安寧，裴玉姣，董輝，周雪凱

1. 內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2. 濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

停缸(斷缸)技術(shù)也稱為可變排量技術(shù)，是指發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷工作時(shí)，通過特定裝置切斷部分氣缸的燃油供給，使部分氣缸停止工作，增大其余工作氣缸負(fù)荷，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、降低油耗[1-2]。停缸技術(shù)還可以減少活塞環(huán)、氣門和渦輪增壓器的積碳，降低氣缸活塞組的磨損。

汽油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性較差，在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的情況下，在汽油機(jī)上應(yīng)用停缸技術(shù)可取得良好的節(jié)油效果[3-4]。解方喜等[5]研究了4缸汽油機(jī)停缸技術(shù)節(jié)油性能及能量分配，結(jié)果表明氣門過早或過遲關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱損失、泵氣損失和摩擦損失均有所增加，壓縮上止點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角30°時(shí)氣門關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性較好；楊尚升等[6]研究表明，汽油機(jī)停缸模式下，能夠縮短工作缸的滯燃期和燃燒持續(xù)期，增大最高缸內(nèi)壓力和最大瞬時(shí)放熱率，降低燃燒循環(huán)變動(dòng)。

目前對(duì)柴油機(jī)停缸技術(shù)的研究較少，本文中分析停缸技術(shù)節(jié)油原理，仿真研究某6缸柴油機(jī)在3個(gè)氣缸斷油同時(shí)停止氣門運(yùn)動(dòng)和斷油同時(shí)控制氣門開啟2種停缸模式對(duì)燃油消耗率的影響。

1 停缸技術(shù)節(jié)油原理

1.1 停缸工作模式

停缸技術(shù)影響發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲，目前停缸技術(shù)主要應(yīng)用于6缸以上的多缸發(fā)動(dòng)機(jī)[7]，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)切換到停缸模式，使半數(shù)的氣缸停止工作。綜合考慮直列6缸柴油機(jī)的發(fā)火順序和發(fā)火均勻性，停缸技術(shù)主要有1-3-2缸或5-6-4缸工作2種模式。柴油機(jī)工作時(shí)，飛輪端的曲軸振幅較小，自由端的曲軸振幅較大，1-3-2缸工作時(shí)氣體力對(duì)系統(tǒng)扭振的影響較大；為減少振動(dòng)，6缸柴油機(jī)最優(yōu)的停缸模式為1-3-2缸停缸，5-6-4缸工作[8]。

1.2 停缸策略確定

常用的4種停缸策略及優(yōu)、缺點(diǎn)如表1所示。

表1 停缸策略

發(fā)動(dòng)機(jī)正常狀態(tài)和僅1-3-2缸停缸的燃油消耗率試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，停缸時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率高于正常狀態(tài)。這是由于部分負(fù)荷工況的節(jié)氣門開度較小，由于節(jié)流作用，進(jìn)氣道和氣缸的壓力降低，活塞下行需要克服活塞兩端的壓力差做功，造成發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失[9]，因此僅停缸而不控制氣門會(huì)造成氣門節(jié)流損失，油耗惡化，不能達(dá)到節(jié)油的目的。

圖1 正常狀態(tài)和部分氣缸停止工作時(shí)燃油消耗率對(duì)比

停缸同時(shí)停止不工作氣缸氣門運(yùn)動(dòng)的策略通過控制不工作氣缸的氣門開啟，能夠有效避免不工作氣缸氣門節(jié)流損失，降低泵氣壓力損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗[10]。通過初步分析比較，本文中選擇停缸同時(shí)停止氣門運(yùn)動(dòng)和停缸同時(shí)控制氣門開啟2種停缸策略進(jìn)行仿真研究。

2 柴油機(jī)停缸技術(shù)仿真

2.1 停缸發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

某直列6缸柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

根據(jù)柴油機(jī)、進(jìn)排氣管路、中冷器、增壓器等基本參數(shù)和map數(shù)據(jù)建立的柴油機(jī)一維仿真模型如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型

AVL-Boost是主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體交換和熱力性能分析的模塊軟件，在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段能預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能[11-12]。應(yīng)用AVL-Boost軟件建立柴油機(jī)整機(jī)模型后，輸入或選取各部件參數(shù)，進(jìn)行全局、氣缸、增壓器和中冷器等的設(shè)置[13]。

在AVL-Boost模型基礎(chǔ)上，將1-3-2缸的噴油量設(shè)為0 mg，燃燒模型選擇Motored模型，根據(jù)停缸的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，功率和燃油消耗率的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，模型精度滿足計(jì)算要求，可用于計(jì)算分析。

a)功率 b)燃油消耗率圖3 功率和燃油消耗率仿真與試驗(yàn)對(duì)比

在AVL-Boost模型上仿真實(shí)現(xiàn)停缸同時(shí)停止氣門運(yùn)動(dòng)和停缸同時(shí)控制氣門開啟，通過設(shè)置進(jìn)、排氣模塊中的氣門升程為0 mm，關(guān)閉氣門，仿真氣門運(yùn)動(dòng)停止；停缸時(shí)修改進(jìn)、排氣模塊中氣門升程，控制氣門在所有行程中開啟(氣門避閥時(shí)關(guān)閉除外)，仿真控制氣門開啟。

2.2 停止氣門運(yùn)動(dòng)的仿真分析

正常狀態(tài)、停缸不控制氣門運(yùn)動(dòng)以及停缸停止氣門運(yùn)動(dòng)3種狀態(tài)下燃油消耗率、泵氣壓力的仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，與停缸時(shí)不控制氣門運(yùn)動(dòng)相比，停缸時(shí)氣門關(guān)閉能有效降低泵氣壓力，減小泵氣損失，降低油耗；與原機(jī)正常狀態(tài)相比，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，停缸時(shí)氣門關(guān)閉，泵氣壓力升高，油耗升高。

a)燃油消耗率 b)泵氣壓力圖4 正常狀態(tài)、停缸不控制氣門運(yùn)動(dòng)、停缸停止氣門運(yùn)動(dòng)3種狀態(tài)下性能仿真

正常狀態(tài)、停缸時(shí)工作缸與非工作缸的缸壓對(duì)比如圖5所示。由圖5可知：停缸時(shí)工作氣缸的爆發(fā)壓力高于正常狀態(tài)，其壓力線所圍面積即指示功也大于原機(jī)；非工作的氣缸由于沒有燃燒，缸內(nèi)壓力峰值較小。

圖5 正常狀態(tài)、停缸時(shí)工作缸與非工作缸壓對(duì)比

正常狀態(tài)、停缸不控制氣門與停缸同時(shí)氣門關(guān)閉時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩如圖6所示。由圖6可知：由于停缸后著火間隔角增大，且爆發(fā)壓力高，使停缸時(shí)柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩頻率減小，波幅增加，說明柴油機(jī)振動(dòng)加劇。停缸同時(shí)氣門全關(guān)策略能夠降低高轉(zhuǎn)速的油耗，但是降幅不大；低轉(zhuǎn)速時(shí)油耗升高，因此該停缸策略不適用于該柴油機(jī)。

圖6 正常狀態(tài)、停缸和停缸同時(shí)氣門關(guān)閉時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩

2.3 控制氣門開啟的仿真分析

停缸控制氣門開啟的活塞位移和氣門升程，除考慮氣門避閥的影響，在活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)附近時(shí)將氣門關(guān)閉外，氣門在所有行程中保持開啟。停缸控制氣門開啟時(shí)，工作氣缸的氣門升程不變，停缸斷油的氣缸代入新的氣門升程進(jìn)行仿真計(jì)算。

正常狀態(tài)、停缸不控制氣門運(yùn)動(dòng)以及停缸控制氣門開啟3種狀態(tài)下燃油消耗率、泵氣損失如圖7所示。由圖7可知，停缸控制氣門開啟策略，能夠降低泵氣壓力，降低油耗。

a)燃油消耗率 b)泵氣壓力圖7 正常狀態(tài)、停缸不控制氣門運(yùn)動(dòng)、停缸控制氣門開啟3種狀態(tài)下性能仿真

停缸時(shí)非工作缸進(jìn)、排氣質(zhì)量流量曲線如圖8所示。由圖8可知：活塞上行時(shí)，缸內(nèi)氣體通過氣門排出缸外，可以降低缸內(nèi)壓力，減小活塞推出功損失；活塞下行時(shí)，進(jìn)、排氣管內(nèi)的氣體進(jìn)入氣缸，推動(dòng)活塞做功，降低整個(gè)循環(huán)內(nèi)泵氣壓力。

正常狀態(tài)和停缸控制氣門開啟的缸壓對(duì)比如圖9所示。由圖9可知，停缸后的非工作氣缸壓力較低，工作氣缸壓力峰值高于正常狀態(tài)，指示功大于原機(jī)。

圖8 停缸時(shí)非工作缸進(jìn)、排氣質(zhì)量流量曲線 圖9 正常狀態(tài)和停缸控制氣門開啟的缸壓對(duì)比

3 結(jié)論

1)停缸同時(shí)停止氣門運(yùn)動(dòng)的策略能夠降低泵氣損失，雖然高轉(zhuǎn)速時(shí)油耗略降，但低轉(zhuǎn)速時(shí)油耗上升，整體油耗仍比原機(jī)高，且振動(dòng)加劇，該策略不適用于直列6缸柴油機(jī)。

2)停缸同時(shí)控制氣門開啟的策略能夠有效降低泵氣壓力和油耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)油的目標(biāo)。