發動機停缸專利技術綜述

范冬梅

摘 要：文章對國內外發動機停缸技術專利申請進行檢索和統計，分析了相關專利申請的年度分布、地域分布、重點技術領域、技術發展演進和重點申請人等信息。

關鍵詞：發動機；停缸；專利申請；重要申請人

中圖分類號：G306 文獻標志碼：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

汽車發動機的設計排量通常都是按照汽車最大負荷設計的，而常規行駛中發動機總是處于部分負荷狀態，從而導致發動機效率低，燃油經濟性差[1]。如何在兼顧動力性的基礎上改善發動機經濟性，發動機停缸技術就是為解決這一問題而產生的。當發動機處于部分負荷時，通過切斷部分氣缸的供油、點火和進排氣，減少工作氣缸的數量，能夠優化發動機工作過程，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檢索數據庫，通用檢索詞為：停缸，閉缸，斷缸，歇缸，氣缸停用，汽缸停用，對應的英文為：cylinder，deactivation。IPC[第8版]分類號為：F02D17/02，F02D13/06，F02D17/00，F01L13/00，F02D13/02，F02D13/00。為保證檢索全面，通過檢索過程的反饋，進一步對關鍵詞和分類號進行了拓展，并結合文獻瀏覽結果進行降噪處理，經過仔細篩選后建立專利申請數據庫，作為本文所研究的對象。對檢索到的專利文獻進行數據整理，提取申請日、分類號、申請人、技術原創國等字段信息進行統計和分析。

2 數據統計和分析

2.1 申請量年度分布

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

對于在中國國內的專利申請，在2002年以前數量極低，隨后呈現整體上升趨勢。從時間軸來看，發動機停缸技術專利在中國明顯滯后于全球范圍的申請，表明國內企業的研究起步較晚，而且國外企業早期對中國市場也不夠重視。2005年以后，國內申請量整體發展趨勢與全球范圍內趨勢基本一致，在2015年達到最高峰值，表明這一階段國外企業已經很重視在中國市場的專利布局。

2.2 申請的地域分布

對發動機停缸技術專利申請的技術原創國進行統計得到圖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所有專利申請的80%。由于停缸發動機振動加劇，停缸技術主要應用于平衡性較高的6 缸及以上發動機，而美國大排量多缸汽車較多，所以美國汽車公司生產的汽車采用停缸技術最多，同時美國也是發動機停缸專利申請的首要目標國。我國的申請量占15%，表明我國作為汽車生產制造大國在國際市場占據了重要的一席之地，而國內企業在這方面的技術發展與美、日還有很大差距。

2.3 重點專利技術領域

為了研究發動機停缸專利申請的分布情況，本文對檢索到的專利文獻按照IPC分類進行整理，統計出現頻次前10位的IPC小類，見圖3。從圖3中可見，發動機停缸技術的專利分布主要集中在小類F02D（燃燒發動機控制），占比39%，其次是F01L（機器或發動機用的循環操作閥）和F02B（活塞式內燃機；一般燃燒發動機）。

為了進一步了解技術分類，筆者對IPC大組出現頻次也進行了統計分析，發現該領域主專利申請主要集中在F02D17，F02D13和F02D41，即與停缸相關的閥操作或控制。其次是F01L13、F01L1和F02D45，即閥機構的改進和電氣控制。而F02B中頻次出現在前10位的大組為F02B75。由此可見，發動機停缸技術研究內容相對集中，主要圍繞停閥機構以及停缸相關控制展開。

2.4 重點領域技術發展

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

實現停缸操作，需要對凸輪軸部分凸輪和氣門進行解耦，使氣門保持停止狀態。氣門結構一直是本領域研究熱點，多為改進氣門挺桿、搖臂和凸輪軸結構。上世紀90年代中后期出現了采用凸輪軸位移來實現停缸操作。而氣門驅動方式，從早期的凸輪驅動，發展到電驅動，電磁驅動和液壓驅動。隨著電控技術發展，很多專利申請將停缸技術與可變氣門技術相結合。

停止部分氣缸的工作會引起發動機振動和噪聲，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，由于早期停缸技術主要用于大排量發動機，平穩性相對較好。90年代才開始出現涉及降低發動機停缸扭矩振蕩的專利申請，通過調節節流閥開度減輕振動。隨著電控技術發展，通過精確控制與發動運行模式相關的操作條件，有效地減少了噪聲和振動。通用公司為了實現停缸控制特別開發了新的32位ECU控制電磁閥、節氣門、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， 保證發動機在8缸或4缸工作時合適的排氣噪聲[3]。

在模式切換方面，早期發動機停缸模式主要采用機械方式進行切換，變缸過程過于復雜，很不穩定，甚至還會出現卡死現象。早期停缸技術主要在V6、V8發動機上應用，將氣缸分為兩組，在低負荷時關閉其中一組氣缸。隨著計算機及電子控制技術的發展，90年代開始出現采用微處理器控制停缸模式切換的專利申請，根據發動機運行參數判斷是否需要停缸，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（CN105003312A），實現對氣門的單獨控制，取消了傳統的固定停缸方式，從而更好地避免了氣缸偏磨。

停缸技術的應用從大排量V型發動機逐步發展到小排量直列發動機，停缸模式從固定停缸到滾動停缸，車型從汽油機車到柴油機車再發展到混合動力車，停閥機構不斷簡化，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

對發動機停缸技術重要申請人進行統計，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，而國內申請人在該領域的申請極少。從圖4可知，該領域重要申請人有美國的通用和福特，日本的豐田和本田，以及韓國的現代。福特公司是較早開展停缸技術研究的公司，且首創地將停缸技術用于三缸發動機并發明了滾動停缸技術。豐田公司早期專利主要涉及變缸控制，2002年開始將停缸技術用于燃料電池車，并在該領域擁有較多同族數在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的申請。本田公司在停閥機構改進和電氣控制方面都有涉及，并將可變氣缸管理技術VCM應用于量產的本田J系列6缸V型發動機，通過搖臂機構關閉進排氣門。現代汽車公司的申請主要涉及氣門挺桿、搖臂等閥機構的改進。

3 結束語

我國在發動機停缸技術方面與美、日等發達國家差距懸殊。隨著能源問題日益嚴峻，節能環保是近年來汽車行業研發熱點。考慮單一的節能技術對燃油經濟性的提升有限，將停缸技術和混合動力車、可變氣門正時、增壓技術等相結合將有利于燃油經濟性的進一步提升，相關技術研究具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1]馬康康.發動機循環變排量控制策略研究[D].秦皇島：燕山大學，2011：2-5.

[2]申小艷，等.柴油機停閥機變排量技術的性能仿真研究[J].內燃機與配件，2011，5：7-11.

[3]武濤等.汽油機停缸節油技術應用與展望[J].上海汽車，2010，11：38-41.