发动机停缸专利技术综述

发动机停缸专利技术综述
文章对国内外发动机停缸技术专利申请进行检索和统计，分析了相关专利申请的年度分布、地域分布、重点技术领域、技术发展演进和重点申请人等信息。

關键词：发动机；停缸；专利申请；重要申请人
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
汽车发动机的设计排量通常都是按照汽车最大负荷设计的，而常规行驶中发动机总是处于部分负荷状态，从而导致发动机效率低，燃油经济性差[1]。

如何在兼顾动力性的基础上改善发动机经济性，发动机停缸技术就是为解决这一问题而产生的。

当发动机处于部分负荷时，通过切断部分气缸的供油、点火和进排气，减少工作气缸的数量，能够优化发动机工作过程，提高气缸的容积效率和燃烧效率，降低燃油消耗。

1 分析方法
本文选择CPRSABS以及DWPI检索数据库，通用检索词为：停缸，闭缸，断缸，歇缸，气缸停用，汽缸停用，对应的英文为：cylinder，deactivation。

IPC[第8版]分类号为：F02D17/02，F02D13/06，F02D17/00，F01L13/00，F02D13/02，F02D13/00。

为保证检索全面，通过检索过程的反馈，进一步对关键词和分类号进行了拓展，并结合文献浏览结果进行降噪处理，经过仔细筛选后建立专利申请数据库，作为本文所研究的对象。

对检索到的专利文献进行数据整理，提取申请日、分类号、申请人、技术原创国等字段信息进行统计和分析。

2 数据统计和分析
2.1 申请量年度分布
图1显示了发动机停缸专利申请量在中国国内以及全球范围内的年度分布。

从图1中可见，在全球范围内，从20世纪70年代到90年代，属于发动机停缸技术起步阶段。

由于第二次石油危机使发达国家更加重视能源利用，世界各大汽车厂商纷纷在节油方面投入研究，停缸技术由此产生。

美国的福特、德国的奔驰都于这一时期开始使用停缸技术，当时主要用于V8发动机。

1999年开始，发动
机停缸专利申请量开始明显攀升，到2003年达到第一个高峰，属于快速发展阶段。

这是由于20 世纪后期油价的攀升以及电子控制技术的发展，为发动机停缸技术的进步提供了有利条件。

2003年至今一直处于发展高潮期，在2014年达到申请量峰值。

对于在中国国内的专利申请，在2002年以前数量极低，随后呈现整体上升趋势。

从时间轴来看，发动机停缸技术专利在中国明显滞后于全球范围的申请，表明国内企业的研究起步较晚，而且国外企业早期对中国市场也不够重视。

2005年以后，国内申请量整体发展趋势与全球范围内趋势基本一致，在2015年达到最高峰值，表明这一阶段国外企业已经很重视在中国市场的专利布局。

2.2 申请的地域分布
对发动机停缸技术专利申请的技术原创国进行统计得到图2。

从图2可见，排名前四位的国家依次为美国、日本、中国和德国。

这四个国家的申请量占据所有专利申请的80%。

由于停缸发动机振动加剧，停缸技术主要应用于平衡性较高的6 缸及以上发动机，而美国大排量多缸汽车较多，所以美国汽车公司生产的汽车采用停缸技术最多，同时美国也是发动机停缸专利申请的首要目标国。

我国的申请量占15%，表明我国作为汽车生产制造大国在国际市场占据了重要的一席之地，而国内企业在这方面的技术发展与美、日还有很大差距。

2.3 重点专利技术领域
为了研究发动机停缸专利申请的分布情况，本文对检索到的专利文献按照IPC分类进行整理，统计出现频次前10位的IPC小类，见图3。

从图3中可见，发动机停缸技术的专利分布主要集中在小类F02D（燃烧发动机控制），占比39%，其次是F01L（机器或发动机用的循环操作阀）和F02B（活塞式内燃机；一般燃烧发动机）。

为了进一步了解技术分类，笔者对IPC大组出现频次也进行了统计分析，发现该领域主专利申请主要集中在F02D17，F02D13和F02D41，即与停缸相关的阀操作或控制。

其次是F01L13、F01L1和F02D45，即阀机构的改进和电气控制。

而F02B中频次出现在前10位的大组为F02B75。

由此可见，发动机停缸技术研究内容相对集中，主要围绕停阀机构以及停缸相关控制展开。

2.4 重点领域技术发展
在整体结构方面，早期停缸技术主要用于V6、V8发动机上，这是由于V6、V8发动机平衡性较高，而直列气缸发动机的振动相对较大，平顺性要差一些，不太容易实现该技术。

为了较少地改动发动机进排气系统，随后出现了将废气引入不做功气缸的断油回流结构。

随着不可再生能源的日益减少和人们对节能环保的日益重视，大排量多缸发动机的市场逐渐萎缩，汽车制造厂商们又将目光投向了发动机停缸技术，而且成功地将这项技术应用在小排量四缸发动机上。

福特公司在2013年公开的专利申请US2013/0199466A1更是将停缸技术应用到了三缸
发动机上，可选择性停用内侧气缸。

实现停缸操作，需要对凸轮轴部分凸轮和气门进行解耦，使气门保持停止状态。

气门结构一直是本領域研究热点，多为改进气门挺杆、摇臂和凸轮轴结构。

上世纪90年代中后期出现了采用凸轮轴位移来实现停缸操作。

而气门驱动方式，从早期的凸轮驱动，发展到电驱动，电磁驱动和液压驱动。

随着电控技术发展，很多专利申请将停缸技术与可变气门技术相结合。

停止部分气缸的工作会引起发动机振动和噪声，从而影响驾驶员在行车过程中的舒适性，所以需要解决停缸后引起的扭矩波动、转速波动和工作不平衡等问题[2]。

在减振降噪控制方面，由于早期停缸技术主要用于大排量发动机，平稳性相对较好。

90年代才开始出现涉及降低发动机停缸扭矩振荡的专利申请，通过调节节流阀开度减轻振动。

随着电控技术发展，通过精确控制与发动运行模式相关的操作条件，有效地减少了噪声和振动。

通用公司为了实现停缸控制特别开发了新的32位ECU控制电磁阀、节气门、点火正时和顺序燃油喷射，还在消声器中安装了压力控制阀，保证发动机在8缸或4缸工作时合适的排气噪声[3]。

在模式切换方面，早期发动机停缸模式主要采用机械方式进行切换，变缸过程过于复杂，很不稳定，甚至还会出现卡死现象。

早期停缸技术主要在V6、V8发动机上应用，将气缸分为两组，在低负荷时关闭其中一组气缸。

随着计算机及电子控制技术的发展，90年代开始出现采用微处理器控制停缸模式切换的专利申请，根据发动机运行参数判断是否需要停缸，以便获得较高的燃料效率。

福特公司于2012年提出了滚动停缸技术（CN105003312A），实现对气门的单独控制，取消了传统的固定停缸方式，从而更好地避免了气缸偏磨。

停缸技术的应用从大排量V型发动机逐步发展到小排量直列发动机，停缸模式从固定停缸到滚动停缸，车型从汽油机车到柴油机车再发展到混合动力车，停阀机构不断简化，控制灵活度和精度不断提高，工作均匀性改善。

2.5 重要申请人分析
对发动机停缸技术重要申请人进行统计，申请量排名前五的申请人见图4。

其他申请人的申请量在60件以下，而国内申请人在该领域的申请极少。

从图4可知，该领域重要申请人有美国的通用和福特，日本的丰田和本田，以及韩国的现代。

福特公司是较早开展停缸技术研究的公司，且首创地将停缸技术用于三缸发动机并发明了滚动停缸技术。

丰田公司早期专利主要涉及变缸控制，2002年开始将停缸技术用于燃料电池车，并在该领域拥有较多同族数在7件以上的专利。

通用汽车公司的研究主要涉及切换、减振和停阀等电气控制，还提出了较多与混合动力车相关的申请。

本田公司在停阀机构改进和电气控制方面都有涉及，并将可变气缸管理技术VCM应用于量产的本田J系列6缸V型发动机，通过摇臂机构关闭进排气门。

现代汽车公司的申请主要涉及气门挺杆、摇臂等阀机构的改进。

3 结束语
我国在发动机停缸技术方面与美、日等发达国家差距悬殊。

随着能源问题日益严峻，节能环保是近年来汽车行业研发热点。

考虑单一的节能技术对燃油经济性的提升有限，将停缸技术和混合动力车、可变气门正时、增压技术等相结合将有利于燃油经济性的进一步提升，相关技术研究具有重要的现实意义。

参考文献：
[1]马康康.发动机循环变排量控制策略研究[D].秦皇岛：燕山大学，2011：2-5.
[2]申小艳，等.柴油机停阀机变排量技术的性能仿真研究[J].内燃机与配件，2011，5：7-11.
[3]武涛等.汽油机停缸节油技术应用与展望[J].上海汽车，2010，11：38-41.。