六缸車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)停缸方案的試驗(yàn)研究

王迎新 謝夏琳

摘要：在一臺(tái)車用六缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上分別進(jìn)行了基于閉缸模式的多種停缸方案的研究，驗(yàn)證了各種停缸方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。結(jié)果表明：停缸技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷區(qū)域能夠帶來(lái)明顯的燃油經(jīng)濟(jì)性的提升，這些區(qū)域使用停缸技術(shù)后排氣溫度顯著升高，排氣流量下降明顯，對(duì)提高SCR系統(tǒng)的效率有非常積極的作用。

Abstract： This study have managed to find out nozzle shut-off strategies leading to the reduction of fuel consumption and emission. Four shut-off strategies have been conducted using a 6-cylinder on-road diesel engine. The results have shown that four shut-off strategies were contributed to significant decrease of fuel cost and exhaust flow rate in part-load conditions. What's more， lower flow rate of exhaust， which were generally considered as a contributing factor of exhaust temperature increase， presented higher rate of NOx conversion in SCR system.

關(guān)鍵詞：車用柴油機(jī);停缸;性能

Key words： on-road diesel engine;shut-off nozzle;performance and emission

中圖分類號(hào)：TK423? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0010-04

0? 引言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為商用車主要匹配的動(dòng)力系統(tǒng)，在市場(chǎng)上的保有數(shù)量非常巨大，隨著石油資源的日益緊張以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格，車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排技術(shù)的開(kāi)發(fā)也越發(fā)緊迫。但是，動(dòng)力系統(tǒng)的匹配通常都是按照汽車的最大負(fù)荷設(shè)計(jì)的，這導(dǎo)致實(shí)際使用時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在部分負(fù)荷工況，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和排氣溫度都很低，使得整車實(shí)際運(yùn)行時(shí)油耗高，后處理效率低，NOx排放水平難以控制。使用停缸技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)工作缸的負(fù)荷率得到明顯提升，燃燒效率和排氣溫度都得到顯著提高，可以有效解決整車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷區(qū)域帶來(lái)的油耗和NOx排放控制問(wèn)題。

目前，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)停缸的技術(shù)通常有三種：①僅停止部分氣缸的供油;該方式技術(shù)簡(jiǎn)單，通過(guò)控制策略的修改在電控機(jī)型上都可以實(shí)現(xiàn)，單由于氣門繼續(xù)正常啟閉，存在較高的泵氣損失，節(jié)油效果并不顯著，部分工況下甚至出現(xiàn)油耗升高的現(xiàn)象，因此基本不使用該方案;②部分氣缸停止供油，氣門正常正常啟閉并將工作缸的廢氣引入以減小泵氣損失;該方案由于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)改動(dòng)太大而難以實(shí)現(xiàn)，且由于柴油機(jī)的工作方式不同，此方案對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失影響不明顯，僅適用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī);③斷油的同時(shí)停止氣門的運(yùn)動(dòng)，稱為閉缸式停缸;空氣密封在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸中對(duì)外部沒(méi)有工質(zhì)的交換，最大限度的減小了泵氣損失，因此此方案節(jié)油效果最佳，且在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)有量產(chǎn)機(jī)型的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，借鑒到柴油機(jī)上可節(jié)省大量研發(fā)時(shí)間。

綜上，本文對(duì)柴油機(jī)停缸方案的研究基于上述閉缸模式。

1? 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)及機(jī)構(gòu)

本研究工作基于一臺(tái)直列六缸高壓共軌直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)使用的BOSCH高壓共軌燃油系統(tǒng)，WG增壓器，下置凸輪軸，每缸四氣門;控制系統(tǒng)為BOSCH EDC17電控系統(tǒng)，可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)每缸噴油器供油的控制。發(fā)動(dòng)機(jī)氣門停止機(jī)構(gòu)沒(méi)有現(xiàn)成可用的電控執(zhí)行器，為實(shí)現(xiàn)氣門運(yùn)動(dòng)停止的功能，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的工裝用以切斷推桿對(duì)搖臂的動(dòng)力傳輸，試驗(yàn)前需要對(duì)停缸目標(biāo)氣缸進(jìn)行工裝的安裝。試驗(yàn)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架

本次試驗(yàn)研究工作在電力測(cè)功機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行，臺(tái)架硬件配置如表2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)研究工況選取為發(fā)動(dòng)機(jī)工作全工況范圍，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)正常狀態(tài)（六缸工作）、五缸工作、四缸工作、三缸工作狀態(tài)下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了外特性、負(fù)荷特性、倒拖及怠速的測(cè)試，另外還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)六缸均不工作狀態(tài)的倒拖功率也做了測(cè)試。

試驗(yàn)重點(diǎn)研究不同的停缸數(shù)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)性能的影響。倒拖工況用于研究不同停缸數(shù)量下發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失大小的變化規(guī)律;正常燃燒工況用于研究不同停缸數(shù)量下發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的變化規(guī)律;怠速工況用于研究整車使用時(shí)長(zhǎng)時(shí)間怠速情況的節(jié)油可性能。本次停缸方案試驗(yàn)研究中，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)為量產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同停缸方案對(duì)倒拖功率的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)的倒拖功率包括摩擦損失、泵氣損失和附件損失三部分。對(duì)氣缸進(jìn)行閉缸式停缸操作后認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失和附件損失不變，倒拖功率的降低可用于評(píng)價(jià)停缸后發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失減小的情況。整車使用時(shí)，倒拖功率降低可以明顯增加發(fā)動(dòng)機(jī)帶檔滑行時(shí)的滑行距離，是降低整車使用油耗的優(yōu)化方向之一。

本次試驗(yàn)研究了關(guān)閉不同數(shù)量的氣缸后發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖功率的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，在倒拖前發(fā)動(dòng)機(jī)先運(yùn)行熱機(jī)，待水溫達(dá)到88±5℃，機(jī)油溫度達(dá)到90±2℃時(shí)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門歸零，ECU保持上電狀態(tài)，由測(cè)功機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)從高轉(zhuǎn)速依次運(yùn)行到低轉(zhuǎn)速，并記錄每個(gè)轉(zhuǎn)速下相應(yīng)的性能指標(biāo)參數(shù)。由于斷缸需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行工裝的安裝，因此在測(cè)試六缸均不工作狀態(tài)需要先將發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)至油水溫度稍高狀態(tài)，迅速完成工裝安裝后待發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻到目標(biāo)水溫油溫狀態(tài)后進(jìn)行測(cè)試，而在研究其余狀態(tài)時(shí)由工作缸將發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)到目標(biāo)水溫油溫狀態(tài)后可直接進(jìn)入測(cè)試。

以上數(shù)據(jù)顯示，泵氣損失在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的占比接近總倒拖功率的60%?？梢?jiàn)，氣門常閉可以有效減小泵氣損失，關(guān)閉的氣缸越多，倒拖阻力越小，證明閉缸模式對(duì)于停缸技術(shù)的適用性，整車運(yùn)行時(shí)滑行狀態(tài)使用閉缸模式適當(dāng)停缸可以增加整車滑行距離節(jié)省燃油。

2.2 閉缸停缸與僅斷油停缸時(shí)怠速對(duì)比

在研究閉缸停缸策略對(duì)怠速性能影響的同時(shí)，也對(duì)僅斷油停缸的方式進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，從工作穩(wěn)定性考慮，停止工作的氣缸最多不超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)總氣缸數(shù)量的一半。由于閉缸模式下氣缸內(nèi)的氣體相當(dāng)于空氣彈簧，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于僅斷油的停缸方式。測(cè)試數(shù)據(jù)也顯示，閉缸模式下停止工作的氣缸數(shù)量越多發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速油耗量越低，而僅斷油的停缸方式?jīng)]有明顯的節(jié)油效果，在停缸數(shù)量較多時(shí)怠速油耗還有上升的趨勢(shì)。因此，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間怠速使用情況的車輛，使用閉缸模式的停缸技術(shù)可以得到較明顯的節(jié)油表現(xiàn)。本文以下部分所訴的停缸所指的都為閉缸模式的停缸。

2.3 不同停缸方案在發(fā)動(dòng)機(jī)全運(yùn)行工況的性能表現(xiàn)

為全面研究各停缸方案對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)全工況區(qū)域的性能影響，對(duì)各停缸方案（五缸工作、四缸工作、三缸工作）進(jìn)行了從標(biāo)定轉(zhuǎn)速到行車怠速轉(zhuǎn)速（2300～700r/min）間隔步長(zhǎng)為200r/min的各轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與六缸正常工作時(shí)進(jìn)行對(duì)比，可得到各停缸方案下可達(dá)到節(jié)油效果的區(qū)域如圖3～圖5所示。

圖3-圖5中綠色部分區(qū)域即為相對(duì)于六個(gè)氣缸都正常工作時(shí)油耗率可以降低的工況區(qū)域，區(qū)域的分界線即為相互對(duì)比的兩種工作狀態(tài)下柴油機(jī)的等油耗率曲線。

同樣，將五缸工作與四缸工作對(duì)比，將四缸工作與三缸工作對(duì)比，可得到每種斷缸方案間相對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的區(qū)域，如圖6～圖7所示。

將發(fā)動(dòng)機(jī)六缸正常工作時(shí)的外特性扭矩曲線、各停缸方案狀態(tài)下的外特性扭矩曲線以及各停缸方案間等油耗率的扭矩曲線繪制在同一坐標(biāo)系中可得到清晰顯示出各停缸方案可運(yùn)行區(qū)域及優(yōu)勢(shì)運(yùn)行區(qū)域的總圖，如圖8所示。

由五缸工作與六缸工作等油耗率扭矩曲線和四缸工作與五缸工作等油耗率扭矩曲線圍成的區(qū)域則是五缸工作最佳工作區(qū)域;由四缸工作與五缸工作等油耗率扭矩曲線和三缸工作與四缸工作等油耗率扭矩曲線圍成的區(qū)域則是四缸工作最佳工作區(qū)域;三缸工作與四缸工作等油耗率扭矩曲線下方則是三缸工作的最佳區(qū)域;其余區(qū)域則保持六缸都正常工作才能得到最佳性能，如圖9所示。

2.4 使用停缸技術(shù)后發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能預(yù)測(cè)

按照上文分析得出的各停缸方案的最佳分布區(qū)域，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)重新擬合出停缸優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線;從優(yōu)化前后的油耗率曲線可以明顯看出，優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù)荷油耗率顯著下降，50Nm以上區(qū)域最大降低幅度可達(dá)約40g/kWh，最大百分比約為13%，節(jié)油效果顯著，如圖10。

同樣方式可以得到停缸優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度、排溫、進(jìn)氣量曲線（圖11～圖13），停缸優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度基本與原機(jī)相當(dāng);而排氣溫度明顯上升，在使用了停缸技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷區(qū)域，排氣溫度上升了50～120℃;停缸區(qū)域進(jìn)氣流量最大下降幅度達(dá)到300kg/h，降幅達(dá)50%。

停缸優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)中速低負(fù)荷區(qū)域（WHTC關(guān)鍵區(qū)域）的排氣溫度從200℃上升到325℃，從典型的釩基催化器效率曲線（圖14）上可以看出催化器效率可從約60%提升到90%以上，極大的降低了整車實(shí)際運(yùn)行時(shí)NOx排放的控制難度。

3? 結(jié)論

①閉缸模式的停缸技術(shù)可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷的燃油經(jīng)濟(jì)性，且負(fù)荷越小效果越顯著;

②隨著負(fù)荷的減小，停缸數(shù)量相應(yīng)增加可獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn);

③停缸技術(shù)可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷區(qū)域的排氣溫度并降低排氣流量，有利于SCR后處理效率的發(fā)揮，降低NOx排放控制難度，是控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放的有效手段;

④在量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上僅通過(guò)增加氣門控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閉缸停缸模式所得到的節(jié)油區(qū)域覆蓋范圍有限，通過(guò)空氣系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)匹配可進(jìn)一步得到增加;

⑤停缸系統(tǒng)的應(yīng)用還需要設(shè)計(jì)更合理的控制策略，比如增加隨機(jī)停缸策略以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng);增加駕駛需求預(yù)測(cè)策略以實(shí)現(xiàn)停缸模式的平滑切換和提高重加速時(shí)的響應(yīng)性;增加停缸機(jī)構(gòu)精細(xì)控制策略以精確控制停缸機(jī)構(gòu)介入和退出的時(shí)機(jī)，減小沖擊延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用壽命等。

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