缸內(nèi)直噴汽油機(jī)進(jìn)一步降低燃油消耗率的低節(jié)流氣門技術(shù)的評(píng)估和比較

【英】 P.FREELAND G.JONES M.E.KASSEM R.KAISER【中】 R-S.CHEN L-W.HUANG

0 前言

內(nèi)燃機(jī)的顆粒物排放和氮氧化物(NOx)排放影響空氣質(zhì)量,同時(shí)內(nèi)燃機(jī)對(duì)化石燃料有著高度依賴,這些問題需要解決,以確保人們的生活品質(zhì),將內(nèi)燃機(jī)對(duì)人類健康和環(huán)境的影響最小化。為達(dá)到這一目的,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的效率、燃燒的清潔性和排氣后處理的效能進(jìn)行了大量研究并取得了極大的進(jìn)步。有必要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行更為詳細(xì)的研究和優(yōu)化,使之與空氣質(zhì)量、溫室氣體作用和自然資源管理等方面的全球性目標(biāo)相一致。

相關(guān)法規(guī)極大地推進(jìn)了這種進(jìn)展,但是法規(guī)關(guān)注的地區(qū)性差異造成了多樣的甚至是沖突的目標(biāo)。例如,歐洲對(duì)CO2排放的強(qiáng)烈關(guān)注促使一段時(shí)間內(nèi)對(duì)柴油機(jī)保有量增長的依賴,以滿足車隊(duì)的平均目標(biāo)。最近,對(duì)空氣質(zhì)量、成本、效率更為關(guān)注,將要實(shí)施的實(shí)際道路行駛排放(RDE)法規(guī),意味著今后柴油機(jī)對(duì)車隊(duì)降低平均CO2排放的貢獻(xiàn)率將會(huì)下降。這顯然需要提高汽油機(jī)的基礎(chǔ)效率,使其達(dá)到或超過柴油機(jī)之前的CO2低排放水平。

為此,探索了多種方法。在歐洲和中國市場,備受關(guān)注的是車輛動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化技術(shù),其在能源回收、扭矩平順性方面具有直接優(yōu)勢。假如電網(wǎng)供電成熟,在短途行程方面插電式混動(dòng)車(PHEV)和純電動(dòng)車(BEV)技術(shù)具有進(jìn)一步發(fā)展的潛在優(yōu)勢[1]。然而,實(shí)際上這些優(yōu)勢會(huì)受到電能系統(tǒng)的質(zhì)量、效率和成本限制。追求純電動(dòng)車輛長續(xù)航里程時(shí),這些限制因素會(huì)被放大。

過去十年,內(nèi)燃機(jī)小型化通過負(fù)荷點(diǎn)的移動(dòng)對(duì)降低燃油消耗率具有非常好的作用,據(jù)報(bào)道,車輛燃油消耗率改善約24%[2]。隨著增壓系統(tǒng)的發(fā)展,以及為加強(qiáng)扭矩輸出和瞬態(tài)響應(yīng)而開發(fā)的混合增壓系統(tǒng)的應(yīng)用,這種趨勢會(huì)進(jìn)一步持續(xù)。然而,高負(fù)荷工況的燃油消耗率通常被發(fā)動(dòng)機(jī)高水平功率的增壓需求所折中,需要另外的技術(shù)以確保駕駛的靈活性[3]。

實(shí)際上,為實(shí)現(xiàn)各種駕駛工況下的最佳燃油消耗率和排放特性,需要優(yōu)化整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),同時(shí)避免在使用靈活性方面受到限制,需要共同使用上述方法,達(dá)到最佳協(xié)同,不因系統(tǒng)限制而進(jìn)行折中。因此,本研究考慮了1種結(jié)合氣門技術(shù)[4]、低摩擦技術(shù)、非過度增壓的適度小型化方法,將其作為最佳方案,建立并驗(yàn)證了該方法的潛力,同時(shí)詳細(xì)了解并探討了氣門技術(shù)及其潛力。

1 目標(biāo)

概念機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī))項(xiàng)目用于評(píng)估和開發(fā)2020年及以后中國小轎車市場車輛認(rèn)證需求所適用的一系列技術(shù),本研究為該項(xiàng)目的一部分。

開發(fā)的主要目標(biāo)是證實(shí)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù),這些技術(shù)結(jié)合其他車輛技術(shù)具有使中型小轎車在新歐洲循環(huán)測試(NEDC)工況下燃油消耗實(shí)現(xiàn)小于百公里5.51 L的潛力。

為此,本研究擬定、設(shè)計(jì)、采購并驗(yàn)證了定制的發(fā)動(dòng)機(jī)硬件,同時(shí)探討了被評(píng)估的氣門技術(shù)及其所達(dá)到的燃油消耗率。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)詳述

概念機(jī)為4缸中央直噴汽油機(jī)。該汽油機(jī)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能小的燃油消耗率,同時(shí)達(dá)到先進(jìn)的性能水平,小型化后功率大于105 k W/L。所選概念機(jī)的基本尺寸和規(guī)格如表1所示。

表1 所選概念機(jī)的基本尺寸和規(guī)格

德國皮爾博格公司提供用于控制進(jìn)氣門升程和持續(xù)期的裝置[5]。該系統(tǒng)根據(jù)控制中間搖臂繞軸旋轉(zhuǎn)的控制軸角度使最大氣門升程在0 mm到完全升起之間變化。

設(shè)計(jì)了該發(fā)動(dòng)機(jī)的控制機(jī)構(gòu),使第二氣缸和第三氣缸的氣門升程減小到0 mm,使這些氣缸實(shí)現(xiàn)停缸。圖1示出各氣缸最大氣門升程隨控制軸角度變化的曲線。

控制軸凸輪型線被分為2部分,轉(zhuǎn)動(dòng)軸第一個(gè)180°對(duì)所有氣缸的氣門進(jìn)行升程控制,第二個(gè)180°重復(fù)2個(gè)氣缸(氣缸1和氣缸4)的氣門升程曲線,但是剩下的氣缸(氣缸2和氣缸3)升程為0 mm。如此,可以實(shí)現(xiàn)氣缸停缸(CDA)或“半發(fā)動(dòng)機(jī)”運(yùn)行,與可變氣門升程控制和持續(xù)期控制結(jié)合使用。為此,在第二缸和第三缸裝有使排氣門停止工作的可拆式液力間隙調(diào)節(jié)器,并通過作用于鎖銷的機(jī)油壓力進(jìn)行開關(guān)。

圖1 皮爾博格氣門上升系統(tǒng)的氣門升程隨控制軸角度的變化(展示了4缸和氣缸停缸的負(fù)荷控制區(qū)域)

由于進(jìn)氣門早關(guān)(EIVC)和停缸使用同一硬件,使得該系統(tǒng)成為評(píng)估同一發(fā)動(dòng)機(jī)上同時(shí)使用這兩種方法的相對(duì)優(yōu)勢和協(xié)同作用的最佳工具。相應(yīng)地,該系統(tǒng)在試驗(yàn)時(shí)基本準(zhǔn)備就緒,使得該樣機(jī)成為驗(yàn)證量產(chǎn)設(shè)計(jì)選擇的理想工具[6]。

3 全可變配氣機(jī)構(gòu)

圖2示出了可變進(jìn)氣門升程系統(tǒng)的主要零部件。

圖2 安裝于概念機(jī)缸蓋內(nèi)的皮爾博格氣門升程系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)

氣門升程驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氣門升程的無限可變控制,使其從0 mm到完全升起。帶有液力間隙調(diào)節(jié)器(HLA)的低摩擦液壓可變搖臂(RFF)以極為傳統(tǒng)的方式打開氣門。然而,為實(shí)現(xiàn)氣門升程的可變性和持續(xù)性,在凸輪軸和液壓可變搖臂之間介入了中間搖臂。中間搖臂在固定導(dǎo)向裝置上的滑動(dòng)會(huì)改變中間搖臂的支點(diǎn)位置,通過控制軸上的偏心凸輪型線進(jìn)行控制。升程變化如圖3所示。

圖3 氣門上升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

圖3 (a)中,進(jìn)氣凸輪的接觸點(diǎn)在基圓上,進(jìn)氣門為關(guān)閉狀態(tài)。上升氣門中間搖臂通過型線表面(包括與旋轉(zhuǎn)搖臂同心的非上升部分,以及與旋轉(zhuǎn)搖臂不同心的上升部分,從而可偏轉(zhuǎn)至液壓可變搖臂)作用于傳統(tǒng)的液壓可變搖臂。

圖3(b)中,控制軸S旋轉(zhuǎn)到最大升程位置,將上升氣門搖臂RS橫向移動(dòng)到右邊。隨著進(jìn)氣凸輪軸N旋轉(zhuǎn)并偏轉(zhuǎn)搖臂RN,氣門上升搖臂的支點(diǎn)運(yùn)動(dòng)H足以驅(qū)動(dòng)氣門搖臂型線表面A的上升運(yùn)動(dòng),下壓液壓可變搖臂R,從而打開進(jìn)氣門。

為了實(shí)現(xiàn)不同的氣門升程和持續(xù)期,控制軸S旋轉(zhuǎn)將上升氣門搖臂RS移向固定導(dǎo)向裝置K的不同位置。如此改變上升氣門搖臂RS的轉(zhuǎn)移量,以及表面A上升的程度,將液壓可變搖臂R下壓。從圖3(c)中可以看出,在零升程位置凸輪完全偏轉(zhuǎn)時(shí)氣門上升搖臂僅移動(dòng)在波狀表面A的零升程范圍。隨著控制軸旋轉(zhuǎn)(圖3(d)),上升氣門搖臂移向右邊,上升氣門搖臂RS和固定導(dǎo)向裝置K的接觸點(diǎn)在K的圓形曲線上移動(dòng),進(jìn)一步使搖臂RN位于凸輪包角型線范圍內(nèi),如此,上升氣門搖臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與隨著液壓可變搖臂R運(yùn)動(dòng)的曲線表面A的上升部分相吻合?？刂戚S曲線設(shè)計(jì)以及固定導(dǎo)向裝置表面與液壓可變搖臂轉(zhuǎn)子中心同心的設(shè)計(jì)使氣門升程無限可變,在運(yùn)行期間可進(jìn)行持續(xù)調(diào)節(jié)。

圖4中,H為全升程曲線。S為凸輪從動(dòng)件升程。S和H的打開部分決定了搖臂凸角的型線表面。因此,隨著搖臂凸角型線向后移動(dòng),H的閉合齒面完成了另一半凸輪旋轉(zhuǎn)過程。

圖4 氣門運(yùn)動(dòng)學(xué)

每個(gè)氣門都有各自的氣門上升搖臂,可以獲得單獨(dú)的凸輪型線、控制軸和工作包角。因此,該系統(tǒng)可以滿足各種氣門開啟的需求,例如通過每缸不同的氣門升程來實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷下的不同充氣運(yùn)動(dòng)。

不同氣缸之間氣門控制的獨(dú)立性也為停缸提供了可能性。控制軸旋轉(zhuǎn)一半時(shí),所有氣缸都可使負(fù)荷控制氣門升程,控制軸旋轉(zhuǎn)另一半時(shí),控制曲線使2個(gè)氣缸(第二氣缸和第三氣缸)具有零升程,剩下的2個(gè)氣缸具有負(fù)荷控制可變氣門升程。

3.2 制動(dòng)器和控制

圖5示出控制氣門上升系統(tǒng)所用的零部件。采用無刷執(zhí)行器A和1個(gè)蝸桿調(diào)整并控制控制軸S的位置。控制軸末端裝有磁鐵,通過霍爾傳感器進(jìn)行位置顯示。傳感器和執(zhí)行器連接于將發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)負(fù)荷控制需求參數(shù)轉(zhuǎn)化為氣門位置的氣門控制單元(VCU),并將氣門控制參數(shù)反饋于EMS。

圖5 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和零部件

在適當(dāng)?shù)呢?fù)荷工況下,使用專用的氣門控制單元和執(zhí)行器確保控制軸的精確定位,從而保證獲得可預(yù)測的瞬態(tài)性和系統(tǒng)的高可靠性。

發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)決定了預(yù)期的氣門升程,通過總線將其與氣門控制單元相連接。針對(duì)該研究進(jìn)行了相關(guān)的開發(fā)工作,氣門控制單元為單獨(dú)零部件,連接了發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)和氣門上升執(zhí)行器。然而,在生產(chǎn)階段,可以將此功能部分或全部加入發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)控制器。

4 結(jié)果

4.1 測功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝

將采購的幾組硬件,裝入運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)中。將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于能夠測量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油流量、關(guān)鍵溫度和壓力的穩(wěn)態(tài)測功機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于考斯沃斯公司北安普頓工程設(shè)備的測功機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi),如圖6所示。

圖6 安裝于斯沃斯公司北安普頓工程設(shè)備內(nèi)的概念機(jī)

監(jiān)測并記錄氣缸動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù),給出平均壓力指示值、放熱和燃燒品質(zhì)、峰值氣缸壓力和敲缸監(jiān)測信息等。采用博世公司開發(fā)的MED17 EMS發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),能夠控制扭矩模式,為所有發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提供穩(wěn)態(tài)控制功能。

驗(yàn)證基本機(jī)械性能后,對(duì)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了優(yōu)化,在不同區(qū)域的轉(zhuǎn)速/負(fù)荷特性圖內(nèi),評(píng)估了氣門正時(shí)和進(jìn)氣門升程、噴油正時(shí)和軌壓的一般變化趨勢。利用基礎(chǔ)信息及基本認(rèn)識(shí),在各轉(zhuǎn)速和負(fù)荷測試點(diǎn)的通用最佳區(qū)域附近對(duì)各變量進(jìn)行局部掃頻,以此調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和點(diǎn)火正時(shí)。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能

發(fā)動(dòng)機(jī)測試是為了對(duì)渦輪增壓器進(jìn)行選擇,以找出使發(fā)動(dòng)機(jī)具有最佳扭矩曲線的增壓器。最終選擇了基于MHI TD04系列的增壓器,采用改進(jìn)的箱體,壓氣機(jī)直徑為56 mm,渦輪葉輪直徑為47 mm。

采用該增壓器,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1500～4500 r/min,峰值功率有潛力超過210 k W,目標(biāo)扭矩值可達(dá)到360 N·m。

借助該硬件和性能,并對(duì)部分負(fù)荷燃油消耗進(jìn)行了研究,概念機(jī)的性能如圖7所示。

圖7 概念機(jī)性能

4.3 氣門升程和正時(shí)研究

為加強(qiáng)研究發(fā)動(dòng)機(jī)小型化時(shí)氣門技術(shù)的潛力,采用全升程可變的進(jìn)氣門與相位可變的進(jìn)排氣凸輪軸協(xié)同,通過殘余廢氣系數(shù)(通過氣門重疊)和新鮮充氣效率(通過減小氣門持續(xù)期)的共同作用,降低節(jié)流損失。圖8描述了借助該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的氣門升程和正時(shí)調(diào)節(jié)的范圍。

上文描述了一系列氣門升程曲線,進(jìn)氣門升程在凸輪相位范圍從零升程到全升程范圍內(nèi)無限可變。

圖8 皮爾博格公司氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和凸輪相位器控制的氣門升程和氣門正時(shí)

通過綜合研究,了解氣門升程和正時(shí)的作用極限,確定不同轉(zhuǎn)速/負(fù)荷工況下的氣門升程和正時(shí),可最大程度地降低節(jié)氣損失,實(shí)現(xiàn)最小的燃油消耗率。圖9為優(yōu)化后的案例之一,示出了在轉(zhuǎn)速1 000 r/min、平均有效壓力0.1 MPa工況下,燃油消耗率所對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門升程和氣門重疊角度。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min、平均有效壓力0.1 MPa工況下(4缸模式運(yùn)行)燃油消耗率隨進(jìn)氣門升程和氣門重疊的變化

通常,在大多數(shù)部分負(fù)荷工況下,通過最大氣門重疊角可以實(shí)現(xiàn)最小燃油消耗率,在燃燒品質(zhì)折中前,統(tǒng)計(jì)后平均指示壓力的歸一化最小值降到約65%以下或平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)壓力大于0.015 MPa,這個(gè)重疊角是可以接受的。這樣,限制因素通常為可以達(dá)到的穩(wěn)定燃燒的殘余廢氣比例。

氣門開啟持續(xù)期在設(shè)置很小時(shí),基本上可以消除增壓進(jìn)氣節(jié)流,但是,當(dāng)增壓氣體進(jìn)入氣缸時(shí),氣門升程減小會(huì)在進(jìn)氣門上產(chǎn)生明顯且不可逆的流量損失。因此,與大多數(shù)進(jìn)氣門早關(guān)系統(tǒng)相同,無法完全消除進(jìn)氣引起的泵氣損失,高的殘余氣體比例可以使換氣損失最小化。圖10為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)的泵氣功。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-負(fù)荷工況范圍內(nèi)泵氣平均有效壓力等高線

圖10 中低負(fù)荷工況下進(jìn)氣引起的泵氣損失明顯減小,低負(fù)荷下的泵氣功梯度(泵氣平均有效壓力)變化相對(duì)線性且顏色較淺。

圖11示出采用該系統(tǒng)后所測量的燃油消耗率。圖中所示為恒定功率等高線,顯示了各種駕駛工況下,低節(jié)流氣門技術(shù)的適用性。

圖11 在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-負(fù)荷工況范圍內(nèi)所測量的燃油消耗率及恒定功率等高線(4缸運(yùn)行模式)

該氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)具有非常寬泛的低燃油消耗率區(qū)域。燃油消耗率小于300 g/(k W·h)的運(yùn)行范圍占90%。

借助傳動(dòng)裝置可達(dá)到最大車速(傳動(dòng)裝置產(chǎn)生的道路負(fù)荷由圖11中粉色虛線示出),發(fā)動(dòng)機(jī)功率從約20 k W(2 700 r/min)升到180 k W(5 500 r/min),燃油消耗率小于270 g/(k W·h)(有效熱效率為31%)。

較高負(fù)荷工況下,借助超速傳動(dòng),在寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),燃油消耗率小于240 g/(k W·h)(有效熱效率為35%)。

4.4 氣缸停缸研究

試驗(yàn)時(shí),并未完全開發(fā)出用于切入與退出氣缸停缸模式的發(fā)動(dòng)機(jī)管理功能。通過可拆式液力間隙調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)換排氣氣門作用的液壓線路及獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)用于進(jìn)氣門停缸的氣門上升控制軸,然而這些功能對(duì)于協(xié)同停缸仍不可能實(shí)現(xiàn)。因此,目前還無法獲得通過排氣門優(yōu)先關(guān)閉或進(jìn)氣門優(yōu)先關(guān)閉的停缸策略。然而,借助測功機(jī)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)評(píng)估了2個(gè)氣缸停缸、一半發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式時(shí),泵氣損失和燃油消耗所受到的全面影響。目前為止,并未繪制完整的氣缸停缸的發(fā)動(dòng)機(jī)性能圖,需要更多的開發(fā)工作來建立精確的系統(tǒng)運(yùn)行的邊界條件。記錄了6個(gè)部分負(fù)荷點(diǎn)的燃油消耗數(shù)據(jù),以示出總體優(yōu)勢。

在這些工況點(diǎn)上對(duì)比了4缸運(yùn)行和2缸停缸運(yùn)行模式下,發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率,結(jié)果示于圖12和圖13。

試驗(yàn)時(shí),并未建立氣缸停缸所在的精確的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍,但是,將部分測試點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域作為典型有效區(qū)域的代表,并用來充分說明可變氣門升程使氣缸停缸產(chǎn)生優(yōu)勢的程度。

圖12 具有最佳持續(xù)可變氣門升程的4缸運(yùn)行模式下由部分負(fù)荷得到的燃油消耗率等高線

圖13 具有最佳持續(xù)可變氣門升程的2缸停缸運(yùn)行模式下由部分負(fù)荷得到的燃油消耗率等高線

通過等高線計(jì)算所測得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下,2缸停缸和4缸持續(xù)可變氣門升程工況相比的燃油消耗率百分比差值,如圖14所示。在所測范圍內(nèi),與4缸機(jī)僅使用可變氣門升程相比,氣門停缸的燃油消耗率更佳,改善了3%～20%。低負(fù)荷工況下的改善優(yōu)勢最大,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加,優(yōu)勢明顯下降。這反映了采用持續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)時(shí)泵氣損失的程度,因?yàn)檫M(jìn)氣門上存在不可逆的流量損失。

圖14 2缸停缸與4缸持續(xù)可變氣門升程工況相比的燃油消耗率百分比差值

4.5 低節(jié)流氣門技術(shù)的潛力分析

依據(jù)燃燒穩(wěn)定性限制和殘余氣體總量百分比(以及因此所致的重疊角),在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下,各種氣門技術(shù)的相對(duì)改進(jìn)是變化的。作為一種典型對(duì)比,圖15示出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、平均有效壓力為0.2 MPa的工況下,采用各種氣門(低節(jié)流)技術(shù)達(dá)到的燃油消耗率和改善的百分比。

圖15 采用各種低節(jié)流技術(shù)降低的燃油消耗率(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、平均有效壓力0.2 MPa)

氣門全升程，進(jìn)氣和排氣凸輪相位設(shè)置產(chǎn)生最佳的氣門，具有容許的氣門重疊(即殘余氣體百分比)，將此發(fā)動(dòng)機(jī)工況視為基準(zhǔn)，這代表了當(dāng)前絕大多數(shù)量產(chǎn)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)。采用該種結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率超過380 g/(kW·h)。

為了實(shí)現(xiàn)最佳燃油耗，通過減小進(jìn)氣門開啟持續(xù)期(進(jìn)氣門早關(guān)、低節(jié)流)來優(yōu)化氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，燃油消耗率改善10．3%。

停止2缸和3缸的噴油，以模擬“氣缸適度停缸”(這些氣缸不會(huì)產(chǎn)生正功，但是仍有泵氣功損失)及再次達(dá)到設(shè)置點(diǎn)負(fù)荷，燃油消耗率進(jìn)一步改善3．8%。實(shí)際上，該方法僅用于著火氣缸和未著火氣缸的氣流不混合的情況(即在具有單獨(dú)氣缸體的發(fā)動(dòng)機(jī)上或歧管為2個(gè)單獨(dú)渦輪增壓器和催化器總成供氣的直列4缸結(jié)構(gòu))，這樣不會(huì)影響廢氣后處理的有效性。

停止2缸和3缸進(jìn)氣和排氣工作，使氣缸完全停缸，消除這些氣缸造成的泵氣損失(保持氣門升程和持續(xù)期，將其作為氣缸最佳運(yùn)行模式)燃油消耗率進(jìn)一步改善5．8%。

然而，由于工作的氣缸運(yùn)行負(fù)荷較高，而且工作的氣缸著火間隔為360°CA(所有氣缸運(yùn)行時(shí)，著火間隔為180°CA)，燃燒系統(tǒng)的氣門重疊度較大，氣門升程和進(jìn)氣增壓負(fù)荷控制的組合略有不同。針對(duì)這些情況，重新優(yōu)化了氣門升程和持續(xù)期，發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到最佳燃油消耗，下降到低于300 g/(kW·h)，燃油消耗率進(jìn)一步優(yōu)化4．8%。

因此，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min、平均有效壓力0．2 MPa的工況下，與基礎(chǔ)可變氣門正時(shí)相比，氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)氣門早關(guān)使燃油消耗率改善約10．3%，氣缸停缸使燃油消耗率進(jìn)一步改善14．4%(3．8%+5.8%+4．8%)。

5 總結(jié)與結(jié)論

開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1 500 r/min上升到4 500 r/min時(shí)，升功率輸出超過105 kW，平均有效壓力超過2．3 MPa的概念樣機(jī)。

除了通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率實(shí)現(xiàn)小型化之外，通過幾種低節(jié)流氣門技術(shù)，該發(fā)動(dòng)機(jī)顯現(xiàn)出明顯的降低燃油消耗優(yōu)勢。通過氣缸停缸，實(shí)現(xiàn)了燃油消耗率的最大優(yōu)勢。然而，噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)和傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，限制了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣缸停缸方法的工況范圍。另外，在動(dòng)態(tài)駕駛工況下，換檔時(shí)間和駕駛性能會(huì)進(jìn)一步限制氣缸停缸的使用。

在氣缸停缸無法使用時(shí)，氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的低節(jié)流氣門技術(shù)(持續(xù)可變氣門升程技術(shù))仍可大幅降低整個(gè)部分負(fù)荷工況范圍內(nèi)的泵氣損失，有助于在非常廣泛的轉(zhuǎn)速負(fù)荷工況區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)較低的燃油消耗。

氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的低節(jié)流技術(shù)、汽油中央直噴燃油系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)共同作用，使汽油機(jī)在更為廣泛的功率范圍內(nèi)與柴油機(jī)的燃油消耗率相媲美。同時(shí)，通過汽油機(jī)的預(yù)混當(dāng)量比的燃燒過程，確保了更為清潔的燃燒和排放性能。對(duì)于能夠提供最佳車輛燃油耗、CO2和污染物排放的高效靈活動(dòng)力裝置而言，這是理想的技術(shù)結(jié)合體。該技術(shù)明顯有助于利用內(nèi)燃機(jī)的全部優(yōu)勢，確保對(duì)人類健康和環(huán)境影響的最小化。