車用柴油機停缸技術研究綜述

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動機[1-2]，以其優越的動力性能及燃油經濟性能在國民生產及交通運輸領域得以廣泛應用[3-4]。近年來，隨著車用柴油機技術領域的不斷延伸及拓展，對停缸這一新興內燃機技術的關注程度也日益提升。

1 停缸技術

“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 柴油機應用停缸技術的相關優勢

2.1 改善燃油經濟性

柴油機應用停缸技術可有效改善燃料經濟性。對于柴油機而言，降低的油耗百分點是柴油機負荷和轉速兩個參數的函數。在低負荷工況下將半數的氣缸停缸時，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的噴油補償策略，來以此補償柴油機停缸所造成的大幅振動和由此產生的瞬時轉速下降現象，在此情況下，整機振動劇烈程度和由此帶來的轉速不穩定性現象可能會因此惡化，使其在降低油耗方面產生的技術效果會變得微乎其微[7]。

通常而言，不同的車輛應用和駕駛循環所導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與高速公路駕駛循環兩者之間。城市駕駛循環下的燃油經濟性提升效果通常比高速公路駕駛循環下的更為優越。如果在駕駛循環中含有較高時長比例的部分負荷運行工況，停缸技術所帶來的燃料經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的。停缸在提高排氣溫度以及改善催化轉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后處理裝置，但是將停缸技術與進氣門正時以及噴油正時等相關技術手段相結合，即可進一步提高排氣溫度，使催化轉化器充分發揮功效。

3 柴油機應用停缸技術的相關劣勢

3.1 對整機泵氣損失的影響

由于停用的氣缸仍在繼續耗功，使得氣體不斷流入或流出氣缸，因此停缸技術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象，柴油機的振動和轉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量有關。

在不供油的氣缸中，如果不關閉所有的氣門，正常的缸內氣體壓縮會較好地平衡點火氣缸所造成的發動機振動。然而，在進排氣門都關閉的極端情況下，由于存在更為劇烈的振動現象，發動機轉速會呈現出較高的變化幅度。停缸時，發動機的基礎頻率階數會減半，這樣所造成的較高的動態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 影響停缸技術的相關因素

4.1 影響停缸技術的關鍵設計因素

目前影響到柴油機停缸技術的因素：

(1)停用氣缸的數量；

(2)停用氣缸的氣門切換定時策略關系到缸內滯留的氣體質量；

(3)固定截面渦輪的有效面積關系到高低負荷運行之間的權衡，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生的發動機功率能力；

(4)可變截面渦輪的葉片開度，如使用該類型渦輪，可通過調節面積更好地適應可變排量發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)缸內傳熱損失；

(8)由氣缸壓力引起的活塞環摩擦力；

(9)用于驅動進氣門和排氣門的配氣機構摩擦耗功。

4.2 影響停缸技術改善燃油經濟性的關鍵因素

決定停缸在改善燃料經濟性方面是否有效的因素包括發動機排量、整車質量、駕駛循環種類、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來降低內燃機有效燃油消耗率而言，在大型車輛上的應用效果較好。大型車輛往往使用6缸或更多缸數的大排量發動機，會更頻繁地在低負荷工況區域運行。因此與小排量內燃機相比，大排量內燃機應用停缸技術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因素

在停用的氣缸中，目前有3種處置滯留氣體質量的方法，具體取決于在發動機循環內關閉并停用氣門的時刻：

(1)在氣缸內保留最少的氣體質量或幾乎保持真空；

(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。

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

如果缸內幾乎沒有氣體的話，活塞環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，仍需在氣缸內維持一定量的氣體和一定數值的氣缸壓力，以便保證氣缸內部的潤滑狀態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注的因素是NVH。柴油機需要在停用的氣缸內滯留適量的氣體，使其起到阻尼的作用，使整機的振動和轉速變化更為平順。

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

(2)在進氣沖程過程中或結束時先關閉并停用進氣門，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氣體；

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

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生負面影響，潤滑油消耗主要是通過活塞環和氣門導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，缸內的高真空度會將機油通過第一道和第二道氣環的開口間隙區域吸入燃燒室。

目前，相關研究結果顯示：在停用的氣缸中，缸內最高壓力通常較低，僅有200～300 kPa，而在進氣沖程下止點處的缸內壓力大約僅有20 kPa的絕對壓力。在柴油機的每個熱力循環過程的大多數時間內，停用氣缸的內部壓力均低于大氣，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)避免缸內出現不良真空現象；

(2)盡量保持氣缸溫度；

(3)出于對耐久性和發動機振動的考慮，在缸內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流和真空度下運行，因此，通常可考慮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閉和停用進氣門。

6 柴油機停缸技術應用推廣面臨的主要問題

NVH是柴油機停缸技術得以應用推廣時所需面臨的重要問題。采用停缸技術會降低柴油機曲軸振動的頻率，同時提升其振幅[11]。該現象在全轉速范圍內從NVH專業領域以及整車舒適性的角度出發，目前仍無法被接受。至今為止，停缸技術對燃油經濟性的提升效果依然受NVH限制。只有當NVH領域的相關技術在汽車領域得以大規模量產化后，停缸技術方可如影隨形，以實現其改善燃料經濟性的目標。

停缸技術的主要難點在于既要盡量改善燃油經濟性，同時也要滿足在穩態運行和在停缸與非停缸之間進行瞬態轉換運行時在NVH和整車駕駛性能上的要求。

7 柴油機停缸技術性能總結

目前，關于柴油機停缸的技術性能總結如下：

(1)最佳的停缸方法是在停用氣缸中切斷燃料供應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，停用氣缸數主要取決于為實現良好的燃燒排放所需要的最低空燃比與為實現最低油耗所需要的泵氣損失之間的平衡點。除此之外，最佳的停用氣缸數也受到氣缸傳熱損失和活塞環摩擦等參數與特點的影響，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速這兩大因素。

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

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

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

8 結論

停缸技術的合理應用，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化器的處理效果，從而降低排放。盡管目前停缸技術的應用仍受NVH等相關技術的限制，尚未大規模推廣應用。但隨著技術的不斷完善，其在柴油機技術領域內仍有著良好的應用前景。