汽油機(jī)停缸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析

顏偉，陳龍華，王錦艷，郜昊強(qiáng)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽油機(jī)停缸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析

顏偉，陳龍華，王錦艷，郜昊強(qiáng)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)動(dòng)機(jī)停缸技術(shù)（CDA)對汽車的節(jié)能減排有重要作用，是改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)之一。文章從理論上分析了停缸技術(shù)在汽車上應(yīng)用的必要性以及技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及存在的問題，總結(jié)了停缸技術(shù)的實(shí)施方案，并闡述了停缸技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

發(fā)動(dòng)機(jī)；停缸；節(jié)油

Abstract:Engine cylinder deactivating technology (CDA) plays an important role in automobile energy saving and emission reduction. It is one of the important technologies to improve the fuel economy of automobile. This paper analyzes the necessity of the application of cylinder deactivation technology in automobile theoretically, technology development status and existing problems, and sums up the implementation plan of cylinder deactivation technology. Finally it expounds the development trend of the future cylinder deactivating technology.

Keywords: engine; Stop cylinder; fuel-efficient

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-242-03

概述

車用發(fā)動(dòng)機(jī)工作的范圍廣，大負(fù)荷時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性較好，中小負(fù)荷時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性較差。固定排量的發(fā)動(dòng)機(jī)很難同時(shí)兼顧車輛高速動(dòng)力性和低速燃油經(jīng)濟(jì)性。一般情況為了保證車輛動(dòng)力性和環(huán)境適應(yīng)性，發(fā)動(dòng)機(jī)的排量會適當(dāng)選大一點(diǎn)；然而日常生活中，車輛經(jīng)常在低速行駛（市區(qū)、紅燈等），此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。停缸技術(shù)可有效解決這一矛盾問題。停缸技術(shù)也稱可變氣缸排量技術(shù)，是指發(fā)動(dòng)機(jī)處在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過相關(guān)機(jī)構(gòu)、策略控制或切斷部分氣缸的燃油供給、點(diǎn)火和進(jìn)排氣，停止其工作，使剩余工作缸運(yùn)行在效率較高的高負(fù)荷率區(qū)域，達(dá)到節(jié)油的目的；當(dāng)急加速或爬坡需要加大動(dòng)力時(shí)，又會啟動(dòng)所有氣缸，快速提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。停缸技術(shù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油的有效技術(shù)手段之一，早在20世紀(jì)初就已有應(yīng)用，但并未大批量推廣。隨著電控技術(shù)的發(fā)展以及油耗法規(guī)的持續(xù)加嚴(yán)，此項(xiàng)技術(shù)重新獲得汽車公司的重視。

1 停缸技術(shù)的節(jié)油原理

對比停缸前后發(fā)動(dòng)機(jī)的能量平衡關(guān)系，可以詳細(xì)分析出停缸節(jié)油的理論根據(jù)：

（1）為了得到相同的扭矩輸出，停缸后發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度會增加，這將大幅減小發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。

（2）停掉的氣缸由于由于沒有燃燒膨脹做功沖程，因而也沒有由燃燒引起的摩擦損失。

（3）由于停缸后節(jié)氣門開度增大，進(jìn)氣節(jié)流效應(yīng)減弱，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加，這將提高缸內(nèi)混合氣的燃燒效率。

（4）停缸后參與燃燒的氣缸數(shù)減少，則混合氣燃燒過程與氣缸壁相接觸的傳熱面積會減少，相應(yīng)傳熱損失也會減小。

綜合來講停缸節(jié)油效果主要由兩方面帶來的：發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失的減小，表面?zhèn)鳠釗p失的降低。泵氣損失示功圖如下。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)停缸前后泵氣損失

根據(jù)福特的研究，發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失的節(jié)油效果在隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大逐漸減小。在低負(fù)荷通過降低泵氣損失可節(jié)油高達(dá)15%。在中低負(fù)荷停缸時(shí)，表面?zhèn)鳠釗p失會減小，在高負(fù)荷停缸時(shí)，由于爆震的影響，傳熱損失會增大。

圖2 某發(fā)動(dòng)機(jī)1500rpm停缸的節(jié)油效果

由圖2可知，在低負(fù)荷時(shí)停缸節(jié)油效果較好，這時(shí)泵氣損失節(jié)油效果顯著，同時(shí)表面?zhèn)鳠釗p失降低也帶來一定節(jié)油效果；高負(fù)荷時(shí)停缸的節(jié)油效果明顯下降，一方面泵氣損失的節(jié)油效果減弱，另一方面由于燃燒的惡化，表面?zhèn)鳠釗p失大大增加，油耗增加。另外停缸的節(jié)油效果主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系不大。

2 停缸技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)

2.1 停缸的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)

停缸技術(shù)應(yīng)用的一大難點(diǎn)就是停閥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、布置空間以及由此帶來的其他零部件的改動(dòng)。目前停缸技術(shù)的研究和應(yīng)用主要基于液壓挺柱閥系結(jié)構(gòu)，基于機(jī)械挺柱閥系結(jié)構(gòu)的停缸技術(shù)報(bào)道較少。下面的技術(shù)方案也主要是針對液壓挺柱結(jié)構(gòu)。目前主流的停缸機(jī)構(gòu)原理上主要有兩種，一種是液壓搖臂式停缸機(jī)構(gòu)，一種是凸輪移位式停缸機(jī)構(gòu)。

伊頓公司采用的就是典型的液壓搖臂式停缸機(jī)構(gòu)。其核心部件包括停缸搖臂、多油路的液壓挺柱以及油壓控制閥。停缸系統(tǒng)零部件構(gòu)成如下圖3所示。停缸搖臂結(jié)構(gòu)如下圖4所示。

圖3 停缸系統(tǒng)零部件布置圖

圖4 停缸搖臂結(jié)構(gòu)圖

正常工作情況下，外搖臂里的鎖止銷在彈簧作用下自然伸出，將內(nèi)搖臂和外搖臂連為一體，液壓搖臂兩端都有支撐，這樣凸輪軸的的驅(qū)動(dòng)力可通過搖臂順利傳遞到氣門。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于停缸狀態(tài)時(shí)，液壓電磁閥控制給油腔充油，彈簧在油壓作用下回縮，鎖止銷也同步回收，內(nèi)外搖臂實(shí)現(xiàn)分離，液壓搖臂只有一端有支撐，無法驅(qū)動(dòng)氣門。

凸輪移位式停缸方案的典型就是大眾。大眾AVS 停缸技術(shù)設(shè)計(jì)了可軸向滑動(dòng)的套筒式凸輪軸機(jī)構(gòu)，套筒與內(nèi)部凸輪軸通過花鍵間隙配合，套筒上設(shè)計(jì)有不同升程的凸輪，控制套筒的移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)多段式氣門升程。套筒上加工有螺旋式溝槽，電磁控制機(jī)構(gòu)通過卡銷與螺旋溝槽的配合，推動(dòng)套筒的軸向移動(dòng)來決定哪個(gè)凸輪與搖臂貼合。零升程的凸輪與搖臂接觸時(shí)，氣門關(guān)閉、氣缸停缸。

圖5 大眾AVS停缸機(jī)構(gòu)

液壓挺柱式停缸機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是在小排量發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較方便，不太受限于發(fā)動(dòng)機(jī)缸心距的影響。缺點(diǎn)一方面是需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的油路，系統(tǒng)的響應(yīng)受油壓的限制；另一方面停缸搖臂相對較寬，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸軸承蓋設(shè)計(jì)在兩氣門之間，這樣凸輪軸軸軸承蓋的位置被擠占，由此帶來很大的設(shè)計(jì)變動(dòng)。

凸輪移位式停缸機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是在大排量發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較方便，不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的油路，運(yùn)行不受系統(tǒng)油壓的影響，且設(shè)計(jì)變動(dòng)相對較小。缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)較復(fù)雜的凸輪移位機(jī)構(gòu)，小排量發(fā)動(dòng)機(jī)由于缸心距較小，布置較困難。

2.2 停缸對NVH的影響

停缸技術(shù)應(yīng)用的另外一大難點(diǎn)就是停缸后整車NVH的控制。發(fā)動(dòng)機(jī)停止幾個(gè)缸工作后，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火間隔增大，激振頻率降低，而低頻振動(dòng)會更加接近發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)較低的固有頻率，更趨向于形成共振。因此周期性強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率降低，而振幅增大。導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加劇，傳遞到座椅和方向盤等，使舒適性降低。同樣因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火間隔增大，進(jìn)氣和排氣頻率降低，進(jìn)排氣系統(tǒng)消聲器消聲頻率有一定范圍，且對低頻噪聲消聲效果較差，停缸后恰恰增加了低頻噪聲，因此進(jìn)排氣噪聲惡化。根據(jù)福特在一臺V10發(fā)動(dòng)機(jī)上的研究，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速500r/m,平均有效壓力為0.8MPa的工況點(diǎn)，停止一半氣缸工作后，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩波動(dòng)的頻率減小了一半，波幅增加了一倍多，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加劇。

圖6 停缸前后曲軸輸出扭矩對比

針對停缸帶來的NVH問題，發(fā)動(dòng)機(jī)本體上一方面可優(yōu)化曲軸平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比如曲軸平衡結(jié)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)減震器結(jié)構(gòu)、飛輪結(jié)

構(gòu)等。另一方面可對前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，比如輪系的布局，各帶輪之間的皮帶跨距，皮帶的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，以及采用OAP技術(shù)等。

除了發(fā)動(dòng)機(jī)本體之外，還需要通過限制停缸工作范圍來減小 NVH的不良影響。根據(jù)福特公司的研究怠速、暖機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)1000rpm以下等工況不宜進(jìn)行停缸。

3 汽油機(jī)停缸技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著油耗和排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，停缸技術(shù)由于其性價(jià)比較高，未來將成為一項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)配技術(shù)。

目前停缸技術(shù)主要應(yīng)用在 6缸及以上發(fā)動(dòng)機(jī)上，隨著NVH控制水平的提升，4缸以及3缸發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用將越來越多。

當(dāng)前量產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)停缸技術(shù)基本采用的是固定停缸的模式，比如4缸發(fā)動(dòng)機(jī)停固定的1，4缸或者2，3缸，未來動(dòng)態(tài)停缸技術(shù)將是一個(gè)趨勢，4缸發(fā)動(dòng)機(jī)可停3缸、2缸、1缸，停缸方式組合如下圖。采用動(dòng)態(tài)停缸技術(shù)后氣缸排量改變的自由度將更大。

圖7 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)停缸模式組合

4 結(jié)語

汽油機(jī)停缸技術(shù)由于其較高的性價(jià)比，在國外已經(jīng)比較成熟，尤其在6缸及以上發(fā)動(dòng)機(jī)上。隨著NVH技術(shù)和電控技術(shù)的發(fā)展，停缸工作范圍的擴(kuò)展以及系統(tǒng)成本的降低，停缸技術(shù)將越來越多的應(yīng)用在產(chǎn)量更多的4缸和3缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，成為標(biāo)配技術(shù)，從而帶來更大的節(jié)能減排效應(yīng)。

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Development status and trend analysis of gasoline engine cylinder deactivating technology

Yan Wei, Chen Longhua, Wang Jinyan, Gao Haoqiang
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-242-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.085

顏偉（1984-），男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。研究方向?yàn)槠蜋C(jī)節(jié)能技術(shù)研究。