停缸技術節油分析

李丹 李小堅

摘 要：停缸技術由于具有較好的節油效果，正在被越來越多的汽車企業研究和應用；合理選擇停缸工作區域，既可以達到節油效果又可以平衡整車的平順性及NVH。文章從理論上計算停缸區域的選擇和停缸后的燃油經濟性，為CAE分析停缸后的扭振和后期標定點的選擇提供指導。

關鍵詞：停缸技術；節油；工作區域

中圖分類號：U461 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-116-02

Abstract： The stop cylinder technology is being studied and applied by more and more automobile enterprises because of its good fuel saving effect. The reasonable selection of the working area of the stop cylinder can not only achieve the efficiency of fuel saving but also balance the ride comfort and NVH of the whole vehicle. This paper theoretically calculates the selection of cylinder stopping area and fuel economy after cylinder stopping， which provides guidance for CAE analysis of torsional vibration after cylinder stopping and selection of calibration point in later period.

Keywords： stop cylinder technology； fuel saving； working condition point

CLC NO.： U461 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-116-02

引言

對于傳統汽車，通過發動機實現整車節油的技術主要有兩種：一是提高發動機本身的熱效率，比如豐田的Dynamic Force Enging發動機；二是通過控制發動機負荷，讓其運行在更低油耗區域，比如增壓技術、停缸技術等。其中，停缸技術具有較好的節油效果，正在被各大汽車企業研究和應用。

1 停缸節油原理

停缸是可變排量技術的一種方式，為了方便分析停缸前后不同有效排量之間的性能差別，需要使用平均有效壓力這一參數。平均有效壓力是指單位氣缸工作容積發出的有效功，是將不同排量發動機之間動力性比較的重要指標。根據發動機原理，對與四沖程發動機來說，平均有效壓力（BMEP）與發動機扭矩（Ttq）之間數學關系如下：

以某四缸發動機為例，在某一檔位的車速下，四缸全部工作時發動機運行工況點為圖1中的A點（2000rpm，BMEP=3bar，BSFC=320g/kW.h）。停2缸后，為了滿足相同工況下車輛對發動機的扭矩需求，發動機單個缸的平均有效壓力需要提升為原來的2倍，即停缸后發動機運行工況點將切換到B點（2000rpm，BMEP=6bar，BSFC=269g/kW.h），相對A點發動機燃油消耗率降低16%。

2 工作區域選擇策略分析

根據上文原理分析可知，實現停缸節油的前提是停缸后發動機工況點的比油耗要優于停缸前的比油耗。根據發動機原理，發動機工作的負荷越低、油耗越高，這意味著，停缸技術在低負荷區域的節油效果會比較好。從整車實際使用角度，車速越低，停缸節油效果越好，因此，停缸工況點主要范圍主要在發動機工作的低負荷區域。

3 停缸區域選擇

3.1 停缸工況點計算

為確定停缸區域需要對停缸后的工況點進行計算。根據發動機萬有特性MAP圖，通過差值法計算停缸后的理論油耗以確定理論的停缸區域。

差值法即利用線性擬合曲線y=kx+b來計算，其中y代表油耗，單位g/kW.h，x代表BMEP，單位bar。停缸后單缸的BMEP為原來的兩倍，利用不停缸工作時發動機的MAP圖，在停缸點前后的兩個工況點的BMEP和BSFC列出y=kx+b的方程，在已知BMEP的情況下，計算BSFC，得到停缸后的理論油耗數據。

根據發動機停缸執行機構及發動機最大BMEP的要求，計算過程中需要限制最高轉速和BMEP的最大值，具體如下：

3.1.1 由于采用凸輪移位的停缸執行機構

基于該機構的工作范圍在4000rpm以下，我們計算的最高停缸轉速為4000rpm。

3.1.2 某發動機的最大平均有效壓力為18bar

停缸后的平均有效壓力亦不能超過18bar，否則該工況無法工作。

基于以上進行計算，通過對比四缸和兩缸下的油耗，得知各轉速的停缸臨界點如表一，該臨界點下四缸和兩缸的發動機油耗比較接近，負荷繼續增大停缸油耗增加；

以2000rpm為例停缸前后的油耗數據曲線如圖，紅色方框為停缸臨界點。2000rpm/99Nm為該工況下的停缸臨界點，負荷繼續增加停缸后油耗更大，不適合停缸工作。

3.2 停缸工況MAP圖

根據各工況點的停缸理論計算，繪制停缸前后的萬有特性MAP圖，從圖3中可以看出停缸后在低轉速低負荷區域發動機節油效果明顯，發動機的低比油耗區域明顯下移，低油耗區域增大；

圖3中紅色實線為停缸區域分界點，在紅線區域內停缸后發動機節油效果明顯。發動機在停缸和不停缸區間切換會帶來明顯的轉速波動，直接影響整車的平順性和NVH，需對該區域進行詳細的CAE分析和優化。

3.3 停缸后節油計算

按照停缸后發動機MAP，對某車匹配該發動機進行NEDC工況油耗計算，熱機狀態下相比不停缸發動機節油8.5%，節油效果較好。

4 停缸節油分析結論

4.1 某發動機停兩缸后節油工況基本分布在100Nm左右以下區域，負荷繼續增大油耗較四缸工作增大，不適合停缸工作；

4.2 停缸后發動機的低比油耗區域明顯下移，低油耗區域明顯增大，在低轉速低負荷區域發動機節油效果明顯；

4.3 按照停缸后發動機MAP計算，熱機狀態下匹配某發動機車型節油8.5%，節油效果較好。

參考文獻

[1] 袁兆成.內燃機設計-2版[M].北京：機械工業出版社，2012.1.

[2] 周龍保.內燃機學-2版[M].北京：機械工業出版社，2005.1.

[3] 劉永長.內燃機原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2017.