閉缸技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用與研究

陳倩

摘要：汽車節(jié)能技術(shù)和燃料替代品的應(yīng)用是當(dāng)今乃至未來(lái)世界汽車技術(shù)創(chuàng)新的核心環(huán)節(jié)，是未來(lái)汽車企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵，在對(duì)于當(dāng)下各大廠商所廣泛采用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型，比如：柴油機(jī)、普通汽油機(jī)、汽油缸內(nèi)直噴、汽油機(jī)閉缸技術(shù)及汽油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)汽油機(jī)閉缸技術(shù)的油耗明顯低于其他的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。從現(xiàn)在時(shí)代主流的閉缸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)入手，來(lái)研究閉缸技術(shù)的獨(dú)特之處，從正反兩面存著批判性的目光來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題，回顧這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展歷史以及為何這項(xiàng)技術(shù)會(huì)應(yīng)運(yùn)而生，閉缸技術(shù)的獨(dú)特性又在哪里，它在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展中的道路如何。

關(guān)鍵詞：閉缸技術(shù);發(fā)動(dòng)機(jī);節(jié)能

1? 閉缸技術(shù)概述

1.1 閉缸技術(shù)的概念

閉缸技術(shù)又叫可變排量（Variable Displacement）、氣缸休眠，是一種可以讓多缸內(nèi)燃機(jī)中某幾個(gè)氣缸停止工作的技術(shù)，在一定程度上節(jié)省燃油。

1.2 閉缸技術(shù)的用途

傳統(tǒng)意義上，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排量是固定的，根據(jù)汽油機(jī)的負(fù)荷特性，在負(fù)荷率較低時(shí)，燃油消耗率較高，排放性能較差;在負(fù)荷率較高時(shí)，不僅燃油消耗率低，而且排放性能變好。在選配發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)選用較大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，比如大排量多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，但其常用工況下的負(fù)荷率就會(huì)較小，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能較差;若從經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)選用較小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，負(fù)荷率較高，燃油經(jīng)濟(jì)性變好，但小功率發(fā)動(dòng)機(jī)在加速、爬坡和重載等情況下會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足等現(xiàn)象。這是選配固定排量發(fā)動(dòng)機(jī)的矛盾的地方。

對(duì)于排量和功率較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，若能在其怠速及中、小負(fù)荷工況時(shí)，控制部分氣缸停止做功，使其余氣缸在較高負(fù)荷率的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣既解決了燃油消耗率低、排放性能好也避免了發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)楣β市≡诩铀?、爬坡和重載工況下動(dòng)力性不足等問(wèn)題，因此閉缸技術(shù)運(yùn)用而生。

2? 閉缸技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用

2.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能的背景及意義

現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展導(dǎo)致汽車行業(yè)產(chǎn)量及汽車保有量飛速增長(zhǎng)，作為內(nèi)燃機(jī)主導(dǎo)的汽車行業(yè)發(fā)展必然導(dǎo)致汽車耗油量的迅猛增長(zhǎng)。同時(shí)，石油作為不可再生的能源在被大量消耗，我國(guó)的石油能源及產(chǎn)量早已無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的發(fā)展需求，供求矛盾已經(jīng)日趨凸顯。從上個(gè)世紀(jì)開始，我國(guó)石油特別是汽車汽油對(duì)進(jìn)口的依賴程度越來(lái)越高。如果不盡早對(duì)汽車石油燃料的總量進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)籌考慮和進(jìn)行汽車節(jié)能技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用，遏制過(guò)分依賴進(jìn)口的石油的需求，勢(shì)必將嚴(yán)重影響國(guó)內(nèi)石油能源的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)，還會(huì)對(duì)我國(guó)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，最終必將影響汽車行業(yè)的良性發(fā)展，甚至影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。所以，通過(guò)發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)來(lái)降低能源消耗的形勢(shì)已經(jīng)迫在眉睫。

汽車節(jié)能的意義重大，如何節(jié)能，目前絕大多數(shù)汽車是靠?jī)?nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，除了輕量化的車身既空氣動(dòng)力學(xué)的部分應(yīng)用，汽車的節(jié)能換句話說(shuō)主要是指發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能是在排量不變的基礎(chǔ)上從提高進(jìn)氣率、提高機(jī)械效率、調(diào)整壓縮比及提高循環(huán)熱效率等方面著手，鮮少有從發(fā)動(dòng)機(jī)排量方面考慮的，而閉缸技術(shù)就是一種變排量的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)。

2.2 閉缸技術(shù)的節(jié)能原理

三種經(jīng)典的發(fā)動(dòng)機(jī)閉缸技術(shù)：

①斷油不斷氣。

主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的特定缸體進(jìn)行斷油，但是并不停止該缸體的進(jìn)氣。但這種技術(shù)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)載階段的“泵氣損失”，造成動(dòng)力損耗，該技術(shù)已經(jīng)近乎淘汰了。泵氣損失，顧名思義，就是由于發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)載時(shí)較小的氣門開啟導(dǎo)致活塞與氣門間處于真空狀態(tài)，所有活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)必將遭遇曲軸箱氣壓的抵抗，導(dǎo)致做功能量耗損。

②油氣雙斷。

這種閉缸技術(shù)目前處于主流地位，該技術(shù)有效的解決了不停氣引發(fā)的“泵氣損失”的技術(shù)難題，目前應(yīng)用閉缸技術(shù)的車型中國(guó)。幾乎都使用該技術(shù)，不過(guò)該技術(shù)依然不是理想的閉缸技術(shù)，比如閉缸時(shí)氣缸工作問(wèn)題不均衡會(huì)剛體變形的問(wèn)題，需要采用輔助溫控技術(shù)去控制發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度或者控制閉缸時(shí)間等，否則問(wèn)題就得不到有效的解決。

③在停油又停氣的基礎(chǔ)上再把廢氣引入停缸的氣缸中，以此來(lái)維持熱平衡。這項(xiàng)技術(shù)理論上來(lái)說(shuō)是閉缸技術(shù)的最優(yōu)解，但是技術(shù)難度較大。

3? 閉缸技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)在具體車型中的應(yīng)用

在我國(guó)微機(jī)自控汽車局部閉缸節(jié)油裝置系統(tǒng)研制成功之后，最早實(shí)踐的是我國(guó)自主研發(fā)的解放牌汽車，當(dāng)時(shí)的改裝費(fèi)用低廉，大約花費(fèi)1000元，以汽車四大件為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，當(dāng)時(shí)的節(jié)油技術(shù)已經(jīng)取得初步的成果，可以將降低油耗為原來(lái)的88%，也就是說(shuō)減少了12%的油耗，這只是一般的數(shù)值，在當(dāng)時(shí)的環(huán)境之下，該項(xiàng)數(shù)值最高達(dá)到了20%，這就意味著，在快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)的當(dāng)時(shí)，每年至少可以為國(guó)家減少1.8噸的汽油消耗，讓投資成本的回收時(shí)間大幅縮短，最重要的是這項(xiàng)技術(shù)不但在降低油耗上有明顯的優(yōu)點(diǎn)，還可以大幅的減少一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧?，最高的時(shí)候可以達(dá)到70%，這項(xiàng)技術(shù)也是一項(xiàng)環(huán)保的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的至關(guān)重要的一環(huán)。當(dāng)時(shí)的很多汽車都有冒黑煙的現(xiàn)象，但是在改造之后，這些汽車都不會(huì)再繼續(xù)冒黑煙，可以說(shuō)是肉眼可見的減少環(huán)境污染。這項(xiàng)技術(shù)也沒(méi)有止步于解放牌汽車的應(yīng)用，在實(shí)地調(diào)查了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)幾個(gè)知名的汽車制造廠后，根據(jù)不同的汽車所不同的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)小幅度的調(diào)整之后讓這項(xiàng)技術(shù)也能夠適用于東風(fēng)牌汽車，在當(dāng)時(shí)，我國(guó)的大型汽車以解放牌和東風(fēng)牌為主，當(dāng)時(shí)的數(shù)量可以達(dá)到90萬(wàn)，在改造約50萬(wàn)輛之后，每年可以節(jié)約的汽油量達(dá)到了驚人的90萬(wàn)噸，如果按照當(dāng)時(shí)的市價(jià)，每噸汽油800元計(jì)算，每年可以節(jié)約資金7.2億，創(chuàng)造了非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這是閉缸技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)非常成功的實(shí)例，也為后來(lái)閉缸技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了可能性。

在之后的幾十年里，閉缸技術(shù)在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)用大幅度增加，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，私家車的數(shù)量不斷地增加，當(dāng)日常用車的耗油量居于領(lǐng)先地位時(shí)候，普遍性的節(jié)能減排成了迫切需要解決的問(wèn)題的時(shí)候，閉缸技術(shù)不僅僅局限在大型的運(yùn)載車輛，也慢慢的普及到了民用的各種車型，各個(gè)汽車廠商都先后根據(jù)自己汽車的特性，對(duì)閉缸循環(huán)技術(shù)做了些許改動(dòng)，將閉缸技術(shù)運(yùn)用于自家的發(fā)動(dòng)機(jī)里。

閉缸技術(shù)在早期的應(yīng)用中目標(biāo)特別純粹，總的來(lái)說(shuō)就是即降低了大排量機(jī)型的汽油消耗，又保證了動(dòng)力的不降低，因此閉缸技術(shù)過(guò)去只出現(xiàn)在大排量的機(jī)型上，如V6、V8甚至更多缸體及缸徑的發(fā)動(dòng)機(jī)。

如今使用最廣泛的閉缸技術(shù)還是油氣雙斷的方法，如果具體到四缸的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型上，運(yùn)作的機(jī)制是先停掉1和3缸的油和氣，讓其他缸體繼續(xù)工作，這樣的運(yùn)作機(jī)制主要是考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在閉缸時(shí)的動(dòng)平衡和缸體問(wèn)題的控制問(wèn)題。

但是如何實(shí)現(xiàn)氣缸的開啟及關(guān)閉的操作，各大廠家目前的實(shí)現(xiàn)方式不盡一樣，舉例來(lái)說(shuō)：

采用的電子氣門機(jī)構(gòu)的寶馬Valvetronic，就是在進(jìn)氣門上加獨(dú)立的伺服電機(jī)和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)控制進(jìn)氣門的開啟和關(guān)閉?？巳R斯勒則是利用液壓挺桿結(jié)構(gòu)來(lái)獨(dú)立控制氣門，從而實(shí)現(xiàn)氣門的升程的變化，進(jìn)而達(dá)到氣缸的開閉。

通用和奧迪的技術(shù)大致相同，使用類似可變氣門正時(shí)的原理，通過(guò)多電控機(jī)構(gòu)控制多段式凸輪軸的左右移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣門的開閉，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的升程變化更大，不同的凸輪軸代表著不同的氣門升程。不過(guò)兩個(gè)廠家也有不同之處，區(qū)別在于凸輪軸，奧迪是兩段式，通用是三段式的。通用的三段式結(jié)構(gòu)可以提供三種工作模式，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工況下，高性能、經(jīng)濟(jì)、超經(jīng)濟(jì)三種模式，其中超經(jīng)濟(jì)是四缸機(jī)關(guān)閉一半的缸體進(jìn)一步節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。

4? 閉缸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 閉缸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和功能

汽油機(jī)的一般狀況表明，在考慮其負(fù)荷特性時(shí)，如果負(fù)荷率比較低對(duì)于功率大或者排量大的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，如何利用電子控制技術(shù)、在小負(fù)荷狀況或是怠速及中時(shí)，通過(guò)調(diào)控使一部分氣缸停止作功，從而使其余氣缸可以在較高負(fù)荷的狀態(tài)下仍然保持正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是發(fā)動(dòng)機(jī)的閉缸技術(shù)工作過(guò)程。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于這種狀態(tài)時(shí)，工作時(shí)耗油量會(huì)得到有效的控制，不會(huì)像傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣有大量的油耗。除此之外，沒(méi)有工作的氣缸所排出的氣體是空氣，因此可以有效地的減少有害物質(zhì)的排放，在環(huán)保方面有很大的優(yōu)點(diǎn)，如果主推節(jié)能減排應(yīng)該大力推廣該項(xiàng)技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。而當(dāng)汽車面臨需要提高動(dòng)力時(shí)，暫時(shí)停止工作的氣缸也可以恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，所以說(shuō)，閉缸技術(shù)在當(dāng)下這個(gè)時(shí)代當(dāng)中既可以實(shí)現(xiàn)在日常生活當(dāng)中的低油耗經(jīng)濟(jì)性運(yùn)作，也可以滿足部分汽車對(duì)于進(jìn)行大負(fù)荷工作時(shí)的動(dòng)力要求。

4.2 閉缸技術(shù)的缺點(diǎn)和局限性

閉缸技術(shù)與部分混合動(dòng)力技術(shù)原理相似，基本是針對(duì)低負(fù)載情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)，如車輛在擁堵及減速的情況下，然而這些情況在車輛的整體使用中占比太少，所以對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性的提升并不明顯。

在閉缸發(fā)生的時(shí)候，即使讓一半的缸體不工作，從理論計(jì)算出可以降低50%的油耗，但事實(shí)上每一個(gè)不工作的氣缸都是通過(guò)曲軸連接，并沒(méi)有脫離曲軸，所以不工作的氣缸還是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也要克服很多阻力消耗很多能量，所以并不能實(shí)現(xiàn)一半的油耗節(jié)約。

通過(guò)不斷的技術(shù)改進(jìn)，目前行業(yè)中認(rèn)可的理想的閉缸技術(shù)，是在油氣雙停的基礎(chǔ)上，利用廢氣的能量，將廢氣引入停缸的氣缸內(nèi)，以此維持熱平衡。這類技術(shù)可以說(shuō)是閉缸技術(shù)上的不二之選，但是實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度之高和研發(fā)成本都讓很多廠商望洋興嘆。

5? 閉缸技術(shù)的發(fā)展

雖然中國(guó)汽車市場(chǎng)已經(jīng)是世界第一大消費(fèi)市場(chǎng)，但是汽車文化還遠(yuǎn)未普及，大多數(shù)消費(fèi)者對(duì)于車輛的選擇還是更關(guān)注外觀、大小、配置、性價(jià)比，對(duì)于汽車新技術(shù)應(yīng)用就沒(méi)有那么在意;其次較成熟的閉缸技術(shù)多用于大排量發(fā)動(dòng)機(jī)上，而目前汽車市場(chǎng)私家車保有量已經(jīng)占主導(dǎo)地位，大多數(shù)家庭選車還是經(jīng)濟(jì)適用型的，即使一些四缸機(jī)采用閉缸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了燃油經(jīng)濟(jì)性的提高，但其相對(duì)應(yīng)的昂貴的成本使其無(wú)法大量普及;另外從環(huán)保角度看，國(guó)家比較支持的是小排量發(fā)動(dòng)機(jī)、混動(dòng)技術(shù)和新能源汽車，所以發(fā)動(dòng)機(jī)閉缸技術(shù)未來(lái)的發(fā)展道路可謂任重道遠(yuǎn)。

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