動態(tài)跳躍點(diǎn)火停缸與米勒循環(huán)過程組合的節(jié)油效果

1 動態(tài)跳躍點(diǎn)火

動態(tài)跳躍點(diǎn)火(DSF)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)停缸的1種可靠方法。這種系統(tǒng)通過減少部分負(fù)荷時的換氣損失能顯著降低燃油耗，DSF利用軟件算法使個別氣缸在一些工作循環(huán)中點(diǎn)火而在另一些工作循環(huán)中不點(diǎn)火。DSF通過不斷調(diào)整點(diǎn)火工作循環(huán)的點(diǎn)火密度使發(fā)動機(jī)以最佳效率運(yùn)行，同時確保在剛性、振動-噪聲-平順性(NVH)等方面有嚴(yán)格的量產(chǎn)技術(shù)要求。DSF停缸法在設(shè)計(jì)上可采用所有的可變氣門機(jī)構(gòu)方案來實(shí)現(xiàn)，并能用于輕度混合動力系統(tǒng)和柴油機(jī)上。

為了適應(yīng)總的發(fā)展趨勢，也為了能在常規(guī)動力總成系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)DSF提高效率的潛力，美國Tula公司開發(fā)了1種使米勒循環(huán)與DSF相結(jié)合的方法(mDSF)，這種新技術(shù)將停缸與米勒循環(huán)相組合，從而使工作循環(huán)的CO2排放降低了10%～12%。mDSF能更好地控制內(nèi)燃機(jī)的扭矩特性曲線，因而能優(yōu)化NVH特性，并同時提高效率。

2 動態(tài)跳躍點(diǎn)火與米勒循環(huán)的協(xié)同效果

采用米勒循環(huán)的汽油機(jī)因減小了換氣損失，增加了膨脹功，因而顯著降低了燃油耗。Audi公司目前采用米勒循環(huán)的第3代B型2.0 L量產(chǎn)機(jī)型，與其前一代1.8 L燃料分層噴射技術(shù)(TFSI)機(jī)型相比，根據(jù)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的不同，燃油耗可降低5%～15%，其中也包括了因降低了部分負(fù)荷時的摩擦所獲得的燃油耗改善。

為了將進(jìn)氣門早關(guān)(FES)對燃燒的不良影響減小到最低程度，米勒循環(huán)需要較高的充量滾流運(yùn)動，可以通過曲率較高的進(jìn)氣道、氣門導(dǎo)氣屏和最佳的活塞頂凹坑形狀來實(shí)現(xiàn)。采用帶有2個進(jìn)氣凸輪的可變配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，部分負(fù)荷燃油耗和可達(dá)到的最大功率能相互獨(dú)立地進(jìn)行優(yōu)化。在目前量產(chǎn)的發(fā)動機(jī)上使用了適度的米勒循環(huán)，并針對正常的行駛狀況進(jìn)行優(yōu)化，盡可能避免運(yùn)行模式之間的瞬態(tài)轉(zhuǎn)換，但是通過這樣的設(shè)計(jì)并不能充分發(fā)揮節(jié)油潛力。

DSF與采用2個進(jìn)氣凸輪的米勒循環(huán)相結(jié)合的mDSF系統(tǒng)正好可用于節(jié)油，與其中子系統(tǒng)的節(jié)油效果相比能獲得附加的節(jié)油效果。由于采用2種凸輪升程，每個氣缸能在3種運(yùn)行模式之間來回動態(tài)切換，通過可切換的米勒凸輪廓線設(shè)計(jì)以低或高充氣點(diǎn)火和不點(diǎn)火(氣缸不工作)。這些運(yùn)行模式根據(jù)每個循環(huán)所需的扭矩來確定，其中的效率和NVH特性則通過改善對內(nèi)燃機(jī)扭矩特性曲線的控制來優(yōu)化。mDSF的目標(biāo)是在與各子系統(tǒng)相比，在需增加的額外成本最低的情況下達(dá)到最低的燃油耗和良好的全負(fù)荷性能。

圖1示出4缸發(fā)動機(jī)根據(jù)扭矩需求的DSF和mDSF工作原理。mDSF通過采取附加的運(yùn)行模式可提高點(diǎn)火工作循環(huán)的平均數(shù)(點(diǎn)火密度)，這樣就能改善NVH特性，同時又保有了DSF的優(yōu)點(diǎn)，并能改善燃燒穩(wěn)定性、快速進(jìn)行扭矩調(diào)節(jié)和減速停缸(DCCO)。

圖1 4缸發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷、減速和全負(fù)荷瞬態(tài)運(yùn)行時DSF和mDSF的工作原理

圖2示出了4缸發(fā)動機(jī)采用mDSF在NVH特性方面的好處。不同的發(fā)動機(jī)運(yùn)行模式示出了氣缸扭矩曲線，并借助快速傅里葉轉(zhuǎn)換(FFT)計(jì)算出了不同發(fā)動機(jī)階次的扭矩振幅。在轉(zhuǎn)速1 500 r/min時，每種發(fā)動機(jī)運(yùn)行模式都提供了40 N·m的平均扭矩。常規(guī)停缸(無任何限制)以最小的點(diǎn)火密度和最高的效率工作，但是低頻率時的高扭矩振幅使得NVH性能表現(xiàn)較差。通過采用DSF和mDSF明顯減小了扭轉(zhuǎn)振動，同時改善了整機(jī)的燃油耗。通過提高點(diǎn)火密度及點(diǎn)火工作循環(huán)與低充氣和高充氣的組合，將低頻扭轉(zhuǎn)振動減小95%，0.8和1.2階次扭矩振幅減小31%。

圖2 與常規(guī)停缸(無限制)相比，mDSF采用新的點(diǎn)火順序和米勒循環(huán)時扭矩波動減小

實(shí)現(xiàn)mDSF有各種不同的方法，最有效的解決方案是應(yīng)用現(xiàn)有的停止氣門工作的機(jī)構(gòu)和不同的進(jìn)氣道(功率進(jìn)氣道和米勒進(jìn)氣道)。如圖3所示，在以高充氣點(diǎn)火運(yùn)行時2個進(jìn)氣門都處于工作狀態(tài)，而以低充氣點(diǎn)火運(yùn)行時功率進(jìn)氣門不工作，僅米勒進(jìn)氣門起作用。不點(diǎn)火運(yùn)行(所有氣門都停止工作)時米勒進(jìn)氣門連同排氣門都停止工作。

2018年與FEV北美公司共同合作，Tula公司為Audi公司采用米勒循環(huán)的2.0 L TFSI發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和制造了樣機(jī)氣缸蓋。例如Delphi公司的量產(chǎn)部件已在運(yùn)行的DSF試驗(yàn)程序中得以使用，可使搖臂、液壓閥(HV)和液壓氣門間隙補(bǔ)償器停止工作。每個氣缸必需配備2個液壓閥，其中一個控制功率進(jìn)氣門，另一個則將進(jìn)氣門與排氣門一起控制。圖3示出了結(jié)構(gòu)原理，結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)換可進(jìn)行電控，使搖臂停止工作，使工作過程得以大幅簡化，這方面目前尚處于開發(fā)階段。

圖3 用于高充氣和低充氣以及停止工作的mDSF樣機(jī)氣缸蓋(采用不同進(jìn)氣道和獨(dú)立停止工作機(jī)構(gòu))

不同進(jìn)氣道方案是從最大充量滾流運(yùn)動和降低渦流的最佳燃燒過程中獲得好處的，同時又達(dá)到了切實(shí)可行的高平均指示壓力。這種新型方案的可行性通過相應(yīng)的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)和氣門導(dǎo)氣屏得到了證實(shí)，在氣道運(yùn)行時效率和廢氣排放方面顯示出優(yōu)勢。用于mDSF的軟件調(diào)節(jié)算法是以DSF的軟件調(diào)節(jié)算法為基礎(chǔ)，擴(kuò)充了調(diào)節(jié)附加運(yùn)行模式功能。緊湊的mDSF軟件無需過高的費(fèi)用就能集成到發(fā)動機(jī)電控單元中。

3 運(yùn)行模式的評價

作為mDSF開發(fā)載體的Audi 2.0 L TFSI發(fā)動機(jī)(第3B代)應(yīng)用了最佳的米勒循環(huán)、高壓縮比(11.7)和兩級滑動式凸輪裝置。小升程的凸輪和大升程的功率凸輪具有140°CA或170°CA的開啟持續(xù)時間。2017年款A(yù)udi A4 Ultra轎車的標(biāo)定作為基礎(chǔ)已被拷貝到電控單元中，發(fā)動機(jī)使用EPA Tier 3優(yōu)質(zhì)燃油運(yùn)行。為了對不同進(jìn)氣道的方案進(jìn)行試驗(yàn)(圖3)，應(yīng)用了1種特制的mDSF凸輪軸，但仍保持量產(chǎn)凸輪廓線,mDSF配氣定時針對燃油耗進(jìn)行優(yōu)化。

圖4對mDSF方案與量產(chǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。在低充氣和轉(zhuǎn)速1 500 r/min時，低負(fù)荷和中等負(fù)荷mDSF顯示出與量產(chǎn)設(shè)計(jì)相似的燃油耗，而在高充氣和全負(fù)荷時mDSF方案可使平均有效指示壓力降低3%～8%(任何轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況點(diǎn)增壓壓力保持不變)，扭矩?fù)p失可在量產(chǎn)開發(fā)時通過優(yōu)化燃燒過程和標(biāo)定予以補(bǔ)償。

圖4 mDSF方案與量產(chǎn)設(shè)計(jì)部分負(fù)荷燃油耗和全負(fù)荷達(dá)到的平均指示壓力的比較

4 燃油耗的改善

為了評估m(xù)DSF改善燃油耗和CO2排放的效果(圖5)，以mDSF發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺試驗(yàn)為基礎(chǔ)，用DSF試驗(yàn)車輛的標(biāo)定GT-Suite模型對各種不同行駛循環(huán)進(jìn)行一維車輛模擬計(jì)算。試驗(yàn)車輛采用Volkswagen公司2015年款配備起動-停車系統(tǒng)和采用被動扭轉(zhuǎn)振動措施的1.8 L 燃油分層噴射(TSI)捷達(dá)轎車，其mDSF運(yùn)行范圍和點(diǎn)火密度根據(jù)試驗(yàn)車輛的NVH測量對每個檔位進(jìn)行評估。

圖5 mDSF在特性曲線場中改善燃油耗的效果和各種不同行駛循環(huán)CO2排放的比較

圖5示出了在第六檔位與量產(chǎn)車輛相比，mDSF在特性曲線場中改善燃油耗的效果，在轉(zhuǎn)速1 500 r/min和平均指示壓力0.2 MPa時節(jié)油17%。與參照發(fā)動機(jī)相比，mDSF在各種不同行駛循環(huán)中CO2排放降低了7.5%～9.5%。

5 顯著的優(yōu)勢

mDSF能降低燃油耗而不影響NVH性能，而且節(jié)油效果隨著發(fā)動機(jī)通過mDSF策略被優(yōu)化。在有米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)可供使用的前提條件下，制造商實(shí)現(xiàn)mDSF所需增加的額外成本是非常低的，主要是由為單獨(dú)控制進(jìn)排氣門停止工作而增加的4個液壓閥所產(chǎn)生的。如圖6所示，短期和中期mDSF用于汽油機(jī)的成本可看作每降低1%的 CO2排放，額外增加成本30歐元，而且這種系統(tǒng)可作為e-mDSF用于輕度混合動力。

圖6 DSF相對于常規(guī)動力總成系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢

此外，這種系統(tǒng)應(yīng)用于輕型、中型和重型柴油機(jī)上也能達(dá)到改善的效果。這種系統(tǒng)在低負(fù)荷時能降低空氣流量和提高廢氣溫度(70 K)，這會對廢氣后處理帶來好處，并能用來改善氮氧化物(NOx)排放和燃油耗。在典型的輕型車應(yīng)用場合，通過優(yōu)化后噴射、燃燒和換氣損失就能降低燃油耗和尾氣NOx排放，而在中型柴油機(jī)上燃油耗能降低3%，NOx排放能降低70%。