立竿見影的節(jié)能減排

衛(wèi)東

當發(fā)動機不需要全力輸出時，為何不能讓部分汽缸去休息？其實，工程師們在上世紀石油危機時就想到了用這種方法來節(jié)省燃油，不過這項技術一直在小范圍內(nèi)應用，而且主要應用在大排量發(fā)動機上。到了近幾年，隨著人們進一步挖掘發(fā)動機的節(jié)能潛能，汽車制造廠商們又將目光投向了發(fā)動機可變排量技術，而且成功地將這項技術應用在小排量四缸發(fā)動機上，接下來這項技術也將在小排量三缸發(fā)動機上一展身手。

說到發(fā)動機的可變排量技術，人們就一定會想到大排量的美式V8發(fā)動機。美國人想出了一個簡單的方法來實現(xiàn)節(jié)省燃油，那就是在車輛小負荷或怠速運轉時，將V8發(fā)動機的4個汽缸關閉，在駕駛上不會受到影響的同時，使燃油消耗立刻減少。在2005年，克萊斯勒首先將變排量技術MDS（Multi Displacement System）安裝在克萊斯勒300C的HEMI發(fā)動機上。

回顧早期克萊斯勒的HEMI發(fā)動機，它的最大優(yōu)勢在于它比對手更高的燃燒室熱效率。克萊斯勒300C上HEMI發(fā)動機的燃燒室頂部呈半球狀，火花塞安裝在燃燒室的頂部中央，而進排氣門分列在燃燒室兩側，這樣的結構使它的燃燒效率更高，能產(chǎn)生更強大的功率。這款5.7L HEMI V8發(fā)動機除了具有半球狀燃燒室這一顯著的傳統(tǒng)特征外，還采用了可變排量MDS系統(tǒng)和每缸雙火花塞設計，通過改變排量使300C的燃油經(jīng)濟性提高了20%。MDS的作用是當不需要大馬力時可以只用4個汽缸工作，需要大馬力時再轉換為8個汽缸工作。

變排量系統(tǒng)能使發(fā)動機在4缸運行模式和8缸模式之間相互轉化，使得發(fā)動機能兼顧高性能和低油耗兩方面要求。HEMI是怎樣改變排量的呢？原來是通過鎖止液壓挺柱，使氣門保持關閉，從而關閉汽缸。在24～131km/h之間勻速行駛時少量燃油會噴入四個不工作的汽缸內(nèi)，為的是保持汽缸的工作溫度。隨著2011款克萊斯勒Dodge Challenger SRT8 392的發(fā)布，新一代HEMI V8（345kW/639Nm）也展現(xiàn)在人們面前，這款V8發(fā)動機仍然保持了變排量技術，再加上傳動系統(tǒng)效率的提升，使其在高速公路的燃油消耗降低了15%，油耗只有10.2L/100km。

在2008年，通用汽車公司宣布將為16款車型配備發(fā)動機變排量技術。該技術的工作原理即在汽車勻速行駛或遭遇長時間堵車時，通過關閉部分發(fā)動機汽缸以減少油耗。當汽車的車速超過30km/h，發(fā)動機轉速在3000rpm以下時，發(fā)動機只需要其中的4個汽缸正常工作；而當加速或需要更大功率時，被停掉了的氣門和燃油噴射系統(tǒng)會被瞬間激活。在2012年8月，通用宣布在2013款雪佛蘭皮卡Silverado上搭載了可關閉4個汽缸的5.3L V8發(fā)動機。據(jù)通用公司官方資料顯示，截止到2012年，就有將近460萬臺V8發(fā)動機采取了變排量技術AFM（Active Fuel Management）。

對于2014款GMC全尺寸皮卡Sierra 1500來說，匹配了全新一代EcoTec3發(fā)動機——4.3L V6、 5.3L V8 和6.2L V8發(fā)動機，它們都安裝了AFM系統(tǒng)，也就是說在小負荷時采取4缸運轉以節(jié)省燃油。對于Sierra來說，采用的第二代AFM帶來了更順滑的停缸過程和更多的4缸使用頻率。這3款大排量發(fā)動機還安裝在皮卡Chevrolet Silverado、Suburban、Tahoe和Cadillac Escalade SUV等車型上。

2014年12月，安裝在通用2015款Corvette Stingray上的LT1 6.2L V8發(fā)動機獲得了2015年世界十佳發(fā)動機稱號（WARD’S10 Best Engines），而且這款發(fā)動機在2014年也獲得了這一稱號，也使Corvette Stingray成為著名的運動車。這款發(fā)動機的最大功率達到336kW，Corvette Stingray從靜止加速到100km/h只用時3.8s，在匹配8AT或7MT情況下高速公路的平均油耗只有8.1L/100km。這款6.2L LT1 V8發(fā)動機也成為第7代Corvette的核心，AFM也是這款發(fā)動機的利器之一。

在當今這個精打細算的年代，小排量發(fā)動機是否也可以應用變排量技術呢？隨著2012年新Polo的面世，大眾給我們帶來了變排量發(fā)動機新貌。新Polo Blue GT 搭載最大功率輸出103kW的1.4L TSI渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機，匹配7擋DSG雙離合變速器，它的平均油耗可達到4.5L/100km，CO2排放量是105g/km。新Polo Blue GT的最高速度為210km/h，百公里加速僅為7.9s。之所以既有動力又省油，正是因為TSI 發(fā)動機搭載了ACT （Active Cylinder Management）主動汽缸管理技術，它正是這款車型的一大技術亮點——該系統(tǒng)可在發(fā)動機中低負荷運轉狀態(tài)下關閉第二缸和第三缸 。新Polo Blue GT每百公里降低油耗0.4L左右，在第三擋或第四擋以50km/h的速度勻速行駛時，其百公里節(jié)油量可達1L。大眾汽車是第一家在四缸發(fā)動機中采用主動汽缸管理系統(tǒng)作為節(jié)油技術的汽車制造商，隨著變排量技術在小排量發(fā)動機上的發(fā)展，為經(jīng)濟性轎車帶來了更實惠的節(jié)油技術。

在2012年9月奧迪發(fā)布了在V8發(fā)動機上搭載了變排量技術COD（Cylinder On Demand technology）。在2013年10月，隨著新A8在德國的上市，新一代V8和W12發(fā)動機也揭開了面紗。4.0L TFSI V8發(fā)動機功率提升了11kW達到320kW，從1500～5000rpm輸出峰值扭矩600Nm。使新A8從靜止加速到100km/h只用時4.5s，而A8 L用時4.6s。而在COD的作用下，A8的綜合平均油耗只有9.1L/100km，相當于CO2排放量只有213g/ km，A8 L是9.2L/100km和216g/km。奧迪表示，在這款車上最顯著的提升效率的裝置就是COD系統(tǒng)。在部分負荷時，通過關閉氣門、停止點火和噴油來停止4個汽缸的工作。當只有4個汽缸工作時，為了補償增加的發(fā)動機噪聲，奧迪還采取了主動噪聲消減ANC（Active Noise Cancellation）技術，在駕駛艙播放精確反向聲波來減小噪聲；并且?guī)p振功能的發(fā)動機支架會抑制只有4個汽缸工作帶來的振動。

A8 L搭載的W12也革新地配備了COD系統(tǒng)。這款6.3L自然吸氣汽油發(fā)動機即使在輕量化的設計后重量也達到了234kg，其峰值功率和扭矩達到368kW/625Nm，使A8 L從靜止加速到100 km/h只用時4.6s。在250Nm以下的低負荷或發(fā)動機轉速在3000rpm以下時，控制系統(tǒng)會關閉左側或者右側的汽缸，而當斷缸時間過長時，也會點燃關閉的汽缸以保持汽缸工作溫度。對于搭載這款有著12個汽缸的W12發(fā)動機的A8 L來說，綜合平均油耗只有11.3L/100km，CO2 排放量只有264g/km。

2014年上市的奧迪新S6也采用了331kW 4.0 TFSI雙增壓V8發(fā)動機，使其從靜止加速到100 km/h 只用4.4s，平均油耗只有9.2L/100km，對應的CO2 排放量是214g/km，這種高效與低油耗、低排放的融合正是變排量COD技術的功效。在奧迪RS 6 Avant上，4.0 TFSI最大功率達到412 kW，使它從靜止加速到100 km/h只用時3.9 s，而在COD 的功效下，綜合平均油耗只有9.6 L/ 100 km。

2014年也是奧迪在2010年發(fā)布的A7 Sportback換代之年，其動力上的更新也是必然的，同樣采用了帶COD功能的331kW和412kW 4.0L TFSI發(fā)動機，這兩款發(fā)動機不但動力提升了，油耗還有了16%的下降。

而在2014年，當奧迪新A3上市時，提供了4款TFSI發(fā)動機供選擇，其中新增加的就有帶COD功能的110 kW高功率版1.4L TFSI發(fā)動機。這款發(fā)動機綜合了高效的節(jié)油技術，除了增壓直噴、起/停技術外，COD也成為標準配置，使其CO2 排放量只有109g/km。在低負荷巡航時，氣門升程調(diào)節(jié)裝置會關閉第二、三缸的氣門。COD系統(tǒng)在發(fā)動機轉速為1400～4000rpm和扭矩需求在100Nm以下時啟動。和大眾ACT技術一樣，在凸輪軸上有兩個不同的凸輪來對應可關閉汽缸的氣門，由電磁閥來控制。當COD工作時，也就是凸輪軸零升程的惰性凸輪在工作，進、排氣門都處于關閉位置，同時，噴油器也不工作。只要駕駛者一用力踩下加速踏板，凸輪軸立刻發(fā)生軸向移動，恢復到4缸工作狀態(tài)。在標準測試情況下，使A3每100 km減少0.4L燃油消耗，當駕駛者溫和駕駛時，節(jié)油效果可以達到20%。而作為標配的新一代起/停系統(tǒng)可以使每100km減少0.3L燃油消耗。這兩項加起來的節(jié)油效果是相當顯著了。

實現(xiàn)變排量，對發(fā)動機做相應的調(diào)校也是必需的，不但要在點火順序和動力平衡方面做出調(diào)整，還需要凸輪軸部分凸輪和氣門實現(xiàn)解耦，使氣門保持停止狀態(tài)。當前的技術是指定特定的汽缸實現(xiàn)停缸，而舍弗勒正在開發(fā)一個新的概念——允許四沖程發(fā)動機實現(xiàn)汽缸滾動參與停缸，它的優(yōu)勢不僅可以實現(xiàn)汽缸內(nèi)更好的溫度均衡，保證發(fā)動機運轉的均衡，還可以在三缸發(fā)動機上實現(xiàn)停缸技術。

克萊斯勒、通用使用了可切換氣門挺柱，戴姆勒-AMG采用可切換氣門搖臂支持件，大眾采用凸輪軸位移來實現(xiàn)變排量，舍弗勒則采用全可變電液氣門機構UniAir實現(xiàn)了對氣門的單獨控制，為滾動式停缸創(chuàng)造了條件。UniAir不僅全可變控制調(diào)節(jié)氣門升程，還能完全停止氣門開啟。

減少油耗的方法之一就是減小發(fā)動機排量，而按照熱力學理論，單缸的理想容積在400～500ml之間，因此單缸排量基本被限定，所以減少排量的方法就是發(fā)動機小型化，減少汽缸數(shù)。臨時停缸提供了一種非常有吸引力的折中方案，行駛中改變發(fā)動機排量實現(xiàn)了發(fā)動機的“臨時小型化”，達到了節(jié)油減排的目的，而且這套系統(tǒng)也可比較簡單地整合到現(xiàn)有的發(fā)動機當中，也不會給駕駛者帶來駕駛差異，還保持了良好的駕駛樂趣和舒適性。

將來即使是三缸發(fā)動機也能從中獲得效益，實現(xiàn)1.5缸停缸，所以變排量技術正在成為一種節(jié)能減排的良好方案。汽油發(fā)動機在部分負荷時因為關閉部分汽缸而帶來了良好的節(jié)油效果，今天的電控柴油發(fā)動機是否也可以在不需要大負荷時關閉部分汽缸來減少不必要的能源消耗呢？若可以，那將會更加突出柴油發(fā)動機的節(jié)油特性。