伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

柴油機是一類常見的熱力發(fā)動機[1-2]，以其優(yōu)越的動力性能及燃油經(jīng)濟性能在國民生產(chǎn)及交通運輸領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[3-4]。近年來，隨著車用柴油機技術(shù)領(lǐng)域的不斷延伸及拓展，對停缸這一新興內(nèi)燃機技術(shù)的關(guān)注程度也日益提升。

1 停缸技術(shù)

“停缸”這一名詞亦可稱作“氣缸切斷”，即按具體的使用需求使氣缸維持運行或停止，并進行相應(yīng)管理[5]。目前具體所指的是對所選擇的一些氣缸停止燃油噴射和氣門運行，從而在低負荷工況下靈活地減小發(fā)動機的有效排量。停缸的最簡單形式是僅靠切斷點火或噴油來停止燃燒。

2 柴油機應(yīng)用停缸技術(shù)的相關(guān)優(yōu)勢

2.1 改善燃油經(jīng)濟性

柴油機應(yīng)用停缸技術(shù)可有效改善燃料經(jīng)濟性。對于柴油機而言，降低的油耗百分點是柴油機負荷和轉(zhuǎn)速兩個參數(shù)的函數(shù)。在低負荷工況下將半數(shù)的氣缸停缸時，有效燃油消耗率可減少達30%[6]。但是，如果在低負荷工況下采用了不恰當?shù)膰娪脱a償策略，來以此補償柴油機停缸所造成的大幅振動和由此產(chǎn)生的瞬時轉(zhuǎn)速下降現(xiàn)象，在此情況下，整機振動劇烈程度和由此帶來的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定性現(xiàn)象可能會因此惡化，使其在降低油耗方面產(chǎn)生的技術(shù)效果會變得微乎其微[7]。

通常而言，不同的車輛應(yīng)用和駕駛循環(huán)所導(dǎo)致的油耗降低收益的變化幅度較大，例如城市道路駕駛循環(huán)與高速公路駕駛循環(huán)兩者之間。城市駕駛循環(huán)下的燃油經(jīng)濟性提升效果通常比高速公路駕駛循環(huán)下的更為優(yōu)越。如果在駕駛循環(huán)中含有較高時長比例的部分負荷運行工況，停缸技術(shù)所帶來的燃料經(jīng)濟性收益將更為顯著。

2.2 改善排放性

停缸對柴油機降低排放方面的影響主要是通過改變排氣溫度來實現(xiàn)的。停缸在提高排氣溫度以及改善催化轉(zhuǎn)化器起燃時間方面效果明顯，這一點對于在低負荷、低怠速和暖機時的各種后處理運行工況而言，可謂水到渠成。雖然僅靠停缸自身通常還不足以迅速起燃大多數(shù)后處理裝置，但是將停缸技術(shù)與進氣門正時以及噴油正時等相關(guān)技術(shù)手段相結(jié)合，即可進一步提高排氣溫度，使催化轉(zhuǎn)化器充分發(fā)揮功效。

3 柴油機應(yīng)用停缸技術(shù)的相關(guān)劣勢

3.1 對整機泵氣損失的影響

由于停用的氣缸仍在繼續(xù)耗功，使得氣體不斷流入或流出氣缸，因此停缸技術(shù)無法顯著降低泵氣損失。而且，隨著新鮮空氣流入氣缸，停止運作的氣缸將得以迅速冷卻，以此會導(dǎo)致再點火等一系列問題。目前減少泵氣損失的最有效以及最常用的停缸方法是將停用氣缸中的燃油噴射和所有進排氣門均關(guān)閉[8]。

3.2 對整機噪聲、振動及不平順性(NVH)的影響

流過點火氣缸的氣流和歧管中的氣體壓力脈沖會影響進排氣噪聲。停用氣缸中的氣體壓力會影響內(nèi)燃機整機振動狀況。只要氣缸與氣缸之間的壓力存在不均勻現(xiàn)象，柴油機的振動和轉(zhuǎn)速變化就會隨之增大。氣缸壓力會受停缸氣門切換策略影響，同時亦與滯留于停用氣缸中的氣體質(zhì)量有關(guān)。

在不供油的氣缸中，如果不關(guān)閉所有的氣門，正常的缸內(nèi)氣體壓縮會較好地平衡點火氣缸所造成的發(fā)動機振動。然而，在進排氣門都關(guān)閉的極端情況下，由于存在更為劇烈的振動現(xiàn)象，發(fā)動機轉(zhuǎn)速會呈現(xiàn)出較高的變化幅度。停缸時，發(fā)動機的基礎(chǔ)頻率階數(shù)會減半，這樣所造成的較高的動態(tài)扭矩和較低的頻率會造成動力系和傳動系的振動幅度大幅增加。

4 影響停缸技術(shù)的相關(guān)因素

4.1 影響停缸技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)計因素

目前影響到柴油機停缸技術(shù)的因素：

(1)停用氣缸的數(shù)量；

(2)停用氣缸的氣門切換定時策略關(guān)系到缸內(nèi)滯留的氣體質(zhì)量；

(3)固定截面渦輪的有效面積關(guān)系到高低負荷運行之間的權(quán)衡，涉及停缸運行過程中在部分負荷時所需的空燃比，以及在非停缸運行時在全負荷需要產(chǎn)生的發(fā)動機功率能力；

(4)可變截面渦輪的葉片開度，如使用該類型渦輪，可通過調(diào)節(jié)面積更好地適應(yīng)可變排量發(fā)動機在空氣流量變化方面的需要；

(5)渦輪廢氣旁通閥開度的控制能力，采用電控旁通閥能在非停缸運行時將閥全開，最大限度地減小泵氣損失和在該部分負荷時的空燃比，以此可有效降低有效燃油消耗率；

(6)停缸運行時在碳煙控制方面所能承受的最低空燃比；

(7)缸內(nèi)傳熱損失；

(8)由氣缸壓力引起的活塞環(huán)摩擦力；

(9)用于驅(qū)動進氣門和排氣門的配氣機構(gòu)摩擦耗功。

4.2 影響停缸技術(shù)改善燃油經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素

決定停缸在改善燃料經(jīng)濟性方面是否有效的因素包括發(fā)動機排量、整車質(zhì)量、駕駛循環(huán)種類、可變氣門的類型，以及常用的運行工況等[9]。目前就采用停缸技術(shù)來降低內(nèi)燃機有效燃油消耗率而言，在大型車輛上的應(yīng)用效果較好。大型車輛往往使用6缸或更多缸數(shù)的大排量發(fā)動機，會更頻繁地在低負荷工況區(qū)域運行。因此與小排量內(nèi)燃機相比，大排量內(nèi)燃機應(yīng)用停缸技術(shù)在降低油耗方面的收益更大。

5 停缸時可采用的氣門切換策略

5.1 氣門切換所需考慮的相關(guān)因素

在停用的氣缸中，目前有3種處置滯留氣體質(zhì)量的方法，具體取決于在發(fā)動機循環(huán)內(nèi)關(guān)閉并停用氣門的時刻：

(1)在氣缸內(nèi)保留最少的氣體質(zhì)量或幾乎保持真空；

(2)將較冷的新鮮空氣吸入氣缸；

(3)將熱殘余廢氣滯留在氣缸內(nèi)。

在停缸過程中，需盡量使其對柴油機整機設(shè)計、耐久性、封裝性和成本造成的影響最小。關(guān)閉和停用氣門的定時則較為關(guān)鍵，是由于氣缸內(nèi)的壓力變化過程決定著潤滑油的消耗和動力缸內(nèi)的部件潤滑狀態(tài)，以及柴油機的整機振動情況[10]。

如果缸內(nèi)幾乎沒有氣體的話，活塞環(huán)的摩擦損失以及停用氣缸的泵氣損失會達到最小值。而實際上，仍需在氣缸內(nèi)維持一定量的氣體和一定數(shù)值的氣缸壓力，以便保證氣缸內(nèi)部的潤滑狀態(tài)以及較低的潤滑油消耗率，同時亦可減小潤滑油通過活塞環(huán)的開口間隙而被吸入燃燒室的概率。

另一個在考慮氣門切換策略時需要重點關(guān)注的因素是NVH。柴油機需要在停用的氣缸內(nèi)滯留適量的氣體，使其起到阻尼的作用，使整機的振動和轉(zhuǎn)速變化更為平順。

5.2 氣門切換策略

停缸一般可采用如下3種氣門切換策略：

(1)在排氣沖程結(jié)束時先立即關(guān)閉并停用進氣門，以此可不向氣缸中注入新鮮空氣和外部排氣再循環(huán)氣體；

(2)在進氣沖程過程中或結(jié)束時先關(guān)閉并停用進氣門，以此可向氣缸中注入一定量的新鮮空氣和外部排氣再循環(huán)氣體；

(3)在已燃的缸內(nèi)氣體被排出氣缸之前，先關(guān)閉排氣門，以此可將高溫排氣滯留在氣缸內(nèi)。

當活塞在進氣沖程中向下運動時，氣缸壓力會低于大氣壓力，從而形成較高的真空度。但在此情況下，可能會對潤滑油消耗產(chǎn)生負面影響，潤滑油消耗主要是通過活塞環(huán)和氣門導(dǎo)管處的機油損失所造成的。在停用的氣缸中，當其處于進氣沖程時，缸內(nèi)的高真空度會將機油通過第一道和第二道氣環(huán)的開口間隙區(qū)域吸入燃燒室。

目前，相關(guān)研究結(jié)果顯示：在停用的氣缸中，缸內(nèi)最高壓力通常較低，僅有200～300 kPa，而在進氣沖程下止點處的缸內(nèi)壓力大約僅有20 kPa的絕對壓力。在柴油機的每個熱力循環(huán)過程的大多數(shù)時間內(nèi)，停用氣缸的內(nèi)部壓力均低于大氣，并存在一定的真空度。

停缸時氣門操作順序的原則是在下述幾項之間尋求最佳平衡：

(1)避免缸內(nèi)出現(xiàn)不良真空現(xiàn)象；

(2)盡量保持氣缸溫度；

(3)出于對耐久性和發(fā)動機振動的考慮，在缸內(nèi)維持可接受的最高氣體壓力；

(4)盡量減少泵氣損失。

由于柴油機無需在進氣節(jié)流和真空度下運行，因此，通?？煽紤]采用第二種切換策略，即在進氣沖程中先吸入較冷的充量并關(guān)閉和停用進氣門。

6 柴油機停缸技術(shù)應(yīng)用推廣面臨的主要問題

NVH是柴油機停缸技術(shù)得以應(yīng)用推廣時所需面臨的重要問題。采用停缸技術(shù)會降低柴油機曲軸振動的頻率，同時提升其振幅[11]。該現(xiàn)象在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)從NVH專業(yè)領(lǐng)域以及整車舒適性的角度出發(fā)，目前仍無法被接受。至今為止，停缸技術(shù)對燃油經(jīng)濟性的提升效果依然受NVH限制。只有當NVH領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)在汽車領(lǐng)域得以大規(guī)模量產(chǎn)化后，停缸技術(shù)方可如影隨形，以實現(xiàn)其改善燃料經(jīng)濟性的目標。

停缸技術(shù)的主要難點在于既要盡量改善燃油經(jīng)濟性，同時也要滿足在穩(wěn)態(tài)運行和在停缸與非停缸之間進行瞬態(tài)轉(zhuǎn)換運行時在NVH和整車駕駛性能上的要求。

7 柴油機停缸技術(shù)性能總結(jié)

目前，關(guān)于柴油機停缸的技術(shù)性能總結(jié)如下：

(1)最佳的停缸方法是在停用氣缸中切斷燃料供應(yīng)并停用所有進排氣門。

(2)停缸的氣門切換定時和滯留在停用氣缸中的氣體質(zhì)量將會顯著地影響停缸在降低有效燃油消耗率的效果。

(3)停缸運行時，停用氣缸數(shù)主要取決于為實現(xiàn)良好的燃燒排放所需要的最低空燃比與為實現(xiàn)最低油耗所需要的泵氣損失之間的平衡點。除此之外，最佳的停用氣缸數(shù)也受到氣缸傳熱損失和活塞環(huán)摩擦等參數(shù)與特點的影響，但該影響相對較弱。

(4)停缸在低負荷工況能明顯降低燃料消耗。對于渦輪增壓柴油機而言，油耗的改善效果取決于有效平均壓力和轉(zhuǎn)速這兩大因素。

(5)由于受空燃比以及在高轉(zhuǎn)速時的其他設(shè)計約束條件的限制，目前在中、高負荷下很難采用停缸技術(shù)來改善有效燃油消耗率。

(6)停缸技術(shù)對油耗的改善程度主要取決于停用氣缸的數(shù)量、氣門關(guān)閉策略、氣門切換定時、渦輪通流面積、渦輪廢氣旁通閥的調(diào)節(jié)控制能力和靈活性、氣缸傳熱效果以及活塞環(huán)摩擦力等因素。

(7)停缸技術(shù)對排放性能的改善主要通過提升排氣溫度，以此來改善催化轉(zhuǎn)化器的處理效果。

8 結(jié)論

停缸技術(shù)的合理應(yīng)用，可使得柴油機在低負荷工況下顯著降低其油耗率，同時亦可通過提升排氣溫度來改善催化轉(zhuǎn)化器的處理效果，從而降低排放。盡管目前停缸技術(shù)的應(yīng)用仍受NVH等相關(guān)技術(shù)的限制，尚未大規(guī)模推廣應(yīng)用。但隨著技術(shù)的不斷完善，其在柴油機技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)仍有著良好的應(yīng)用前景。