動態跳躍點火(DSF)停缸技術節油效果

錢國剛，吳迪，秦宏宇，陳豪，Robert Wang

(1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.Tula Technology Inc.,San Jose CA 95131)

汽車運行時發動機負荷率隨著行駛工況而變化。怠速、減速、勻速(含a<0.15 m/s2微加速狀態)等負荷率較低的時段在我國輕型乘用車代表性行駛工況[1]里合計權重76.7%，停缸(閉缸)、怠速起停、滑行等節油技術適合此時運用。分解看，除了22%的怠速時段、少許急減速時段，停缸技術可望在30%～40%時段里擇機間歇作動，以實現節油的目的。

美國統計數據顯示，近3年停缸技術在皮卡領域滲透率達22%～32%，在輕型乘用車市場滲透率達2%[2]，相關廠家有本田、通用、大眾、FCA等。

當前停缸技術普遍應用了閉缸手段，即關閉目標缸的進氣門和排氣門，泵氣損失得以減少，其余氣缸單缸載荷增大則改善了燃油效率[2]。凸輪軸與氣缸氣門之間連接的中斷/變更方式有多種：通用的DOD、克萊斯勒的MDS、本田的VCM、大眾的主動氣缸管理系統、馬自達的可變氣缸技術以及奔馳的可變排量技術等。多數技術路線把停缸規定在局部氣缸，例如V8發動機在第2，3，5，8號缸，V6發動機在某側的3個氣缸，直4發動機在第 2，3號缸。該技術路線節油率估值為3.9%～5.3%[2]，但也伴隨了缸體缸間溫度差別、泵吸機油風險、動力系統振動顯著以及排氣尾管噪聲等弊端。

1 DSF動態停缸技術

與局部停缸技術相比，動態跳躍點火技術可操控性更優。動態跳躍點火(DSF)為一項全可變停缸技術(fully-variable engine cylinder deactivation technology)，發動機的每一個氣缸都可以執行停缸操作，配以適當的控制策略，DSF技術可以規避局部氣缸技術路線中存在的問題。近5年，該技術發展日益成熟。GM和Tula聯合開發的采用動態跳躍點火技術的V8發動機已在美國版2019年型索羅德(Chevrolet Silverado)上使用。

1.1 執行部件構造

系統執行部件的核心器件為液壓控制的可變滾子搖臂，其構造及原理見圖1。每個進排氣門各安排一只搖臂。在其連接銷處于右圖零升程模式時，進氣門和排氣門保持關閉且沒有燃油噴射，實現停缸；處于全升程模式(圖1左)時不停缸。液壓彈簧控制機構操縱連接銷在兩狀態之間切換。采用此技術路線的有FEV&Mahle[3-5]，Eaton[6-7]，Schaeffler，Delphi&Tula[8-9]等公司。該器件特點是結構簡單、模塊化設計、傳動鏈短，與傳統滾子從動件摩擦特性相同，具有維護便捷、復雜性低、質量輕、成本低等優勢。2013年之后多家公司宣稱將響應速度改進為14 ms乃至8 ms。新品特征是切換銷運動方向與搖臂運動軸線相垂直。

除可變滾子搖臂外，每個氣缸新增油壓電控閥1只。因此，需在發動機氣缸蓋上配置全部氣缸的液壓管道以及電控閥的裝配條件。傳動系統方面，為改善車輛NVH性能，可以加大飛輪尺寸，或采用雙質量飛輪和減震離合器盤，或改良半軸。

圖1 DSF搖臂

1.2 節油機理及運行控制策略

區別于局部氣缸停缸技術，動態跳躍點火技術可在任一氣缸上實現停缸，兩者的節油機理對比見表1。其中，DSF技術能夠在更廣泛工況實現泵氣損失減少、單缸載荷提高和即刻降扭，切換也更迅捷，進而得到更優節油效果。

表1 DSF與局部氣缸技術的節油機理比較

圖2示出某DSF系統信息輸入、流轉及決策輸出。選擇發動機負荷較低的工況來實施停缸。中低速時，停缸策略主要兼顧NVH，在扭矩不高于該工況的邊界扭矩Trpm時允許停缸；高速時則主要由執行器的反應速度決定停缸與否。急加速工況時發動機通常處于高負荷，不停缸；怠速時，若車輛配置了怠速起停功能，則可由怠速停機功能代替，若無獨立的怠速起停功能，則可以啟用DSF停缸功能。

各種停缸技術均應當規避可引發乘員艙轟鳴噪聲的共振點，例如低頻噪聲頻率點附近。與局部氣缸停缸路線相比，DSF技術可采用主動調節各缸點火序列手段來干預NVH，完成共振的主動抑振，使停缸應用比例和停缸數比局部氣缸停缸技術更大。

停缸技術還需與多個方面兼容：一是催化器溫度等指標，控制策略應防止降到起燃溫度點以下；二是出于熱機及催化器升溫需求，以及機油黏度制約，冷起動的前幾十秒不宜停缸。水溫、機油溫度等邊界條件隨車型而異。

圖2 DSF技術的控制策略

各缸溫度不均勻是制約傳統的局部氣缸停缸技術應用的主要因素。例如，對于第2，3缸停缸的4缸發動機，因第2，3缸產生熱量持續偏低，發動機缸體有變形風險。雖然獨立的冷卻液循環水路等動態熱管理方案可緩解熱量不平衡問題，但發動機的復雜程度及成本增加。DSF技術實施則沒有上述困難。

1.3 可變滾子搖臂設計

如前所述，可變滾子搖臂技術能較好地解決缸間溫度均衡問題。除了Tula公司，其他零部件公司也提出基于可變滾子搖臂部件的方案。

1.3.1奇數氣缸數方案

與DSF類似，Eaton公司的D-CDA方案也包括可變滾子搖臂和機油控制閥(OCV)，并增加了雙供油液壓間隙調節器。其可變滾子搖臂的構造與圖1所示類似[6-7]。

Schaeffler的停缸系統自2015年起裝配在福特1.0 L 3缸發動機轎車上，搖臂部件構造也類似于圖1。測試了兩種停缸模式，一是單缸停止，二是周轉式停缸技術(“Rolling Cylinder Deactivation”)。周轉式停缸實施方式見圖3，氣缸交替進入停缸相位，使得扭矩輸出/發動機振動的不規則情況得以緩解。單缸停止的節油率在3%以上[2]。周轉式停缸技術在發動機低轉速時效果好，應用在小型車低負載工況時比單缸停止模式節油1.2%。

采用周轉式停缸系統的車輛可通過配置擺式減震器、雙質量飛輪和可調節離合器片這些隔振措施來應對NVH劣化。

圖3 用于3缸機的周轉式停缸技術

1.3.2可變滾子搖臂

FEV & Mahle在2008年提出了液壓控制可變滾子搖臂[5](見圖4)，其切換銷的往復運動方向平行于搖臂運動軸線。2011年及2017年相關文獻指出其響應速度與控制精度不高[3-4]。

圖4 FEV/Mahle的可變滾子搖臂設計

更早的可變滾子搖臂可追溯到通用公司于1988年公布的專利(專利號CN87102938)，特別的是，該專利所述搖臂由彈簧力和電磁力來控制切換銷的作動。

2 不同工況下DSF技術的節油收益

2.1 車輛行駛工況

車輛行駛在負荷相對較低工況或高速巡航工況時，停缸技術的作動時機多，節油表現就更突出。頻繁加減速的高動態情況下則作動時機少。標準《中國汽車行駛工況》已到公開征求意見階段[1]，其中包括乘用車循環工況CLTC_P。CLTC_P逐秒車速曲線見圖5，分低速、中速、高速3個部分，特征指標值見表2。勻速、弱加速部分，及弱減速部分時段可歸類為負荷相對較低狀況，適合DSF作動。

圖5 CLTC_P工況曲線

表2 CLTC_P工況主要指標

2.2 CLTC_P循環下的停缸收益

節油收益的首要決定因素是DSF適用工況在全部工況的占比。分析某車在CLTC_P循環下負荷相對較低狀況的噴油累計值和占比，可以估計其應用DSF時的節油率。

以某款德系1.4T無怠速起停功能轎車為例，在CLTC_P循環下的全程油耗由轉鼓試驗臺綜合尾氣測量系統測得，車輛實時車速、瞬時噴油值、發動機轉速取自車輛OBD接口。在CLTC_P循環下熱車運行數據分布見圖6。驅動扭矩由驅動功率和發動機轉速計算得出，驅動功率由行駛阻力公式及加速阻力公式計算得出。數據點位于圖中陰影框區域時，通常適合運行DSF，可以停1～4個氣缸，相應的點火密度FD(Firing Density)分別為75%，50%，25%及0%。點火密度即未停缸氣缸數與發動機總氣缸數的比值。在高、中、低轉速3類情況里，分別有不同的扭矩上限值。圖6的數據點分布顯示，在CLTC_P循環下有較多機會運行DSF。

圖6 某1.4T轎車在CLTC_P循環下的數據分布

基于DSF邏輯，發動機高、中、低轉速范圍里扭矩上限值等邊界條件見表3。運用表3來統計適用工況點，并排除怠速和急減速的工況，因為這兩者分別可以用怠速起停和“支持急減速斷油的技術”作為替代。表3中規定的作動范圍相對保守，例如車速大于90 km/h時發動機轉速上限為2 600 r/min；作為對照，EPA認為停缸技術在1 000～3 000 r/min[2]范圍都適用。

表3 DSF技術的適用工況

表3中，該車賦值nmax=2 600 r/min，nup=2 100 r/min，nlow=1 500 r/min，amin=-0.278 m/s2，Tup=80 N·m，Tmid=45 N·m，Tlow=18 N·m；nmax為可適用DSF技術的最高轉速；nup為在車速低于90 km/h時，“轉速高”的轉速下限值；nlow為在車速低于90 km/h時，“轉速低”的轉速上限值；amin為可適用DSF技術的加速度最小值；Tup為低于90 km/h時，“轉速高”情況的DSF可行的扭矩上限值；Tmid為低于90 km/h時，“轉速中”情況的DSF可行的扭矩上限值；Tlow為低于90 km/h時，“轉速低”情況的DSF可行的扭矩上限值。

2.3 其他工況下的停缸收益

DSF技術的節油效果因循環工況而異。例如輕負荷工況以及高速巡航情況適合采取停缸，而美國US06循環等高動態工況則相對不利于其運行。在US06循環下，一輛配備DSF技術的美國款6.2 L大型SUV的節油率僅為FTP72循環下的50%。某4缸1.8T轎車換裝DSF的仿真運算結果見圖7，在5個典型循環工況下的節油效果排序由大到小為FTP75，JC08，NEDC，WLTP，Highway[11]。

圖7 某1.8T轎車在各循環下的節油率評估

同一輛車在不同循環下實測獲得的油耗數據也可以用來評估DSF在相應工況下的節油率。對車輛發動機轉速、車速、瞬時油耗等參數作逐秒解析，再參考表3作統計。某款德系4缸1.6 L無怠速起停功能轎車在CLTC_P和NEDC循環下適合DSF技術作動的總時長和油耗見圖8。DSF在NEDC循環下的節油率大于其在CLTC_P循環下的數值，這主要得益于NEDC循環高達37%的勻速權重，高于CLTC_P循環的22.1%。表3為DSF作動邏輯的概略近似，省略了擋位等邊界條件，圖8主要是反映了兩種循環下適用機會的相對高低，對應于節油率的相對高低。

圖8 某1.6L轎車DSF適用點的時長占比及油耗占比

3 與DSF配合使用的技術

缸數小于3缸的發動機不適合運用DSF技術。強混混合動力汽車驅動電機的作動時機在很大程度上與DSF理論適用范圍重疊，也就替代了DSF。除了這兩種應用場景，DSF可以與多種汽車節能技術相協同，達成綜合節油功效。

3.1 48 V eDSF技術

48 V電氣架構核心部件——P0/P1方案下，48 V主電機能夠短時實現電助力、電爬行等功能[12]，并且可以配合DSF系統，進一步提升停缸節油率，該技術簡稱eDSF技術。美國某公司的eDSF系統匹配見圖9[13]：圖9a顯示了未配備48 V電機時的劣化頻率點；借助48 V主電機施加反向扭矩，抵消20 Hz點附近的峰，使振型改善為圖9b所示情況。這時NVH表現已經過度達標，意味著可以停缸的轉速-扭矩范圍及停缸缸數強度獲得了進一步擴展的空間。

圖9 eDSF改善DSF技術的NVH性能

通過前述分析，加之減速停缸加大的制動動能回收、平滑扭矩提高的跳躍點火氣缸載荷 ，仿真結果顯示，eDSF技術可以使搭載48 V技術的車輛在NEDC循環及WLTP下的節油率進一步提高[14]。

3.2 智能控制aDSF技術

我國輕型乘用車代表性行駛工況[1]里怠速、減速、勻速合計權重76.7%，該數值在智能網聯化車輛的道路應用里會更高。通過激光雷達等新型感知設備能夠實時獲知路況信息，尤其是車前道路是否空閑，前后車間距等。節油優先的行駛模式下，在達成司機行駛期望的同時，車速升降波動被控制邏輯駕馭得更緩和，這種應用方式即aDSF。aDSF給停缸技術提供更多的運行時機，使節油率得到提高。電動增壓器與DSF的ON，OFF狀態正交匹配出四種應用，智能控制下可以基于它們瞬時噴油特征來選擇更省油的狀態匹配項。

3.3 與DSF協同的內燃機技術

DSF技術可以與米勒循環發動機等新技術并行不悖。DSF使得更激進的米勒循環策略成為可行，拓寬其運行的轉速和載荷區間，降低油耗。同樣，原理上DSF也可以擴大分層燃燒或稀薄燃燒發動機的工作區間，進一步提升其節油效果。

4 結論和展望

動態跳躍點火使發動機的每一個氣缸都可以執行停缸操作。在保障NVH的前提下，發動機可停缸范圍更廣泛，停缸缸數增加，節油能力優于傳統停缸技術。

基于車輛實測解析評估，一款1.4T轎車改裝DSF在中國工況CLTC_P下的節油效果可望近于其加裝怠速起停的表現，例如7%±x%范圍。DSF在不同工況下節油效果有別，NEDC循環下節油率高于CLTC_P循環。高排量車能從DSF得到更多節油收益。

后期可以采用裝備了DSF部件的車輛作測試，獲得更確切的節油率評價。

DSF可以與48 V技術、智能控制技術、米勒循環發動機及汽油壓燃發動機技術相配合，達成綜合節油，這些組合為汽車廠家滿足下一階段油耗限值提供了技術選項。