動態(tài)跳躍點火停缸與輕度混合動力組合的節(jié)油效果

1 動態(tài)跳躍點火

動態(tài)跳躍點火(DSF)的工作原理已經(jīng)通過樣車向全球展示。DSF首次搭載于5.3 L和6.2 L的2019年度Chevrolet Silverado車上，該車采用了V8發(fā)動機(圖1)。采用DSF技術后，與所有氣缸運行相比，V8發(fā)動機至少能降低15%的CO2排放[1-2]。為了在相同的行駛性能情況下獲得最大的節(jié)油效果，對DSF與其他的動力總成系統(tǒng)組合進行了研究。

DSF優(yōu)化內燃機運行狀況，使所有氣缸和工作循環(huán)僅在最佳效率下運行，而且只有在滿足扭矩需求所必需的氣缸和工作循環(huán)才會點火運行(圖2)。當扭矩需求提高時點火氣缸和工作循環(huán)數(shù)增加，而一旦扭矩需求降低，其點火氣缸和工作循環(huán)數(shù)量也會相應減少。如果沒有扭矩需求，例如減速期間，就沒有工作循環(huán)點火。DSF使進排氣門停止工作，這就消除了換氣損失，并提高了廢氣后處理效果，這種策略被稱為減速氣缸切斷(DCCO)，可以使廢氣后處理系統(tǒng)的含氧量和溫度穩(wěn)定。這些優(yōu)點對于進行稀薄運行和化學計量比混合氣運行的發(fā)動機十分重要。

圖1 DSF首次搭載于5.3 L和6.2 L 2019年度Chevrolet Silverado車上

圖2 瞬態(tài)運行時的DSF工作原理

2 DSF的集成

為了將DSF集成到發(fā)動機上，所有氣缸的進排氣門都必須能停止工作，所有的停缸方法都能使用。為了能充分利用這種系統(tǒng)的優(yōu)點，每個循環(huán)都可以獨立工作或停止，而且無需為車載自動診斷系統(tǒng)(OBD)附加額外傳感器。

DSF作為1個軟件包，包含用于氣缸/工作循環(huán)點火的算法及其相關的說明和OBD功能，它們被集成到發(fā)動機電控單元軟件中，其中還包括用于受DSF功能影響的樣本算法，例如空氣質量、扭矩和過量空氣系數(shù)的調節(jié)。

3 DSF的瞬態(tài)過程和振動-噪聲-平順性(NVH)特性

DSF方案是建立在單獨考察氣缸的每個工作循環(huán)的基礎之上的，每個氣缸都在最佳的效率下點火，并且僅利用為滿足扭矩需求所必需的氣缸和工作循環(huán)，系統(tǒng)可能在最后瞬間才決定某個氣缸是否必須點火，這就促使進氣空氣節(jié)流需更快速地調節(jié)扭矩，使扭矩能夠在發(fā)動機旋轉4轉之內從全負荷調節(jié)到零負荷，或者進行反向調節(jié)。

DSF通過算法可以主動控制工作循環(huán)運行調節(jié)對NVH特性的影響，避免以低頻率重復激勵振動。圖3示出了1輛汽車有無DSF停缸時NVH特性的比較。

圖3 Volkswagen公司捷達轎車有和無停缸時座椅導軌上的振動

采用虛擬和用車輛進行的NVH標定方法使得在各種不同車型平臺上實現(xiàn)DSF的開發(fā)費用降到最低。為了保證確保NVH性能，在DSF運行中使用了眾多不同的點火順序，這樣在運行狀況保持恒定不變時就能使用重復的點火順序(圖4)。

圖4 1臺4缸發(fā)動機在恒定不變的運行工況點上12個工作循環(huán)所選擇的點火順序和點火工作循環(huán)的份額

4 DSF的燃油耗優(yōu)勢

DSF能在保持行駛性能不變的情況下獲得令人信服的燃油耗優(yōu)勢。圖5示出了Volkswagen公司搭載1.8 L 增壓燃油分層噴射(TSI)發(fā)動機的捷達轎車停缸的試驗結果，使用DSF停缸在美國城市道路行駛循環(huán)中CO2排放可降低7.8%，而在全球統(tǒng)一的輕型車行駛循環(huán)(WLTP)中則可降低6.4%。

圖5 Volkswagen公司搭載1.8 L-TSI發(fā)動機的捷達轎車采用DSF停缸的燃油耗優(yōu)勢

5 輕度混合動力系統(tǒng)與DSF的協(xié)同作用

為了與先進的動力總成系統(tǒng)技術相結合獲得最大的燃油耗優(yōu)勢，DSF與48 V輕度混合動力系統(tǒng)組合成eDSF，這樣與無停缸的車輛相比，燃油耗還可附加降低8%～11%[3]。

由于能顯著改善燃油耗，輕度混合動力系統(tǒng)更具實際意義。它使用帶有皮帶傳動的48V發(fā)動機-起動機-發(fā)電機(RSG)特別增強的P0系統(tǒng)(圖6)。這種系統(tǒng)提供了以下附加功能：在扭矩需求高的情況下用電動機輔助內燃機以提升扭矩，在制動過程和減速期間回收能量以改善起動-停車性能。即使與P1系統(tǒng)組合，也能成功地使用eDSF。

圖6 按電機位置的不同分為P0～P4系統(tǒng)

在輕度混合動力系統(tǒng)情況下，在高負荷(扭矩輔助)或零負荷(減速回收)時實施扭矩供給或扭矩回收。因為DSF是1種降低部分負荷范圍內燃油耗的節(jié)油技術，是對輕度混合動力系統(tǒng)很好的補充。除此之外，在某些工況下，eDSF的好處比幾種單獨措施的組合更大。采用eDSF與輕度混合動力系統(tǒng)組合能通過扭矩平整加大DSF運行范圍、進行扭矩輔助以及改善減速期間的能量回收。 此外，DCCO能防止換氣損失，而混合動力系統(tǒng)則能回收更大份額的車輛動力能量。

在高負荷時，通過扭矩輔助系統(tǒng)的內燃機扭矩由電動機來補充，這樣就能獲得更好的加速性能，特別是對小型增壓發(fā)動機非常重要。由于補充了電動機的轉矩，由此而減小了內燃機的扭矩，DSF的運行范圍可相應擴大。通過使用eDSF，就能顯著降低扭矩需求較低時的燃油耗，因而也可明顯降低平均燃油耗。

6 擴大運行范圍

與正常運行狀況相比，停缸加大了扭矩的差別和點火氣缸之間的時間間隔，這就會產(chǎn)生動力總成系統(tǒng)和車輛的低頻激勵。為了進一步降低燃油耗擴充eDSF，以便通過一體式電機(MSG)系統(tǒng)來平整扭矩，從而降低低頻激勵(圖7)。

圖7 eDSF時平整扭矩的原理

部分內燃機在較大的低頻扭矩脈沖時被電動機的負脈沖補償，并用電儲存起來，在工作循環(huán)暫停時正扭矩脈沖的能量又重新輸入到動力總成系統(tǒng)中去。為了徹底改善NVH特性，電動機只需部分仿制無停缸時內燃機的扭矩脈沖。通過平整扭矩每個運行工況點都能使其達到最低的燃油耗，同時振動最小，能量儲存和能量反饋供應時的能量損失也最少。

7 對eDSF扭矩特性曲線的平整要求

eDSF通過扭矩平整的能量在MSG、換流器和儲能器之間來回傳輸。為了能使能量損失減少從而降低燃油耗，這個系統(tǒng)的所有部件都必須具有較高的效率，并且它們的頻率范圍必須足夠大，以便覆蓋扭矩特性曲線。

通常，發(fā)電機特別是在1 000～2 500 r/min轉速范圍和0～40 N·m動力總成系統(tǒng)扭矩范圍內必須呈現(xiàn)出高效率。用于發(fā)動機電控單元和換流器的軟件無頻率限制，扭矩曲線支持的頻率最大可達35 Hz。為了確保精確的扭矩調節(jié)，軟件應以模型為基礎。能量儲存系統(tǒng)應由現(xiàn)代蓄電池組成，在機械/化學方面的設計使其能以高效率連續(xù)傳輸能量和/或使用電容器。在使用P0系統(tǒng)的情況下，會出現(xiàn)交變扭矩，RSG必須設計安裝在曲軸自由端，若使用P1系統(tǒng)，則無該類要求。

8 扭矩特性曲線平整算法

應用扭矩曲線平整算法，能擴大eDSF的運行范圍，因為動態(tài)停缸在某個范圍內可容許使用，超越NVH限值就無法使用。這種算法通過計算使得點火工作循環(huán)數(shù)與扭矩平整相配合獲得最低的燃油耗，這對于不超過NVH性能限值是必不可少的(圖8)。在更強烈的扭矩平整情況下，因能量損失而使燃油耗增加，在可接受的NVH范圍內選擇最低的燃油耗。這種優(yōu)化過程由事先設置在發(fā)電機電控單元中的基本標定數(shù)據(jù)和可靠的標定方法來支持。

圖8 對eDSF扭矩特性曲線的平整要求

這種扭矩曲線平整算法為動力總成系統(tǒng)生成1種額定的扭矩曲線，其中也考慮到了MSG動力學。

圖9示出了在汽車轉鼓試驗臺上發(fā)動機停缸工作循環(huán)時有無扭矩平整的振動加速度和轉速的測量數(shù)據(jù)，其中因電動機提供了25 N·m扭矩使轉速波動降低了50%。圖9(b)示出了在不同頻率下有無扭矩平整降低轉速波動的情況，在10 Hz頻率下發(fā)動機振動加速度改善了92%以上。

圖9 扭矩平整時燃油耗與NVH性能之間的折中

9 eDSF降低燃油耗

在NVH試驗研究結果的基礎上，Volkswagen公司對采用eDSF的捷達轎車進行了各種不同的試驗循環(huán)和下列邊界條件下的模擬計算：捷達 SEL(2015)、1.8 L-TSI(EA 888)、6檔自動變速器、帶減振器的飛輪、帶RSG(12 kW)的輕度混合動力系統(tǒng)(P0)，以及電池容量為8 A·h的鋰-鐵-磷酸鹽蓄電池。

這種算法通過計算確定了停缸工作循環(huán)的數(shù)量、內燃機和電動機的扭矩，并同時確定了自動變速器的檔位和變扭器的轉差率，其目標是在考慮到扭矩和NVH性能要求的情況下使燃油耗最低，而RSG、換流器和儲能器系統(tǒng)中的損失則必須由內燃機來補償。

對于回收能量的減速行駛工況而言，在考慮到發(fā)電機和蓄電池儲存能力的情況下應盡可能多地利用能量。如果蓄電池充電狀態(tài)超過限值的話，則使用扭矩輔助。在試驗接近終了時，蓄電池至少達到與開始時相同的充電狀態(tài)。

圖10示出了eDSF在美國城市道路工況、WLTP和新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)試驗中降低的CO2排放與基本型發(fā)動機及48 V輕度混合動力系統(tǒng)的CO2排放比較，3種動力總成系統(tǒng)都裝備了起動-停車系統(tǒng)。與輕度混合動力系統(tǒng)相比，采用eDSF的燃油耗在WLTP行駛循環(huán)中可降低8.4%，而在NEDC行駛循環(huán)中則降低達9.5%。這種在燃油耗方面的顯著改善使得用戶使用成本更低。樣車在美國城市道路行駛循環(huán)中的試驗結果已由模擬計算得到了證實。

圖10 eDSF節(jié)油效果的比較

10 未來高效的DSF動力總成系統(tǒng)

應用DSF技術的汽車具有顯著的節(jié)油效果，并有效降低了成本，提升了效益比。

圖11以Volkswagen公司搭載采用可變氣門機構和起動-停車系統(tǒng)的1.8 L TSI發(fā)動機的捷達轎車為例，示出了應用DSF技術在WLTP行駛循環(huán)中的效益。生產(chǎn)制造商的DSF的成本包括所有的硬件和軟件費用。諸如停缸、米勒燃燒過程(用2個凸輪廓線)和8～10檔自動變速器等常規(guī)技術在增加額外成本增加100～200歐元的情況下降低CO2排放小于4%，DSF則可降低7%的CO2排放。以成本/效益比來計算，采用其他方式每降低1%的CO2排放，額外成本增加40歐元，采用eDSF技術每降低1%的CO2排放，額外成本增加65歐元。

圖11 DSF相對于常規(guī)動力總成系統(tǒng)技術的優(yōu)勢

米勒燃燒過程與DSF相組合(mDSF)，可以進一步改善CO2排放。在相同的增壓壓力情況下，有2種不同的進氣門停止工作的方法，分別用于低扭矩和高扭矩工況。mDSF技術降低的CO2排放比單純采用DSF技術要多，而且具有突出的成本/效益比，每降低1%的CO2排放增加額外成本少于30歐元。通過mDSF與eDSF組合，能使CO2排放降低約18%。

DSF技術為達到未來的CO2限值要求作出了貢獻。通過DSF與輕度混合動力及米勒燃燒過程的組合，不僅能降低CO2排放，還能有效控制成本。柴油機應用DSF技術既能降低CO2排放，還能降低氮氧化物的排放。