發(fā)動機可變氣缸數(shù)控制技術(shù)綜述

張飄飄，吳義祥，馮小雨，劉一揚，曹新杰

鄭州財經(jīng)學(xué)院智能工程學(xué)院，河南鄭州 450000

0 引言

近年來，隨著資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的持續(xù)推進，環(huán)境保護意識日益增強，節(jié)能減排刻不容緩，同時使得汽車設(shè)計人員及消費者對燃油經(jīng)濟性的要求越來越高。目前常用的提高燃油經(jīng)濟性的途徑有改進燃燒室、提高壓縮比、減少機械零件傳動的摩擦損失等。豪華轎車通常都采用V6、V8甚至V12的多氣缸大排量引擎，但大多數(shù)情況下，并不需要大功率的輸出，大排量引擎就顯得有點浪費?？勺儦飧讛?shù)控制技術(shù)可以控制發(fā)動機工作時的氣缸數(shù)，在無需對發(fā)動機進行機械結(jié)構(gòu)上重大改造的同時減少燃油消耗量。

發(fā)動機可變氣缸數(shù)控制技術(shù)，即在低負荷情況下，使部分氣缸停止工作，增加工作氣缸的負荷率；當車輛進行爬坡、加速、起步等全負荷工況時，發(fā)動機的氣缸會全部投入工作；當車輛以中低速狀態(tài)行駛時，工作的氣缸數(shù)會適當減少。簡單來講，就是一種能夠根據(jù)道路情況或者駕駛員駕駛狀態(tài)對發(fā)動機氣缸工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)的一項節(jié)能和環(huán)保技術(shù)，使發(fā)動機盡可能工作在低燃油消耗率和低排放工作區(qū)內(nèi)，從而改善車輛的經(jīng)濟性和排放性能。對于發(fā)動機的可變氣缸數(shù)控制技術(shù)，可挖掘潛力很大，本文綜述了發(fā)動機的可變氣缸數(shù)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 可變氣缸數(shù)控制技術(shù)發(fā)展歷史

1980年，美國通用在第二代凱迪拉賽威發(fā)動機上采用了全新鑄鋁缸蓋的HT-4100 V8引擎，該引擎成為世界上第一臺可變氣缸技術(shù)引擎，在不需要大功率輸出時，可關(guān)閉1/2氣缸，以減少燃油的消耗。20世紀80年代BMW公司研制的可變氣缸數(shù)發(fā)動機，在部分負荷下6個缸僅用3個氣缸燃燒工作，因此發(fā)動機的排量有2.8 L和3.5 L兩種。投入市場的BMW732I型發(fā)動機即采用這種結(jié)構(gòu)，該發(fā)動機3個氣缸運轉(zhuǎn)的時間占總時長的85%，在歐洲城市街道上行駛可以節(jié)省約25%的燃料。1982年2月投放市場的海市蜃樓II型轎車和槍騎兵轎車同樣采用的是奧利安可變排量發(fā)動機，由三菱汽車工業(yè)公司研制，根據(jù)車輛行駛狀態(tài)改變工作氣缸的數(shù)目，與裝有同樣發(fā)動機而強制4缸工作的車輛相比，油耗低20%。1996年3月日產(chǎn)汽車公司研制了E型發(fā)動機，并裝在“脈沖星”牌轎車上，可在汽車行駛時自動改變發(fā)動機工作氣缸數(shù)目?？勺儦飧准夹g(shù)理論上價值高，但受限于當時的計算機技術(shù)，引擎采用機械方式來控制，不僅噪聲大，而且穩(wěn)定性差，小概率情況下會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，因此限制了可變氣缸技術(shù)的發(fā)展。

2 可變氣缸數(shù)控制技術(shù)現(xiàn)狀

目前具有代表性的可變氣缸數(shù)控制技術(shù)有本田汽車的VCM技術(shù)、奔馳汽車的MDS技術(shù)、通用汽車的DOD技術(shù)以及大眾汽車的ACT技術(shù)等。

2.1 VCM技術(shù)

VCM(variable cylinder management)是本田公司的一種可變氣缸管理技術(shù)，最早運用VCM技術(shù)的車型是2005款的Accord Hybrid車和2005款的Honda Odyssey車。該技術(shù)通過采用關(guān)閉氣缸方法，使3.50 L的V6發(fā)動機在3、4、6缸變化，即發(fā)動機排量在1.75～3.50 L變化。借助3、4、6缸的3種工作模式，VCM系統(tǒng)可對節(jié)氣門開度、車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、自動變速箱擋位選擇及其他因素進行監(jiān)測，以針對各種工作狀態(tài)確定適宜的氣缸啟用方案，使其隨時與行車要求保持一致。由于VCM系統(tǒng)會自動關(guān)閉非工作缸的進氣門和排氣門，所以可避免與進、排氣相關(guān)的吸排損失，進一步提高了燃油經(jīng)濟性。

VCM系統(tǒng)的核心部件是單頂置凸輪軸的智能可變氣門升程控制(i-VTEC)機構(gòu)，通過VTEC關(guān)閉進、排氣門，以中止特定氣缸的工作，并由動力傳動系控制模塊切斷這些氣缸的燃油供給。但是，非工作缸的火花塞會繼續(xù)點火，以減緩火花塞的溫度降低速度。為了使氣缸數(shù)量的變換能夠平穩(wěn)進行，VCM系統(tǒng)會確定發(fā)動機機油壓力、催化轉(zhuǎn)化器的溫度，同時調(diào)整點火正時、線控節(jié)氣門的開度，并相應(yīng)地啟用或解除變矩器鎖定。3、4、6缸3種工作模式的變換不會造成發(fā)動機動力瞬時性中斷，變換過程駕駛員幾乎覺察不到。

2.2 MDS技術(shù)

MDS(multi-displacement system)多級可變排量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)最早在2005年應(yīng)用在HEMI發(fā)動機上,是奔馳特有的發(fā)動機技術(shù)。發(fā)動機的挺柱上設(shè)計了獨特的滑塊結(jié)構(gòu)，滑塊與氣門推桿相連，滑塊下方設(shè)有可定位的卡銷，卡銷上帶有回位彈簧?？ㄤN可使滑塊與挺柱成為一體推動氣門頂桿，或使滑塊與挺柱批次分離發(fā)生相對移動。發(fā)動機正常工作時卡銷使滑塊與挺柱相對靜止，挺柱推動推桿驅(qū)動氣門搖臂，控制氣門開閉；發(fā)動機需要關(guān)閉氣缸時，卡銷松開滑塊與挺柱相對移動，無法推動推桿，便實現(xiàn)關(guān)閉氣門的效果，同時ECU控制停止向該氣缸噴油，進而達到發(fā)動機排量可變的目的。該系統(tǒng)使發(fā)動機工作氣缸在8缸和4缸之間隨意切換,極大提高了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性?？巳R斯勒大量測試結(jié)果表明，車輛在市區(qū)和高速公路行駛時MDS的使用率為17%和48%，總體平均使用率為40%，在各種行駛條件下,燃油經(jīng)濟性將提高10%～20%。MDS的靈敏度非常高，氣缸的切換僅需要0.04 s。迅捷地切換速度不僅節(jié)約燃油，不影響駕駛員駕駛，而且保證了乘坐的舒適性。

2.3 DOD技術(shù)

DOD(displacement on demand)可變排量技術(shù)，是美國通用公司2004年推出的節(jié)能技術(shù)，通過細分引擎工作狀態(tài)，在發(fā)動機負荷較小的情況下，將發(fā)動機的6缸燃燒智能切換成3缸燃燒，從根本上減少工作缸數(shù)，以最直接的方式達到節(jié)省燃油、降低排放的雙重功效；當急加速或爬坡需要加大動力時，DOD又會啟動所有氣缸，快速提升發(fā)動機的動力輸出能量。發(fā)動機工作缸數(shù)量的切換非常迅速，在以毫秒計的時間內(nèi)完成，對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速影響微乎其微。這種6缸和3缸智能切換排量技術(shù)，可降低2%～8%的燃油能耗。

2.4 ACT技術(shù)

ACT(active cylinder management)主動式可變氣缸管理系統(tǒng)，通常而言，可變氣缸數(shù)控制技術(shù)更多是應(yīng)用在大排量發(fā)動機上，但大眾此前發(fā)布的EA211系列發(fā)動機中的1.4TSI發(fā)動機同樣采用了該技術(shù)，也是第一家在4缸發(fā)動機中采用主動氣缸管理系統(tǒng)作為節(jié)油技術(shù)的制造商。工程師在進氣與排氣兩根凸輪軸上方裝上了兩組嚙合系統(tǒng)的控制裝置，凸輪是可以橫向移動的，它們負責控制第2和第3氣缸。當需要停止氣缸工作時，便會向控制單元下達指令，讓導(dǎo)向柱下行伸進偏移軌道，進而移動整根凸輪軸、讓凸輪從原本頂壓氣門的位置挪開，此時第2和第3氣缸的氣門搖臂頂?shù)綀A輪，圓輪在旋轉(zhuǎn)時不會再推動搖臂，氣門就暫時關(guān)閉了，此時噴油嘴停止噴油，第2和第3氣缸停止進氣與燃燒動作。如果控制單元接收到氣門恢復(fù)工作的指令，那么負責重新開啟氣缸的另一根導(dǎo)向柱下行，重新讓凸輪回到原本位置上，第2和第3氣缸的氣門可以正常開閉。與其他可變氣缸技術(shù)一樣，氣缸的切換可以在極短的時間內(nèi)完成，官方數(shù)據(jù)表示氣缸的停止與重啟僅需要13～36 ms。

ACT系統(tǒng)可在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 250～4 000 r/min的區(qū)間內(nèi)工作，因此絕大部分的工作區(qū)間都可以控制氣缸數(shù)量，很好地節(jié)省燃油。搭載ACT技術(shù)的高爾夫7 1.4TSI車型百公里油耗為4.8 L。

2.5 其他可變氣缸數(shù)控制技術(shù)

奧迪氣缸按需運行系統(tǒng)，奧迪A8L 4.0 TFSI和S8、S6搭載的高低不同功率版本的4.0 L V8 TFSI雙渦輪增壓發(fā)動機，便具備氣缸按需運行系統(tǒng)的變缸技術(shù)。在部分符合要求下，發(fā)動機由8氣缸切換為4氣缸工作狀態(tài)，切換為2.0 L的V4發(fā)動機。蘭博基尼變缸技術(shù),2013款的Aventador搭載的V形12缸發(fā)動機便具備發(fā)動機變缸技術(shù)，6缸切換至12缸時需耗時180 ms，同時需要鋰電池組作為啟動能源。

3 發(fā)動機可變氣缸技術(shù)缺點

可變氣缸技術(shù)確實可以減小燃油消耗,但也很可能打破發(fā)動機原有的動平衡,特別是對于像本田J35發(fā)動機,當處在3缸工作狀態(tài)時，V6發(fā)動機只有一側(cè)的3缸處在工作狀態(tài)，而另一側(cè)的3缸處于休眠狀態(tài)，發(fā)動機就會處于不平衡的狀態(tài)。大眾的EA211發(fā)動機第2和第3氣缸關(guān)閉時，保留1、4缸工作，發(fā)動機原有的平衡被打破，使得振動加劇,進而增加發(fā)動機工作噪聲。

工程師對這些可變氣缸技術(shù)中產(chǎn)生的問題進行了研究,但沒有完全解決這些問題，這或許也是小排量發(fā)動機沒有大規(guī)模應(yīng)用該技術(shù)的原因，這就需要汽車領(lǐng)域方面的工程師繼續(xù)完善該技術(shù)。如果這項技術(shù)在未來能得到廣泛的應(yīng)用，將會對汽車行業(yè)產(chǎn)生深遠的影響，對汽車未來的研究做出重大貢獻，對環(huán)境的保護也大有益處。

4 結(jié)束語

發(fā)動機可變氣缸數(shù)控制技術(shù)既能夠滿足較大排量發(fā)動機動力性的要求，又能符合燃油經(jīng)濟性和環(huán)保的要求，在需要時爆發(fā)強大動力，而日常使用時維持低油耗。目前小排量發(fā)動機可變氣缸技術(shù)尚不成熟，隨著時間的推移，這項技術(shù)在未來會逐步趨于完善。不論燃油汽車、混合動力汽車還是純電動汽車，最大限度地降低能耗，是汽車領(lǐng)域長久的發(fā)展方向。