大众奥迪轿车V8增压燃油分层直喷式汽油机（三）

◆文/江苏　范明强

大众奥迪轿车V8增压燃油分层直喷式汽油机（三）

◆文/江苏范明强

范明强

(本刊编委会委员)

教授级高级工程师，参加过陕西汽车制造总厂的筹建工作，主管柴油机的产品开发；1984年调往机械工业部无锡油泵油嘴研究所，曾任一汽无锡柴油机厂 、第一汽车集团公司无锡研究所高级技术顾问、湖南奔腾动力科技有限公司总工程师。

(接2016年第5期)

十五、汽缸切断及其节油效果

汽缸按需工作的汽缸切断系统，并与发动机启停系统相结合是新的4.0L-V8-TFSI增压直喷式汽油机降低燃油消耗的一个重要因素。

四根凸轮轴的气门关闭是由AVS可变气门升程系统(参见图6)实现的：由AVS电磁执行器控制可在凸轮轴上来回活动的轴套携带着作为附加廓线的零升程凸轮(即具有360°基圆而其廓线升程为零的凸轮片)移动，当零升程凸轮移动到摇臂上方旋转时，不会操纵其下的摇臂动作，气门弹簧就使气门保持关闭状态。AVS可变气门升程机构可在一个工作循环内实现转换，按照V8-TFSI汽油机的点火次序(1-5-4-8-6-3-7-2)每隔一个汽缸被切断，于是就得到一个经调节后的汽缸点火次序(1-4-6-7)，从而一列汽缸的内侧两缸气门(绿色所示)停止动作，而另一列汽缸的外侧两缸气门(绿色所示)停止动作(图13)。这样，仍处于工作状态的汽缸的运行工况点就被移向较高的负荷，因而提高了工作效率，节油效果大部分是由于充气消除了节流而导致的，而摩擦和壁面热传导的减少则进一步产生了有利的效果。图14示出了在不同行驶状况下汽缸切断的节油效果。

图13　汽缸切断转换示意图

图14　在不同行驶状况下汽缸切断的节油效果

开发这种汽缸切断系统的最大挑战是要让乘客感觉不到发动机在所有汽缸和一半汽缸工作之间转换，同时这种转换必须被设计得将转换瞬间不可避免的短暂的效率损失减小到绝对最小的程度。驾驶员内容广泛的预告有助于避免例如在环形交通行驶时发生非常短暂的对节油反而不利的汽缸切断阶段。

十六、汽缸切断的运行范围

只要满足下列条件，就属于汽缸按需工作(COD)系统的运行范围：

① 冷却水温度必须高于门槛值30℃；

② 变速器挡位必须处于3挡或更高挡位；

③ 发动机转速必须处于960～3 500r/min；

④ 发动机处于中低负荷时汽缸切断系统才起作用；根据发动机转速的不同，其上限大约处于25～40%最大扭矩之间，这相当于160～250Nm之间。

发动机一半汽缸和全部汽缸运行之间能够如此快速地转换，以致于在装用自动变速器的S系列车型上或处于所谓的动态模式(Dynamic-Modus)时汽缸切断功能也能被激活。原则上，采用先进的自动车速仪恒速行驶时达到最大的节油效果。驾驶员能够从组合仪表的驾驶员信息显示屏上得知发动机运行状态(图15)，在发动机以一半汽缸运行时组合仪表上指示燃油消耗的横标显示绿色，因此驾驶员能够选择经常应用4个汽缸节油运行的行驶模式。

十七、转换过程

当预告存在相应的运行前提条件并且评定行驶状态足够长，因而有节油效果值得以一半汽缸运行时，发动机就转换到4个汽缸运行。在转换阶段，首先汽缸充量增加到大约两倍，通过点火时刻在时间上的延迟，使得发动机的输出扭矩保持在恒定不变的水平。但是，在这样的转换阶段期间(图16)，短暂的效率损失是不可避免的。在充量补偿完成后，AVS执行器就进行控制，从而使得气门在进气行程以后就停止动作，喷油也被切断。在此期间，继续工作的汽缸的点火时刻将向早的方向移动，点火角—效率曲线就回跳到其最佳值。在紧接着的4个汽缸运行时，同样也会因点火角而短暂影响到扭矩，同时例如被切断汽缸中的气体弹簧效应也会影响到总的扭矩，因而应同步修正点火角。其主要的理由之一是较冷的新鲜空气替代废气被封闭在汽缸中就能将气体弹簧效应减小到最小程度，这就改善了扭矩计算的精确度，而且减小了活塞环的压紧力，但总的效果是因汽缸中封闭着新鲜空气，带有效率损失所提供的扭矩总是有所减小。重新恢复到8个汽缸运行的过程原则上是与汽缸切断过程对称进行的。

为了减少转换时刻所增加的燃油消耗，汽缸切断明显在充量建立完成前触发。为此，已特意为转换过程开发了一个调节器，它能够尽可能快速地建立起充量。通过调节器与转换触发的协调配合，在汽缸切断时刻能精确地进行正确的充气，从而能将转换时间缩短一半以上，使得转换时刻的燃油消耗甚至被降低到三分之一。另一个最佳方案是通过4个汽缸分级退出工作状态进行转换，但是采用这种方法并不能进一步显著减小转换时刻的效率损失。由于转换时刻所达到的扭矩控制精度，可放弃开启变速箱变扭器的跨接，从而将避免进一步损害转换期间的燃油消耗。

图16　汽缸切断的转换过程示意图

十八、驾驶员意愿预告及其预告参数

如上文所述，优化的转换过程仅使得燃油消耗短时间稍有提高。为了补偿这种燃油消耗的增加，则发动机必须根据负荷工况点将停留在有利于燃油消耗的以一半汽缸运行的状态保持至少4s，那么才值得转换到4个汽缸运行的模式。因此，重要的是要避免极短暂的以一半汽缸运行，其中就要应用到驾驶员意愿预告。驾驶员意愿预告的基本思想是根据发动机电控单元中可提供的测量参数预报下一瞬间发动机的负荷需求。

在开发相应算法的前期，应通过相关的分析查明各个测量参数对所期望的一半汽缸运行时期长度的重要性。所有由发动机采集到的测量参数都被用作输入参数，例如行驶速度、车速等级、加速踏板位置、制动压力、转向角度、负荷点和道路坡度等，它们都与驾驶员和汽车行驶状态直接相关联。判断时间点前以及直至判断时间点的各个不同时刻的这些参数，及其微分和积分都被用作相关分析的输入参数，这样得到的这些重要的评估参数是开发相应算法的基础。

图17示出了由此所减少的不希望出现的过于短暂而对燃油消耗并非有利的汽缸切断次数。这些算法的效率明显高于转换到4个汽缸运行模式前的总滞后时间，而这种滞后时间也缩短了足够长的发动机一半汽缸运行的时间，因而也就减小了节油潜力。驾驶员预报的另一个结构分级包括导航数据在内，因此有可能进一步缩短过于短暂的发动机一半汽缸运行的时间。

图17　驾驶员预报对可避免的过于短暂的汽缸切断次数的影响

十九、汽车上的汽缸切断—主动系统

在热力学上有意义的范围内应用汽缸切断功能总是与发动机第二阶振动激励(恰好处于4个汽缸运行模式中的较高负荷)增大联系在一起，而这种影响在S系列车型上被两种主动系统有效地克服了。被称之为“主动噪声抵消”系统(ANC=Active Noise Cancellation)采取有针对性地抵消音响的方法来消除不希望有的噪声，其中应用了毁灭性干涉的原理：当两个频率相同的波重叠时，它们的振幅彼此相互抵消，为此所需的前提条件是它们的振幅相同而相位彼此相互错开180°，而抵消音响则由音响装置的扩音器辐射，但是不管音响装置打开还是关闭，主动噪声抵消系统始终起着作用。与开发主动噪声抵消系统的同时，奥迪公司还开发了第二个系统—主动发动机支承系统，它能抵消发动机以4个汽缸运行时所产生的第二阶振动，这种支承系统能产生相位正好相反的反振动(图18)。这种主动发动机支承系统在始终是所有8个汽缸运行的怠速运转时仍能发挥作用，此时还能够消除发动机的第四阶振动。

图18　降低汽车噪声的主动系统

(全文完)