停缸對發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能的影響研究

邵 強(qiáng) 簡 輝 S.STAVELEY

(1 上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804；2上海汽車集團(tuán)股份有限公司英國技術(shù)中心，伯明翰)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)停缸(CDA)作為1項(xiàng)降低油耗的有效技術(shù)，越來越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。目前，大眾、福特、通用等多家整車廠都已將停缸技術(shù)應(yīng)用到汽油機(jī)產(chǎn)品上，而且應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)從最初的V8、V6機(jī)型延伸至直列4缸，甚至直列3缸機(jī)型上[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)停缸的原理是在中低負(fù)荷工況下，根據(jù)車輛的真實(shí)扭矩需求和實(shí)際行駛狀態(tài)，適時(shí)暫停其中若干個(gè)氣缸的吸氣、燃燒、做功、排氣的過程，僅靠其余氣缸的運(yùn)行維持動(dòng)力的輸出[2]。而在相同的動(dòng)力輸出情況下，停缸狀態(tài)的工作缸擁有更高的運(yùn)行負(fù)荷，此時(shí)的泵氣損失更小，缸內(nèi)的燃燒也更充分，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率有所提升，整車油耗相應(yīng)得到了改善。

然而，發(fā)動(dòng)機(jī)停缸會(huì)對其瞬態(tài)性能、噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)等方面產(chǎn)生影響[3]，尤其是當(dāng)其應(yīng)用到乘用車用小排量汽油機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)動(dòng)力總成的集成控制會(huì)面臨不小的挑戰(zhàn)[4]。本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)在4缸正常模式與2缸停缸模式之間的相互切換過程，對發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能的影響開展研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

本次課題研究基于某品牌乘用車的帶停缸功能的直列4缸1.5 L渦輪增壓汽油機(jī)開展試驗(yàn)研究。該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)及特征如表1所示。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況區(qū)域?qū)崿F(xiàn)停缸，如圖1所示的陰影區(qū)域?yàn)橥８坠r區(qū)域，區(qū)域轉(zhuǎn)速范圍為1 300～3 200 r/min，平均有效壓力(BMEP)在0.5 MPa以下，且停缸的負(fù)荷邊界隨著轉(zhuǎn)速的增加而略有提升。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)停缸工況區(qū)域示意圖

除了在停缸工況區(qū)域?qū)嶋H運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)在車載狀態(tài)下還須滿足一定條件才能進(jìn)入停缸模式，主要判別條件有：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在負(fù)荷和轉(zhuǎn)速不會(huì)產(chǎn)生大幅度變化的穩(wěn)定工況；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在冷卻液溫度高于某個(gè)閾值的非暖機(jī)工況；(3)停缸機(jī)構(gòu)處于正常狀態(tài)；(4)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)診斷功能處于正常狀態(tài)。

對于處于停缸狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)，一旦其中任何1項(xiàng)條件不滿足要求，便會(huì)脫離2缸停缸工作模式，切換為4缸正常運(yùn)行模式。

考慮到實(shí)際駕駛過程中停缸工況區(qū)域范圍和將條件(1) 作為最常見的判別依據(jù)，本文設(shè)定在以下2種特定情況下，研究發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能及相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化：(1)在整車進(jìn)入勻速狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入停缸工況區(qū)域合，發(fā)動(dòng)機(jī)從4缸狀態(tài)進(jìn)入2缸停缸模式的過程；(2)整車從勻速狀態(tài)進(jìn)行急加速，發(fā)動(dòng)機(jī)從2缸停缸模式切換為4缸正常模式的過程中，研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能、運(yùn)行/控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

2 停缸切換的試驗(yàn)結(jié)果

在4缸模式切換為2缸模式的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程中，固定整車油門踏板開度及檔位，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在2 800 r/min，BMEP控制在0.3 MPa左右，隨著整車進(jìn)入勻速狀態(tài)并維持穩(wěn)定后，發(fā)動(dòng)機(jī)開始進(jìn)入2缸停缸模式狀態(tài)。圖2所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在4缸切換為2缸過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的動(dòng)態(tài)變化過程。

圖2 4缸切換至2缸過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的變化

從圖2可見，在數(shù)據(jù)記錄的100個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中，即在4.28 s時(shí)長內(nèi)，整車的車速和扭矩需求并未發(fā)生變化，發(fā)動(dòng)機(jī)在第50個(gè)循環(huán)時(shí)，由4缸模式切換為2缸模式，第2缸和第3缸關(guān)閉點(diǎn)火-燃燒過程，不再對外做功輸出。而在切換開始時(shí)刻的前5個(gè)循環(huán)和后10個(gè)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩出現(xiàn)了較大幅度的波動(dòng)，尤其在第49和第50個(gè)循環(huán)，扭矩最大波動(dòng)幅度約為±18 N·m。而在第60個(gè)循環(huán)之后，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)在2缸模式下逐漸穩(wěn)定，扭矩的波動(dòng)幅度降低至4缸模式水平，僅波動(dòng)頻率比4缸模式稍高。而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在整個(gè)切換過程中基本都保持平穩(wěn)。

圖3所示則為發(fā)動(dòng)機(jī)從4缸模式切換為2缸停缸模式前后發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗(BSFC)和泵氣損失(PMEP)的變化情況。從圖中可見，從第50個(gè)循環(huán)完成停缸后，發(fā)動(dòng)機(jī)的PMEP在往后的50個(gè)循環(huán)中逐步減小，這也導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的BSFC在由停缸引起的波動(dòng)之后，呈現(xiàn)了一定程度的改善。

圖3 4缸切換至2缸過程中BSFC和PMEP的變化

但在圖3中BSFC和PMEP的變化曲線并沒有呈現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性規(guī)律，所以試驗(yàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣-噴油-燃燒的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步采集與分析。從圖4和圖5所示的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、噴油相關(guān)參數(shù)可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣可變氣門正時(shí)(VVT)首先在停缸切換前的第45個(gè)循環(huán)開始進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過適當(dāng)推遲進(jìn)氣門開啟相位(IVO)來提高充氣效率。隨著進(jìn)氣量的增加，過量空氣系數(shù)則有所減小。而從之后的第46個(gè)循環(huán)起，節(jié)氣門出現(xiàn)了1個(gè)持續(xù)6個(gè)循環(huán)開啟-回位的動(dòng)態(tài)過程，同時(shí)進(jìn)氣歧管的壓力在停缸前達(dá)到并保持了2缸模式下的穩(wěn)態(tài)壓力水平。而在歧管壓力有所增加的情況下，為了保證缸內(nèi)混合氣不至于過稀，IVO又出現(xiàn)了一個(gè)“提前-推后-回位”的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程，在短時(shí)間內(nèi)，通過減小氣缸的充氣效率，從而降低了混合氣的過量空氣系數(shù)。

圖4 4缸切換至2缸過程中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化

圖5 4缸切換至2缸過程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射的動(dòng)態(tài)變化

與此同時(shí)，為了控制過量空氣系數(shù)，如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射壓力和噴射時(shí)長從第46個(gè)循環(huán)開始提升，以增加噴油量。其中第2缸和第3缸在短暫增加噴油量之后，從第49個(gè)循環(huán)開始便停止噴油，進(jìn)入停缸模式。對于第1缸和第4缸，噴油量在第52個(gè)循環(huán)時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)充氣效率又隨著IVO的延后而降低，所以混合氣出現(xiàn)了1個(gè)短期加濃的過程，而后又迅速地回到過量空氣系數(shù)等于1的狀態(tài)。

對于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)點(diǎn)火及燃燒的情況，由圖6可見，從第45個(gè)循環(huán)起，4個(gè)缸的點(diǎn)火角向后推遲，CA50燃燒相位也相應(yīng)推遲，這使發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣量和噴油量都有所增加的情況下，輸出扭矩不會(huì)出現(xiàn)較大幅度的增長。從第50個(gè)循環(huán)停缸后，點(diǎn)火角從滯后的狀態(tài)逐步往前提至2缸運(yùn)行狀態(tài)下的最佳點(diǎn)火角，因2缸模式下單缸的工作負(fù)荷比4缸模式高，所以穩(wěn)定后的點(diǎn)火角和CA50燃燒相位都要晚于4缸模式狀態(tài)。

從4缸切換為2缸的過程來看，發(fā)動(dòng)機(jī)通過進(jìn)氣相位、節(jié)氣門開度、噴油壓力、噴油脈寬、點(diǎn)火角等眾多控制參數(shù)的協(xié)同動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和過量空氣系數(shù)在整個(gè)過程中表現(xiàn)得相對較為平穩(wěn)，不至于影響到整車的駕駛平順性及排放。

3 試驗(yàn)結(jié)果

2缸切換為4缸動(dòng)態(tài)過程試驗(yàn)是基于典型的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性工況而開展的，即在整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上固定車速及檔位，先將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在1 500 r/min，BMEP控制在0.2 MPa左右。隨后在極短的時(shí)間內(nèi)使油門踏板開度全開，記錄油門調(diào)節(jié)前后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩及其他運(yùn)行/控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況。同時(shí)，在相同試驗(yàn)工況下，對比分析了關(guān)閉停缸功能后的發(fā)動(dòng)機(jī)性能及運(yùn)行狀態(tài)。

如圖7所示，在0 s時(shí)刻，油門踏板的開度從20%瞬間提升至100%，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩在0.2 s后逐步提升。從圖7中可見，初始狀態(tài)為4缸模式(CDA off)，在油門開啟后的2 s內(nèi)，輸出的扭矩要高于初始狀態(tài)為2缸模式的(CDA on)工況，尤其在扭矩開始提升后的0.05～0.10 s內(nèi)，扭矩提升速率明顯提高；而在油門開啟后的0.25～0.30 s后，在CDA off狀態(tài)下的扭矩提升的速率則比在CDA on狀態(tài)下的略低。至2 s后，2種狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩基本都達(dá)到了外特性扭矩，整個(gè)過程平均扭矩提升速率基本相同。

圖7 整車全油門加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)性能的動(dòng)態(tài)變化

為了進(jìn)一步分析CDA on/CDA off 2種狀態(tài)下瞬態(tài)扭矩響應(yīng)性差異的原因，本文又將2種狀態(tài)下的進(jìn)氣、油氣混合，以及缸內(nèi)燃燒的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了比對。如圖8所示，從油門踏板動(dòng)作后到發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全開啟，大約持續(xù)0.2 s左右，其中包含了0.1 s節(jié)氣門響應(yīng)遲滯。在此過程中，進(jìn)氣歧管壓力從初始狀態(tài)快速提升至大氣壓水平，在CDA on的初始停缸狀態(tài)下，歧管壓力要高于CDA off狀態(tài)下的初始壓力，所以此時(shí)壓力提升幅度較大，更快的進(jìn)氣量增加使CDA off狀態(tài)下前0.2 s內(nèi)的扭矩提升速率更快。從圖8中的壓氣機(jī)出口壓力曲線可以看出，前0.4 s內(nèi)由于渦輪的響應(yīng)遲滯，壓氣機(jī)出口壓力并未明顯提升，由于進(jìn)氣慣性，反而在節(jié)氣門開啟過程中壓氣機(jī)出口壓力有1個(gè)短時(shí)間的降低過程。

圖8 整車全油門加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化

從圖9中能更清楚地看到在整個(gè)加速過程中增壓器的動(dòng)態(tài)變化情況。同樣，增壓器的渦輪廢氣流量調(diào)節(jié)的執(zhí)行器需要0.2 s才達(dá)到目標(biāo)開度。在此之后，渦輪轉(zhuǎn)速才開始提升，渦輪進(jìn)口壓力即發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力也隨之開始提升。由此可見，渦輪轉(zhuǎn)速在排氣壓力增長前的提前響應(yīng)，主要得益于執(zhí)行器開度的調(diào)整。從圖9中可見，在前0.5 s內(nèi)，在CDA off狀態(tài)下渦輪轉(zhuǎn)速和排氣壓力增長的響應(yīng)時(shí)間和增長速率均高于CDA on狀態(tài)，4缸狀態(tài)使渦輪在加速過程前期排氣流量較小的情況下?lián)碛懈玫捻憫?yīng)性，而到加速起動(dòng)1 s后，CDA off/CDA on 2種情況下的增壓系統(tǒng)基本處于相同的狀態(tài)。

圖9 整車全油門加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化

圖10和圖11給出了CDA off/CDA on 2種狀態(tài)下缸內(nèi)油氣混合和燃燒的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖10 整車全油門加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

圖11 整車全油門加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力的動(dòng)態(tài)變化

由圖10 可見，在節(jié)氣門開始調(diào)整后，過量空氣系數(shù)即出現(xiàn)了波動(dòng)。在CDA off狀態(tài)下，在0.2 s附近由于進(jìn)氣量的突增，混合氣出現(xiàn)了短暫的稀釋狀態(tài)后又回歸至當(dāng)量比狀態(tài)，在0.5 s增壓器介入后使進(jìn)氣量有所增加，又使混合氣出現(xiàn)1個(gè)變稀的過程。到2 s加速完成后，過量空氣系數(shù)依然維持在當(dāng)量比。在CDA on狀態(tài)下，在0.2～0.5 s時(shí)間段內(nèi)混合氣并未變稀，反而出現(xiàn)過量空氣系數(shù)為0.96的混合氣略微加濃的現(xiàn)象。結(jié)合圖11所示結(jié)果，CDA on在0.5 s時(shí)，停止工作的第2缸和第3缸恢復(fù)點(diǎn)火-燃燒-做功。正如圖5所示，在2缸模式切換至4缸模式前，會(huì)采取多噴油的策略來提升燃燒的穩(wěn)定性，所以就出現(xiàn)了混合氣加濃的現(xiàn)象。而在0.5 s之后，2缸切換至4缸后的波動(dòng)與增壓器介入后進(jìn)氣量突增的影響疊加，致使0.5～2.0 s時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)具有較長持續(xù)時(shí)間、稀釋程度更高的混合氣波動(dòng)過程，最大過量空氣系數(shù)達(dá)到了1.14。這一點(diǎn)可從圖11所示的缸內(nèi)峰值壓力數(shù)據(jù)可以看出。在CDA on狀態(tài)下，在0.5 s內(nèi)完成2缸切換至4缸的過程后，原本正常工作的第1缸和第2缸的運(yùn)行負(fù)荷在較長的一段時(shí)間內(nèi)并不相同，所以噴油量需要兼顧2種不同的負(fù)荷狀態(tài)。而在0.5 s和2.0 s內(nèi)，過大的負(fù)荷差異使整體混合氣很難維持在當(dāng)量比的狀態(tài)。這個(gè)階段采用過稀混合氣的策略，一方面避免負(fù)荷較小的第2缸和第3缸由于缸內(nèi)混合氣過濃而產(chǎn)生較多的顆粒物；另一方面，控制了第1缸和第4缸的負(fù)荷增長速率，使其盡快縮小與第2缸和第3缸的差異，達(dá)到4缸均衡。另外，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，過稀的混合氣可以使第1缸和第4缸在較高的負(fù)荷下，仍可采用與第2缸和第3缸相近的點(diǎn)火相位。從發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力水平也可看出，在CDA on狀態(tài)下，即使退出停缸模式后，第2缸和第3缸的峰值壓力比第1缸和第4缸更低，但峰值壓力對應(yīng)的曲軸相位更接近上止點(diǎn)，這使得第2缸和第3缸的做功效率更高，可使4個(gè)缸各自的扭矩輸出更均衡。而CDA off狀態(tài)在2 s后的進(jìn)氣和空燃比情況基本與CDA on狀態(tài)相同，但其采取了較晚的點(diǎn)火策略，峰值壓力的相位相對靠后，4個(gè)缸的峰值壓力也介于CDA off狀態(tài)下的第1缸和第2缸的峰值壓力水平之間，所以在2 s后的整機(jī)扭矩與CDA on狀態(tài)基本相同。在起動(dòng)加速后6 s時(shí)，2種狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的表現(xiàn)及參數(shù)基本一致。

4 結(jié)論

在低速穩(wěn)態(tài)工況和全油門加速工況下，對搭載有停缸發(fā)動(dòng)機(jī)的樣車進(jìn)行了試驗(yàn)。在4缸切換至2缸、2缸切換至4缸的動(dòng)態(tài)過程中，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能，得到如下結(jié)論。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)停缸功能在車載狀態(tài)下須運(yùn)行在停缸邁譜圖區(qū)域，并滿足所有必要條件，才能正式啟用。發(fā)動(dòng)機(jī)通常只有在穩(wěn)態(tài)工況下才會(huì)進(jìn)入停缸模式。

(2)在發(fā)動(dòng)機(jī)停缸后，PMEP明顯降低，油耗也因此改善。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)在4缸切換成2缸模式的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)扭矩的波動(dòng)幅度會(huì)在切換前后的十多個(gè)循環(huán)內(nèi)有所增加，但在2缸模式趨于穩(wěn)定后，會(huì)逐步恢復(fù)至4缸工作水平。在切換過程中，進(jìn)氣、噴油及燃燒均會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以避免產(chǎn)生過大的扭矩波動(dòng)。

(4)在加速工況下，停缸會(huì)影響加速前期的輸出扭矩響應(yīng)性，加速后期停缸帶來的響應(yīng)遲滯效果會(huì)減小。在加速工況下，2缸切換至4缸的過程中，會(huì)采取短時(shí)間過量空氣系數(shù)小于1的策略，來促使各缸工作狀態(tài)及扭矩輸出達(dá)到均衡狀態(tài)。