马自达SKYACTIV

·6·

内燃机与配件

马自达SKYACTIV-Gi-stop系统概述

MAZDASKYACTIV-Gi-stopSystemOverview

钱尧一QIANYao-yi曰范俊华FANJun-hua曰蔡建红CAIJian-hong曰王子胜WANGZi-sheng

（长安马自达汽车有限公司技术开发中心，南京210000）

（ChanganMazdaAutomobileCo.，logyDevelopmentCenter，Nanjing210000，China）

摘要院基于直喷发动机的特性袁马自达设计了一套怠速启停方案渊SKYACTIV-Gi-stop冤系统袁该系统利用膨胀缸热机启动技术与

振动抑制技术袁不但能够在0.35s内完成启动(转速0r/min上升至1000r/min)袁并在振动噪音尧燃油消耗率和可靠性上具有优势遥通过

一系列安全舒适可靠性集成技术袁攻克了怠速启停系统实用化的难题袁是一套实用尧可靠尧稳定与安全的启停方案遥i-stop系统处于行

业内领先水平袁本文对该系统进行概述遥

Abstract:BasedonthecharacteristicsofGDIengine,asetofstart&stopsystemhadbeendesignedbyMAZDA.Itiscalled

SKYACTIV-Gi-stopsystem.Thesystemnotonlycouldstartupwithin0.35seconds(rotationalspeedrisesfrom0r/minto1000r/min),but

alsohadadvantagesinvibrationnoise,fuelconsumptionrateandreliabilitybyusingwarmstartmodeassistedwithexpansioncylinder

technologyandvibrationsuppressiontechnology.Andthroughaseriesofsafety,comfortandreliabilityintegrationtechnology,the

difficultiesofapplicationofstart&stopsystemhadbeenconquered.Itisapractical,reliable,stableandsafestart&stopsystem.I-stop

systemisintheleadinglevelintheindustryandwasdescribedinthispaper.

关键词院i-stop曰怠速启停曰膨胀缸曰振动抑制

Keywords:i-stop曰start&stopsystem曰expansioncylinder曰vibrationsuppression

0引言

怠速是汽车运行的常

见工况之一，为了保证怠

速平顺性，往往牺牲燃油

经济性和排放性能。因此，

采用发动机怠速启停技术

来降低油耗，然而传统启

停技术在起步时冲击振动

大，且起步迟滞，实用性一

般。对此，BOSCH开发

[1,2]

了“Start/Stop”系统，通过

[3]

加强型启动机，并且配合

控制系统的优化，实现发

动机的快速启动。丰田公

司首先采用永久啮合齿轮

起动系统，配合着先进的

电池管理和控制系统，一

方面可以对制动能量进行

回收，令一方面提高起步

图1i-stop系统示意图渊AT车型冤

时响应速度，实现发动机

快速、平顺地启动。国内外也在提高响应性上做突破，在

[4]

0r/min上升至1000r/min），并在振动噪音，燃油消耗率和

变速箱上采用电动油泵，随时保持着油压让离合器处于接

可靠性上具有优势，处于行业内的领先水平，本文对该系

合状态，提高响应性。随着直喷发动机的应用，启停技术

[5,6]

统进行概述。

有了更大的发挥空间，利用直喷汽油机的特性提出了一种

1i-stop系统概要

[7]

新型快速启动方式———膨胀缸热机启动。研究显示，膨胀

i-stop系统是马自达应对排放与油耗设计的一套完

缸热机启动能有效缩短启动时间，且在改善冲击振动也具

整的方案，和其他主机厂使用的传统启停方案有所区别，

有潜力。马自达设计了怠速启停系统———SKYACTIV-G

[8,9]

i-stop系统一方面确保发动机启停性能，另一方面保证了

[10]

i-stop系统

，该系统不但能够在0.35s内完成启动（转速

驾驶性、舒适性、可靠性。

要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要

图1是AT车型的i-stop系统示意图。系统主要分为

作者简介院钱尧一（1989-），男，江苏盐城人，厦门大学机械工程

淤发动机控制系统；于蓄电池能量管理系统；盂4个组成：

硕士，资深级产品开发工程师，研究方向为动力总成。

InternalCombustionEngine&Parts

·7·

车辆行为控制系统；榆空调、安全带开关等信号输入和仪

表盘显示系统。其中，发动机控制系统依靠PCM（动力系

统控制模块）和相应的传感器实时监控发动机的运行状

态，从而判断发动机是否处于可以执行i-stop的状态中；

蓄电池能量管理系统依靠高性能电流传感器估计蓄电池

的荷电状态SOC（StateofCharge），判断蓄电池是否禁止

i-stop；车辆行为控制系统主要检测车身姿态、刹车制动力

状态、方向盘状态，通过人的操作意图判断i-stop系统是

否执行。

2发动机启停技术

2.1膨胀缸热机启动技术

热机启动+启动机辅助的技术，形成一种响应快速的启停

i-stop系统为了消除再启动瞬间的迟滞，采用膨胀缸

方式，如图2所示。

图2发动机再启动过程

再启动的过程为：淤驾驶者在松开刹车踏板或者踩离

合器踏板时，i-stop系统执行再启动，信号输出给PCM，向

活塞停止在膨胀行程的气缸内喷油，且起动机开始运转；

于PCM给予混合气混合的时间，在一定延迟后执行点火，

推动活塞往下止点（BDC）运动，在这个过程中，PCM对压

缩行程气缸喷油，进行预混合；盂当压缩行程气缸的活塞

经过压缩上止点（TDC）后，PCM执行点火；榆从第三次点

火开始，由于持续燃烧做工将发动机转速上升。经过分析，

从i-stop执行再启动指令开始到发动机转速上升至

1000rpm，时间在0.35s以内，与传统启停系统相比，节约

了一半以上的时间。

为了实现燃烧启动，必须保证第一点火和第二点火的

成功率，一方面由于这两次点火进排气门已经关闭，只能

依靠气缸内部的气体，所以要求气缸内有新鲜空气；另一

方面第一点火时活塞停留在膨胀行程，从而对熄火后活塞

停止位置提出要求。因此，i-stop系统中，开发了扫气控制

逻辑和活塞停止位置控制逻辑。这两个控制在发动机停止

的过程中执行，详细的过程如图3所示。

2.1.1扫气控制

为了保证第一点火充分燃烧，必须保证气缸新鲜空气

的浓度。因此i-stop系统在发动机停止供油后，转速下降

过程中，将关闭的节气门打开，如图3的淤所示。但当节气

门保持打开状态下停机的时候，泵气效应会让转速发生大

图3i-stop系统工作原理图

幅度波动，引起不必要的振动，这个振动很容易被人感知。

因此，在发动机转速下降过程中，节气门打开向气缸内进

行扫气，当转速低于某阀值后，节气门再度关闭，从而抑制

发动机的振动，实现系统可靠性和舒适性的统一。

2.1.2活塞停止位置控制

再启动过程中，第一次燃烧和第二次燃烧的顺利程度

取决于气缸内的空气量，由于气密性因素，膨胀行程和压

缩行程气缸内的压力会趋于大气压，这个空气量由气缸的

停止位置决定。因此，有必要对发动机停止角度进行控制，

从而实现平稳迅速的再启动。活塞停止位置的控制主要通

过PCM和交流发电机的协同配合，在发动机停止前的瞬

间，调整交流发电机的充电负荷，如图3中于，从而调整活

塞的停止位置，保证其正好落入到合适的位置。

图4为发动机停止位置和启动时间的关系图。上止点

和下止点附近启动时间较长，在ATDC（上止点后）40CA

到100CA的范围内，再启动时间能够控制在0.35s以内，

因此活塞停止位置控制在这个曲轴角度是一个合适的工

作范围。

图4再启动时间和活塞停止角度关系图

对活塞停止位置控制的关键零件是交流发电机，设计

目标是停止位置在ATDC40CA~100CA内收束，但是交流

发电机的施加机械阻力的效果会受到发电机温度、发动机

转速等的影响。对此，在开发过程中，调查了停止位置与断

油后活塞在TDC点转速的关系，如图5所示。由图中看

出，当发动机转速大于190rpm之后，由于转速太快，已经

超出发电机的负荷上限，无法控制活塞到目标位置；当发

动机转速小于60rpm时，由于转速太慢，受到发动机工作

环境影响，随机性较大。为了保证活塞停止位置的可靠性，

最佳的控制区间为发动机转速为60rpm~190rpm。通过整

·8·

车试验验证，活塞进入目标停止位置的概率大于99%。经过飞轮传递给变速箱再传递给传动轴轮胎，从轮胎传递

图5活塞停止角度

2.2振动抑制

理想的自动启停系统中，会根据驾驶者的意图，自动

的控制发动机停止、启动，这个过程中伴随着冲击和振动，

如果冲击和振动突出会降低乘员的舒适性，降低整车的高

级感，这也是限制启停系统推广的重要原因之一。i-stop

系统从振动源出发，通过控制策略来改善振动。

2.2.1主动抑制

图6再启动转速比较

如图6左边细线所示，一般发动机启动中振动的来源

有两处，一是进气迟滞导致转速超过目标转速再收束至目

标转速，二是发动机机械结构导致的周期性转速回落。传

统的设计中，通过大幅度点火迟角并部分提高进气量，让

燃烧变缓慢来降低转速上升速度，从而缓解振动，但这一

方面会不利于燃油经济性，也无法解决瞬时转速回落的问

题。i-stop系统充分利用了SKYACTIV-G发动机和电动

S-VT（可变气门时刻）的优势，依靠进气门的大迟角设定，

使压缩行程中部分空气回流至进气歧管，减少泵气损失，

从而缓解瞬时转速波动，并且由于不需要大幅点火迟角，

也提高了燃油经济性。

2.2.2被动抑制

上文通过标定对发动机的控制做了一些改善，降低发

动机本体的振动，为了尽可能不损失舒适性，发动机悬置

也有针对性的进行了振动抑制。

发动机从停止状态到启动的时候，扭矩会瞬间突变，

内燃机与配件

的反作用力会让加上悬置中橡胶的静刚度影响，导致整车

的反复摇晃。为了避免动力总成的振动，在带有i-stop系

统的车辆中，设计了针对发动机水平移动的限位器，且悬

置布置点更靠近发动机重心，减少转动力矩，尽可能吸收

发动机旋转方向的振动，一方面抑制动力总成的共振，另

一方面减衰振动的传递。进一步，通过改善发动机悬置橡

胶的动静刚度特性，实现对冲击和振动的抑制，使启停系

统工作瞬间也能被人接受。

3安全舒适可靠性

3.1制动辅助系统

时，发动机也开始启动。上坡时，发动机启动到达到必要的

AT车型的i-stop系统中，在D档释放刹车踏板的同

扭矩之前，车辆会发生驱动力不足现象；下坡时，发动机启

动突然施加的扭矩也会让车辆冲出去。为了解决这两个问

题，采用了制动辅助系统。制动辅助系统是通过动态稳定

性控制系统（DSC）和发动机控制系统协调控制实现的，如

图7所示。

图7系统控制示意图

出制动力维持的要求。DSC对制动力进行保持后，PCM执

淤车辆停止后，为了应对路面的坡度，PCM对DSC提

行发动机停止命令。于驾驶者将刹车踏板释放后，PCM执

行发动机再启动命令，这个时候DSC持续保持刹车压力，

保证车辆在坡路上的静止。盂发动机再启动完了后，伴随

着发动机转速向目标转速收束，DSC将保持着的制动力释

放掉。从而保证顺滑的、缓慢的行走，实现和普通AT车接

近的行走状态。

3.2AT的油压控制

3.2.1AT油压系统

传统的启停系统中，发动机停止后，液压油泵停止工

作，长时间启停的时候，压力不足导致离合器接触不良，从

而影响到油门响应性。i-stop系统在AT变速箱的基础上

加入了电动油泵，在启停模式发动机停止的时间内，提供

足够的油压保持离合器接合状态，使发动机再启动的瞬间

能够实现顺滑的加速。

3.2.2工作原理

发动机工作时，通过机械泵提供油压，通过止逆阀防

止油流回电动泵中。启停工况下发动机停止时，机械泵停

止工作，止逆阀打开，电动泵给变速箱提供油压。发动机再

启动之后，机械泵和电动泵协同工作，直到机械泵实现充

分的油压供给为止，逆止阀关闭，电动泵停止工作，电动泵

转速控制过程与油压示意图如图8所示。

InternalCombustionEngine&Parts

图8电动泵控制原理示意图

3.3电源管理系统

在传统的启停系统中，为了保证启停的可靠性，一般

有两组蓄电池，一组保证车辆供电，另一组提供启停用电

能，以保证车辆供电不受到启停系统的影响。i-stop系统

利用先进的电池管理技术，使用了一组蓄电池，实现了可

靠性与经济性的统一。另一方面，i-stop的蓄电池并不单

纯的给启停系统供电，也集成了能量回收系统。

3.3.1高性能电源系统

逆变器，一个电流传感器，和一个交流发电机组成，如图9

i-stop的电池系统由一组高性能蓄电池，一个DC/DC

所示。为了支持i-stop系统可靠的工作，采用高性能、高可

靠性铅蓄电池。交流发电机布置在发动机前方，在发电停

止的工况下，可以利用冷却风对其进行冷却，保持发电机

在高效的工作区间工作。启停过程中，启动瞬间需要大电

流，为了维持车内电子系统的稳定工作，采用了一个DC/

DC逆变器，保证其电池电压的稳定，其工作效果如图10

所示。另外，系统还设有高性能电流传感器，用来测量蓄电

池的开路电压（OCV：OpenCircuitVoltage），内部结构如图

11所示，内部包含RAM，能够随时测量电压值，并具备存

储能力。

图9蓄电池系统

3.3.2电池管理系统

传统的发动机在冷启动后一段时间内，为了方便电池SOH）等，在发动机启动后，根据SOC状态判断是需要优（

荷电状态（SOC）估计，会先将电池充满电，在这段时间内，

·9·

图10直流变压器

图11电流传感器

图12SOC预估流程图

因为无法预知蓄电池的SOC，自动启停系统无法正常工

作。i-stop系统中的SOC预估流程图如图12所示，通过电

流传感器，即使在停车下也能够实时监控蓄电池状态，从

而准确推测蓄电池充电状态（SOC）、蓄电池健康状态

先给蓄电池充电还是可以执行i-stop，从而进一步提高i-

·10·

内燃机与配件

喷油螺杆压缩机油压差低分析及处理

刘皓曰周佺曰张世鑫曰孙波

（沈阳鼓风机集团压力容器有限公司，沈阳110869）

摘要院喷油螺杆压缩机是生产之中的常见设备机械之一袁对其必须要进行严格的控制和了解袁从而保证压缩机的正常运行遥当下

在实际工作之中袁因为受到各种因素的影响袁从而到安置喷油螺杆压缩机内部油压出现差低袁从而影响压缩机的运行袁甚至导致压缩

机的使用寿命缩短袁因此必须要对此进行重视袁利用各种方法与手段袁检查压缩机油压差低的产生原因袁进而有针对性的进行解决袁避

免此类问题的重复发生遥本文首先对喷油螺杆压缩机油压差低的原因进行了分析袁进而对如何避免此类问题发生进行了介绍袁旨在为

相关从业人员提供一定的帮助遥

关键词院螺杆压缩机曰压差曰间隙曰润滑油

1喷油螺杆压缩机油压差低出现的原因分析

1.1出现油压差低的原因

想要分析喷油螺杆压缩机出现油压差低的原因，就必开进行泄压，从而保证出口处的压力负荷正常标准。当安

须要对喷油螺杆压缩机进行深入的了解与分析，尤其是要全阀处的压力限制设定过低时，将会导致安全阀过早开

对其内部的结构进行掌握，才能够作出全面的分析与讨启，进而将会导致压缩机内部油压差低。

论。在这基础上，对其出现油压差低的原因，可能源自于以

下几个方面。各部位的截止阀，能够对压缩机各部分的油压进行准

1.1.1润滑油系统出现问题

在喷油螺杆压缩机之中，润滑油系统是非常重要的组将会导致泄压时机过早，造成压缩机内部的油压差低，进

成部分，其中包括了很多设备组，比如单向阀、安全阀、润而影响到润滑油的正常使用。

滑油冷却器等，任何一个设备出现问题，都将会导致压缩

机出现故障，无法正常运行。润滑油系统之中，阀门的数量在喷油螺杆压缩机之中，为了回收来自于脱气仓的气

多，种类也多，如果其中有部分阀门没有进行正常的开启，体，将必须要在压缩机的出入口处添加过滤器，从而就能够

或者开启的高度未达到要求，都将会导致油压差低的问题降低其他颗粒进入到润滑油系统之中的可能性，进而保证润

发生。经过对各个阀门的检查与检测，可以发现以下几个滑油系统的正常运转。当过滤器发生堵塞时，将会导致润滑

阀门经常会出现此类问题。油系统内部的压力降低，进而造成油压差低的情况发生。

1.1.1.1自力式压力控制阀1.1.3润滑油泵能力不足

此阀门主要负责控制润滑油泵的出口压力控制，当出在喷油螺杆压缩机之中，润滑油泵主要采用了三螺杆

口压力出现较大幅度的变化时，将会导致润滑油回流到油泵，其类型是容积泵，通过主螺杆与动螺杆之间的配合，能

罐之中，如果此处阀门的压力设定值较低，将会导致出口够让进口和出口之间形成密封，进而通过密封室趟润滑油

处的润滑油油压直线下降。从进口到出口，实现润滑油的逐渐升压，形成一个连续、稳

1.1.1.2泵出口安全阀

stop系统的可靠性，甚至可以实现冷启动后直接进入i-

stop的模式，提高了燃油经济性与实用性能。

4结论

随着直喷发动机的主流化，膨胀缸热机启动技术将会

成为主流启停方案。马自达i-stop系统使用了膨胀缸热机

启动技术和活塞位置控制技术，在保证燃油经济性和排放

性能的前提下，实现优异的驾驶性和舒适性，通过一系列

安全舒适可靠性集成技术，攻克了启停系统实用化的难

点，是一套真正实用、可靠、稳定与安全的启停方案。

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此安全阀能够保证润滑油出口处的压力不超过规定

的限制，当出口压力超过设定数值时，安全阀将会自动打

1.1.1.3油分布器连接压缩机各部位的截止阀

确的控制和调节，当其中部分截止阀的设定数值较低时，

1.1.2过滤器堵塞

定的压力过程。在这整个环节之中，如果一旦润滑油泵出

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