發(fā)動機(jī)停缸專利技術(shù)綜述

范冬梅

摘 要：文章對國內(nèi)外發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)專利申請進(jìn)行檢索和統(tǒng)計，分析了相關(guān)專利申請的年度分布、地域分布、重點技術(shù)領(lǐng)域、技術(shù)發(fā)展演進(jìn)和重點申請人等信息。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；停缸；專利申請；重要申請人

中圖分類號：G306 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0170-03

Abstract： This paper retrieves the domestic and foreign statistics of patent application for engine cylinder stopping technology， and analyzes relevant patent application in terms of its annual distribution， regional distribution， key technical fields， technological evolution， key applicants and other information.

Keywords： engine； engine cylinder stopping； patent application； important applicant

引言

汽車發(fā)動機(jī)的設(shè)計排量通常都是按照汽車最大負(fù)荷設(shè)計的，而常規(guī)行駛中發(fā)動機(jī)總是處于部分負(fù)荷狀態(tài)，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率低，燃油經(jīng)濟(jì)性差[1]。如何在兼顧動力性的基礎(chǔ)上改善發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)就是為解決這一問題而產(chǎn)生的。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于部分負(fù)荷時，通過切斷部分氣缸的供油、點火和進(jìn)排氣，減少工作氣缸的數(shù)量，能夠優(yōu)化發(fā)動機(jī)工作過程，提高氣缸的容積效率和燃燒效率，降低燃油消耗。

1 分析方法

本文選擇CPRSABS以及DWPI檢索數(shù)據(jù)庫，通用檢索詞為：停缸，閉缸，斷缸，歇缸，氣缸停用，汽缸停用，對應(yīng)的英文為：cylinder，deactivation。IPC[第8版]分類號為：F02D17/02，F(xiàn)02D13/06，F(xiàn)02D17/00，F(xiàn)01L13/00，F(xiàn)02D13/02，F(xiàn)02D13/00。為保證檢索全面，通過檢索過程的反饋，進(jìn)一步對關(guān)鍵詞和分類號進(jìn)行了拓展，并結(jié)合文獻(xiàn)瀏覽結(jié)果進(jìn)行降噪處理，經(jīng)過仔細(xì)篩選后建立專利申請數(shù)據(jù)庫，作為本文所研究的對象。對檢索到的專利文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，提取申請日、分類號、申請人、技術(shù)原創(chuàng)國等字段信息進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

2.1 申請量年度分布

圖1顯示了發(fā)動機(jī)停缸專利申請量在中國國內(nèi)以及全球范圍內(nèi)的年度分布。從圖1中可見，在全球范圍內(nèi)，從20世紀(jì)70年代到90年代，屬于發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)起步階段。由于第二次石油危機(jī)使發(fā)達(dá)國家更加重視能源利用，世界各大汽車廠商紛紛在節(jié)油方面投入研究，停缸技術(shù)由此產(chǎn)生。美國的福特、德國的奔馳都于這一時期開始使用停缸技術(shù)，當(dāng)時主要用于V8發(fā)動機(jī)。1999年開始，發(fā)動機(jī)停缸專利申請量開始明顯攀升，到2003年達(dá)到第一個高峰，屬于快速發(fā)展階段。這是由于20 世紀(jì)后期油價的攀升以及電子控制技術(shù)的發(fā)展，為發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)的進(jìn)步提供了有利條件。2003年至今一直處于發(fā)展高潮期，在2014年達(dá)到申請量峰值。

對于在中國國內(nèi)的專利申請，在2002年以前數(shù)量極低，隨后呈現(xiàn)整體上升趨勢。從時間軸來看，發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)專利在中國明顯滯后于全球范圍的申請，表明國內(nèi)企業(yè)的研究起步較晚，而且國外企業(yè)早期對中國市場也不夠重視。2005年以后，國內(nèi)申請量整體發(fā)展趨勢與全球范圍內(nèi)趨勢基本一致，在2015年達(dá)到最高峰值，表明這一階段國外企業(yè)已經(jīng)很重視在中國市場的專利布局。

2.2 申請的地域分布

對發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)專利申請的技術(shù)原創(chuàng)國進(jìn)行統(tǒng)計得到圖2。從圖2可見，排名前四位的國家依次為美國、日本、中國和德國。這四個國家的申請量占據(jù)所有專利申請的80%。由于停缸發(fā)動機(jī)振動加劇，停缸技術(shù)主要應(yīng)用于平衡性較高的6 缸及以上發(fā)動機(jī)，而美國大排量多缸汽車較多，所以美國汽車公司生產(chǎn)的汽車采用停缸技術(shù)最多，同時美國也是發(fā)動機(jī)停缸專利申請的首要目標(biāo)國。我國的申請量占15%，表明我國作為汽車生產(chǎn)制造大國在國際市場占據(jù)了重要的一席之地，而國內(nèi)企業(yè)在這方面的技術(shù)發(fā)展與美、日還有很大差距。

2.3 重點專利技術(shù)領(lǐng)域

為了研究發(fā)動機(jī)停缸專利申請的分布情況，本文對檢索到的專利文獻(xiàn)按照IPC分類進(jìn)行整理，統(tǒng)計出現(xiàn)頻次前10位的IPC小類，見圖3。從圖3中可見，發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)的專利分布主要集中在小類F02D（燃燒發(fā)動機(jī)控制），占比39%，其次是F01L（機(jī)器或發(fā)動機(jī)用的循環(huán)操作閥）和F02B（活塞式內(nèi)燃機(jī)；一般燃燒發(fā)動機(jī)）。

為了進(jìn)一步了解技術(shù)分類，筆者對IPC大組出現(xiàn)頻次也進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域主專利申請主要集中在F02D17，F(xiàn)02D13和F02D41，即與停缸相關(guān)的閥操作或控制。其次是F01L13、F01L1和F02D45，即閥機(jī)構(gòu)的改進(jìn)和電氣控制。而F02B中頻次出現(xiàn)在前10位的大組為F02B75。由此可見，發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)研究內(nèi)容相對集中，主要圍繞停閥機(jī)構(gòu)以及停缸相關(guān)控制展開。

2.4 重點領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展

在整體結(jié)構(gòu)方面，早期停缸技術(shù)主要用于V6、V8發(fā)動機(jī)上，這是由于V6、V8發(fā)動機(jī)平衡性較高，而直列氣缸發(fā)動機(jī)的振動相對較大，平順性要差一些，不太容易實現(xiàn)該技術(shù)。為了較少地改動發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)，隨后出現(xiàn)了將廢氣引入不做功氣缸的斷油回流結(jié)構(gòu)。隨著不可再生能源的日益減少和人們對節(jié)能環(huán)保的日益重視，大排量多缸發(fā)動機(jī)的市場逐漸萎縮，汽車制造廠商們又將目光投向了發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)，而且成功地將這項技術(shù)應(yīng)用在小排量四缸發(fā)動機(jī)上。福特公司在2013年公開的專利申請US2013/0199466A1更是將停缸技術(shù)應(yīng)用到了三缸發(fā)動機(jī)上，可選擇性停用內(nèi)側(cè)氣缸。

實現(xiàn)停缸操作，需要對凸輪軸部分凸輪和氣門進(jìn)行解耦，使氣門保持停止?fàn)顟B(tài)。氣門結(jié)構(gòu)一直是本領(lǐng)域研究熱點，多為改進(jìn)氣門挺桿、搖臂和凸輪軸結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)90年代中后期出現(xiàn)了采用凸輪軸位移來實現(xiàn)停缸操作。而氣門驅(qū)動方式，從早期的凸輪驅(qū)動，發(fā)展到電驅(qū)動，電磁驅(qū)動和液壓驅(qū)動。隨著電控技術(shù)發(fā)展，很多專利申請將停缸技術(shù)與可變氣門技術(shù)相結(jié)合。

停止部分氣缸的工作會引起發(fā)動機(jī)振動和噪聲，從而影響駕駛員在行車過程中的舒適性，所以需要解決停缸后引起的扭矩波動、轉(zhuǎn)速波動和工作不平衡等問題[2]。在減振降噪控制方面，由于早期停缸技術(shù)主要用于大排量發(fā)動機(jī)，平穩(wěn)性相對較好。90年代才開始出現(xiàn)涉及降低發(fā)動機(jī)停缸扭矩振蕩的專利申請，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度減輕振動。隨著電控技術(shù)發(fā)展，通過精確控制與發(fā)動運行模式相關(guān)的操作條件，有效地減少了噪聲和振動。通用公司為了實現(xiàn)停缸控制特別開發(fā)了新的32位ECU控制電磁閥、節(jié)氣門、點火正時和順序燃油噴射，還在消聲器中安裝了壓力控制閥， 保證發(fā)動機(jī)在8缸或4缸工作時合適的排氣噪聲[3]。

在模式切換方面，早期發(fā)動機(jī)停缸模式主要采用機(jī)械方式進(jìn)行切換，變缸過程過于復(fù)雜，很不穩(wěn)定，甚至還會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。早期停缸技術(shù)主要在V6、V8發(fā)動機(jī)上應(yīng)用，將氣缸分為兩組，在低負(fù)荷時關(guān)閉其中一組氣缸。隨著計算機(jī)及電子控制技術(shù)的發(fā)展，90年代開始出現(xiàn)采用微處理器控制停缸模式切換的專利申請，根據(jù)發(fā)動機(jī)運行參數(shù)判斷是否需要停缸，以便獲得較高的燃料效率。福特公司于2012年提出了滾動停缸技術(shù)（CN105003312A），實現(xiàn)對氣門的單獨控制，取消了傳統(tǒng)的固定停缸方式，從而更好地避免了氣缸偏磨。

停缸技術(shù)的應(yīng)用從大排量V型發(fā)動機(jī)逐步發(fā)展到小排量直列發(fā)動機(jī)，停缸模式從固定停缸到滾動停缸，車型從汽油機(jī)車到柴油機(jī)車再發(fā)展到混合動力車，停閥機(jī)構(gòu)不斷簡化，控制靈活度和精度不斷提高，工作均勻性改善。

2.5 重要申請人分析

對發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)重要申請人進(jìn)行統(tǒng)計，申請量排名前五的申請人見圖4。其他申請人的申請量在60件以下，而國內(nèi)申請人在該領(lǐng)域的申請極少。從圖4可知，該領(lǐng)域重要申請人有美國的通用和福特，日本的豐田和本田，以及韓國的現(xiàn)代。福特公司是較早開展停缸技術(shù)研究的公司，且首創(chuàng)地將停缸技術(shù)用于三缸發(fā)動機(jī)并發(fā)明了滾動停缸技術(shù)。豐田公司早期專利主要涉及變缸控制，2002年開始將停缸技術(shù)用于燃料電池車，并在該領(lǐng)域擁有較多同族數(shù)在7件以上的專利。通用汽車公司的研究主要涉及切換、減振和停閥等電氣控制，還提出了較多與混合動力車相關(guān)的申請。本田公司在停閥機(jī)構(gòu)改進(jìn)和電氣控制方面都有涉及，并將可變氣缸管理技術(shù)VCM應(yīng)用于量產(chǎn)的本田J系列6缸V型發(fā)動機(jī)，通過搖臂機(jī)構(gòu)關(guān)閉進(jìn)排氣門。現(xiàn)代汽車公司的申請主要涉及氣門挺桿、搖臂等閥機(jī)構(gòu)的改進(jìn)。

3 結(jié)束語

我國在發(fā)動機(jī)停缸技術(shù)方面與美、日等發(fā)達(dá)國家差距懸殊。隨著能源問題日益嚴(yán)峻，節(jié)能環(huán)保是近年來汽車行業(yè)研發(fā)熱點。考慮單一的節(jié)能技術(shù)對燃油經(jīng)濟(jì)性的提升有限，將停缸技術(shù)和混合動力車、可變氣門正時、增壓技術(shù)等相結(jié)合將有利于燃油經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升，相關(guān)技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬康康.發(fā)動機(jī)循環(huán)變排量控制策略研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2011：2-5.

[2]申小艷，等.柴油機(jī)停閥機(jī)變排量技術(shù)的性能仿真研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2011，5：7-11.

[3]武濤等.汽油機(jī)停缸節(jié)油技術(shù)應(yīng)用與展望[J].上海汽車，2010，11：38-41.