停缸技術(shù)節(jié)油分析

李丹 李小堅

摘 要：停缸技術(shù)由于具有較好的節(jié)油效果，正在被越來越多的汽車企業(yè)研究和應(yīng)用；合理選擇停缸工作區(qū)域，既可以達(dá)到節(jié)油效果又可以平衡整車的平順性及NVH。文章從理論上計算停缸區(qū)域的選擇和停缸后的燃油經(jīng)濟(jì)性，為CAE分析停缸后的扭振和后期標(biāo)定點(diǎn)的選擇提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：停缸技術(shù)；節(jié)油；工作區(qū)域

中圖分類號：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-116-02

Abstract： The stop cylinder technology is being studied and applied by more and more automobile enterprises because of its good fuel saving effect. The reasonable selection of the working area of the stop cylinder can not only achieve the efficiency of fuel saving but also balance the ride comfort and NVH of the whole vehicle. This paper theoretically calculates the selection of cylinder stopping area and fuel economy after cylinder stopping， which provides guidance for CAE analysis of torsional vibration after cylinder stopping and selection of calibration point in later period.

Keywords： stop cylinder technology； fuel saving； working condition point

CLC NO.： U461 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-116-02

引言

對于傳統(tǒng)汽車，通過發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)整車節(jié)油的技術(shù)主要有兩種：一是提高發(fā)動機(jī)本身的熱效率，比如豐田的Dynamic Force Enging發(fā)動機(jī)；二是通過控制發(fā)動機(jī)負(fù)荷，讓其運(yùn)行在更低油耗區(qū)域，比如增壓技術(shù)、停缸技術(shù)等。其中，停缸技術(shù)具有較好的節(jié)油效果，正在被各大汽車企業(yè)研究和應(yīng)用。

1 停缸節(jié)油原理

停缸是可變排量技術(shù)的一種方式，為了方便分析停缸前后不同有效排量之間的性能差別，需要使用平均有效壓力這一參數(shù)。平均有效壓力是指單位氣缸工作容積發(fā)出的有效功，是將不同排量發(fā)動機(jī)之間動力性比較的重要指標(biāo)。根據(jù)發(fā)動機(jī)原理，對與四沖程發(fā)動機(jī)來說，平均有效壓力（BMEP）與發(fā)動機(jī)扭矩（Ttq）之間數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

以某四缸發(fā)動機(jī)為例，在某一檔位的車速下，四缸全部工作時發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)為圖1中的A點(diǎn)（2000rpm，BMEP=3bar，BSFC=320g/kW.h）。停2缸后，為了滿足相同工況下車輛對發(fā)動機(jī)的扭矩需求，發(fā)動機(jī)單個缸的平均有效壓力需要提升為原來的2倍，即停缸后發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)將切換到B點(diǎn)（2000rpm，BMEP=6bar，BSFC=269g/kW.h），相對A點(diǎn)發(fā)動機(jī)燃油消耗率降低16%。

2 工作區(qū)域選擇策略分析

根據(jù)上文原理分析可知，實(shí)現(xiàn)停缸節(jié)油的前提是停缸后發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)的比油耗要優(yōu)于停缸前的比油耗。根據(jù)發(fā)動機(jī)原理，發(fā)動機(jī)工作的負(fù)荷越低、油耗越高，這意味著，停缸技術(shù)在低負(fù)荷區(qū)域的節(jié)油效果會比較好。從整車實(shí)際使用角度，車速越低，停缸節(jié)油效果越好，因此，停缸工況點(diǎn)主要范圍主要在發(fā)動機(jī)工作的低負(fù)荷區(qū)域。

3 停缸區(qū)域選擇

3.1 停缸工況點(diǎn)計算

為確定停缸區(qū)域需要對停缸后的工況點(diǎn)進(jìn)行計算。根據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性MAP圖，通過差值法計算停缸后的理論油耗以確定理論的停缸區(qū)域。

差值法即利用線性擬合曲線y=kx+b來計算，其中y代表油耗，單位g/kW.h，x代表BMEP，單位bar。停缸后單缸的BMEP為原來的兩倍，利用不停缸工作時發(fā)動機(jī)的MAP圖，在停缸點(diǎn)前后的兩個工況點(diǎn)的BMEP和BSFC列出y=kx+b的方程，在已知BMEP的情況下，計算BSFC，得到停缸后的理論油耗數(shù)據(jù)。

根據(jù)發(fā)動機(jī)停缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)及發(fā)動機(jī)最大BMEP的要求，計算過程中需要限制最高轉(zhuǎn)速和BMEP的最大值，具體如下：

3.1.1 由于采用凸輪移位的停缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)

基于該機(jī)構(gòu)的工作范圍在4000rpm以下，我們計算的最高停缸轉(zhuǎn)速為4000rpm。

3.1.2 某發(fā)動機(jī)的最大平均有效壓力為18bar

停缸后的平均有效壓力亦不能超過18bar，否則該工況無法工作。

基于以上進(jìn)行計算，通過對比四缸和兩缸下的油耗，得知各轉(zhuǎn)速的停缸臨界點(diǎn)如表一，該臨界點(diǎn)下四缸和兩缸的發(fā)動機(jī)油耗比較接近，負(fù)荷繼續(xù)增大停缸油耗增加；

以2000rpm為例停缸前后的油耗數(shù)據(jù)曲線如圖，紅色方框?yàn)橥８着R界點(diǎn)。2000rpm/99Nm為該工況下的停缸臨界點(diǎn)，負(fù)荷繼續(xù)增加停缸后油耗更大，不適合停缸工作。

3.2 停缸工況MAP圖

根據(jù)各工況點(diǎn)的停缸理論計算，繪制停缸前后的萬有特性MAP圖，從圖3中可以看出停缸后在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷區(qū)域發(fā)動機(jī)節(jié)油效果明顯，發(fā)動機(jī)的低比油耗區(qū)域明顯下移，低油耗區(qū)域增大；

圖3中紅色實(shí)線為停缸區(qū)域分界點(diǎn)，在紅線區(qū)域內(nèi)停缸后發(fā)動機(jī)節(jié)油效果明顯。發(fā)動機(jī)在停缸和不停缸區(qū)間切換會帶來明顯的轉(zhuǎn)速波動，直接影響整車的平順性和NVH，需對該區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的CAE分析和優(yōu)化。

3.3 停缸后節(jié)油計算

按照停缸后發(fā)動機(jī)MAP，對某車匹配該發(fā)動機(jī)進(jìn)行NEDC工況油耗計算，熱機(jī)狀態(tài)下相比不停缸發(fā)動機(jī)節(jié)油8.5%，節(jié)油效果較好。

4 停缸節(jié)油分析結(jié)論

4.1 某發(fā)動機(jī)停兩缸后節(jié)油工況基本分布在100Nm左右以下區(qū)域，負(fù)荷繼續(xù)增大油耗較四缸工作增大，不適合停缸工作；

4.2 停缸后發(fā)動機(jī)的低比油耗區(qū)域明顯下移，低油耗區(qū)域明顯增大，在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷區(qū)域發(fā)動機(jī)節(jié)油效果明顯；

4.3 按照停缸后發(fā)動機(jī)MAP計算，熱機(jī)狀態(tài)下匹配某發(fā)動機(jī)車型節(jié)油8.5%，節(jié)油效果較好。

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