的重要方向。

“噪音，安全性，驾驶操纵性”这些问题是“怠速/停止”技术自身带来的新问题，如何进一步减小这些问题的影响，如何解决特殊路况的情况，以及如何利用新技术手段提高系统性能，提高驾驶体验，也是可以预测的一个重要方向。以下结合近期的专利文献进行示例。

福特汽车公司2013年申请的US2014080669A1，对司机改变驾驶意图的情况进行管理，在车辆“怠速/停止”过程由于司机改变驾驶意图，控制传动系统与较高档位或较低档位的接合，由此降低传动系统发出的金属声和碰撞，由此提高了驾驶体验。三菱电机2012年申请的CN102817726A对“怠速/停止”功能汽车重起动的燃油控制进行了改善，通过控制器，计时器对行驶停止计时，以及空档控制部和发动机的运转改善燃油费，由此提高了燃油经济性。三菱电机在2011年申请的CN102777304A针对监视小齿轮啮合问题，提出了一种不需要监视小齿轮旋转速度也能控制其与环形齿轮啮合的技术方案，其通过转速运算方式计算再起动的条件，并控制小齿轮的啮合，降低噪音并提高经济性。通用汽车在2012年申请的CN102913336 A，涉及禁止发动机自动停止的系统，通过了解车辆处于什么条件，如位置，海拔，道路坡度，时间等因素，调整何时禁止自动停止发动机的，以匹配驾驶员的期望，实现了数字信息集成和智能化。以及福特汽车公司于2013年申请的CN103216344A，公开了一种响应于车载摄像仪的输出，如红绿灯的颜色，而阻止发动机的自动停止，该方法在通过自动停止发动机能够节省很少燃料的状况期间防止发动机停止，提高了智能化程度。