大眾奧迪轎車V8增壓燃油分層直噴式汽油機（三）

◆文/江蘇　范明強

大眾奧迪轎車V8增壓燃油分層直噴式汽油機（三）

◆文/江蘇范明強

范明強

(本刊編委會委員)

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機的產(chǎn)品開發(fā)；1984年調(diào)往機械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機廠?、第一汽車集團公司無錫研究所高級技術(shù)顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

(接2016年第5期)

十五、汽缸切斷及其節(jié)油效果

汽缸按需工作的汽缸切斷系統(tǒng)，并與發(fā)動機啟停系統(tǒng)相結(jié)合是新的4.0L-V8-TFSI增壓直噴式汽油機降低燃油消耗的一個重要因素。

四根凸輪軸的氣門關(guān)閉是由AVS可變氣門升程系統(tǒng)(參見圖6)實現(xiàn)的：由AVS電磁執(zhí)行器控制可在凸輪軸上來回活動的軸套攜帶著作為附加廓線的零升程凸輪(即具有360°基圓而其廓線升程為零的凸輪片)移動，當零升程凸輪移動到搖臂上方旋轉(zhuǎn)時，不會操縱其下的搖臂動作，氣門彈簧就使氣門保持關(guān)閉狀態(tài)。AVS可變氣門升程機構(gòu)可在一個工作循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，按照V8-TFSI汽油機的點火次序(1-5-4-8-6-3-7-2)每隔一個汽缸被切斷，于是就得到一個經(jīng)調(diào)節(jié)后的汽缸點火次序(1-4-6-7)，從而一列汽缸的內(nèi)側(cè)兩缸氣門(綠色所示)停止動作，而另一列汽缸的外側(cè)兩缸氣門(綠色所示)停止動作(圖13)。這樣，仍處于工作狀態(tài)的汽缸的運行工況點就被移向較高的負荷，因而提高了工作效率，節(jié)油效果大部分是由于充氣消除了節(jié)流而導致的，而摩擦和壁面熱傳導的減少則進一步產(chǎn)生了有利的效果。圖14示出了在不同行駛狀況下汽缸切斷的節(jié)油效果。

圖13　汽缸切斷轉(zhuǎn)換示意圖

圖14　在不同行駛狀況下汽缸切斷的節(jié)油效果

開發(fā)這種汽缸切斷系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)是要讓乘客感覺不到發(fā)動機在所有汽缸和一半汽缸工作之間轉(zhuǎn)換，同時這種轉(zhuǎn)換必須被設(shè)計得將轉(zhuǎn)換瞬間不可避免的短暫的效率損失減小到絕對最小的程度。駕駛員內(nèi)容廣泛的預(yù)告有助于避免例如在環(huán)形交通行駛時發(fā)生非常短暫的對節(jié)油反而不利的汽缸切斷階段。

十六、汽缸切斷的運行范圍

只要滿足下列條件，就屬于汽缸按需工作(COD)系統(tǒng)的運行范圍：

① 冷卻水溫度必須高于門檻值30℃；

② 變速器擋位必須處于3擋或更高擋位；

③ 發(fā)動機轉(zhuǎn)速必須處于960～3 500r/min；

④ 發(fā)動機處于中低負荷時汽缸切斷系統(tǒng)才起作用；根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的不同，其上限大約處于25～40%最大扭矩之間，這相當于160～250Nm之間。

發(fā)動機一半汽缸和全部汽缸運行之間能夠如此快速地轉(zhuǎn)換，以致于在裝用自動變速器的S系列車型上或處于所謂的動態(tài)模式(Dynamic-Modus)時汽缸切斷功能也能被激活。原則上，采用先進的自動車速儀恒速行駛時達到最大的節(jié)油效果。駕駛員能夠從組合儀表的駕駛員信息顯示屏上得知發(fā)動機運行狀態(tài)(圖15)，在發(fā)動機以一半汽缸運行時組合儀表上指示燃油消耗的橫標顯示綠色，因此駕駛員能夠選擇經(jīng)常應(yīng)用4個汽缸節(jié)油運行的行駛模式。

十七、轉(zhuǎn)換過程

當預(yù)告存在相應(yīng)的運行前提條件并且評定行駛狀態(tài)足夠長，因而有節(jié)油效果值得以一半汽缸運行時，發(fā)動機就轉(zhuǎn)換到4個汽缸運行。在轉(zhuǎn)換階段，首先汽缸充量增加到大約兩倍，通過點火時刻在時間上的延遲，使得發(fā)動機的輸出扭矩保持在恒定不變的水平。但是，在這樣的轉(zhuǎn)換階段期間(圖16)，短暫的效率損失是不可避免的。在充量補償完成后，AVS執(zhí)行器就進行控制，從而使得氣門在進氣行程以后就停止動作，噴油也被切斷。在此期間，繼續(xù)工作的汽缸的點火時刻將向早的方向移動，點火角—效率曲線就回跳到其最佳值。在緊接著的4個汽缸運行時，同樣也會因點火角而短暫影響到扭矩，同時例如被切斷汽缸中的氣體彈簧效應(yīng)也會影響到總的扭矩，因而應(yīng)同步修正點火角。其主要的理由之一是較冷的新鮮空氣替代廢氣被封閉在汽缸中就能將氣體彈簧效應(yīng)減小到最小程度，這就改善了扭矩計算的精確度，而且減小了活塞環(huán)的壓緊力，但總的效果是因汽缸中封閉著新鮮空氣，帶有效率損失所提供的扭矩總是有所減小。重新恢復(fù)到8個汽缸運行的過程原則上是與汽缸切斷過程對稱進行的。

為了減少轉(zhuǎn)換時刻所增加的燃油消耗，汽缸切斷明顯在充量建立完成前觸發(fā)。為此，已特意為轉(zhuǎn)換過程開發(fā)了一個調(diào)節(jié)器，它能夠盡可能快速地建立起充量。通過調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)換觸發(fā)的協(xié)調(diào)配合，在汽缸切斷時刻能精確地進行正確的充氣，從而能將轉(zhuǎn)換時間縮短一半以上，使得轉(zhuǎn)換時刻的燃油消耗甚至被降低到三分之一。另一個最佳方案是通過4個汽缸分級退出工作狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換，但是采用這種方法并不能進一步顯著減小轉(zhuǎn)換時刻的效率損失。由于轉(zhuǎn)換時刻所達到的扭矩控制精度，可放棄開啟變速箱變扭器的跨接，從而將避免進一步損害轉(zhuǎn)換期間的燃油消耗。

圖16　汽缸切斷的轉(zhuǎn)換過程示意圖

十八、駕駛員意愿預(yù)告及其預(yù)告參數(shù)

如上文所述，優(yōu)化的轉(zhuǎn)換過程僅使得燃油消耗短時間稍有提高。為了補償這種燃油消耗的增加，則發(fā)動機必須根據(jù)負荷工況點將停留在有利于燃油消耗的以一半汽缸運行的狀態(tài)保持至少4s，那么才值得轉(zhuǎn)換到4個汽缸運行的模式。因此，重要的是要避免極短暫的以一半汽缸運行，其中就要應(yīng)用到駕駛員意愿預(yù)告。駕駛員意愿預(yù)告的基本思想是根據(jù)發(fā)動機電控單元中可提供的測量參數(shù)預(yù)報下一瞬間發(fā)動機的負荷需求。

在開發(fā)相應(yīng)算法的前期，應(yīng)通過相關(guān)的分析查明各個測量參數(shù)對所期望的一半汽缸運行時期長度的重要性。所有由發(fā)動機采集到的測量參數(shù)都被用作輸入?yún)?shù)，例如行駛速度、車速等級、加速踏板位置、制動壓力、轉(zhuǎn)向角度、負荷點和道路坡度等，它們都與駕駛員和汽車行駛狀態(tài)直接相關(guān)聯(lián)。判斷時間點前以及直至判斷時間點的各個不同時刻的這些參數(shù)，及其微分和積分都被用作相關(guān)分析的輸入?yún)?shù)，這樣得到的這些重要的評估參數(shù)是開發(fā)相應(yīng)算法的基礎(chǔ)。

圖17示出了由此所減少的不希望出現(xiàn)的過于短暫而對燃油消耗并非有利的汽缸切斷次數(shù)。這些算法的效率明顯高于轉(zhuǎn)換到4個汽缸運行模式前的總滯后時間，而這種滯后時間也縮短了足夠長的發(fā)動機一半汽缸運行的時間，因而也就減小了節(jié)油潛力。駕駛員預(yù)報的另一個結(jié)構(gòu)分級包括導航數(shù)據(jù)在內(nèi)，因此有可能進一步縮短過于短暫的發(fā)動機一半汽缸運行的時間。

圖17　駕駛員預(yù)報對可避免的過于短暫的汽缸切斷次數(shù)的影響

十九、汽車上的汽缸切斷—主動系統(tǒng)

在熱力學上有意義的范圍內(nèi)應(yīng)用汽缸切斷功能總是與發(fā)動機第二階振動激勵(恰好處于4個汽缸運行模式中的較高負荷)增大聯(lián)系在一起，而這種影響在S系列車型上被兩種主動系統(tǒng)有效地克服了。被稱之為“主動噪聲抵消”系統(tǒng)(ANC=Active Noise Cancellation)采取有針對性地抵消音響的方法來消除不希望有的噪聲，其中應(yīng)用了毀滅性干涉的原理：當兩個頻率相同的波重疊時，它們的振幅彼此相互抵消，為此所需的前提條件是它們的振幅相同而相位彼此相互錯開180°，而抵消音響則由音響裝置的擴音器輻射，但是不管音響裝置打開還是關(guān)閉，主動噪聲抵消系統(tǒng)始終起著作用。與開發(fā)主動噪聲抵消系統(tǒng)的同時，奧迪公司還開發(fā)了第二個系統(tǒng)—主動發(fā)動機支承系統(tǒng)，它能抵消發(fā)動機以4個汽缸運行時所產(chǎn)生的第二階振動，這種支承系統(tǒng)能產(chǎn)生相位正好相反的反振動(圖18)。這種主動發(fā)動機支承系統(tǒng)在始終是所有8個汽缸運行的怠速運轉(zhuǎn)時仍能發(fā)揮作用，此時還能夠消除發(fā)動機的第四階振動。

圖18　降低汽車噪聲的主動系統(tǒng)

(全文完)